Características dos HMDs e AR (Continuação)

Neste post continuaremos a apresentar as principais características que definem a qualidade de um HMD como AR.  Trataremos sobre as seguintes características dos HMDs: profundidade de campo, latência e paralaxe. Além disso, vamos mostrar como essas características se relacionam com os aspectos construtivos dos HMDs, fornecendo exemplos de HMDs que já foram desenvolvidos. Nos próximos posts continuaremos a abordar outras características de grande importância na construção de HMDs.

Profundidade de Campo

A profundidade de campo refere-se ao conjunto de distâncias em relação ao olho (ou em relação a uma câmera), em que um dado objeto permanece focalizado. Na vida real, a acomodação do olho é ajustada automaticamente para focalizar um objeto de acordo com a distância, e objetos fora dessa profundidade de campo aparentam estar distorcidos. Por outro lado, a imagem virtual geralmente é observada a uma distância fixa. Sendo assim, é impossível concentrar em ambas as imagens, a real e a virtual, ao mesmo tempo utilizando um HMD de visualização aumentada por sistema ótico convencional, a menos que o objeto real focalizado esteja a uma distância próxima ou igual à distância de foco da tela virtual gerada pelo HMD.

Figura 1: HMD varifocal baseado em lente líquida [1].

Esse problema não ocorre em HMDs com visualização aumentada por vídeo, embora objetos reais capturados possam ser desfocados devido à câmera. Para evitar imagens de vídeo tremidas, é preferível que a câmera tenha foco automático ou tenha um pequeno tamanho da abertura. No entanto, a distância focal fixa da imagem virtual representa um problema, pois a acomodação e a convergência do sistema de visão humano estão intrinsecamente ligadas. Dessa forma, ajustar apenas um desses aspectos, mantendo o outro fixo, pode gerar fadiga ocular.

Figura 2: Princípio de funcionamento da lente líquida varifocal para autofoco [5].

Para focar em ambas as imagens, real e virtual, ao mesmo tempo, um projeto ótico diferente pode ser utilizado. Imagens virtuais apresentadas por VRDs (Virtual Retinal Displays) e pinlight displays aparecem claramente em foco, independentemente da distância de acomodação dos olhos do usuário. No entanto, isso nem sempre é vantajoso, especialmente quando o conteúdo é a ser apresentado trata-se de uma cena realista 3D.

Figura 3: (a) VRD desenvolvido pela Avegant [2]; (b) Protótipo do Display Pinlight desenvolvido pela UNC em parceria com a NVIDIA [3].

Latência em sistemas HMDs

Latência, em sistemas baseados em HMDs, refere-se a um intervalo de tempo contado a partir da medição do movimento da cabeça até o momento em que a imagem virtual é apresentada ao usuário. Essa diferença de tempo leva a inconsistências entre as sensações visuais. Em HMDs com visualização por sistema ótico, a latência é tida como um grave erro de registro devido ao movimento da cabeça. Esse erro pode causar enjoo, confusão e desorientação do usuário. Em tal situação, a imagem virtual oscila em torno da cena real. Em HMDs com visualização por vídeo, esse problema pode ser minimizado adicionando um atraso à imagem real capturada pela câmera para sincronizá-la com a imagem virtual correspondente ao apresentá-la para o usuário. Esta abordagem elimina a latência aparente entre as imagens real e virtual, em troca do atraso artificial introduzido na apresentação da imagem real ao usuário.

Figura 4: O Reflex HMD, desenvolvido pela Gifu University (Japão), utiliza um sensor giroscópio para detectar e corrigir problemas relacionados à latência do sistema [1].

Para compensar a latência, podem ser utilizados filtros de previsão tais como um Filtro de Kalman Estendido (EKF). Além disso, outras técnicas de renderização da imagem virtual podem ser utilizadas para diminuir a latência e seus efeitos negativos sobre o usuário.

Paralaxe em HMDs

Figura 5: O SIMVIZ, que foi construído utilizando um Oculus Rift e uma Playstation 4 Eye Camera [4].

Ao contrário dos HMDs com visualização aumentada por sistemas óticos, os HMDs com visualização aumentada por vídeo apresentam maior dificuldade de eliminar o efeito paralaxe que é causado pela diferença entre o ponto de vista do olho do usuário e o ponto de vista da câmera. A montagem de uma câmera estéreo acima do HMD introduz uma paralaxe vertical, causando uma falsa sensação de altura. Paralaxe horizontal introduz erros na percepção de profundidade. É desejável que as lentes da câmera estejam posicionadas oticamente na mesma região dos olhos do usuário para minimizar a paralaxe. Exemplos de HMDs livres de paralaxe incluem o COASTAR da Canon. O SIMVIZ, mostrado na Figura 5, teve o par de câmeras posicionado de forma que as lentes das câmeras coincidissem com a posição do olho do usuário e, assim, minimizasse a paralaxe.

Figura 6: Princípio de funcionamento do HMD livre de paralaxe da Canon [6].

Considerações Finais

No presente artigo foi apresentada uma abordagem teórica a respeito das tecnologias de Head Mounted Displays utilizados em sistemas Realidade Aumentada, com foco nas principais características dos HMDs. A visão aqui apresentada é baseada no capítulo 4 “Head-Mounted Display Technologies for Augmented Reality” presente no livro “Fundamentals of Wearable Computing and Augmented Reality” [1]. Mostramos como os aspectos construtivos  se relacionam com algumas das principais características dos HMDs, destacando a profundidade de campo, a latência e a paralaxe. No próximo artigo  continuaremos a apresentar as principais características que definem a qualidade de um HMD.

Referências

[1] KIYOKAWA, Kiyoshi. Head-Mounted DisplayTechnologies for Augmented Reality, In: BARFIELD, Woodrow. Fundamentals of Wearable Computing and Augmented Reality. Boca Raton, FL: CRC Press, 2015. p.59-84.

[2] TEW, Sarah. CNET – Avegant’s Virtual Retinal Display prototype takes Oculus Rift-style immersion to the next level. 2013. Disponível em: < http://www.cnet.com/products/avegant-virtual-retinal-display/>.

[3] HRUSKA, Joel. UNC and Nvidia collaborate on ‘pinlight display’ augmented reality breakthrough. ExtremeTech. Agosto, 2014. Disponível em: <http://www.extremetech.com/computing/187649-unc-research-team-collaborates-with-nvidia-on-augmented-reality-breakthrough>.

[4] FOLMER, Eelke. SIMVIZ: Simulation of Visual Impairments With a Wearable See-through Display. Disponível em: <https://www.youtube.com/watch?v=XQ6fehkula8 >.

[5] VARIOPTIC. Liquid Lens for Auto Focus (AF). Disponível em: <http://www.varioptic.com/technology/liquid-lens-autofocus-af/ >.

[6] CANON. Integrating the Real and Virtual Worlds. Disponível em: <http://www.canon.com/technology/approach/special/mr.html>.

Summary

Article Name

Tecnologias HMD para Realidade Aumentada

Description

Descrição dos desafios de criação de um sistema wearable de realidade ampliada.

Author

Thiago D'Angelo

Publisher Name

iMobilis

Publisher Logo