Tecnologias HMDs para Realidade Aumentada – PARTE 6

On 16 de maio de 2016 by Thiago D'Angelo

Características dos Head Mounted Display – HMD –  para Realidade Aumentada (Continuação)

Neste último texto da série de artigos, apresentaremos as principais características restantes que definem a qualidade de um HMD para AR.  Trataremos sobre as seguintes características dos HMDs: distorções e aberrações óticas, consistência pictórica, multimodalidade e percepção de contexto. Além disso, vamos mostrar como essas características se relacionam com os aspectos construtivos dos HMDs, fornecendo exemplos de HMDs que já foram desenvolvidos. Ao final, iremos destacar alguns aspectos importantes de experiência de usuário relacionados aos HMDs de AR .

Distorções e Aberrações nos HMDs

As distorções da imagem e as aberrações, em realidade aumentada, podem causar registro incorreto da imagem virtual, renderização incorreta da profundidade dos objetos (virtuais e reais), fadiga ocular e, até mesmo, desorientação do usuário. Em um HMD estéreo, as diferenças entre as distorções da imagem da esquerda e da direita devem ser minimizadas para que seja possível alcançar a visão estereoscópica correta. O movimento rápido da cabeça também pode gerar um incômodo pela separação de cores em dispositivos que usam sistemas sequenciais de cores.

As lentes e espelhos curvos podem introduzir uma variedade de aberrações óticas. É possível corrigir as distorções óticas eletronicamente, bastando distorcer a imagem original, de maneira corretiva, antes de transmiti-la pelo dispositivo gerador de imagens.

 

Figura 1: (a) Tipos de Distorção Ótica [2]; (b) Exemplo de Distorção Ótica [4].

Figura 1: (a) Tipos de Distorção Ótica [2]; (b) Exemplo de Distorção Ótica [4].

Aberrações cromáticas ocorrem devido ao poder de refração das lentes. Para compensar, lentes acromáticas são normalmente utilizadas. Considerando que displays full-color na verdade têm apenas componentes RGB, as aberrações cromáticas podem ser compensadas fazendo uma pré-distorção de forma separada em cada um dos canais R, G e B.

Figura 2: Exemplo de Aberração Cromática [3].

Figura 2: Exemplo de Aberração Cromática [3].

Aberrações esféricas são causadas pela forma esférica da superfície da lente. Com o deslocamento lateral do olho, a imagem fica distorcida e embaçada. Nesses casos, as técnicas de pré-distorção da imagem não são eficientes para corrigir o problema, logo é preferível o uso de lentes asféricas e/ou acromáticas evitar o problema.

 

Figura 3: Comparação entre Lentes Esférica e Asférica [5].

Figura 3: Comparação entre Lentes Esférica e Asférica [5].

Consistência Pictórica nos HMDs

A consistência pictórica entre as imagens reais e virtuais é importante para o senso de realidade, bem como para a visibilidade das informações de sobreposição. Por exemplo, o brilho e o contraste da imagem virtual devem ser ajustados para que se assemelhem ao brilho e ao contraste da imagem real. Em um HMD com visualização aumentada por sistema ótico, é difícil combinar o brilho e contraste das imagens virtual e real para uma ampla faixa de valores de luminosidade da cena real. Em HMDs com visualização aumentada por vídeo, a consistência pictórica é mais facilmente alcançada.

 

Multimodalidade nos HMDs

A visão é uma modalidade primária na em realidade aumentada. A maioria dos estudos e aplicações de realidade aumentada é orientada a visão. No entanto, outros sentidos também são importantes. Literalmente falando, sistemas de realidade aumentada buscam qualquer tipo informações sensoriais. Receptores de sentidos especiais (incluindo audição, olfato, paladar e a sensação de equilíbrio) estão localizados na cabeça, assim, um dispositivo montado na cabeça (Head-Mounted Device) é uma boa escolha para modular essa informação sensorial. Por exemplo, um fone de ouvido com cancelamento de ruído é considerado um head-mounted display para audição, no sentido em que ele combina o som modulado do mundo real com som digital. Recentemente, têm sido propostos diversos HMDs para sentidos não visuais.

 

Figura 4: Funcionamento de Head-Mounted Device para cancelamento de ruído [6].

Figura 4: Funcionamento de Head-Mounted Device para cancelamento de ruído [6].

Algumas informações sensoriais são mais difíceis de reproduzir do que outras. Entretanto, a interação dos diferentes sentidos pode ser utilizada para resolver esse problema. Desta forma, displays multimodalidade têm um grande potencial em termos de complementar e auxiliar sentidos ausentes. Sendo assim, será cada vez mais importante explorar diferentes tipos de sentidos sob a forma de HMDs.

 

Figura 5: Sistema Wearable de Telepresença usando Comunicação Multimodal com Robô Humanoide [7].

Figura 5: Sistema Wearable de Telepresença usando Comunicação Multimodal com Robô Humanoide [7].

Percepção de Contexto nos HMDs

Ao contrário de smartphones ou smartwatches, um HMD pode se tornar um incômodo caso os usuários tenham que colocá-lo e tirá-lo com frequência. Uma perspectiva futura para os HMDs é que eles se tornem leves, pequenos e confortáveis, de modo que os usuários possam usá-los continuamente por um longo período de tempo durante o dia para diversas finalidades. No entanto, um HMD poderá ser inútil ou mesmo prejudicial, quando o conteúdo que ele estiver mostrando não for relevante para o contexto atual do usuário. Este problema é menos proeminente quando se trata de um HMD para wearable computing, onde o campo de visão é relativamente pequeno e mostrado fora do centro de visão do usuário. Entretanto, esse problema se torna crucial quando se trata de um HMD para realidade aumentada, uma vez que se espera que se tenha um amplo campo de visão aumentada cobrindo o campo de visão central do usuário. Em tais situações, um sistema de realidade aumentada deve ser ciente dos contextos ambientais do usuário e deve mudar seu conteúdo e estilo de apresentação corretamente e de forma dinâmica de acordo com contexto.

 

Aspectos de Experiência do Usuário nos HMDs

 

Figura 6: Optinvent Ora – HMD com visualização por sistema ótico – não bloqueia o campo de visão periférica, possui uma aparência semelhante aos óculos comuns e uma estrutura compacta [9].

Figura 6: Optinvent Ora – HMD com visualização por sistema ótico – não bloqueia o campo de visão periférica, possui uma aparência semelhante aos óculos comuns e uma estrutura compacta [9].

Os HMDs utilizados de forma inadequada podem induzir sintomas indesejáveis, como dores de cabeça, rigidez do ombro, enjoo, ou até mesmo danos mais graves à saúde do usuário. De um ponto de vista ergonômico, um HMD deve ser o mais leve, pequeno e confortável de usar quanto possível. Além disso, o visual e a aparência dos HMDs devem satisfazer os requisitos da aplicação. O centro de massa de um HMD deve ser posicionado o mais próximo possível da cabeça do usuário. Um HMD pesado e bem equilibrado pode parecer muito mais leve para o usuário do que um HMD leve e mal equilibrado.

 

Figura 7: Vissete45SXGA – HMD com sistema de visão aumentada por vídeo – bloqueia o campo visão periférica, não possui uma aparência comum e a estrutura não é compacta [8].

Figura 7: Vissete45SXGA – HMD com sistema de visão aumentada por vídeo – bloqueia o campo visão periférica, não possui uma aparência comum e a estrutura não é compacta [8].

As questões de segurança são de igual importância. Por sua natureza, as aplicações realidade aumentada tendem a distrair a atenção do usuário em relação ao que acontece ao seu redor através da sobreposição de imagens virtuais sobre o ambiente real. Para evitar resultados catastróficos, aplicações de realidade aumentada devem apresentar o mínimo de informação e, ao mesmo tempo, auxiliar a realização da tarefa-alvo de maneira satisfatória. Quando a questão da segurança do usuário é considerada como de prioridade máxima, os HMDs com visualização aumentada por sistema ótico são recomendados, em detrimento dos HMDs com sistema de visão aumentada por vídeo. Isso se deve ao fato dos HMDs com sistema de visão aumentada por vídeo restringirem a visão periférica do usuário. Além disso, em caso de falha a visão central do usuário seria perdida.

 

Considerações Finais

Neste último texto da série de artigos, finalizamos a apresentação de uma abordagem teórica a respeito das tecnologias de Head Mounted Displays utilizados em sistemas Realidade Aumentada, com foco nas principais características dos HMDs para AR. 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 as distorções e aberrações óticas, a consistência pictórica, a multimodalidade e a percepção de contexto. Ao final do artigo destacamos alguns aspectos importantes de experiência de usuário que devem ser levados em consideração durante o desenvolvimento de um Head Mounted Displays para Realidade Aumentada.

 

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]       Meyer-Arendt, Jurgen R. Distortion – Lens Aberration. Disponível em: <https://www.mwit.ac.th/~physicslab/hbase/geoopt/aber3.html>.

[3]       WIKIPEDIA. Chromatic Aberration. Disponível em: <https://en.wikipedia.org/wiki/Chromatic_aberration>.

[4]       AZURE PHOTONICS. Distortion. Disponível em: <http://www.azurephotonics.com/22.htm>.

[5]       SONY. Elementos de Lente Asférica. Disponível em: <http://www.sony.net/Products/di/pt/products/lenses/advantages/>.

[6]       CIPOLI, Pedro. Bose QuietComfort 15: isolamento ativo, mas sofre com “certos tipos de música”. Canaltech. Disponível em: < http://canaltech.com.br/analise/audio-e-video/Bose-QuietComfort-15-isolamento-ativo-mas-sofre-com-certos-tipos-de-musica/>.

[7]       SEO, Yong-Ho, et. al. Wearable Telepresence System using Multimodal Communication with Humanoid Robot. ICAT 2003. Tóquio, Japão. Dezembro, 2003.

[8] CINOPTICS. Visette45SXGA Video See-Through HMD. Disponível em: <http://cinoptics.com/product/visette45sxga-videoseethrough-hmd/>.

[9] OPTINVENT. Optinvent ORA-1 Smart Glasses. Disponível em: <http://www.optinvent.com/>.

 

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Tecnologias HMDs para Realidade Aumentada
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Tecnologias HMDs para Realidade Aumentada
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Construindo um Wearable: distorções e aberrações óticas, consistência pictórica, multimodalidade e percepção de contexto.
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iMobilis
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