Introdução a Realidade Aumentada com HMD

Desde o final da década 1960, quando foi lançado o primeiro Head Mounted Display (HMD), houve, por parte dos fabricantes e pesquisadores, diversas tentativas de se desenvolver uma variedade de HMDs voltados para aplicações em Realidade Virtual (VR, do inglês Virtual Reality), Realidade Aumentada (AR, do inglês Augmented Reality), e para computadores vestíveis (Wearable Computers, Wearable Technology). Devido ao amplo domínio de aplicações e às limitações de tecnologia dos HMD, podemos afirmar que nenhum HMD é perfeito. Idealmente, a estimulação visual gerada pelo HMD deve ser apresentada em um campo de visão (FOV, do inglês Field of View) de 200º na horizontal e de 125º na vertical, em uma resolução angular de 0.5 min de arco, com alcance dinâmico de 80db, em uma resolução temporal de 120Hz, e deve apresentar um design de um óculos comum. Um HMD ideal é difícil de construir e, dessa forma,  determinados compromissos devem ser feitos considerando-se quais tecnologias serão utilizadas e quais são requisitos que devem ser atingidos pelo projeto. Considerando tudo o que foi dito anteriormente, torna-se extremamente importante o entendimento sobre as características, capacidades e limitações intrínsecas a cada tipo diferente de HMD.

Histórico dos HMDs

A ideia de um HMD foi patenteada pela primeira vez por McCollum em 1945. Heilig patenteou uma televisão estereoscópica HMD em 1960. Depois, ele desenvolveu um simulador de VR estacionário, chamado Sensorama Simulator em 1962, que era equipado com diversos dispositivos de entrada e saída, incluindo um display binocular que era responsável por fornecer a experiência virtual ao usuário.

 

Figura 1: (a) Esquema da Patente de McCollum [2]; (b) Esquema da Patente de Heilig [2]; (c) Sensorama Simulator [2].

Comeau and Bryan construíram o Headsight  na Philco Corporation em 1961. Este foi o primeiro HMD funcional. Este sistema se parece com os sistemas atuais de telepresença. Utilizando um sistema magnético de rastreamento e um monitor tubo de raio catódico (CRT, do inglês Cathode Ray Tube) montado num capacete, Headsight é capaz de mostrar uma imagem de vídeo remotamente de acordo com a orientação da cabeça medida pelo sistema magnético de rastreamento. A Bell Helicopter Company estudou um HMD baseado em câmera servo-controlada na década de 1960. Esse display fornecia ao piloto uma visão aumentada capturada por uma câmera infravermelha localizada debaixo do helicóptero para auxiliá-lo em pousos noturnos. Como a imagem do mundo real é aumentada em tempo real, este foi o primeiro sistema de Realidade Aumentada através de Vídeo, embora imagens geradas por computador ainda não tivessem sido utilizadas.

 

Figura3

Figura 2: Headsight da Philco Corporation [2].

O primeiro HMD com capacidade de rastreamento de cabeça e sobreposição em tempo real de imagem gerada por computador foi demonstrado por Sutherland no final da década de 1960. Esse display, chamado Sword of Damocles, tem um conjunto de ótica de transmissão baseada em CRT para cada olho. Permitindo que cada olho observe uma imagem sintética e o ambiente real simultaneamente de diferentes pontos de vista.

 

Figura2

Figura 3: Sword of Damocles desenvolvido por Ivan Sutherland [2].

Desde o início da década de 1970, a Força Aérea dos Estados Unidos tem estudado sistemas de HMD como uma forma de prover a tripulação com uma variedade de informações de voo. O primeiro sistema relativo a essa aplicação trata-se da série AN/PVS-5 de óculos de visão noturna (NVG, do inglês Night Vision Google) e foi testado primeiramente 1973. O sistema de mira com capacete e display integrados (IHADSS, do inglês Integrated Helmet And Display Sighting System) da Honeywell  é um dos mais bem sucedidos sistemas em aviação militar e foi utilizado pela primeira vez em 1985. Em 1982, Furness demonstrou o simulador de sistemas de bordo visualmente acoplado (VCASS, do inglês Visually Coupled Airborne System Simulator), o sistema de realidade virtual (VR) da Força Aérea dos Estados Unidos.

 

Figura 4: (a) Óculos de Visão Noturna PVS-5ª [3]; (b) Sistema de Mira com Capacete e Display Integrados (IHADSS) [4]; Esquema de funcionamento do Simulador de Sistemas de Bordo Visualmente Acoplado (VCASS) [5].

O sistema ótico LEEP (Large Expanse  Extra Perspective), desenvolvido em 1979 por Howledtt, tem sido largamente utilizado em VR. O sistema LEEP, originalmente desenvolvido para fotografias 3D, apresenta um amplo campo de visão estereoscópica (110º na horizontal e 55º na vertical). Em 1985, McGreevy e Fisher utilizaram o sistema ótico LEEP para o desenvolvimento do sistema VIEW (Virtual Interactive Environment Workstation) no Ames Research Center da NASA. Utilizando a ótica do LEEP, a VPL Research introduziu o primeiro HMD comercial, chamado EyePhone, em 1989. O EyePhone estimulou as pesquisas em realidade virtual em diversos institutos e laboratórios. Desde então uma grande variedade de HMDs têm sido desenvolvidos e comercializados.

 

Figura 5: (a) CyberFace utilizando sistema ótico LEEP [6]; (b) Sistema VIEW da NASA [6]; (c) VPL EyePhone Model 1 [7].

Aplicações de Realidade Aumentada baseadas em HMDs

Os HMDs têm uma variedade de aplicações em Realidade Aumentada (AR) incluindo militar, medicina, visualização científica, fabricação, educação, treinamento, navegação e entretenimento. Quando considera-se o uso de um HMD, é importante a identificação dos aspectos cruciais da aplicação alvo.

 

Figura 6: Head Mounted Display aplicado em Aviação Militar [4].

Quando a informação visual deve rodear o usuário então é preferível o uso de um HMD com amplo campo de visão. A aviação militar trata-se de um bom exemplo no que diz respeito a esse caso, já que o piloto deve enxergar em todas as direções. Através de um HMD, esse piloto poderia ver uma variedade de informações, incluindo imagem de voo, informações operacionais e táticas, assim como outras informações de voo. Nesse caso, um display monocular é normalmente suficiente, já que a maioria dos alvos está distante. Tamanho e peso do HMD são relativamente menos cruciais, pois o piloto necessita vestir o capacete de qualquer forma e, além disso, o capacete pode ficar preso e suspenso no teto do cockpit.

 

Figura 7: Das Head Mounted Display – HMD aplicado em Medicina [8].

Em situações que se exigem tarefas de manipulação com cuidado é preferível o uso de um HMD com alta resolução. Por exemplo, na visualização de Realidade Aumentada voltada para medicina, é necessária alta resolução angular assim como excelente acurácia no posicionamento da informação. A visualização com Realidade Aumentada em medicina elimina a necessidade de frequente mudança de foco entre o corpo do paciente e as imagens ao vivo de uma câmera, no interior do corpo do paciente, apresentadas em um monitor como ocorre durante procedimentos de laparoscopia e endoscopia. Visão estereoscópica também é importante para operações precisas. Amplo campo de visão, por outro lado, não é crucial, pois a imagem sobreposta só necessária em uma pequena área próxima à mão do médico.

Um HMD leve e menos cansativo é recomendado para usuários finais e/ou para tarefas com amplo espaço de trabalho. Exemplos antigos desse tipo de aplicação incluem o sistema de AR da Boeing para montagem de cabos, o sistema KARMA para manutenção, e um sistema de guia turístico vestível. Nesses sistemas, resolução moderada e boa acurácia no posicionamento da informação normalmente são suficientes. Questões como segurança e aceitação pelo usuário, como visão periférica e mecanismos para facilitar o uso do dispositivo, são mais importantes.

 

Figura 8: Knowledge-based Augmented Reality for Maintenance Assistance (KARMA) [9].

Considerações Finais

No presente artigo foi apresentada uma abordagem teórica a respeito das tecnologias de Head Mounted Displays utilizados em sistemas Realidade Aumentada. 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]. Foi destacado o histórico dos HMDs, assim como  algumas aplicações que utilizam HMDs para Realidade Aumentada. No próximo artigo serão introduzidos os principais aspectos construtivos de diferentes tipos de HMDs.

 

Referências

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

[2]       GLASSDEVELOPMENT. HMD – History and Objectives of Inventions. Disponível em: <https://glassdevelopment.wordpress.com/2014/04/17/hmd-history-and-objectives-of-inventions/>.

[3]       PVS-5A Night Vision Goggles. Disponível em: <http://www.prc68.com/I/PVS5NVG.shtml>.

[4]       Helmet Mounted Display. Wikipedia. Disponível em: <https://en.wikipedia.org/wiki/Helmet-mounted_display>.

[5]       DEAN F. KOCIAN. A Visually-Coupled Airborne Systems Simulator (VCASS) – An Approach To Visual Simulation. Disponível em: < http://www.jmargolin.com/svr/refs/ref34_vcass.htm >.

[6]       Reality Incorporated. Disponível em: <http://5cience.net/tag/culture/>.

[7]       VPL EyePhone Model 1. Disponível em: <https://vrwiki.wikispaces.com/VPL+EyePhone>.

[8]       Head Mounted Display and Tracking System – Complicated Technology for the Operation Theatre. Disponível em: <https://www.in.tum.de/en/research/research-highlights/augmented-reality-in-medicine.html>.

[9]       FEINER, Steven; MACINTYRE, Blair; SELIGMANN, Dorée. Knowledge-based Augmented Reality for Maintenance Assistance (KARMA). Disponível em: <http://monet.cs.columbia.edu/projects/karma/karma.html>.

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