Am Kopf befestigter Bildschirm

A am Kopf befestigter Bildschirm (HMD) ist ein Anzeigegerät, das am Kopf oder als Teil eines Helms getragen wird (siehe Helm-montiertes Display Für Luftfahrtanwendungen) hat dies eine kleine Display -Optik vor einem (monokular HMD) oder jedes Auge (Fernglas HMD). Ein HMD hat viele Verwendungszwecke, einschließlich Spiele, Luftfahrt, Ingenieurwesen und Medizin.[1] Virtual Reality Headsets sind HMDs mit Imus. Es gibt auch eine OPTISCHE KOPF-MOTED-DISGEM (OHMD), ein tragbares Display, das projizierte Bilder widerspiegeln und es einem Benutzer ermöglicht, es zu sehen.[2]
Überblick
Eine typische HMD verfügt über ein oder zwei kleine Displays mit Linsen und halbtransparenten Spiegeln, die in Brillen (auch als Datenbrille bezeichnet), ein Visier oder einen Helm eingebettet sind. Die Anzeigeinheiten sind miniaturisiert und können enthalten Kathodenstrahlröhren (CRT), Flüssigkristallanzeigen (LCDs), Flüssigkeitskristall auf Silizium (Lcos) oder organische lichtemittierende Dioden (OLED). Einige Anbieter verwenden mehrere Mikro-Displays, um die Gesamtauflösung zu erhöhen und Sichtfeld.
HMDs unterscheiden sich darin, ob sie nur anzeigen können Computer generiertes Bild (CGI) oder nur lebende Bilder aus der physischen Welt oder Kombination. Die meisten HMDs können nur ein computergeneriertes Bild anzeigen, das manchmal als virtuelles Bild bezeichnet wird. Einige HMDs können es einem CGI ermöglichen, in der realen Ansicht überlagert zu werden. Dies wird manchmal als bezeichnet als erweiterte Realität (Ar) oder gemischte Realität (HERR). Die Kombination der realen Sichtweise mit CGI kann durch die Projektion des CGI durch einen teilweise reflektierenden Spiegel und die direkte Betrachtung der realen Welt durchgeführt werden. Diese Methode wird oft als optischer Durchsicht bezeichnet. Die Kombination der realen Ansicht mit CGI kann auch elektronisch durchgeführt werden, indem Video von einer Kamera akzeptiert und elektronisch mit CGI gemischt wird.
Optischer HMD
Ein optisch montiertes Display verwendet einen optischen Mixer, der aus teilweise versilberten Spiegeln besteht. Es kann künstliche Bilder widerspiegeln und reale Bilder über das Objektiv überqueren lassen und einen Benutzer durchsehen lassen. Es gab verschiedene Methoden für durchschauen HMDs, von denen die meisten in zwei Hauptfamilien zusammengefasst werden können, basierend auf gekrümmten Spiegeln oder Wellenleiter. Gekrümmte Spiegel wurden von Laster Technologies und von verwendet Vuzix in ihrem Stern 1200 Produkt. Seit Jahren gibt es verschiedene Wellenleitermethoden. Dazu gehören Beugungsoptik, holographische Optik, polarisierte Optik und reflektierende Optik.
Anwendungen
Zu den wichtigsten HMD-Bewerbungen gehören Militär, Regierung (Feuerwehr, Polizei usw.) und zivile kommerzielle (Medizin, Videospiele, Sport usw.).
Luftfahrt und taktisch, Boden

1962,, Hughes Aircraft Company enthüllte den elektrokularen, a Kompakte crt(7 "lang), monokulares monokulares Display, das a reflektierte Fernseher Signal in transparentes Okular.[3][4][5][6] Robuste HMDs werden zunehmend in die integriert Cockpits von modernen Hubschraubern und Kampfflugzeugen. Diese sind in der Regel vollständig in den Flughelm des Piloten integriert und können Schutzvisoren umfassen. Nachtsichtgeräteund Anzeigen anderer Symbologie.
Militär-, Polizei- und Feuerwehrleute verwenden HMDs, um taktische Informationen wie Karten oder thermische Bildgebungsdaten anzuzeigen, während sie eine echte Szene betrachten. Die jüngsten Anwendungen haben die Verwendung von HMD für einbezogen Fallschirmjäger.[7] Im Jahr 2005 wurde das Liteye HMD für Bodenkampftruppen als robustes, wasserdichtes, leichtes Display eingeführt, das in einen Standard-Militärhelm-Helm-Helm der US-PVS-14 eintreibt. Das in sich geschlossene Farbmonokular organische, lichtausstrahlende Diode (OLED) Display ersetzt das NVG -Röhrchen und stellt eine Verbindung zu einem mobilen Computergerät her. Der LE hat durchsichtige Fähigkeiten und kann als Standard-HMD oder für verwendet werden erweiterte Realität Anwendungen. Das Design wird optimiert, um hochauflösende Daten unter allen Beleuchtungsbedingungen in abgedeckten oder durchsichtigen Betriebsmodi bereitzustellen. Der LE hat einen niedrigen Stromverbrauch, betreibt 35 Stunden lang auf vier AA -Batterien oder senkt über Standard Strom. Universeller Serienbus (USB) Verbindung.[8]
Die Verteidigung Advanced Research Projects Agency (DARPA) finanziert weiterhin Forschung in erweiterte Realität HMDS als Teil des PCAs -Programms (Persistent Close Air Support). Vuzix arbeitet derzeit an einem System für PCAs, das Holographie verwendet Wellenleiter Um durchsichtige Augmented Reality-Brillen zu produzieren, die nur wenige Millimeter dick sind.[9]
Maschinenbau
Ingenieure und Wissenschaftler verwenden HMDs, um bereitzustellen stereoskopisch Ansichten von computergestütztes Design (CAD) Schematik.[10] Die virtuelle Realität ist, wenn sie auf Engineering und Design angewendet wird, ein Schlüsselfaktor für die Integration des Menschen in das Design. Durch die Ermöglichung der Ingenieure können Produkte für Probleme validiert werden, die bis zum physischen Prototyping möglicherweise nicht sichtbar waren. Die Verwendung von HMDs für VR wird als ergänzend für die konventionelle Verwendung von angesehen HÖHLE Für VR -Simulation. HMDs werden überwiegend für die Interaktion mit dem Design mit einer Person verwendet, während Höhlen kollaborativere virtuelle Realitätssitzungen ermöglichen.
Kopfmontierten-Display-Systeme werden auch zur Wartung komplexer Systeme verwendet, da sie einem Techniker ein simuliertes Röntgenvision geben können, indem sie Computergrafiken wie Systemdiagramme und Bilder mit dem natürlichen Vision des Technikers (Augmented oder Modified Reality) kombinieren.
Medizin und Forschung
Es gibt auch Anwendungen in der Operation, wobei eine Kombination von radiologischen Daten (Röntgen-Computertomographie (Katze) Scans und Magnetresonanztomographie (MRT) Bildgebung) wird mit der natürlichen Sicht des Chirurgen auf die Operation und der Anästhesie kombiniert, bei der sich die Vitalfunktionen des Patienten zu jeder Zeit im Sichtfeld des Anästhesisten befinden.[11]
Forschungsuniversitäten verwenden häufig HMDs, um Studien im Zusammenhang mit Seh-, Gleichgewicht, Kognition und Neurowissenschaften durchzuführen. Ab 2010 die Verwendung von prädiktiven visuellen Tracking -Messungen zur milde Identifizierung Schädel-Hirn-Trauma wurde studiert. In visuellen Tracking -Tests eine HMD -Einheit mit Augenverfolgung Die Fähigkeit zeigt ein Objekt, das sich in einem regulären Muster bewegt. Menschen ohne Hirnverletzung können das bewegliche Objekt mit verfolgen reibungslose Verfolgung Augenbewegungen und korrekt Flugbahn.[12]
Spiele und Video
Kostengünstige HMD-Geräte können mit 3D-Spielen und Unterhaltungsanwendungen verwendet werden. Einer der ersten im Handel erhältlichen HMDs war die Forte VFX1 das wurde angekündigt Verbraucher Elektronikmesse (CES) 1994.[13] Der VFX-1 hatte stereoskopische Displays, 3-Achsen-Kopfverfolgung und Stereo-Kopfhörer. Ein weiterer Pionier auf diesem Gebiet war Sony, das die veröffentlichte Gleiton 1997. Es hatte als optionales Zubehör einen Positionssensor, der es dem Benutzer ermöglichte, die Umgebung anzusehen, wobei sich die Perspektive bewegte, als sich der Kopf bewegte und ein tiefes Gefühl der Eintauchen lieferte. Eine neuartige Anwendung dieser Technologie war im Spiel Mechwarrior 2, die es den Nutzern der Iglasse von Sony Glasson oder Virtual I/O ermöglichte, eine neue visuelle Perspektive aus dem Cockpit des Handwerks zu übernehmen, indem sie ihre eigenen Augen als visuelles und das Schlachtfeld durch das eigene Cockpit seines Handwerks sehen.
Viele Marken von Videobrillen können mit modernen Video- und DSLR -Kameras verbunden werden, wodurch sie als New -Age -Monitor anwendbar sind. Aufgrund der Fähigkeit der Brille, Umgebungslicht zu blockieren, können Filmemacher und Fotografen klarere Präsentationen ihrer Live -Bilder sehen.[14]
Das Oculus Rift ist ein virtuelle Realität (VR) Kopfmontierter Display, das von erstellt wurde, Palmer Luckey dass die Firma Oculus VR entwickelt für Virtual -Reality -Simulationen und Videospiele.[15] Das HTC Vive ist eine virtuelle Realität, die Kopf montiert ist. Das Headset wird durch eine Zusammenarbeit zwischen produziert Ventil und HTCMit seiner definierenden Funktionen sind Präzisionsraum-Verfolgung und hochpräzise Bewegungssteuerungen. Das PlayStation VR ist das ein Virtual -Reality -Headset für Gaming -Konsolen, das für die gewidmet ist Playstation 4.[16] Windows gemischte Realität ist eine von Microsoft entwickelte Plattform, die eine Vielzahl von Headsets umfasst, die von HP, Samsung und anderen produziert werden und die meisten HTC Vive -Spiele spielen können. Es verwendet nur die Inside-Out-Tracking für seine Controller.
Virtuelles Kino
Einige an Kopf montierte Displays sind so konzipiert, dass sie traditionelle Video- und Filminhalte in einem virtuellen Kino präsentieren. Diese Geräte verfügen normalerweise über relativ schmal Sichtfeld (FOV) von 50–60 °, wodurch sie weniger eindringlich sind als Headsets mit virtueller Realität, bieten jedoch entsprechend höhere Auflösung in Bezug auf Pixel pro Grad. Veröffentlicht 2011 The Sony HMZ-T1 Ausgestellt 1280x720 Auflösung pro Auge. Ungefähr 2015 Standalone Android 5 (Lolipop) "Private Cinema" -Produkte wurden mit verschiedenen Marken wie VRWorld, Magicsee, basierend auf Software von Nibiru veröffentlicht. Produkte, die ab 2020 mit 1920 × 1080 Auflösung pro Auge veröffentlicht wurden, enthielt die Goovis G2[17] und Royole Moon.[18] Ebenfalls erhältlich war die Avegant Glyphe,[19] die 720p enthielt Netzhautprojektion pro Auge und der Cinera Prime,[20] die eine Auflösung von 2560 × 1440 pro Auge sowie einen 66 ° FOV enthielt. Der ziemlich große Cinera Prime verwendete entweder einen Standard -Stützarm oder eine optionale Kopfhalterung. Voraussichtlich Ende 2021 erhältlich sein war die Kinerie,[21] Mit demselben FOV und 2560 × 1440 Auflösung pro Auge wie das frühere Cinera Prime -Modell, aber mit einem viel kompakteren Formfaktor. Andere Produkte, die im Jahr 2021 erhältlich waren, waren der Cinemizer OLED,[22] Mit einer Auflösung von 870 × 500 pro Auge die VisionHmd Bigeyes H1,[23] mit 1280x720 Auflösung pro Auge und dem Traumglas 4K,[24] mit 1920x1080 Auflösung pro Auge. Alle hier genannten Produkte umfassten Audio -Kopfhörer oder Ohrhörer mit Ausnahme des Goovis G2, der Cinera Prime, dem VisionHmd Bigeyes H1 und dem Dream Glass 4K, das stattdessen einen Audio -Kopfhörer anbot.
Fernbedienung

Ansicht der ersten Person (FPV) Drone Flying verwendet Kopf-montierte Displays, die allgemein als "FPV-Brille" bezeichnet werden.[25][26] Analoge FPV -Schutzbrille (wie die von der produzierten von der von Fetthai) werden üblicherweise für verwendet Drohnenrennen wie sie die niedrigste Videolatenz bieten. Aber digitale FPV -Brille (wie produziert von DJI) werden aufgrund ihres Videoes mit höherer Auflösung immer beliebter.
Seit der 2010er Jahren wird FPV -Drohnenfliegen in der Luftkinematographie und in der Luftkinokino verwendet Luftfotografie.[27]
Sport
Ein HMD -System wurde entwickelt für Formel Eins Treiber von Kopin Corp. und der BMW Gruppe. Das HMD zeigt kritische Renndaten an Zwei-Wege-Radio.[28] Reconsinstrumente Veröffentlicht am 3. November 2011 Zwei an den Kopf montierte Displays für Skibrille, Mod und Mod Live, letztere basierend auf einem Android -Betriebssystem.[29]
Training und Simulation
Eine wichtige Anwendung für HMDs ist das Training und Simulation, sodass ein Auszubildender in einer Situation, die entweder zu teuer oder zu gefährlich ist, um sich im wirklichen Leben zu replizieren. Das Training mit HMDs deckt eine breite Palette von Anwendungen aus Fahren, Schweißen und Sprühemaler ab. Flug und Fahrzeugsimulatoren, abgesenktes Soldatenausbildung, medizinische Verfahrenstraining und vieles mehr. Eine Reihe unerwünschter Symptome wurden jedoch durch eine längere Verwendung bestimmter Arten von Kopfanzeigen verursacht, und diese Probleme müssen gelöst werden, bevor ein optimales Training und die Simulation möglich sind.[30]
Leistungsparameter
- Fähigkeit, stereoskopische Bilder zu zeigen. Ein binokulares HMD kann jedes Auge ein anderes Bild anzeigen. Dies kann verwendet werden, um zu zeigen stereoskopisch Bilder. Es sollte berücksichtigt werden, dass sogenannte "optische Unendlichkeit" im Allgemeinen von Flugchirurgen und Experten als etwa 9 Meter genommen wird. Dies ist die Entfernung, in der angesichts der durchschnittlichen "Basislinie" der menschlichen Augen -Rangefinder (Abstand zwischen den Augen oder Interpupillarabstand (IPD)) zwischen 2,5 und 3 Zoll (6 und 8 cm) wird der Winkel eines Objekts in diesem Abstand aus jedem Auge im Wesentlichen gleich. In kleineren Bereichen ist die Perspektive aus jedem Auge erheblich unterschiedlich und die Kosten für die Erzeugung von zwei verschiedenen visuellen Kanälen über das CGI-System (computergeneratter Bilder) lohnt sich.
- Interpupillarabstand (IPD). Dies ist der Abstand zwischen den beiden Augen, gemessen an den Pupillen und ist wichtig für die Gestaltung von Kopf-montierten Displays.
- Sichtfeld (FOV) - Menschen haben einen FOV von etwa 180 °, aber die meisten HMDs bieten weitaus weniger. Typischerweise führt ein größeres Sichtfeld zu einem größeren Gefühl von Eintauchen und besserem Situationsbewusstsein. Die meisten Menschen haben kein gutes Gefühl dafür, wie ein bestimmter zitierter FOV aussehen würde (z. B. 25 °), so dass die Hersteller so oft eine scheinbare Bildschirmgröße zitieren. Die meisten Menschen sitzen ungefähr 60 cm von ihren Monitoren entfernt und haben ein ziemlich gutes Gefühl für Bildschirmgrößen in dieser Entfernung. Um die scheinbare Bildschirmgröße des Herstellers in eine Desktop-Monitor-Position umzuwandeln, teilen Sie die Bildschirmgröße durch die Entfernung in den Füßen und multiplizieren Sie sie mit 2 HMDs auf Verbraucherebene in der Regel einen FOV von etwa 110 °.
- Auflösung - HMDs erwähnen normalerweise entweder die Gesamtzahl der Pixel oder die Anzahl der Pixel pro Grad. Auflistung der Gesamtzahl der Pixel (z. B. 1600 × 1200 Pixel pro Auge) entlehnt sich von der Darstellung der Spezifikationen von Computermonitoren. Die Pixeldichte, die normalerweise in Pixel pro Grad oder in Arcminutes pro Pixel angegeben ist, wird jedoch auch zur Bestimmung der Sehschärfe verwendet. 60 Pixel/° (1 Arcmin/Pixel) werden normalerweise als als bezeichnet Einschränkende Auflösung, darüber, über dem eine erhöhte Auflösung von Menschen mit normalem Sehen nicht bemerkt wird. HMDs bieten normalerweise 10 bis 20 Pixel/°, obwohl Fortschritte in Mikro-Displays dazu beitragen, diese Zahl zu erhöhen.
- Fernglasüberlappung - misst den Bereich, der bei beiden Augen gemeinsam ist. Die Fernglasüberlappung ist die Grundlage für das Gefühl von Tiefe und Stereo, sodass der Menschen spüren kann, welche Objekte in der Nähe sind und welche Objekte weit sind. Menschen haben eine binokulare Überlappung von etwa 100 ° (50 ° links von der Nase und 50 ° nach rechts). Je größer die Fernglasüberlappung von einem HMD angeboten wird, desto größer ist der Sinn für Stereo. Überlappung wird manchmal in Grad (z. B. 74 °) oder als Prozentsatz angegeben, der angibt, wie viel des Gesichtsfeldes jedes Auges dem anderen Auge gemeinsam ist.
- Fernfokus (Kollimation). Optische Methoden können verwendet werden, um die Bilder in einem entfernten Fokus zu präsentieren, was den Realismus von Bildern zu verbessern scheint, die in der realen Welt in der Ferne sind.
- Verarbeitungs- und Betriebssystem in Bord. Einige HMD-Anbieter bieten Betriebssysteme wie Android an Bord an, sodass Anwendungen lokal auf der HMD ausgeführt werden können, und die Notwendigkeit, an einem externen Gerät angeschlossen zu werden, um Videos zu generieren. Diese werden manchmal als als bezeichnet Kluge Schutzbrille. Damit die HMD-Konstruktion leichtere Hersteller des Verarbeitungssystems in das angeschlossene Smart-Halsketten-Formfaktor verschieben können, das auch den zusätzlichen Nutzen eines größeren Akkus bieten würde. Eine solche Lösung würde es ermöglichen, Lite HMD mit ausreichender Energieversorgung für Doppelvideoeingänge oder zeitbasierte Multiplexen mit höherer Frequenz zu entwerfen (siehe unten).
Unterstützung von 3D -Videoformaten


Die Tiefenwahrnehmung in einem HMD erfordert verschiedene Bilder für die linken und rechten Augen. Es gibt mehrere Möglichkeiten, diese separaten Bilder bereitzustellen:
- Verwenden Sie Dual -Video -Eingänge, wodurch jedes Auge ein vollständig separates Videosignal bereitgestellt wird
- Zeitbasiertes Multiplexing. Methoden wie Frame -sequentiell kombinieren zwei separate Videosignale in ein Signal, indem sie die linken und rechten Bilder in aufeinanderfolgenden Rahmen abwechseln.
- Seite an Seite oder Top-Bottom-Multiplexing. Diese Methode verteilte die Hälfte des Bildes dem linken Auge und die andere Hälfte des Bildes dem rechten Auge.
Der Vorteil von Dual -Video -Eingaben besteht darin, dass es für jedes Bild die maximale Auflösung und die maximale Bildrate für jedes Auge bietet. Der Nachteil von Dual -Video -Eingaben besteht darin, dass separate Videoausgänge und Kabel vom Gerät, das den Inhalt erzeugt, separate Ausgänge und Kabel benötigt.
Das zeitbasierte Multiplexing bewahrt die volle Auflösung pro Bild, verringert jedoch die Bildrate um die Hälfte. Wenn das Signal beispielsweise bei 60 Hz dargestellt wird, erhält jedes Auge nur 30 Hz Updates. Dies kann zu einem Problem sein, das sich mit schnell bewegenden Bildern genau darstellt.
Side-by-Side- und Top-Bottom-Multiplexing bieten für jedes Auge vollständige Updates, verringern jedoch die für jedes Auge präsentierte Auflösung. Viele 3D -Sendungen, wie z. ESPN, entschieden sich für die Bereitstellung von 3D von Side-By-Side, die die Notwendigkeit der Zuordnung einer zusätzlichen Übertragungsbandbreite sparen, und eignet sich besser für schnelllebige Sportaktionen im Verhältnis zu zeitbasierten Multiplex-Methoden.
Nicht alle HMDs bieten Tiefenwahrnehmung. Einige niedrigere Module sind im Wesentlichen biokuläre Geräte, bei denen beide Augen mit demselben Bild präsentiert werden. 3D -Videoplayer ermöglichen manchmal eine maximale Kompatibilität mit HMDs, indem der Benutzer die Verwendung des zu verwendenden 3D -Formats zur Verfügung stellt.
Peripheriegeräte
- Die rudimentärsten HMDs projizieren einfach ein Bild oder eine Symbologie auf das Visier oder das Absehen eines Trägers. Das Bild ist nicht an die reale Welt gebunden, d. H. Das Bild ändert sich nicht basierend auf der Kopfposition des Trägers.
- Weiterentwickeltere HMDs enthalten a Positionierungssystem Das verfolgt die Kopfposition und den Winkel des Trägers, so dass das Bild oder das angezeigte Symbol mit der Außenwelt mit wachsenden Bildern übereinstimmt.
- Kopfverfolgung - Bindung der Bilder. Kopf montierte Displays können auch mit Verfolgungssensoren verwendet werden, die Änderungen des Winkels und der Ausrichtung erkennen. Wenn solche Daten auf dem Systemcomputer verfügbar sind, kann sie verwendet werden, um die entsprechenden computergenerierten Bilder (CGI) für den Blickwinkel zum bestimmten Zeitpunkt zu generieren. Dies ermöglicht dem Benutzer umschauen a virtuelle Realität Umgebung, indem der Kopf einfach bewegt wird, ohne dass ein separater Controller den Winkel der Bilder verändert. In funkbasierten Systemen (im Vergleich zu Drähten) kann sich der Träger innerhalb der Tracking-Grenzen des Systems herum bewegen.
- Augenverfolgung - Augenverfolger messen den Blickpunkt des Blicks und ermöglichen es einem Computer, zu erkennen, wo der Benutzer sucht. Diese Informationen sind in einer Vielzahl von Kontexten wie der Navigation der Benutzeroberfläche nützlich: Durch die Erkennung des Blicks des Benutzers kann ein Computer die auf einem Bildschirm angezeigten Informationen ändern, zusätzliche Details aufmerksam machen usw.
- Handverfolgung -Verfolgung von Handbewegungen aus der Perspektive des HMD ermöglicht eine natürliche Interaktion mit Inhalten und einen bequemen Spielmechanismus
Siehe auch
- Computervermittelte Realität
- Eyetap
- Kopf-up-Display (HUD)
- Lumus-optisch
- Positionierungstechnologien
- Bildschirmloser Video
- Stereoskopie
- Virtuelle Netzhautanzeige
- Smartglass
- Liste der optisch montierten Display-Hersteller
Verweise
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