Pantalla montada en la cabeza

Un dispositivo de visualización montado en la cabeza ( HMD ) es un dispositivo de visualización que se usa en la cabeza o como parte de un casco (consulte pantalla montada en el casco para aplicaciones de aviación), que tiene una pequeña óptica de visualización frente a uno ( HMD monocular ) o cada ojo ( HMD binocular ). Los HMD tienen muchos usos, incluidos los juegos, la aviación, la ingeniería y la medicina. ^[1]

Los cascos de realidad virtual son un tipo de HMD que rastrean la posición y la rotación en 3D para proporcionar un entorno virtual al usuario. Los cascos de realidad virtual 3DOF suelen utilizar una IMU para el seguimiento. Los cascos de realidad virtual 6DOF suelen utilizar la fusión de sensores de múltiples fuentes de datos, incluida al menos una IMU.

Una pantalla óptica montada en la cabeza (OHMD) es una pantalla portátil que puede reflejar imágenes proyectadas y permite al usuario ver a través de ella. ^[2]

Un HMD típico tiene una o dos pantallas pequeñas, con lentes y espejos semitransparentes integrados en anteojos (también llamados anteojos de datos), una visera o un casco. Las unidades de visualización están miniaturizadas y pueden incluir tubos de rayos catódicos (CRT), pantallas de cristal líquido (LCD), cristal líquido sobre silicio (LCos) o diodos orgánicos emisores de luz (OLED). Algunos proveedores emplean múltiples micropantallas para aumentar la resolución total y el campo de visión .

Los HMD difieren en si pueden mostrar solo imágenes generadas por computadora (CGI), o solo imágenes en vivo del mundo físico, o una combinación de ambas. La mayoría de los HMD pueden mostrar solo una imagen generada por computadora, a veces denominada imagen virtual. Algunos HMD pueden permitir que se superponga una CGI a la vista del mundo real. Esto a veces se conoce como realidad aumentada (RA) o realidad mixta (RM). La combinación de la vista del mundo real con CGI se puede hacer proyectando la CGI a través de un espejo parcialmente reflectante y viendo el mundo real directamente. Este método a menudo se llama visión óptica. La combinación de la vista del mundo real con CGI también se puede hacer electrónicamente aceptando video de una cámara y mezclándolo electrónicamente con CGI.

Al utilizar la tecnología AR, los HMD pueden lograr una pantalla transparente. Al utilizar la tecnología de realidad virtual (VR), los HMD pueden ver las imágenes en 360 grados. ^[3]

Un visor óptico montado en la cabeza utiliza un mezclador óptico que está hecho de espejos parcialmente plateados. Puede reflejar imágenes artificiales y dejar que las imágenes reales crucen la lente y que el usuario pueda mirar a través de él. Han existido varios métodos para los visores ópticos transparentes , la mayoría de los cuales se pueden resumir en dos familias principales basadas en espejos curvos o guías de ondas . Los espejos curvos han sido utilizados por Laster Technologies y por Vuzix en su producto Star 1200. Durante años han existido varios métodos de guía de ondas. Estos incluyen la óptica de difracción, la óptica holográfica, la óptica polarizada y la óptica reflectante.

Las principales aplicaciones de HMD incluyen el ámbito militar, gubernamental (bomberos, policía, etc.) y civil-comercial (medicina, videojuegos, deportes, etc.).

En 1962, Hughes Aircraft Company reveló el Electrocular, un CRT compacto (7" de largo), pantalla monocular montada en la cabeza que reflejaba una señal de TV en un ocular transparente. ^{[4] [5] [6] [7]} Los HMD reforzados se están integrando cada vez más en las cabinas de los helicópteros y aviones de combate modernos. Estos suelen estar completamente integrados con el casco de vuelo del piloto y pueden incluir viseras protectoras, dispositivos de visión nocturna y pantallas de otra simbología.

Los militares, la policía y los bomberos utilizan HMD para mostrar información táctica, como mapas o datos de imágenes térmicas, mientras ven una escena real. Las aplicaciones recientes han incluido el uso de HMD para paracaidistas . ^{[8] En 2005, el Liteye HMD se presentó para tropas de combate terrestre como una pantalla liviana, resistente e impermeable que se sujeta a un soporte de casco militar PVS-14 estadounidense estándar. La pantalla de} diodo orgánico emisor de luz (OLED) monocular en color autónoma reemplaza el tubo NVG y se conecta a un dispositivo informático móvil. El LE tiene capacidad de ver a través y se puede usar como un HMD estándar o para aplicaciones de realidad aumentada . El diseño está optimizado para proporcionar datos de alta definición en todas las condiciones de iluminación, en modos de operación cubiertos o transparentes. El LE tiene un bajo consumo de energía, funciona con cuatro baterías AA durante 35 horas o recibe energía a través de una conexión USB ( Universal Serial Bus ) estándar. ^[9]

La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa ( DARPA ) continúa financiando la investigación en HMD de realidad aumentada como parte del Programa de Apoyo Aéreo Cercano Persistente (PCAS). Vuzix está trabajando actualmente en un sistema para PCAS que utilizará guías de ondas holográficas para producir gafas de realidad aumentada transparentes de solo unos pocos milímetros de espesor. ^[10]

Los ingenieros y científicos utilizan HMD para proporcionar vistas estereoscópicas de esquemas de diseño asistido por computadora (CAD). ^[11] La realidad virtual, cuando se aplica a la ingeniería y el diseño, es un factor clave en la integración del ser humano en el diseño. Al permitir que los ingenieros interactúen con sus diseños a escala real, los productos pueden validarse para detectar problemas que podrían no haber sido visibles hasta la creación de prototipos físicos. El uso de HMD para VR se considera un complemento al uso convencional de CAVE para la simulación de VR. Los HMD se utilizan predominantemente para la interacción de una sola persona con el diseño, mientras que los CAVE permiten sesiones de realidad virtual más colaborativas.

Los sistemas de visualización en la cabeza también se utilizan en el mantenimiento de sistemas complejos, ya que pueden proporcionar a un técnico una visión de rayos X simulada mediante la combinación de gráficos de computadora, como diagramas de sistema e imágenes, con la visión natural del técnico (realidad aumentada o modificada).

También existen aplicaciones en cirugía, donde se combina una combinación de datos radiográficos ( tomografías computarizadas con rayos X (TCA) e imágenes por resonancia magnética (IRM)) con la visión natural del cirujano de la operación, y en anestesia, donde los signos vitales del paciente están dentro del campo de visión del anestesiólogo en todo momento. ^[12]

Las universidades de investigación suelen utilizar HMD para realizar estudios relacionados con la visión, el equilibrio, la cognición y la neurociencia. A partir de 2010, se estaba estudiando el uso de la medición de seguimiento visual predictivo para identificar lesiones cerebrales traumáticas leves. En las pruebas de seguimiento visual, una unidad HMD con capacidad de seguimiento ocular muestra un objeto que se mueve en un patrón regular. Las personas sin lesión cerebral pueden seguir el objeto en movimiento con movimientos oculares de seguimiento suaves y una trayectoria correcta . ^[13]

Existen dispositivos HMD de bajo costo disponibles para su uso con juegos 3D y aplicaciones de entretenimiento. Uno de los primeros HMD disponibles comercialmente fue el Forte VFX1 , que se anunció en la feria Consumer Electronics Show (CES) en 1994. ^[14] El VFX-1 tenía pantallas estereoscópicas, seguimiento de cabeza de 3 ejes y auriculares estéreo. Otro pionero en este campo fue Sony, que lanzó el Glasstron en 1997. Tenía como accesorio opcional un sensor de posición que permitía al usuario ver los alrededores, con la perspectiva moviéndose a medida que se movía la cabeza, lo que proporcionaba una profunda sensación de inmersión. Una aplicación novedosa de esta tecnología fue en el juego MechWarrior 2 , que permitía a los usuarios del Sony Glasstron o de las iGlasses de Virtual I/O adoptar una nueva perspectiva visual desde el interior de la cabina de la nave, utilizando sus propios ojos como visuales y viendo el campo de batalla a través de la propia cabina de su nave.

Muchas marcas de gafas de vídeo se pueden conectar a las cámaras de vídeo y DSLR modernas, lo que las hace aptas como monitores de la nueva era. Como resultado de la capacidad de las gafas para bloquear la luz ambiental, los cineastas y fotógrafos pueden ver presentaciones más claras de sus imágenes en vivo. ^[15]

Oculus Rift es un visor de realidad virtual (RV) creado por Palmer Luckey que la empresa Oculus VR desarrolló para simulaciones de realidad virtual y videojuegos. ^[16] HTC Vive es un visor de realidad virtual montado en la cabeza. El auricular es producido por una colaboración entre Valve y HTC , y su característica definitoria es el seguimiento preciso a escala de la habitación y los controladores de movimiento de alta precisión. PlayStation VR es un auricular de realidad virtual para consolas de juegos, dedicado a la PlayStation 4. [ ^17] Windows Mixed Reality es una plataforma desarrollada por Microsoft que incluye una amplia gama de auriculares producidos por HP, Samsung y otros y es capaz de reproducir la mayoría de los juegos de HTC Vive. Utiliza solo seguimiento de adentro hacia afuera para sus controladores.

Algunas pantallas montadas en la cabeza están diseñadas para presentar contenido de video y películas tradicionales en un cine virtual. Estos dispositivos suelen tener un campo de visión (FOV) relativamente estrecho de 50 a 60°, lo que los hace menos inmersivos que los cascos de realidad virtual, pero ofrecen una resolución correspondientemente mayor en términos de píxeles por grado. Lanzado en 2011, el Sony HMZ-T1 tenía una resolución de 1280x720 por ojo. Aproximadamente en 2015, se lanzaron productos de "cine privado" independientes basados ​​en Android 5 (Lollipop) utilizando varias marcas como VRWorld, Magicsee, basados ​​en software de Nibiru.

Los productos lanzados a partir de 2020 con una resolución de 1920 × 1080 por ojo incluyeron el Goovis G2 ^[18] y el Royole Moon. ^[19] También estaba disponible el Avegant Glyph, ^[20] que incorporaba una proyección retiniana de 720P por ojo, y el Cinera Prime, ^[21] que presentaba una resolución de 2560 × 1440 por ojo, así como un campo de visión de 66°. El Cinera Prime, bastante grande, usaba un brazo de soporte estándar o un soporte para la cabeza opcional. Se esperaba que estuviera disponible a fines de 2021 el Cinera Edge, ^[22] que presenta el mismo campo de visión y resolución de 2560 × 1440 por ojo que el modelo Cinera Prime anterior, pero con un factor de forma mucho más compacto . Otros productos disponibles en 2021 fueron el Cinemizer OLED, ^[23] con una resolución de 870x500 por ojo, el VISIONHMD Bigeyes H1, ^[24] con una resolución de 1280x720 por ojo, y el Dream Glass 4K, ^[25] con una resolución de 1920x1080 por ojo. Todos los productos mencionados aquí incorporaban auriculares o audífonos de audio excepto el Goovis G2, el Cinera Prime, el VISIONHMD Bigeyes H1 y el Dream Glass 4K, que en su lugar ofrecían un conector para auriculares de audio.

El vuelo de drones con vista en primera persona (FPV) utiliza pantallas montadas en la cabeza que comúnmente se denominan "gafas FPV". ^{[26] [27]} Las gafas FPV analógicas (como las producidas por Fat Shark ) se utilizan comúnmente para carreras de drones , ya que ofrecen la latencia de video más baja. Pero las gafas FPV digitales (como las producidas por DJI ) se están volviendo cada vez más populares debido a su video de mayor resolución.

Desde la década de 2010, el vuelo de drones FPV se utiliza ampliamente en cinematografía aérea y fotografía aérea . ^[28]

Kopin Corp. y BMW Group han desarrollado un sistema HMD para los pilotos de Fórmula 1. El HMD muestra datos críticos de la carrera y permite al piloto seguir concentrándose en la pista mientras los equipos de boxes controlan los datos y mensajes enviados a sus pilotos a través de una radio bidireccional . ^[29] Recon Instruments lanzó el 3 de noviembre de 2011 dos pantallas montadas en la cabeza para gafas de esquí , MOD y MOD Live, esta última basada en un sistema operativo Android. ^[30]

Una aplicación clave de los HMD es la formación y la simulación, que permiten poner virtualmente a un alumno en una situación que es demasiado cara o demasiado peligrosa para reproducir en la vida real. La formación con HMD abarca una amplia gama de aplicaciones, desde conducción, soldadura y pintura en aerosol, simuladores de vuelo y de vehículos, formación de soldados desmontados, formación en procedimientos médicos y mucho más. Sin embargo, el uso prolongado de ciertos tipos de pantallas montadas en la cabeza ha provocado una serie de síntomas no deseados, y estos problemas deben resolverse antes de que sea posible una formación y una simulación óptimas. ^[31]

• Capacidad de mostrar imágenes estereoscópicas. Un HMD binocular tiene el potencial de mostrar una imagen diferente para cada ojo. Esto se puede utilizar para mostrar imágenes estereoscópicas . Debe tenerse en cuenta que los cirujanos de vuelo y los expertos en visualización generalmente consideran que el llamado "infinito óptico" es de aproximadamente 9 metros. Esta es la distancia a la que, dada la "línea de base" promedio del telémetro del ojo humano (distancia entre los ojos o distancia interpupilar (IPD)) de entre 2,5 y 3 pulgadas (6 y 8 cm), el ángulo de un objeto a esa distancia se vuelve esencialmente el mismo desde cada ojo. A distancias más pequeñas, la perspectiva desde cada ojo es significativamente diferente y el gasto de generar dos canales visuales diferentes a través del sistema de imágenes generadas por computadora (CGI) vale la pena.
• Distancia interpupilar (DIP). Es la distancia entre los dos ojos, medida en las pupilas, y es importante para el diseño de visores montados en la cabeza.
• Campo de visión (FOV): los humanos tienen un campo de visión de alrededor de 180°, pero la mayoría de los HMD ofrecen mucho menos que esto. Por lo general, un campo de visión mayor da como resultado una mayor sensación de inmersión y una mejor conciencia situacional. La mayoría de las personas no tienen una buena idea de cómo se vería un campo de visión determinado (por ejemplo, 25°), por lo que a menudo los fabricantes indican un tamaño de pantalla aparente. La mayoría de las personas se sientan a unos 60 cm de distancia de sus monitores y tienen una idea bastante buena sobre los tamaños de pantalla a esa distancia. Para convertir el tamaño de pantalla aparente del fabricante a una posición de monitor de escritorio, divida el tamaño de la pantalla por la distancia en pies y luego multiplíquelo por 2. Los HMD de nivel de consumidor generalmente ofrecen un campo de visión de aproximadamente 110°.
• Resolución: los HMD suelen mencionar el número total de píxeles o el número de píxeles por grado. La indicación del número total de píxeles (por ejemplo, 1600 × 1200 píxeles por ojo) se toma prestada de la forma en que se presentan las especificaciones de los monitores de ordenador. Sin embargo, la densidad de píxeles, que normalmente se especifica en píxeles por grado o en minutos de arco por píxel, también se utiliza para determinar la agudeza visual. 60 píxeles/° (1 minuto de arco/píxel) suele denominarse resolución límite para el ojo , por encima de la cual las personas con visión normal no notan una mayor resolución. Los HMD suelen ofrecer entre 10 y 20 píxeles/°, aunque los avances en las micropantallas ayudan a aumentar esta cifra.
• Superposición binocular: mide el área que es común a ambos ojos. La superposición binocular es la base de la sensación de profundidad y estéreo, lo que permite a los humanos sentir qué objetos están cerca y cuáles están lejos. Los humanos tienen una superposición binocular de aproximadamente 100° (50° a la izquierda de la nariz y 50° a la derecha). Cuanto mayor sea la superposición binocular que ofrece un HMD, mayor será la sensación de estéreo. La superposición a veces se especifica en grados (por ejemplo, 74°) o como un porcentaje que indica qué parte del campo visual de cada ojo es común al otro ojo.
• Soporte de acomodación: los HMD que admiten la adaptación a las distancias de acomodación y vergencia de los ojos son más cómodos que aquellos que no lo hacen. ^[32]
• Foco distante (colimación). Se pueden utilizar métodos ópticos para presentar las imágenes en un foco distante, lo que parece mejorar el realismo de las imágenes que en el mundo real estarían a distancia.
• Sistema operativo y procesamiento integrado. Algunos proveedores de HMD ofrecen sistemas operativos integrados, como Android, que permiten ejecutar aplicaciones localmente en el HMD y eliminan la necesidad de estar conectado a un dispositivo externo para generar video. A veces se los conoce como gafas inteligentes . Para que la construcción del HMD sea más liviana, los productores pueden trasladar el sistema de procesamiento a un factor de forma de collar inteligente conectado que también ofrecería el beneficio adicional de una batería más grande. Dicha solución permitiría diseñar HMD livianos con suficiente suministro de energía para entradas de video duales o multiplexación basada en tiempo de mayor frecuencia (ver a continuación).

La percepción de profundidad dentro de un HMD requiere imágenes diferentes para el ojo izquierdo y el derecho. Existen varias formas de proporcionar estas imágenes por separado:

• Utilice entradas de vídeo duales, proporcionando así una señal de vídeo completamente separada para cada ojo
• Multiplexación basada en el tiempo. Los métodos como la multiplexación secuencial de cuadros combinan dos señales de vídeo independientes en una sola señal alternando las imágenes izquierda y derecha en cuadros sucesivos.
• Multiplexación lado a lado o de arriba a abajo. Este método asigna la mitad de la imagen al ojo izquierdo y la otra mitad al ojo derecho.

La ventaja de las entradas de vídeo duales es que proporcionan la máxima resolución para cada imagen y la máxima velocidad de cuadros para cada ojo. La desventaja de las entradas de vídeo duales es que requieren salidas de vídeo y cables independientes del dispositivo que genera el contenido.

La multiplexación basada en el tiempo conserva la resolución completa de cada imagen, pero reduce la frecuencia de cuadros a la mitad. Por ejemplo, si la señal se presenta a 60 Hz, cada ojo recibe actualizaciones de solo 30 Hz. Esto puede convertirse en un problema para presentar con precisión imágenes de movimiento rápido.

La multiplexación lado a lado y de arriba a abajo proporciona actualizaciones de velocidad completa para cada ojo, pero reduce la resolución presentada a cada ojo. Muchas transmisiones 3D, como ESPN , optaron por proporcionar 3D lado a lado, lo que ahorra la necesidad de asignar ancho de banda de transmisión adicional y es más adecuado para la acción deportiva de ritmo rápido en relación con los métodos de multiplexación basados ​​en el tiempo.

No todos los HMD ofrecen percepción de profundidad. Algunos módulos de gama baja son básicamente dispositivos binoculares en los que ambos ojos ven la misma imagen. Los reproductores de vídeo 3D a veces permiten la máxima compatibilidad con los HMD al ofrecer al usuario la posibilidad de elegir el formato 3D que se utilizará.

• Los HMD más rudimentarios simplemente proyectan una imagen o simbología en el visor o retícula del usuario. La imagen no está vinculada al mundo real, es decir, no cambia en función de la posición de la cabeza del usuario.
• Los HMD más sofisticados incorporan un sistema de posicionamiento que rastrea la posición y el ángulo de la cabeza del usuario, de modo que la imagen o el símbolo mostrado sea congruente con el mundo exterior mediante imágenes transparentes.
• Seguimiento de la cabeza : vinculación de las imágenes. Los visores montados en la cabeza también se pueden utilizar con sensores de seguimiento que detectan cambios de ángulo y orientación. Cuando dichos datos están disponibles en la computadora del sistema, se pueden utilizar para generar las imágenes generadas por computadora (CGI) adecuadas para el ángulo de visión en el momento particular. Esto permite al usuario mirar alrededor de un entorno de realidad virtual simplemente moviendo la cabeza sin la necesidad de un controlador separado para cambiar el ángulo de las imágenes. En los sistemas basados ​​en radio (en comparación con los cables), el usuario puede moverse dentro de los límites de seguimiento del sistema.
• Seguimiento ocular : los rastreadores oculares miden el punto de la mirada, lo que permite que una computadora detecte hacia dónde mira el usuario. Esta información es útil en una variedad de contextos, como la navegación en la interfaz de usuario: al detectar la mirada del usuario, una computadora puede cambiar la información que se muestra en una pantalla, llamar la atención sobre detalles adicionales, etc.
• Seguimiento de la mano : el seguimiento del movimiento de la mano desde la perspectiva del HMD permite una interacción natural con el contenido y un mecanismo de juego conveniente.

• Lista de fabricantes de visores ópticos montados en la cabeza
• Realidad mediada por ordenador
• toque en el ojo
• Pantalla de visualización frontal (HUD)
• Lumus-óptico
• Tecnologías de posicionamiento
• Vídeo sin pantalla
• Gafas inteligentes
• Estereoscopia
• Pantalla de retina virtual

• Pantallas montadas en la cabeza: diseño para el usuario; Melzer y Moffitt; McGraw Hill, 1997.
• O. Cakmakci y JP Rolland. Pantallas para uso en la cabeza: una revisión. IEEE Journal of Display Technology, vol. 2, n.º 3, septiembre de 2006.