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© Kompetenzzentrum Virtuelle Realität und Kooperatives Engineering w. V. – Virtual Dimension Center VDC

Whitepaper

Head Mounted Displays & Datenbrillen Einsatz und Systeme

Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Christoph Runde

Virtual Dimension Center (VDC) Fellbach

Auberlenstr. 13

70736 Fellbach

www.vdc-fellbach.de

Datenbrillen Tracking Head Mounted Displays

Whitepaper

Head Mounted Displays & Datenbrillen - Einsatz und Systeme

Zusammenfassung

Inhalt Whitepaper Head Mounted Displays & Datenbrillen

Head Mounted Displays:

- Grundlagen

- Produkte

Datenbrillen:

- Grundlagen

- Produkte

Tracking

Zusammenfassung

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Zusammenfassung

Head Mounted Displays (HMDs) – kurzer Abriss

1961: erstes HMD auf dem Markt

1965: 3D-getracktes HMD durch Ivan Sutherland

HMDs seit 1970er Jahren in signifikanter Anzahl im militärischen Bereich im Einsatz (Training, Zusatzanzeige)

Tabelle: Bedeutende HMD-

Projekte seit den 1970er

Jahren [Quelle: Li, Hua et.

al.: Review and analysis of

avionic helmet-mounted

displays. In : Op-tical

Engineering 52(11),

110901, November 2013]

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Head Mounted Displays


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Zusammenfassung

Primäre Anwendungen von HMDs

Innenraumbegehungen:

subjektive Bewertung der Situation

(z. B. Design, Sichtbarkeit/Sehverhältnisse)

- im PKW

- im Cockpit

- in Kabine

- im Gebäude

Training: 180°-Perspektive, haptische

Interaktion im Nahbereich

- Militär

- Luft- & Raumfahrt

- Medizin

Spiele

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Bild: NPSNET

Bild: NASA

Training für

Wartungsarbeiten in

der Raumfahrt mit

einem HMD

Gefechtstraining

mit HMD



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Zusammenfassung

Vorteile von HMDs gegenüber Projektionen

Systemische Vorteile von HMDs

Kompaktheit: umschließendes VR-System

auf kleinstem physischen Raum

Preis: preisgünstig im Vergleich zu

Mehrkanalprojektionen

Isolation und Immersion:

Benutzer konzentriert sich voll auf

Inhalt und Aufgabe, blendet Realität aus

Orientierungssinn muss zwangsläufig immer

mit bedient werden (wg. Simulatorkrankheit)

kein Akkommodationskonflikt:

bei der haptischen Interaktion vor einer

Projektionswand kann der Benutzer entweder

nur auf die Projektion oder nur auf seine Hände

fokussieren. HMDs haben dieses Problem nicht.

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Bild: Fh-IPA

Einsatz eines HMDs und

eines Datenhandschuhs zur

Roboterprogrammierung

Anfang der 1990er Jahre



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Nachteile von HMDs gegenüber Projektionen

Systemische Nachteile

Isolation:

fehlende Wahrnehmung der Umgebung

führt zu Unsicherheit

Isolation:

kooperatives Arbeiten ist nur

eingeschränkt möglich

Akzeptanz:

Ablehnung von HMDs als technische

Spielerei

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Bild: Fh-IAO

Einsatz eines HMDs und eines

Datenhandschuhs für

Ergonomie-Untersuchungen

Mitte der 1990er Jahre



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Zusammenfassung

Nachteile von HMDs gegenüber Projektionen

Produktimmanente Nachteile

unzureichende Ergonomie:

Gewicht, Gewichtsverteilung,

umständlich anzulegen,

Passkomfort, Fixierung, Hygiene

fehlende geeignete Eingabesysteme:

Verzicht auf Maus, Tastatur

mäßige Auflösung: lediglich

oberstes Preissegment 1280 x 1024

Akzeptanz: Fixierung Beeinträchtigung

von Frisur, Kosmetik

Simulatorkrankheit: spürbare Latenzen zwischen Bewegung und Reaktion der

Bildanzeige und fehlende Beschleunigungen verursachen Unwohlsein

Bild: NIAR

Training von Wartungs- und

Inspektionstätigkeiten in der Raumfahrt

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Technische Spezifikationen bisheriger HMDs

Gängige Eigenschaften

durchschnittliches Sichtfeld: 60°

Auflösung: SXGA (1280x1024)

durchschnittliches Gewicht: 1kg

nur bedingt in Form einer Brille erhältlich

(wäre Kundenwunsch)

durchschnittlicher Preis: € 15.000,-

(rangiert von € 500,- bis € 160.000,-.)

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Stark abweichende HMD-Systeme :

Auflösung

Sensics piSight: 2600 x 1200 Pixel

Sensics xSight: 1680 x 1050 Pixel

Virtual Realities HMD

pro 3D WUXGA-60 : 1920 x 1080 Pixel

Sichtfeld

Rockwell Collins

Sim Eye SR 100: 100°

Sensics piSight: 180°

Sensics xSight: 104°

SEOS HMD 120/40: 120°



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Bisherige HMDs



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Neue und angekündigte HMDs

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AntVR Avegant Glyph

Durovis Dive GameFace InfinitEye

Altergaze

Meta SpaceGlasses

Oculus Rift 2 Sulon Cortex Sony Morpheus Technical Illusions CastAR

True Player Gear Totem Valve HMD vrAse

Samsung GearVR

Carl Zeiss VR One Archos VR Glasses

Google Cardboard



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Neue und angekündigte HMDs



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Eingesetzte Displaytypen

in bisherigen HMDs (bis 2012) ab

SXGA-Auflösung fast nur Einsatz

zweier Microdisplays

seit 2012: Smartphone-Displays als

zusätzliche Bezugsquelle

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HMDs: Low-Persistence-Technologie

Technologie der Fa. Valve

für OLED-Displays

Reduktion Nachzieh-Effekte des Displays

(Verwischen) bei Bewegungen

Kopfbewegungen schnell: auch bei

Bildwiederholfrequenz von 60 Hertz

kann Display nicht rechtzeitig

aktualisiert werden

Nutzer sieht für kurze Zeit

(60 Hertz: 16 Millisekunden)

Objekt an falscher Stelle.

statt Frame so lange anzuzeigen, bis nächstes Frame geladen ist und es ersetzt, leuchten die

Pixel bei "Low Persistence" nur für einen kurzen Augenblick auf und bleiben für die restliche

Zeit dunkel

damit dieser Strobing-Effekt dem Nutzer nicht auffällt, ist eine höhere Frequenz notwendig

Tests bestätigten gestiegene Bildqualität

Bild: Oculus

Vergleich Low Persistence – Full Persistence

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HMDs: Firmen

angekündigte HMD-Hersteller:

Kickstarter:

Oculus: 2,4 Mio$

Avegant: 1,5 Mio$

Technical Illusions: 1,0 Mio$

Meta: 0,2 Mio$

Oculus wurde im März 2014 für 2 Milliarden $ von der Fa. Facebook aufgekauft

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Zusammenfassung

Datenbrillen: Grundlegendes

im Allgemeinen kleinere Displayfläche (als HMDs)

im Allgemeinen geringere Auflösung des Displays (als HMDs)

Großteil der natürlichen Sicht unbehindert

zumeist andere Verwendung als Head Mounted Displays:

Zusatzanzeige von Computer-generiertem Content beim

Aufenthalt in natürlichen Umgebungen (z. B. Arbeit, Freizeit,

Reise)

Content zumeist symbolisch, Piktogramm, alphanumerisch wg.

Auflösung und Größe des Displays

bei High-En-Produkten im Marktsegment

Augmented-Reality-Anwendungen möglich

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Datenbrillen


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Datenbrillen - Produkte

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Epson Moverio BT100 Google Glass

ION Glass Meta One Recon Jet

Atheer One

Samsung Galaxy Glass Vuzix m2000AR Vuzix m100 Safety Vuzix M100

Epson Moverio BT200

Meta Pro

Datenbrillen


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Zusammenfassung

Datenbrillen - Produkte

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Datenbrillen


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Tracking: 9-DOF-IMUs

Miniaturisierung, Präzisionssteigerung und Preisverfall:

Bedeutungssteigerung der Inertialsensoren (engl. inertial

measurement unit - IMU) für das Tracking

IMU-Messeinheiten beinhalten folgende Sensorarten:

3 orthogonal angeordnete Beschleunigungssensoren

(Translationssensoren): lineare Beschleunigung in x-, y-

z-Achse. Translation durch zweimaliger Integration.

3 orthogonal angeordnete Drehratensensoren

(gyroskopische Sensoren) : Winkelgeschwindigkeit um

x, y-, z-Achse. Rotation mit einfacher Integration.

Zur Bestimmung der Integrationskonstanten, zur

Verbesserung der Genauigkeit und Korrektion der Drift

der o.g. Sensoren: zusätzliche Sensoren, z.B.

Magnetfeldsensoren (Kompasssensoren) und

GNSS-Sensoren.

Bild: SEIKO Epson

Bild: Sparkfun

IMU V340 der

Fa. SEIKO Epson

IMU Razor der

Fa. Sparkfun

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Tracking


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Zusammenfassung

Tracking: Integration in HMDs und Spielekonsolen

Mehrere Mess-Prinzipien und -Systeme im Einsatz:

9DOF-IMUs

externe Kameras, die IR-Lichtquellen

am HMD tracken

Kameras am HMD, die externe

IR-Lichtquellen in der Umgebung tracken

Tiefenbildkameras zum Scannen der

Realumgebung, fortwährende Referenzierung

hybrider Ansätze: zumeist 9DOF-IMU in

Kombination mit optischen Verfahren für

schnelles wie auch absolutes 6-DOF-Tracking

Bild: Oculus

Bild: True Player Gear

Bild: Sony

IR-LEDs und

externe Kamera

2 Kameras an der

Frontseite des HMDs

IR-LEDs an Rückseite

des HMDs für

360°-Drehung

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Tracking


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Zusammenfassung

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Tracking: Integration in HMDs und Spielekonsolen

Tracking


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Zusammenfassung

Zusammenfassung: Einschätzungen

der Markt für HMDs und für Trackingsysteme

wird sich sehr stark verändern

Markets and Markets:

- globaler HMD-Markt bei $12,28 Milliarden

im Jahr 2020

- jährliche Wachstumsrate 2014-2020: 57%

Einsatzmöglichkeiten guter HMDs enorm

(v.a. Innenraum-Begehungen, Training)

Einschränkungen der Fähigkeit zur Kooperation

sind abstellbar

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Zusammenfassung


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Zusammenfassung

Zusammenfassung: Literatur

Bayer, Michael M.: Introduction to Helmet Mounted

Displays. In: Rash, Clarence E. (Ed.): Helmet-mounted

displays : sensation, perception, and cognition issues, S. 47-

108, U.S. Army Aeromedical Research Laboratory, 2009

Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin:

Datenbrillen - Aktueller Stand von Forschung und

Umsetzung sowie zukünftiger Entwicklungsrichtungen.

Workshop vom 20. Juni 2011, Dortmund, 2011

Bungert, Christoph: HMD/headset/VR-helmet Comparison

Chart, online unter http://www.stereo3d.com/hmd.htm ,

abgerufen am 20.6.2014

Gross, Frank: Head Mounted Displays für den

professionellen Einsatz: Stand der aktuellen Produkte am

Markt. In: Displaytrends 2013 - Head Mounted Displays,

Datenbrillen & Co, Workshop am Virtual Dimension Center

Fellbach, Fellbach, 14.03.2013

Kovshenin, Konstantin: VR Brillen. Head Mounted Display –

Der nächste Quantensprung in Gaming und Film, online

unter http://www.vrbrillen.net , abgerufen am 20.6.2014

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Li, Hua et. al.: Review and analysis of avionic helmet-

mounted displays. In : Optical Engineering 52(11), 110901,

November 2013

Road to VR: HMD Comparison. Head Mounted Display

(HMD) / VR Headset Comparison Chart, online unter

http://www.roadtovr.com/head-mounted-display-hmd-vr-

headset-comparison/ , abgerufen am 20.6.2014

N.N.: Head Mounted Display (HMD) Market by Products

(Helmet Mounted, Wearable Glass), Components (Micro

display, Camera, control unit, Tracker, Accessories),

Applications (Defence, industrial, Video Gaming) &

Geography - Global Analysis and Forecast to 2020, Markets

and Markets, Mai 2014

N.N.: Global Head-mpounted Display Market, TechNavio,

Januar 2013

Zusammenfassung

http://www.stereo3d.com/hmd.htm

http://www.vrbrillen.net/

http://www.roadtovr.com/head-mounted-display-hmd-vr-headset-comparison/













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