© 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
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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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Datenbrillen Tracking Head Mounted Displays
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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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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
Head Mounted Displays
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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
Head Mounted Displays
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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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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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Head Mounted Displays
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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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Head Mounted Displays
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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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Head Mounted Displays
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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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Head Mounted Displays
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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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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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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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Tracking: Integration in HMDs und Spielekonsolen
Tracking
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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
21.10.2014 22
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
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