Head-Mounted Display

Fallschirmspringer der US-Navy üben mit Head-Mounted Displays virtuell das Fallschirmspringen

EyeTap, ein extrem kleines Head-Mounted Display für erweiterte Realität

Ein Head-Mounted Display [ˈhedmaʊntɪd dɪˈspleɪ] (HMD, engl. „am Kopf befestigte Anzeige“) ist ein auf dem Kopf getragenes visuelles Ausgabegerät, das am Computer erzeugte Bilder auf einem augennahen Bildschirm darstellt oder direkt auf die Netzhaut projiziert.

Wirkung und Nutzen

Durch die körperliche Nähe wirken die Bildflächen von Head-Mounted Displays erheblich größer als die frei stehender Bildschirme und decken im Extremfall sogar das gesamte Sichtfeld des Benutzers ab. Da das Display durch die Kopfhalterung allen Kopfbewegungen des Trägers folgt, bekommt er das Gefühl, sich direkt in der vom Computer erzeugten Bildlandschaft zu bewegen. Einige Head-Mounted Displays schotten ihren Träger von anderen visuellen Eindrücken der Umgebung ab und lassen ihn dadurch vollständig in eine virtuelle Realität eintauchen. Andere überblenden äußere und computererzeugte Bilder und lassen ihren Träger dadurch künstliche Objekte der erweiterten Realität als Teil der greifbaren Welt wahrnehmen.

Head-Mounted Displays können prinzipiell als komfortabler Bildschirmersatz dienen und ermöglichen beispielsweise das Ansehen und Bearbeiten von Videomaterial bei extrem großen Bildausmaßen. Indem sie den Benutzer in die virtuelle Realität eintauchen lassen, können sie angehende Piloten und Panzerfahrer die komplexe Fahrzeugbedienung und Mediziner riskante Operationstechniken am Computer einüben lassen und bieten Spielern von 3D-Computerspielen die bislang größtmögliche Form an Realismus. Die halbdurchsichtige erweiterte Realität bietet die Möglichkeit, alle Arten von Informationen direkt in die Umgebung einzublenden, angefangen bei touristischen Informationen zu Sehenswürdigkeiten über Richtungsanweisungen im Straßenverkehr bis hin zum nächsten Arbeitsschritt bei der Heizungsmontage; kombiniert mit anderen Systemen kann der Sehsinn um Wärmewahrnehmung oder den „Röntgenblick“ erweitert werden.

Geschichte

• 1966: Ivan Sutherland (Massachusetts Institute of Technology) und Raymond Goertz (Argonne National Laboratory) experimentierten mit dem Prototyp der ersten HMDs sowie eines Datenhandschuhs.

• 1968: Ivan Sutherland baut das erste funktionsfähige HMD. Dieses HMD ist so schwer, dass es zusätzlich von der Raumdecke getragen werden musste.

• 1985: Am Ames Research Center (ARC), einem Forschungszentrum der NASA wurden Anwendungen für Virtual Reality entwickelt. Es entstand die Workstation “VIEW”.

• 1985: Vor allem militärische Entwicklungen, beispielsweise die des IHADSS (Integrated Helmet and Display Sight System) für den Hughes AH-64. Diese System war in den Helm des Piloten integriert. Es war unter anderem ausgestattet mit einer Projektionsfläche vor dem rechten Auge, einem Nachtsichtgerät und einem Kopf/Sicht-Richtungssystem für die Bewaffnung des Helikopters.

• 1991: Der VRD (Virtual Retinal Display) wurde in den Human Interface Technology Lab (HIT) entwickelt.

• 1993: Forscher der Columbia State University nutzen einen Wearable Computer, der Informationen nicht auf einem Bildschirm, sondern auf einer Datenbrille zeigt.

• 1994: Steve Mann, Professor am MIT, experimentiert seit den 80ern mit Wearable Computers. Mitte der 90er verbindet er seinen Wearable Computer mit einer Webcam. Per Funk stellte er die entstehenden Bilder ins Internet. Dies kommentierte er mit den Worten: “It's fun being a cyborg.”

• 2000: Microvision entwickelt für die Airforce einen HDTV (1920×1080 Pixel) HMD.

• 2003: Beginn der Serienproduktion des Eurofighter, dessen Piloten mit einem HMD ausgerüstet sind.

• 2006: eMagin stellt ein neues HMD vor. Mit dem Namen Eyebud 800 ist es für den direkten Anschluss an den Apple iPod gedacht.

• 2007: Scalar kündigt für 2008 elektromotorisch ausfahrbare, leichte Cyberbrillen in großen Stückzahlen an.

• 2009: das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme in Dresden stellt eine interaktive Datenbrille vor, die Kontrollvorgänge durch Augenbewegungen auslösen kann.

Technik

Die Hauptkomponenten eines HMDs sind eine Displayeinheit und eine HMD-Optik. Die Displayeinheit liefert das Bild aus einer angeschlossenen Datenquelle. Dies kann ein Laptop, ein Pocket Computer oder auch ein stand alone player sein. Die HMD-Optik leitet das Bild weiter und projiziert es vor das Auge. Allerdings muss die Anzeige bei Fehlsichtigen (Kurz- oder Weitsichtigen) dem Auge angepasst werden.

Datenbrillen der ersten Generation waren mit je einer vor jedem Auge befestigten Kathodenstrahlröhre ausgestattet.

Heutige HMDs sind meist mit ein oder zwei LCD-Monitoren (Liquid Crystal Displays) ausgestattet. Diese sind in eine Brille oder einen Datenhelm integriert. Displays dieser Art haben im kommerziellen Bereich eine Auflösung von etwa 320 x 240 Pixel und in etwa die Bildgröße einer 50-Cent-Münze.

Moderne HMDs sind mit einem Virtual retinal display (VRD) ausgestattet. Diese Technik projiziert ein Bild direkt auf die Netzhaut. Somit entsteht ein Bild, als ob die Daten vor dem Auge schweben würden. Zusammen mit einer transparenten bzw. transluzenten Brille kann das Auge die Umgebung sowie die Darstellungen der Brille gleichzeitig erfassen. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Bild skaliert werden kann und so das gesamte Blickfeld ausgenutzt wird. Moderne HMDs sind bereits mit einer Bildauflösung von 1280 x 1024 Pixel erhältlich.

Ausgestattet mit einem Head Tracker (dt.: „Kopf-Verfolger“) kann das Bild an die momentane Blickrichtung angepasst werden. Anhand von Referenzpunkten an dem HMD kann der Head Tracker die Kopfbewegung erfassen. Mit den gesammelten Positionsdaten des Kopfes kann das projizierte Bild in Echtzeit verändert werden. Somit entsteht auch bei Bewegung das Gefühl, Teil der Anwendung zu sein. Verzögerte und unscharfe Darstellung kann zu unangenehmen Nebenerscheinungen wie der Simulator Sickness und einer Herabsetzung der Präsenz und/oder des Grades der Immersion führen.

Wichtigste technische Kenngröße ist neben Stereoskopie-Fähigkeit, Gewicht, Auflösung der Bildschirme usw. vor allem das Sichtfeld (engl.: Field of View, kurz FOV), das bei gut dokumentierten Geräten als horizontales und vertikales FOV angegeben wird.

Zubehör

Ein VR-Helm besteht üblicherweise in erster Linie aus einem Head-mounted-Display oder einer Datenbrille. Je nach verwendeter Technologie ist zusätzlich eine Mini-(Video)-Kamera oder ein halbdurchlässiger Spiegel nötig. Kopfhörer und Mikrofon vervollständigen die audiovisuelle Immersion.

Zur Interaktion mit dem VR-System benötigt man weiter einen Head-Tracker, um die Kopfbewegungen zu messen, sowie weitere Eingabegeräte wie Datenhandschuhe oder eine 3D-Maus. Neueste Systeme verwenden auch berührungslose Steuerung mittels Gestenerkennung^[1], die meist mit Techniken des Maschinellen Sehens^[2] arbeiten.

Siehe auch

• Netzhautprojektor

Weblinks

• Ivan Sutherlands erstes Head-Mounted Display
• Cakmakci and Rolland. Head-Worn Displays: A Review. Journal of Display Technology. Vol. 2, Issue 3, 2006.
• Sortierbare Übersicht in englischer Sprache

Einzelnachweise

1. ↑ Gesture recognition
2. ↑ Machine vision