Басқа салынатын дисплейлер және авиацияда қолданылуы

Кіріспе

Дисплей құрылғысының түрі

авиациялық қолданбалар

Басқа орнатылатын дисплей (HMD) – басқа немесе қауіпсіздік шлемінің бөлігі ретінде киілетін (авиациялық қолданбалар үшін шлемге орнатылған дисплейді қараңыз), оның алдында бір (монокулярлық HMD) немесе әр көздің алдында (бинокулярлық HMD) кішкентай дисплейлік оптика болады. HMD-нің көптеген қолданыс салалары бар, оның ішінде ойын, авиация, инженерия және медицина. Виртуалды шындық гарнитурасы – пайдаланушыға виртуалды ортаны ұсыну үшін 3D-позицияны және айналуын қадағалайтын HMD түрі. 3DOF VR гарнитуралары көбінесе IMU-ны қадағалау үшін пайдаланады. 6DOF VR гарнитуралары көбінесе бірнеше дерек көздерінен, соның ішінде кем дегенде бір IMU-дан сенсорлардың бірігуін қолданады. Басқа орнатылатын оптикалық дисплей (OHMD) – проекцияланған кескіндерді көрсетіп, пайдаланушыға оны көруге мүмкіндік беретін киілетін дисплей.

Шолу

Әдеттегі HMD-де бір немесе екі шағын дисплей болады, линзалар мен жартылай мөлдір айналар көзілдіріктерге (дерек көзілдіріктері деп те аталады), визорға немесе шлемге орнатылған. Дисплейлік құрылғылар миниатюраланған және катодты сәулелі түтіктер (CRT), сұйық кристалл дисплейлер (LCD), кремнийдегі сұйық кристаллдар (LCos) немесе органикалық жарықдиодтар (OLED) сияқты түрлерді қамтуы мүмкін. Кейбір өндірушілер жалпы ажыратымдылықты және көру бұрышын арттыру үшін бірнеше микродисплейлерді пайдаланады. HMD-лер компьютерлік графиканы (CGI) ғана, немесе физикалық әлемнен тікелей түсірілген бейнелерді ғана, немесе олардың комбинациясын көрсету мүмкіндігіне қарай ерекшеленеді. Көптеген HMD-лер компьютерлік графиканы ғана көрсете алады, бұл кейде виртуалды бейне деп аталады. Кейбір HMD-лер CGI-ді нақты әлемнің көрінісіне қоюға мүмкіндік береді. Бұл кейде толықтырылған шындық (AR) немесе аралас шындық (MR) деп аталады. Нақты әлемнің көрінісін CGI-мен біріктіру CGI-ді жартылай шағылыстыратын айна арқылы проекциялау және нақты әлемді тікелей көру арқылы жасалуы мүмкін. Бұл әдіс көбінесе оптикалық көру деп аталады. Нақты әлемнің көрінісін CGI-мен біріктіру сондай-ақ электронды түрде, камерадан видео қабылдап, оны CGI-мен электронды түрде араластыру арқылы жүзеге асырылуы мүмкін.

Оптикалық HMD

Басына орнатылған оптикалық дисплейде ішінара күмірленген айналардан жасалған оптикалық араластырғыш пайдаланылады. Ол жасанды бейнелерді көрсетуге және нақты бейнелерді линза арқылы өтуге мүмкіндік береді, соның арқасында пайдаланушы оларға қарай алады. Жарқындығы жоғары HMD-лерді жасау үшін әртүрлі әдістер қолданылған, олардың көпшілігі екі негізгі топқа бөлінеді: қисайған айналар немесе толқын жетектері. Laster Technologies және Vuzix компаниялары өздерінің Star 1200 өнімінде қисайған айналарды пайдаланған. Ал толқын жетектеріне қатысты әртүрлі әдістер жылдар бойы қолданылып келеді. Оларға дифракциялық оптика, голографиялық оптика, поляризацияланған оптика және шағылыстыратын оптика жатады.

Қолданбалар

HMD-нің негізгі қолданыс салалары – әскери, мемлекеттік (өртке қарсы қызмет, полиция және т.б.), сондай-ақ азаматтық коммерциялық (медицина, бейне ойындар, спорт және т.б.).

Әуе және тактикалық, жер

1962 жылы Hughes Aircraft Company Electrocular құрылғысын таныстырды – 7 дюймдік (ұзындығы) компактты CRT монокулярлы дисплей, ол теледидар сигналын мөлдір линзаға шағылыстырады. Қатты қорғаныспен жабдықталған HMD-лер қазіргі заманғы тікұшақтар мен истребительдердің кабиналарына жиі енгізілуде. Бұл құрылғылар көбінесе ұшқыштың шлемімен толық интеграцияланған, қорғаныш визорлары, түнгі көру құрылғылары және басқа да символдық ақпаратты көрсету мүмкіндігіне ие. Әскерилер, полиция және өрт сөндірушілер HMD-ді нақты көрініс кезінде карталар немесе термографиялық деректер сияқты тактикалық ақпаратты көрсету үшін пайдаланады. Жақында HMD десантшылар үшін де қолданысқа енгізілді. 2005 жылы Liteye HMD жердегі жауынгерлік бөлімдер үшін стандартты АҚШ PVS 14 әскери шлеміне бекітілетін, берік, су өткізбейтін, жеңіл дисплей ретінде ұсынылды. Өзіндік түсті монокулярлы OLED (органикалық жарықдиодты) дисплейі түнгі көру құрылғысының түтігін алмастырады және мобильді есептеу құрылғысына қосылады. LE құрылғысы арқылы көруге мүмкіндік береді және оны стандартты HMD ретінде немесе толықтырылған шындық қолданбалары үшін пайдалануға болады. Дизайн барлық жарық жағдайында, жабық немесе ашық режимдерде жоғары сапалы деректерді ұсыну үшін оңтайландырылған. LE аз қуатты тұтынады, төрт AA батареясымен 35 сағат бойы жұмыс істейді немесе стандартты Universal Serial Bus (USB) қосылысы арқылы қуат алады. Қорғаныс жоғары технологиялық зерттеулер агенттігі (DARPA) толықтырылған шындық HMD-дегі зерттеулерді Persistent Close Air Support (PCAS) бағдарламасы аясында жалғастыруда. Vuzix қазіргі уақытта PCAS үшін бірнеше миллиметр қалыңдығы бар голографиялық толқын жетекшілерін пайдаланатын толықтырылған шындық көзілдірігін жасап жатыр.

Инженерлік

Инженерлер мен ғалымдар HMD-ді компьютерлік көмекпен жобалау (CAD) схемаларын стереоскопиялық түрде көрсету үшін пайдаланады. Виртуалды шындық инженерлік және жобалау саласында қолданылғанда, жобалау процесіне адамды қатыстырудың маңызды факторы болып табылады. Инженерлерге өз жобаларымен нақты өлшемде тікелей әрекеттесуге мүмкіндік беру арқылы, өнімдер физикалық прототип жасалғанға дейін байқауға болмайтын мәселелерге қатысты тексерілуі мүмкін. VR үшін HMD пайдалану, VR симуляциясы үшін дәстүрлі түрде қолданылатын CAVE жүйесіне толықтыру ретінде қарастырылады. HMD көбінесе дизайнмен жеке адамның өзара әрекеттесуі үшін қолданылады, ал CAVE жүйелері виртуалды шындық сеанстарын бірлесіп өткізуге мүмкіндік береді. Басқа орнатылған дисплей жүйелері күрделі жүйелерді техникалық қызмет көрсетуде де қолданылады, себебі олар техникке жүйелік схемалар мен суреттер сияқты компьютерлік графиканы оның табиғи көру қабілетімен біріктіре отырып, симуляцияланған рентген көру мүмкіндігін ұсынуы мүмкін (көрсетілген немесе өзгертілген шындық).

Медицина және ғылыми зерттеулер

Сондай-ақ, хирургияда рентгендік деректердің (Х-сәулелік компьютерлік томография (КТ) сканерлері және магниттік-резонанстық томография (МРТ) суреттері) хирургтың операцияны табиғи түрде көруімен және анестезиямен үйлестіріледі, онда пациенттің тірі қалғандық белгілері анестезиологтың көз алдында болады. Зерттеу университеттері көбінесе HMD құрылғыларын көру, тепе-теңдік, таным және нейроғылым саласындағы зерттеулер үшін пайдаланады. 2010 жылға дейін, жеңіл ми жарақатын анықтау үшін болжамды визуалды қадағалау өлшемі зерттелді. Визуалды қадағалау сынақтарында көзді қадағалау мүмкіндігі бар HMD құрылғысы үлгілі қозғалыспен қозғалатын нысанды көрсетеді. Миы зақымдалмаған адамдар қозғалатын нысанды тегіс көз қозғалысымен және дұрыс траекториямен қадағалай алады.

Ойын және бейне

3D ойындар мен ойын-сауық бағдарламаларында пайдалануға арналған төмен құнмен HMD құрылғылары қол жетімді. Коммерциялық тұрғыда сатылымға шыққан алғашқы HMD құрылғыларының бірі – Forte VFX1, ол 1994 жылы Consumer Electronics Show (CES) көрмесінде таныстырылды. VFX 1 стереоскопиялық дисплейлермен, 3 осьті бас қозғалысын қадағалау жүйесімен және стерео дұбырлы құлаққаптармен жабдықталған. Бұл саладағы тағы бір пионер – 1997 жылы Glasstron шығарған Sony компаниясы. Ол опциялық позициялық сенсормен бірге келді, ол пайдаланушыға қоршаған ортаны қарауға мүмкіндік берді, ал перспектива бас қозғалғанда өзгеретін, терең ену сезімін тудыратын. Бұл технологияның жаңа қолданылуының бір мысалы – MechWarrior 2 ойыны, ол Sony Glasstron немесе Virtual I/O iGlasses пайдаланушыларына өздерінің көздерін визуалды құрал ретінде пайдаланып, ұшақтың кабинасынан майданды көруге мүмкіндік берді. Көптеген бейне көзілдірік брендтерін қазіргі заманғы бейне және DSLR камераларына қосуға болады, оларды жаңа буын монитор ретінде пайдалануға болады. Көздіріктердің сыртқы жарықты тоқтату қабілетінің арқасында кинооператорлар мен фотографтар өздерінің тікелей трансляцияларын айқын көре алады. Oculus Rift – Палмер Лакки жасаған және Oculus VR компаниясы виртуалды шындық (VR) симуляциялары мен бейне ойындар үшін әзірлеген виртуалды шындық бас дисплейі. HTC Vive – виртуалды шындық бас дисплейі. Бұл гарнитура Valve және HTC компанияларының бірлескен өнімі, оның ерекшелігі – жоғары дәлдіктегі бөлме масштабты қадағалау және қозғалыс контроллерлері. PlayStation VR – PlayStation 4 ойын консолі үшін арналған виртуалды шындық гарнитурасы. Windows Mixed Reality – Microsoft компаниясы әзірлеген платформа, ол HP, Samsung және басқалар шығарған гарнитуралардың кең ауқымын қамтиды және көптеген HTC Vive ойындарын ойнатуға қабілетті. Ол контроллерлерді қадағалау үшін тек ішкі бақылауды қолданады.

Виртуалды кинотеатр

Кейбір басқа орнатылатын дисплейлер дәстүрлі бейне және фильм мазмұнын виртуалды кинотеатрда көрсету үшін жасалған. Бұл құрылғылар әдетте 50–60° шамасындағы салыстырмалы түрде тар көру бұрышына (FOV) ие, бұл оларды виртуалды шындық гарнитураларына қарағанда аз әсерлі етеді, бірақ олар пиксельдер саны бойынша градусқа шаққанда жоғарырақ ажыратымдылықты ұсынады. 2011 жылы шыққан Sony HMZ T1 әр көзге 1280x720 ажыратымдылықпен жабдықталған. 2015 жылы Android 5 (Lollipop) негізіндегі «жеке кинотеатр» өнімдері, VRWorld, Magicsee сияқты әртүрлі брендтермен және Nibiru бағдарламалық жасақтамасын пайдаланып шығарылды. 2020 жылы шығарылған, әр көзге 1920×1080 ажыратымдылығы бар өнімдердің ішінде Goovis G2 және Royole Moon кірді. Сондай-ақ, әр көзге 720P ретиналық проекцияны қолданған Avegant Glyph және 2560×1440 ажыратымдылығы бар Cinera Prime, сонымен қатар 66° FOV құрылғылары да болды. Көлемді Cinera Prime стандартты тіреу тұғырын немесе қосымша басқа орнату құрылғысын пайдаланды. 2021 жылдың соңында сатылымға түсуі күтілген Cinera Edge, бұрынғы Cinera Prime моделімен бірдей FOV және 2560×1440 ажыратымдылығына ие болды, бірақ әлдеқайда ықшам формада жасалған. 2021 жылы қолжетімді басқа өнімдер: Cinemizer OLED (әр көзге 870×500 ажыратымдылықпен), VISIONHMD Bigeyes H1 (әр көзге 1280x720 ажыратымдылықпен) және Dream Glass 4K (әр көзге 1920x1080 ажыратымдылықпен). Мұнда аталған барлық өнімдерде Goovis G2, Cinera Prime, VISIONHMD Bigeyes H1 және Dream Glass 4K-ден басқа аудио құлаққаптар немесе құлақтың ішіне салынатын гарнитуралар болды, ал олардың орнына аудио құлаққаптарын қосуға арналған ұяшалар ұсынылды.

Қашықтан басқару

Бірінші тұлғадан көру (FPV) режимінде дрон ұшыру үшін басқа орнатылатын дисплейлер қолданылады, олар көбінесе "FPV көзілдірігі" деп аталады. Аналогты FPV көзілдіріктері (мысалы, Fat Shark өндіргендері) дрон жарыстарында жиі қолданылады, себебі олар ең төменгі бейнекешіктіруді қамтамасыз етеді. Алайда, цифрлық FPV көзілдіріктері (мысалы, DJI өндіретін) жоғарырақ бейнеажыратымдылығының арқасында күнделікті кеңінен танымал болып келеді. 2010 жылдардан бері FPV дрон ұшыру әуе кинематографиясы және әуе фотосуреті салаларында кеңінен қолданылуда.

Спорт

Kopin Corp. және BMW Group компаниялары Formula One жүргізушілері үшін HMD жүйесін әзірледі. HMD маңызды жарыс деректерін көрсетеді, жүргізушіге трассаға назар аударуға мүмкіндік береді, ал пит-топтар екі тарапты радиоарна арқылы жүргізушілеріне жіберілетін деректер мен хабарламаларды басқарады. Recon Instruments 2011 жылғы 3 қарашада тау шаңғысы көзілдіріктеріне арналған екі басқа орнатылатын дисплейді – MOD және MOD Live шығарды, соңғысы Android операциялық жүйесінде жұмыс істейді.

Оқыту және симуляция

HMD-нің маңызды қолданылуы – оқыту және симуляция, бұл оқушыны қымбатқа түсетін немесе нақты өмірде қайта жасауға қауіпті жағдайға виртуалды түрде қоюға мүмкіндік береді. HMD-мен оқыту жүргізудің саласы кең: жүргізу, дәнекерлеу, бояу, ұшу және көлік құралдарын симуляциялау, жаяу әскерді даярлау, медициналық процедураларды үйрету және тағы да көптеген мүмкіндіктер бар. Дегенмен, кейбір басқа орнатылатын дисплейлерді ұзақ пайдаланудан негізгі жағымсыз әсерлер пайда болып жатыр, және оңтайлы оқыту мен симуляцияны жүзеге асыру үшін бұл мәселелерді шешу қажет.

Жүгіру параметрлері

Стереоскопиялық бейнелерді көрсету мүмкіндігі. Бинокльді HMD әр көзге әртүрлі суретті көрсетуге мүмкіндік береді. Бұл стереоскопиялық бейнелерді көрсету үшін қолданылуы мүмкін. «Оптикалық шексіздік» деп аталатын ұғымды ұшқыш хирургтары мен дисплей мамандары әдетте шамамен 9 метр деп қабылдайды. Бұл – адамның көзінің орташа қашықтық өлшегіштің «базалық сызығы» (көздер арасындағы қашықтық немесе көзқарастар аралық қашықтық (IPD)) 2,5 және 3 дюйм (6 және 8 см) аралығында болған жағдайда, осы қашықтықтағы объектінің бұрышы екі көзден де бірдей көрінетін қашықтық. Алғашқы қашықтықтарда әр көздің перспективасы айтарлықтай өзгеше болады және компьютерлік бейнелеу жүйесі арқылы екі түрлі визуалды арна жасаудың қажеттілігі туындайды. Көзқараша аралық қашықтық (ККД). Бұл екі көздің арасындағы қашықтық, оқушыларда өлшенеді және бас дисплейлерін жобалауда маңызды. Көрініс өрісі (КӨЖ) – Адамның КӨЖ шамамен 180°, бірақ көптеген HMD-лер бұдан әлдеқайда аз көрініс өрісін ұсынады. Әдетте, үлкен көрініс өрісі суға батып, жағдайды жақсырақ түсіну сезімін береді. Көптеген адамдар нақты FOV-тің қалай көрінетінін жақсы сезінбейді (мысалы, 25°), сондықтан өндірушілер көбінесе экранның көрнекті өлшемін көрсетеді. Көптеген адамдар монитордан 60 см қашықтықта отырып, осы қашықтықта экранның өлшемін жақсы түсінеді. Өндірушінің экранның көрнекті өлшемін үстел мониторының орнына аудару үшін экранның өлшемін футпен арақашықтыққа бөліп, содан кейін 2-ге көбейтіңіз. Тұтынушы деңгейіндегі HMD-лер әдетте шамамен 110° FOV ұсынады. Ажыратымдылық – HMD-лерде әдетте пикселдердің жалпы саны немесе градусқа шаққандағы пикселдер саны көрсетіледі. Пикселдердің жалпы санын (мысалы, бір көзге 1600×1200 пиксел) көрсету компьютер мониторларының сипаттамаларын беру тәсілінен алынған. Дегенмен, пиксел тығыздығы, әдетте градусқа шаққандағы пикселдер саны немесе пикселге шаққандағы доға минутына көрсетіледі, сондай-ақ көру қабілетін анықтау үшін де қолданылады. 60 пиксел/° (1 доға минутына/пиксел) көбінесе көзге шектейтін ажыратымдылық деп аталады, одан жоғары ажыратымдылықты қалыпты көру қабілеті бар адамдар байқамайды. HMD-лер әдетте 10-20 пиксел/° ұсынады, бірақ микродисплейлердегі жетістіктер бұл көрсеткішті арттыруға көмектеседі. Бинокулярлық жабысу – екі көзге ортақ аймақты өлшеу. Бинокулярлық жабысу тереңдік және стерео сезімінің негізі болып табылады, бұл адамдарға жақын және алыс объектілерді сезуге мүмкіндік береді. Адамның бинокулярлық жабысуы шамамен 100° (мұрынның сол жағына 50° және оң жағына 50°). HMD ұсынатын бинокулярлық жабысу қаншалықты үлкен болса, стерео сезімі де соғұрлым жоғары болады. Жабысу кейде градуспен (мысалы, 74°) немесе әрбір көздің көру өрісінің қаншасы екінші көзге ортақ екенін көрсететін пайызбен көрсетіледі. Қоныстануды қолдау – көздің қоныстану және вергенция қашықтығын сәйкестендіретін HMD-лер, олай емес HMD-лерге қарағанда ыңғайлырақ. Қашықтағы фокус (коллимация). Оптикалық әдістер суреттерді алыстан фокусқа келтіру үшін қолданылуы мүмкін, бұл нақты әлемде алыста болатын суреттердің реализмін жақсартады. Борттағы өңдеу және операциялық жүйе. Кейбір HMD өндірушілері Android сияқты операциялық жүйелерді ұсынады, бұл HMD-де жергілікті түрде қосымшаларды іске қосуға мүмкіндік береді және бейне жасау үшін сыртқы құрылғыға қосылу қажеттілігін жояды. Бұлар кейде «ақылды көзілдіріктер» деп аталады. HMD құрылымын жеңілдету үшін өндірушілер өңдеу жүйесін байланысты ақылды мойынтірек түріне көшіре алады, бұл сонымен қатар үлкен батареяның қосымша артықшылығын ұсынады. Мұндай шешім екі видео кірісі немесе жоғары жиілікті уақытқа негізделген мультиплекстеу үшін жеткілікті қуатпен қамтамасыз ететін жеңіл HMD-ді жобалауға мүмкіндік береді (төменде қараңыз).

Ability to show stereoscopic imagery. A binocular HMD has the potential to display a different image to each eye. This can be used to show stereoscopic images. It should be borne in mind that so called 'Optical Infinity' is generally taken by flight surgeons and display experts as about 9 meters. This is the distance at which, given the average human eye rangefinder "baseline" (distance between the eyes or Interpupillary distance (IPD)) of between 2.5 and 3 inches (6 and 8 cm), the angle of an object at that distance becomes essentially the same from each eye. At smaller ranges the perspective from each eye is significantly different and the expense of generating two different visual channels through the computer generated imagery (CGI) system becomes worthwhile. Interpupillary distance (IPD). This is the distance between the two eyes, measured at the pupils, and is important in designing head mounted displays. Field of view (FOV) – Humans have an FOV of around 180°, but most HMDs offer far less than this. Typically, a greater field of view results in a greater sense of immersion and better situational awareness. Most people do not have a good feel for what a particular quoted FOV would look like (e. g., 25°) so often manufacturers will quote an apparent screen size. Most people sit about 60 cm away from their monitors and have quite a good feel about screen sizes at that distance. To convert the manufacturer's apparent screen size to a desktop monitor position, divide the screen size by the distance in feet, then multiply by 2. Consumer level HMDs typically offer a FOV of about 110°. Resolution – HMDs usually mention either the total number of pixels or the number of pixels per degree. Listing the total number of pixels (e. g., 1600×1200 pixels per eye) is borrowed from how the specifications of computer monitors are presented. However, the pixel density, usually specified in pixels per degree or in arcminutes per pixel, is also used to determine visual acuity. 60 pixels/° (1 arcmin/pixel) is usually referred to as eye limiting resolution, above which increased resolution is not noticed by people with normal vision. HMDs typically offer 10 to 20 pixels/°, though advances in micro displays help increase this number. Binocular overlap – measures the area that is common to both eyes. Binocular overlap is the basis for the sense of depth and stereo, allowing humans to sense which objects are near and which objects are far. Humans have a binocular overlap of about 100° (50° to the left of the nose and 50° to the right). The larger the binocular overlap offered by an HMD, the greater the sense of stereo. Overlap is sometimes specified in degrees (e. g., 74°) or as a percentage indicating how much of the visual field of each eye is common to the other eye. Accommodation support – HMDs that support matching the accommodation and vergence distances of the eyes are more comfortable than those that do not. Distant focus (collimation). Optical methods may be used to present the images at a distant focus, which seems to improve the realism of images that in the real world would be at a distance. On board processing and operating system. Some HMD vendors offer on board operating systems such as Android, allowing applications to run locally on the HMD, and eliminating the need to be tethered to an external device to generate video. These are sometimes referred to as smart goggles. To make the HMD construction lighter producers may move the processing system to connected smart necklace form factor that would also offer the additional benefit of larger battery pack. Such solution would allow to design lite HMD with sufficient energy supply for dual video inputs or higher frequency time based multiplexing (see below).