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HMD

Head-Mounted Display – Ein HMD ist ein auf dem Kopf getragenes visuelles Ausgabegerät.

Mikrodisplays Einstieg

Klein aber fein Mikrodisplays erobern den Consumer-Markt

Virtual Retinal Display

Virtual Retinal Displays zeichnen Bilder direkt in das Auge des Betrachters

Beschreibung

Ein HMD stellt vom Computer erzeugte Bilder auf einem augennahen Bildschirm dar und projiziert diese direkt auf die menschliche Netzhaut. Durch die körperliche Nähe wirken die Bildflächen von HMDs erheblich größer als die frei stehender Bildschirme und decken im Extremfall sogar das gesamte Sichtfeld des Benutzers ab. Da das HMD durch die Kopfhalterung allen Kopfbewegungen des Trägers folgt, bekommt er das Gefühl, sich direkt in der vom Computer erzeugten Bildlandschaft zu bewegen. Einige HMDs schotten ihren Träger von anderen visuellen Eindrücken der Umgebung ab und lassen ihn dadurch vollständig in eine virtuelle Realität eintauchen. Andere HMDs überblenden äußere und computererzeugte Bilder und lassen ihren Träger dadurch künstliche Objekte der erweiterten Realität als Teil der greifbaren Welt wahrnehmen.

HMDs können prinzipiell als komfortabler Bildschirmersatz dienen und ermöglichen beispielsweise das Ansehen und Bearbeiten von Videomaterial bei extrem großen Bildausmaßen. Indem HMDs 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 AH -64 Apache Helikopter. Dieses 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.
- 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.

Technik:
Die Hauptkomponenten eines HMDs sind, eine Displayeinheit und eine HMD-Optik. Die Displayeinheit liefert das Bild durch eine angeschlossene Datenquelle. Dies kann ein Laptop, ein Pocket Computer oder auch ein Standalone Player sein. Die HMD-Optik leitet das Bild weiter und projiziert es vor das Auge.

Datenbrillen der ersten Generation waren mit zwei vor den Augen befestigten Kathodenstrahlröhren ausgestattet.

Heutige HMDs sind mit ein bis 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 320:240 Pixel und in etwa die Größe 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 Auflösung von 1280:1024 Pixel erhältlich.

Ausgestattet mit einem Head Tracker (dt.: "Kopf-Verfolger") kann das Bild an die Blickrichtung angepasst werden. Anhand von Referenzpunkten an dem HMD kann der Head Tracker die Kopfbewegung erfassen. Die gesammelten Daten können so das gesehene Bild in Echtzeit verändern. Somit entsteht auch bei Bewegung das Gefühl, Teil der Anwendung zu sein. Verzögerte und schlechte Darstellung kann zu unangenehmen Nebenerscheinungen wie der Simulator Sickness und einer Herabsetzung der Präsenz und/oder des Grades der Immersion führen.

Wichtigste technische Kenngröße eines HMDs 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 HMD, oder einer Datenbrille. Je nach verwendeter Technologie ist zusätzlich eine Mini-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 Space Mouse.

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