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

Eine Videobrille

Cinemizer Videobrille

Ein Head-Mounted Display [ˈhedmaʊntɪd dɪˈspleɪ] (wörtlich „am Kopf befestigte Anzeige“), kurz HMD, ist ein auf dem Kopf getragenes visuelles Ausgabegerät. Es präsentiert Bilder entweder auf einem augennahen Bildschirm oder projiziert sie direkt auf die Netzhaut (siehe virtuelle Netzhautanzeige). Je nach Ausgestaltung nennt man das HMD auch Videobrille, Helmdisplay oder VR-Helm.

Formen

Videobrille

Die einfachste Form eines Head-Mounted Displays besteht aus einer Videobrille ohne weitere Sensoren. Diese Brille besteht aus einem Kopfbügel, zwei Kleinstbildschirmen, einem Kopfhörer oder Ohrstöpseln, und meist zusätzlichen Sichtblenden, die es ermöglichen, Videoinformation ungestört von externen optischen Reizen zu betrachten. Videobrillen werden im privaten Bereich zum Betrachten von DVDs oder Fernsehprogrammen verwendet, ebenso für Computerspiele. Im medizinischen Bereich können die Systeme zum einen zur Angst- oder Schmerzablenkung, zum Beispiel beim Zahnarzt oder anderen ambulanten Therapien, verwendet werden.

VR-Brille

Eine Virtual-Reality-Brille (auch Datenbrille) oder ein entsprechender Helm hat zusätzlich noch Sensoren zur Bewegungserfassung des Kopfes. Damit kann die Anzeige der berechneten Grafik an die Bewegungen des Nutzers angepasst werden. Als weitere Eingabegeräte können Datenhandschuhe oder eine 3D-Maus zum Einsatz kommen. Einige Systeme verwenden auch berührungslose Steuerung mittels Gestenerkennung, die mit Techniken des Maschinellen Sehens arbeiten können.

Eine Sonderform des HMDs ist das Helmet-Mounted-Display. Bei einem solchen System ist das HMD Teil eines Helms, beispielsweise eines Helms für Piloten.

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 baute 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, beeinflussen die Entwicklung. Diese Systeme waren in den Helm des Piloten integriert. Es war unter anderem mit einer Projektionsfläche vor dem rechten Auge, einem Nachtsichtgerät und einem Kopf/Sicht-Richtungssystem für die Bewaffnung des Helikopters ausgestattet.
• 1991: Das VRD (Virtual Retinal Display) wurde im Human Interface Technology Lab (HIT) entwickelt.
• 1993: Forscher der Columbia State University nutzten einen Wearable Computer, der Informationen nicht auf einem Bildschirm, sondern auf einer Datenbrille zeigte.
• 1994: Steve Mann, Professor am MIT, experimentiert ab den 1980er Jahren mit Wearable Computers. Mitte der 1990er verband 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: Microvisione entwickelt für die Airforce einen HDTV-HMD mit 1920×1080 Pixel.
• 2003: Begann die Serienproduktion des Eurofighter, dessen Piloten mit einem HMD ausgerüstet sind.
• 2006: eMagin stellte ein neues HMD vor. Mit dem Namen Eyebud 800 ist es für den direkten Anschluss an den Apple iPod gedacht.
• 2007: Scalar kündigte für 2008 elektromotorisch ausfahrbare, leichte Cyberbrillen in großen Stückzahlen an.
• 2009: das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden stellte eine interaktive Datenbrille vor, die Kontrollvorgänge durch Augenbewegungen auslösen kann. Seit 2012 werden diese Arbeiten an der Fraunhofer-Einrichtung für Organik, Materialien und elektronische Bauelemente COMEDD fortgeführt.
• 2011: Sony stellt das erste 3D-fähige Head-Mounted Display mit HD OLED Display vor (HMZ-T1).
• 2012: John Carmack stellte auf der E3 ein eigens konzipiertes HMD vor, welches ein großes Sichtfeld (etwa 90°) mit geringer Latenz (etwa 20 ms) und potenziell niedrigem Preis kombiniert. Im selben Jahr startete die neu gegründete Firma OculusVR eine Crowdfunding Kampagne, über die die Entwicklung der Oculus Rift HMD (110° diagonales Sichtfeld, 50 ms Latenz) finanziert wurde, welches seit 2013 für $300 als Development Kit verkauft wird.
• 2012: Google Glass
• 2014: Oculus Rift Development Kit 2

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 × 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 mit einer Bildauflösung von 1280 × 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 (Simulatorübelkeit) 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.

Siehe auch

• Erweiterte Realität
• Head-up-Display

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
• Sony Global - Product & Technology Milestones-Projector Head Mounted Display (5. Februar 2014)