헤드마운트 디스플레이

Head-mounted display
항공 애플리케이션의 경우 헬멧 장착 디스플레이를 참조하십시오.
영국 육군 예비군, 가상현실 헤드셋 시연

HMD(Head Mounted Display)는 머리 또는 헬멧(항공 어플리케이션의 경우 헬멧 장착 디스플레이 참조)의 일부로 착용하는 디스플레이 장치로, 한쪽(단색 HMD) 또는 양쪽 눈(단색 HMD) 앞에 작은 디스플레이 광학 장치를 갖추고 있습니다. HMD는 게임, 항공, 엔지니어링, [1]의학을 포함한 많은 용도를 가지고 있습니다.가상현실 헤드셋은 IMU와 결합된 HMD입니다.투사된 영상을 반사해 투시할 수 있는 웨어러블 디스플레이인 옵티컬 헤드마운트 디스플레이(OMD)도 있다.[2]

개요

LED 조명기 및 카메라를 사용하여 눈의 움직임을 측정하는 아이 트래킹 HMD

일반적인 HMD에는 안경(데이터 안경이라고도 함), 바이저 또는 헬멧에 내장된 렌즈와 반투명 거울이 있는 하나 또는 두 개의 작은 디스플레이가 있다.디스플레이 장치는 소형화되어 있으며 음극선관(CRT), 액정 디스플레이(LCD), 실리콘(LCos)의 액정 또는 유기발광다이오드(OLED)를 포함할 수 있습니다.일부 벤더는 전체 해상도와 시야를 높이기 위해 여러 개의 마이크로 디스플레이를 사용합니다.

HMD는 CGI(컴퓨터 생성 이미지)만 표시할 수 있는지, 아니면 실제 세계의 실시간 이미지만 표시할 수 있는지 또는 조합할 수 있는지에 따라 다릅니다.대부분의 HMD는 컴퓨터에서 생성된 이미지(가상 이미지라고도 함)만 표시할 수 있습니다.일부 HMD에서는 CGI를 실제 뷰에 중첩할 수 있습니다.증강현실(AR) 또는 혼합현실(MR)이라고도 합니다. CGI와 실제 세계관을 결합하는 것은 부분적으로 반사된 거울을 통해 CGI를 투영하고 실제 세계를 직접 보는 것으로 이루어집니다.이 방법은 종종 광학 시스루라고 불립니다.카메라에서 영상을 받아 CGI와 전자적으로 혼합함으로써 CGI와 실제 세계관을 결합할 수도 있다.

광HMD

주요 기사:옵티컬 헤드 마운트 디스플레이

광학 헤드 마운트 디스플레이는 부분적으로 은도금 미러로 이루어진 광학 믹서를 사용한다.인공 영상을 반사해, 실제 영상을 렌즈와 교차시켜 유저가 볼 수 있습니다.시스루 HMD에는 다양한 방법이 존재하며, 대부분은 곡선 거울 또는 도파관에 기초한 두 개의 주요 패밀리로 요약할 수 있다.커브드 미러는 Laster Technologies와 Vuzix가 스타 1200 제품에 사용했습니다.다양한 도파관 방법이 수년 전부터 존재해 왔다.여기에는 회절광학, 홀로그래픽광학, 편광학, 반사광학 등이 포함된다.

적용들

주요 HMD 애플리케이션에는 군사, 정부(소방, 경찰 등) 및 민간-상업(의료, 비디오 게임, 스포츠 등)이 포함됩니다.

항공 및 전술, 지상

주요 기사:헬멧 장착 디스플레이
스콜피온 헬멧에 장착된 통합 표적 시스템을 테스트하는 미 공군 비행 장비 기술자

1962년 Hughes Aircraft Company는 TV 신호를 투명한 [3][4][5][6]접안렌즈에 반사시키는 머리 장착 단안경 디스플레이인 Electricular를 발표했습니다.견고화된 HMD가 현대 헬리콥터와 전투기의 콕핏에 점점 더 통합되고 있다.일반적으로 조종사의 비행 헬멧과 완전히 통합되어 있으며 보호 바이저, 야간 투시 장치 및 기타 기호 표시를 포함할 수 있습니다.

군, 경찰, 소방관들은 실제 장면을 보면서 지도나 열영상 데이터 같은 전술 정보를 표시하기 위해 HMD를 사용한다.최근 애플리케이션에는 낙하산 부대에 [7]HMD 사용이 포함되어 있습니다.2005년, Liteye HMD는 표준적인 미군 PVS-14 군용 헬멧 마운트에 끼워지는 견고하고 방수 경량 디스플레이로서 지상 전투 부대를 위해 도입되었습니다.NVG 튜브를 대체하고 모바일 컴퓨팅 장치에 연결하는 자급식 컬러 단안형 유기발광다이오드(OLED) 디스플레이.LE는 시스루 기능이 있으며 표준 HMD 또는 증강현실 애플리케이션에 사용할 수 있습니다.이 설계는 모든 조명 조건, 커버 모드 또는 시스루 작동 모드에서 고해상도 데이터를 제공하도록 최적화되어 있습니다.LE는 4개의 AA 배터리로 35시간 동안 작동하거나 표준 USB [8]연결을 통해 전력을 공급받아서 전력 소비량이 낮습니다.

DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)는 PCAS(Persistent Close Air Support) 프로그램의 일환으로 증강현실 HMD 연구에 계속 자금을 지원하고 있습니다.부직스는 홀로그래픽 도파관을 이용해 두께 [9]수 밀리미터에 불과한 시스루 증강현실 안경을 제작하는 PCAS용 시스템을 개발 중이다.

공학 기술

엔지니어와 과학자들은 HMD를 사용하여 CAD([10]컴퓨터 지원 설계) 도식의 입체 뷰를 제공합니다.가상현실은 엔지니어링과 설계에 적용되었을 때 설계에서 인간을 통합하는 데 중요한 요소입니다.엔지니어가 실제 크기에서 설계와 상호작용할 수 있도록 함으로써 물리적 프로토타이핑 전에는 볼 수 없었던 문제에 대한 제품 검증을 수행할 수 있습니다.VR에 HMD를 사용하는 것은 기존의 VR 시뮬레이션에 CAVE를 사용하는 것을 보완하는 것으로 간주됩니다.HMD는 주로 설계와의 1인 상호 작용에 사용되며, CAVE는 더 많은 협업 가상 현실 세션을 허용합니다.

또한 헤드 마운트 디스플레이 시스템은 복잡한 시스템의 유지관리에도 사용됩니다. 시스템 다이어그램 및 이미지와 같은 컴퓨터 그래픽과 정비사의 자연 비전(확대 또는 수정된 현실)을 결합하여 기술자에게 시뮬레이션된 X선 시야를 제공할 수 있습니다.

의학 및 연구

수술에는 방사선 데이터(X선 컴퓨터 단층 촬영(CAT) 스캔 및 자기공명영상(MRI) 영상)의 조합이 수술에 대한 외과의사의 자연스러운 시각과 결합되어 환자의 활력징후가 [11]항상 마취사의 시야 내에 있는 수술도 있습니다.

연구 대학들은 종종 시각, 균형, 인지, 신경과학과 관련된 연구를 수행하기 위해 HMD를 사용한다.2010년 현재 경미한 외상성 뇌손상을 식별하기 위한 예측 시각 추적 측정의 사용이 연구되고 있다.시각적 추적 테스트에서 시선 추적 기능이 있는 HMD 장치는 물체가 규칙적인 패턴으로 움직이는 것을 보여줍니다.뇌손상이 없는 사람들은 부드러운 눈동자 움직임과 정확한 [12]궤적을 통해 움직이는 물체를 추적할 수 있다.

게임 및 비디오

다음 항목도 참조하십시오.가상현실 헤드셋

저비용 HMD 장치는 3D 게임 및 엔터테인먼트 애플리케이션과 함께 사용할 수 있습니다.가장 먼저 시판된 HMD 중 하나는 [13]1994년 소비자가전전시회(CES)에서 발표된 Forte VFX1이었습니다.VFX-1은 입체 디스플레이, 3축 헤드 트래킹, 스테레오 헤드폰을 갖추고 있었다.이 분야의 또 다른 선구자는 1997년 글래스트론을 출시한 소니였다.옵션 액세서리로 사용자가 주변을 볼 수 있는 위치 센서를 탑재했으며, 헤드가 움직일 때 원근감이 움직여 깊은 몰입감을 제공한다.이 기술의 새로운 응용 프로그램 중 하나는 MechWarrior 2에서 Sony Glasstron 또는 Virtual I/O's iGlases 사용자가 비행기의 조종석 안에서 시각적으로 자신의 눈을 사용하고 자신의 조종석을 통해 전장을 볼 수 있도록 하는 새로운 시각적인 관점을 채택할 수 있었다.

최신 비디오 및 DSLR 카메라에는 많은 브랜드의 비디오 안경을 연결할 수 있어 새로운 시대의 모니터로 활용할 수 있습니다.주변 빛을 차단하는 안경 기능을 통해 영화 제작자와 사진작가는 라이브 이미지를 [14]더 선명하게 표시할 수 있습니다.

오큘러스 리프트는 파머 럭키가 만든 가상현실(VR) 헤드마운트 디스플레이로, 오큘러스 VR사가 가상현실 시뮬레이션과 비디오 [15]게임용으로 개발했다.HTC 바이브는 가상현실 헤드마운트 디스플레이입니다.헤드셋은 밸브와 HTC의 협업을 통해 생산되며, 그 정의 기능은 정밀 룸스케일 추적과 고정밀 모션 컨트롤러입니다.PlayStation VR은 PlayStation [16]4 전용 게임 콘솔용 가상 현실 헤드셋입니다.Windows Mixed Reality는 HP, 삼성 등이 생산하는 다양한 헤드셋을 포함하는 마이크로소프트가 개발한 플랫폼으로 대부분의 HTC 바이브 게임을 플레이할 수 있습니다.컨트롤러에는 내부 트래킹만 사용합니다.트래킹만 사용합니다.

버추얼 시네마

일부 헤드마운트형 디스플레이는 기존 비디오 및 영화 콘텐츠를 가상 영화관에 표시하도록 설계되어 있습니다.이러한 디바이스는 일반적으로 50~60°의 비교적 좁은 시야(FOV)를 갖추고 있어 가상현실 헤드셋보다 몰입도가 낮지만 도당 픽셀 수에서는 그에 상응하는 높은 해상도를 제공합니다.2011년에 출시된 Sony HMZ-T1은 눈당 1280 x 720 해상도를 특징으로 합니다.2015년경에는 Nibiru의 소프트웨어를 기반으로 VRWorld, Magicsee 등 다양한 브랜드를 사용하여 독립형 Android 5(Lolipop) 기반의 "프라이빗 시네마" 제품이 출시되었습니다.2020년 기준으로 눈당 해상도가 1920×1080으로 출시된 제품에는 구비스 G2와[17] 로욜 [18]문이 포함되어 있습니다.눈당 720P의 망막 투사 기능을 갖춘 Avegant Gliph와 [19]눈당 2560×1440 해상도 및 66° FOV를 특징으로 하는 Cinera [20]Prime도 제공되었습니다.비교적 큰 Cinera Prime은 표준 서포트 암 또는 옵션 헤드 마운트를 사용했습니다.Cinera [21]Edge는 2021년 후반에 출시될 것으로 예상되며, 이전 Cinera Prime 모델과 동일한 FOV와 2560×1440 해상도를 지원하지만 훨씬 더 콤팩트한 폼 팩터를 갖추고 있습니다.2021년에 출시된 다른 제품으로는 눈당 870×500 해상도의 시네마이저 OLED,[22] 1280×720 해상도의 VISIONHMD Bigeyes H1, 1920×[23]1080 해상도의 Dream Glass 4K가 [24]있습니다.여기에 언급된 제품들은 구비스 G2, 시네라 프라임, VISIONHMD Bigeyes H1, Dream Glass 4K를 제외하고 모두 오디오 헤드폰 또는 이어폰을 포함하고 있으며 대신 오디오 헤드폰 잭을 제공한다.

리모트 컨트롤

FPV 고글을 쓴 드론 레이서

1인칭 뷰(FPV) 드론 비행은 일반적으로 "FPV 고글"[25][26]이라고 불리는 헤드 마운트 디스플레이를 사용합니다.아날로그 FPV 고글(Fat Shark에서 제작한 고글 등)은 비디오 레이텐시가 가장 낮기 때문에 일반적으로 드론 레이싱에 사용됩니다.그러나 디지털 FPV 고글(DJI 제작 등)은 고해상도 비디오로 인해 점점 더 인기를 끌고 있습니다.

2010년대 이후 FPV 드론 비행은 항공 촬영과 [27]항공 사진에 널리 사용되고 있다.

스포츠

포뮬라 원 드라이버용 HMD 시스템은 코핀사와 BMW 그룹에 의해 개발되었습니다.HMD는 피트 크루가 양방향 무선을 [28]통해 운전자에게 전송되는 데이터와 메시지를 제어하기 때문에 운전자가 트랙에 집중할 수 있도록 하면서 중요한 경주 데이터를 표시합니다.Recon Instruments는 2011년 11월 3일 안드로이드 운영체제를 [29]기반으로 한 스키 고글용 두 개의 헤드 마운트 디스플레이, MOD와 MOD Live를 출시했다.

훈련 및 시뮬레이션

HMD의 주요 어플리케이션은 훈련과 시뮬레이션입니다.이를 통해 실습생은 비용이 너무 많이 들거나 너무 위험하여 실제로 복제할 수 없습니다.HMD에 의한 훈련은 운전, 용접 및 스프레이 도장, 비행 및 차량 시뮬레이터, 탈영병 훈련, 의료 절차 훈련 등 다양한 분야에 걸쳐 있습니다.그러나 특정 유형의 헤드 마운트 디스플레이의 장시간 사용으로 인해 많은 원치 않는 증상이 발생했으며, 최적의 훈련과 시뮬레이션이 [30]실현되기 전에 이러한 문제를 해결해야 한다.

퍼포먼스 파라미터

  • 입체 영상을 보여주는 능력.쌍안경 HMD는 각 눈에 다른 이미지를 표시할 수 있습니다.입체 영상을 표시하는 데 사용할 수 있습니다.이른바 '옵티컬 인피니티'는 일반적으로 비행 외과의사와 디스플레이 전문가가 약 9미터로 촬영한다는 것을 명심해야 한다.이것은 평균적인 인간의 눈 거리 측정기 "기준선"(눈 사이의 거리 또는 IPD)이 2.5~3인치(6~8cm)일 때, 각각의 눈에서 물체의 각도가 기본적으로 같아지는 거리이다.더 작은 범위에서는 각 눈의 원근법이 상당히 다르므로 컴퓨터 생성 이미지(CGI) 시스템을 통해 두 개의 다른 시각 채널을 생성하는 데 드는 비용이 가치가 있습니다.
  • IPD(Interpually Distance)이는 두 눈 사이의 거리로 동공에서 측정되며 머리 장착 디스플레이를 설계하는 데 중요합니다.
  • 시야(FOV) – 인간의 FOV는 약 180°이지만 대부분의 HMD는 이보다 훨씬 낮습니다.일반적으로 시야가 넓을수록 몰입감이 높아지고 상황 인식이 개선됩니다.대부분의 사람들은 인용된 특정 FOV의 외관(예: 25°)에 대해 잘 알지 못하기 때문에 제조업체는 종종 외관상 화면 크기를 인용합니다.대부분의 사람들은 모니터에서 약 60cm 떨어진 곳에 앉아 있고 그 거리에 있는 화면 크기에 대해 꽤 잘 알고 있다.제조원의 화면 크기를 데스크톱 모니터 위치로 변환하려면 화면 크기를 피트 단위로 나눈 다음 2를 곱합니다.소비자 수준의 HMD는 일반적으로 약 110°의 FOV를 제공합니다.
  • 해상도 – HMD는 보통 도당 픽셀 수 또는 픽셀 수를 나타냅니다.총 픽셀 수(예: 눈당 1600×1200 픽셀)는 컴퓨터 모니터의 사양에서 차용한 것입니다.다만, 화소 밀도(보통 도당 픽셀 수 또는 화소당 아크 분 단위로 지정)는, 시력을 결정하는 데도 사용됩니다.60 픽셀/°(1 아크미네이터)는 보통 눈의 제한 해상도라고 불리며, 그 이상의 해상도는 정상적인 시력을 가진 사람에게는 인식되지 않습니다.HMD는 일반적으로 10~20픽셀/°를 제공하지만 마이크로 디스플레이의 발전으로 이 수치가 증가합니다.
  • 양안 겹침 – 양쪽 눈에 공통되는 영역을 측정합니다.양안 겹침은 깊이와 스테레오 감각의 기초가 되며, 어떤 물체가 가까운지, 어떤 물체가 먼지를 감지할 수 있게 해준다.인간의 양안 겹침은 약 100°이다. (코 왼쪽 50°, 오른쪽 50°).HMD가 제공하는 쌍안경 오버랩이 클수록 스테레오의 감각은 높아집니다.겹침은 때때로 도(예: 74°) 또는 각 눈의 시야 중 어느 정도가 다른 쪽 눈에 공통적인지를 나타내는 백분율로 지정된다.
  • 원거리 초점(콜리메이션).광학적 방법을 사용하여 먼 곳의 이미지를 표시할 수 있으며, 이는 실제 세계에서 멀리 떨어져 있는 이미지의 사실성을 향상시키는 것으로 보입니다.
  • 온보드 프로세싱 및 운영 체제.일부 HMD 벤더는 Android와 같은 온보드 운영 체제를 제공하여 애플리케이션을 HMD에서 로컬로 실행할 수 있으므로 비디오를 생성하기 위해 외부 디바이스에 연결할 필요가 없습니다.이것들은 스마트 고글이라고 불리기도 한다.HMD 구조를 경량화하기 위해 생산자는 처리 시스템을 연결된 스마트 목걸이 폼 팩터로 이동하여 대용량 배터리 팩의 추가적인 이점을 제공할 수 있습니다.이러한 솔루션을 사용하면 듀얼 비디오 입력 또는 고주파수 시간 기반 다중화에 충분한 에너지 공급을 갖춘 라이트 HMD를 설계할 수 있습니다(아래 참조).

3D 비디오 형식 지원

프레임 시퀀셜 멀티플렉싱
병렬 다중화 및 상하 다중화

HMD 내부의 깊이 인식에는 왼쪽 눈과 오른쪽 눈에 대해 다른 이미지가 필요합니다.다음과 같은 개별 이미지를 제공하는 방법은 여러 가지가 있습니다.

  • 듀얼 비디오 입력을 사용하여 각 눈에 완전히 다른 비디오 신호를 제공합니다.
  • 시간 기반 다중화프레임 시퀀셜과 같은 방법은 연속된 프레임에서 좌우 이미지를 번갈아 표시함으로써 두 개의 개별 비디오 신호를 하나의 신호로 결합합니다.
  • 나란히 또는 상하의 멀티플렉싱.이 방법은 이미지의 절반을 왼쪽 눈에, 나머지 절반은 오른쪽 눈에 할당했습니다.

듀얼 비디오 입력의 장점은 각 이미지에 대해 최대 해상도와 각 눈에 대해 최대 프레임 레이트를 제공한다는 것입니다.듀얼 비디오 입력의 단점은 콘텐츠를 생성하는 디바이스와 별도의 비디오 출력과 케이블이 필요하다는 것입니다.

시간 기반 멀티플렉싱은 각 이미지당 최대 해상도를 유지하지만 프레임률은 절반으로 낮춥니다.예를 들어 신호가 60Hz일 경우 각 눈은 30Hz 업데이트만 수신합니다.이는 빠르게 움직이는 이미지를 정확하게 표시하는 데 문제가 될 수 있습니다.

나란히 및 상하의 멀티플렉싱은 각 눈에 풀 레이트의 업데이트를 제공하지만 각 눈에 표시되는 해상도를 낮춥니다.ESPN과 같은 많은 3D 방송은 추가 전송 대역폭을 할당할 필요성을 줄이고 시간 기반 다중화 방식에 비해 빠른 속도의 스포츠 액션에 더 적합한 나란히 3D를 제공하기로 선택했습니다.

일부 HMD는 깊이 인식을 제공하지 않습니다.일부 로우엔드 모듈은 기본적으로 양쪽 눈이 동일한 이미지로 표시되는 쌍안경 장치입니다.3D 비디오 플레이어는 사용자에게 사용할 3D 형식을 선택하여 HMD와의 최대 호환성을 제공할 수 있습니다.

주변기기

  • 가장 기본적인 HMD는 단순히 착용자의 바이저나 망상에 이미지나 기호를 투영합니다.이미지는 실제 세계에 구속되지 않습니다. 즉, 착용자의 머리 위치에 따라 이미지가 변경되지 않습니다.
  • 보다 정교한 HMD는 착용자의 머리 위치와 각도를 추적하는 위치 결정 시스템을 포함하고 있어, 시스루 이미지를 사용하여 표시되는 그림 또는 기호가 외부와 일치합니다.
  • 헤드 트래킹– 이미지 바인딩헤드 마운트 디스플레이는 각도 및 방향의 변화를 감지하는 추적 센서와 함께 사용할 수도 있습니다.이러한 데이터를 시스템 컴퓨터에서 사용할 수 있는 경우, 특정 시각의 화각에 적합한 컴퓨터 생성 이미지(CGI)를 생성하는 데 사용할 수 있습니다.이를 통해 사용자는 별도의 컨트롤러가 이미지 각도를 변경할 필요 없이 헤드를 움직이는 것만으로 가상현실 환경을 둘러볼 수 있습니다.무선 기반 시스템(와이어와 비교)에서 착용자는 시스템의 추적 한계 내에서 이동할 수 있습니다.
  • 아이 트래킹 – 아이 트래커는 시선 포인트를 측정하여 컴퓨터가 사용자의 시선을 감지할 수 있도록 합니다.이 정보는 사용자 인터페이스 네비게이션 등 다양한 컨텍스트에서 도움이 됩니다.유저의 시선을 감지하는 것으로, 컴퓨터는 화면에 표시되는 정보를 변경해, 세세한 것에 주목하는 것등을 할 수 있다.
  • 핸드 트래킹 – HMD 관점에서 손의 움직임을 추적하여 콘텐츠와 자연스러운 상호작용을 가능하게 하고 편리한 게임 플레이 메커니즘을 제공합니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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참고 문헌