Head-Attached Displays

Negli Head-Attached displays, il sistema di visualizzazione è indossato dall'utente sulla testa. In base alla tecnologia di generazione dell'immagine esistono tre diverse tipologie di displays:

 Head-Mounted Displays;  Retinal Displays;

 Head-Mounted Projectors.

Gli Head-Mounted Displays (HMDs) sono attualmente i sistemi più utilizzati nelle applicazioni di Realtà Aumentata. L’immagine è visualizzata su un piccolo display posizionato davanti agli occhi dell’utilizzatore. In base a come è realizzata la combinazione tra reale e virtuale si possono distinguere due differenti tipologie di HMDs:

 Optical See-Through (OST)

102

I primi applicano i principi dell’Optical Combination, mentre i secondi sfruttano la tecnica di blending delle immagini di Video Mixing.

I dispositivi Optical See-Through, riportati in Figura 63, utilizzano un divisore di fascio ottico (beam

splitter), costituito da uno specchio translucido che trasmette la luce in una direzione e

contemporaneamente la riflette nell’altra. Il divisore di fascio ottico, posizionato davanti all'occhio dell'utente, può riflettere l'immagine di un display e porla nella visuale dell'utente, permettendo contemporaneamente il passaggio della luce proveniente dal mondo circostante. Questi dispositivi si basano su una tecnologia parzialmente trasmittente che permette di guardare contemporaneamente l’immagine virtuale sovrapposta alla vista reale. Se sono disponibili due sistemi ottici di visualizzazione, uno per ciascun occhio, allora si parla di visori stereoscopici.

Figura 63. Dispositivi Optical See-Through

I visori di tipo Video See-Through, descritti in Figura 64, utilizzano, invece, due telecamere (una per ciascun occhio) per acquisire l’immagine reale: le immagini vengono, poi, inviate all’unità di elaborazione, che le proietta sui displays (uno per ciascun occhio) “arricchite” delle informazioni virtuali. La scelta di questo tipo di dispositivo consente di realizzare effetti visivi più complessi.

103

Figura 64. Dispositivi Video See-Through

L'approccio “ottico” ha i seguenti vantaggi rispetto a quello “video”:

 Semplicità: unire le immagini virtuali e reali è più semplice ed economico rispetto alla tecnologia video. L'approccio ottico ha infatti un solo video stream di cui preoccuparsi: le immagini grafiche generate dal computer. Il mondo reale infatti è visto direttamente attraverso i combinatori ottici e, generalmente, il ritardo è di pochi nanosecondi. Nell'approccio video, invece, devono essere gestiti due flussi video: quello proveniente dalle videocamere e quello delle immagini virtuali. Questi sistemi hanno un ritardo nella visualizzazione dell’immagine di decine di millisecondi.

 Risoluzione: nella tecnologia video, la risoluzione con la quale l'utente vede sia l'immagine reale che quella virtuale è limitata alla risoluzione del display. Anche l'optical see-through visualizza le immagini virtuali alla risoluzione del display, ma l'immagine reale non viene degradata in quanto l'utente la vede direttamente con i propri occhi.

 Sicurezza: il video see-through HMD è essenzialmente un closed-view HMD modificato. In caso di mancata alimentazione l'utente è completamente cieco e in certi scenari questo può essere un pericolo. Se invece l'alimentazione fosse rimossa da un optical see-through HMD l'utente sarebbe ancora capace di vedere il mondo reale.

 No eye-offset: con il video see-through, la vista del mondo reale viene fornita attraverso

videocamere. In molte configurazioni le videocamere non sono poste esattamente dove si trovano gli occhi dell'utente, creando quindi un offset tra le videocamere e gli occhi delle persone. Questa differenza genera uno scostamento tra quello che l'utente vede rispetto a quello che si aspetterebbe di vedere.

104

Viceversa, la tecnologia video offre i seguenti vantaggi rispetto a quella ottica:

 Larghezza del campo visivo: nei sistemi ottici le distorsioni sono funzioni della distanza radiale dall'asse ottico. Più si guarda lontano dal centro di vista, più è elevata la distorsione. Un’immagine digitale catturata attraverso un sistema ottico che presenta distorsione può essere corretta attraverso tecniche di elaborazione delle immagini.

 Ritardo di visualizzazione: con l'approccio video è possibile ridurre o evitare i problemi causati dalla differenza temporale con cui sono processate le immagini reali e quelle virtuali. L'optical see-through HMD permette una visione istantanea del mondo, reale ma l'immagine virtuale viene visualizzata con un certo ritardo. Con l'approccio video è possibile ritardare il video del mondo reale per uguagliare il ritardo dello stream dell'immagine virtuale.

 E' più facile uguagliare il colore e la brillantezza delle immagini reali e virtuali.

I Retinal Displays (RDs), riportati in Figura 65, utilizzano laser a semiconduttori a bassa potenza per proiettare le immagini direttamente nella retina dell'occhio umano.

Figura 65.Retinal Display

Una sorgente laser è introdotta in un flusso di fibra ottica, che porta la luce a uno scanner meccanico a risonanza (MRS). Lo scanner è il cuore del sistema: si tratta di un dispositivo leggero di dimensione circa 2cm x 1cm x 1cm, che consiste in un specchio montato su un supporto. Lo specchio oscilla in risposta ai campi magnetici prodotti da bobine presenti sulla montatura (oscilla a 15 kHz e ruota per un angolo di 12 gradi). L'elevata frequenza di scansione permette l'alta risoluzione delle immagini prodotte. Appena lo specchio MRS si muove, la luce è digitalizzata in direzione orizzontale. Poiché lo specchio del MRS oscilla sinusoidalmente, la scansione in direzione orizzontale è ottenuta sia per la direzione di oscillazione in avanti, che all’indietro.

105

Il fascio di luce scannerizzato è quindi passato a uno specchio galvanometrico o a un secondo MRS, che analizza la luce in senso verticale. A seguire, il fascio laser è quindi introdotto nell’occhio: la luce può essere inviata tramite uno specchio per consentire all’utente di visualizzare l'immagine digitalizzata sovrapposta sul mondo reale.

In Figura 66 è riportato una rappresentazione del funzionamento del Retinal Displays.

Figura 66. Schema di funzionamento di un Retinal Display

I principali vantaggi di questi dispositivi sono:

 immagine più luminosa e più definita;

 campo visivo maggiore rispetto alle tecnologie basate sull'utilizzo di schermi;  basso consumo energetico.

Al contrario i principali svantaggi sono:

 immagini monocromatiche;  la lunghezza focale risulta fissa;

 non esistono versioni stereoscopiche di RDs.

Questi dispositivi sono adatti per applicazioni mobili in spazi all'aperto, dove non si può avere un controllo sulla luce ambientale e dove è fondamentale tenere sotto controllo il consumo energetico.

106

Gli Head-Mounted Projectors (HMPs) sono dispositivi che indirizzano il fascio di luce proiettata tramite un divisore di fascio ottico, in modo tale che l'immagine sia diretta verso superfici retroriflettenti collocate di fronte all'utente, come mostrato in Figura 67.

Figura 67. Head-Mounted Projectors

Sono molto simili agli HMD Optical See-Through tranne per il fatto che l’immagine viene proiettata, anziché verso l’utente, verso l’ambiente esterno.

Gli HMPs forniscono un campo visivo maggiore rispetto agli HMDs ed evitano distorsioni dovute ad errori di parallasse. Tuttavia la luminosità delle immagini dipende essenzialmente dall'illuminazione dell'ambiente circostante, senza contare che i modelli di HMPs attualmente disponibili sono scomodi, ingombranti e troppo pesanti per essere utilizzati in ambiti professionali.