Un head-mounted display (in italiano schermo montato sulla testa o genericamente chiamato visore), o HMD, è uno schermo montato sulla testa dello spettatore attraverso un casco ad hoc e può essere monoculare o binoculare.

Ad oggi viene usato in campo aeronautico o per allenamenti e simulazioni, ma sono in sviluppo progetti per un uso ludico, didattico e in campo medico.

Panoramica Un HMD eye tracking con illuminatori a LED e telecamere per misurare i movimenti oculari

Un tipico HMD ha uno o due piccoli display, con lenti e specchi semitrasparenti incorporati in occhiali (chiamati anche occhiali per dati), una visiera o un casco.

Gli HMD costituiscono una categoria tecnologica ampia che comprende sistemi militari e visori per realtà virtuale chiamati visori VR, che si distinguono per l'isolamento dal mondo esterno e l'immersione tridimensionale.

Le unità di visualizzazione sono miniaturizzate e possono includere tubi a raggi catodici (CRT), display a cristalli liquidi (LCD), cristalli liquidi su silicio (LCos) o diodi organici a emissione di luce (OLED). Alcuni fornitori utilizzano più micro-display per aumentare la risoluzione totale e il campo visivo.

Gli HMD differiscono nel fatto che possano visualizzare solo immagini generate al computer (CGI) o solo immagini dal vivo dal mondo fisico o una combinazione. La maggior parte degli HMD può visualizzare solo un'immagine generata dal computer, a volte indicata come immagine virtuale. Alcuni HMD possono consentire la sovrapposizione di un CGI alla visione del mondo reale. Questo è a volte indicato come realtà aumentata (AR) o realtà mista (MR). È possibile combinare la visione del mondo reale con la CGI proiettando la CGI attraverso uno specchio parzialmente riflettente e visualizzando direttamente il mondo reale. Questo metodo è spesso chiamato trasparenza ottica. La combinazione della visione del mondo reale con CGI può essere eseguita anche elettronicamente accettando il video da una telecamera e combinandolo elettronicamente con CGI.

HMD ottico Un display ottico montato sulla testa utilizza un miscelatore ottico costituito da specchi parzialmente argentati. Può riflettere immagini artificiali e lasciare che le immagini reali attraversino l'obiettivo e consentire a un utente di guardare attraverso di esso. Sono esistiti vari metodi per gli HMD trasparenti, la maggior parte dei quali può essere riassunta in due famiglie principali basate su specchi curvi o guide d'onda. Gli specchi curvi sono stati utilizzati da Laster Technologies e da Vuzix nel loro prodotto Star 1200. Vari metodi di guida d'onda esistono da anni. Questi includono l'ottica di diffrazione, l'ottica olografica, l'ottica polarizzata e l'ottica riflettente. Applicazioni

Le principali applicazioni HMD includono militari, governative (vigili del fuoco, polizia, ecc.) e civili-commerciali (medicina, videogiochi, sport, ecc.).

Aviazione e tattica, terra

Nel 1962, la Hughes Aircraft Company presentò l'Electrocular, un display monoculare compatto CRT (lungo 7") montato sulla testa che rifletteva un segnale televisivo nell'oculare trasparenteDr. James Miller, Fullerton, CA, research psychologist for the Ground Systems Group at Hughes, "I've Got a Secret", April 9, 1962 on CBS. Gli HMD ultraresistenti sono sempre più essere integrati nelle cabine di pilotaggio dei moderni elicotteri e aerei da combattimento, che di solito sono completamente integrati con il casco volante del pilota e possono includere visiere protettive, dispositivi per la visione notturna e display di altra simbologia.

Militari, polizia e vigili del fuoco utilizzano HMD per visualizzare informazioni tattiche come mappe o dati di imaging termico durante la visualizzazione di una scena reale. Applicazioni recenti hanno incluso l'uso di HMD per i paracadutisti. Nel 2005, il Liteye HMD è stato introdotto per le truppe da combattimento terrestri come un display leggero, robusto e impermeabile che si aggancia a un supporto per casco militare US PVS-14 standard. Il display a diodi organici a emissione di luce (OLED) monoculare a colori autonomo sostituisce il tubo NVG e si collega a un dispositivo di elaborazione mobile. Il LE ha una tecnologia pass-through (che consente a un segnale, a dei dati o all'alimentazione di attraversare un dispositivo o un sistema senza subire alterazioni, elaborazioni o conversioni) e può essere utilizzato come HMD standard o per la realtà aumentata. Il design è ottimizzato per fornire dati ad alta definizione in tutte le condizioni di illuminazione, in modalità operativa coperta o trasparente. Il LE ha un basso consumo energetico, funzionando con quattro batterie AA per 35 ore o ricevendo alimentazione tramite connessione USB (Universal Serial Bus) standard.

La Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) continua a finanziare la ricerca negli HMD a realtà aumentata come parte del programma Persistent Close Air Support (PCAS). Vuzix sta attualmente lavorando a un sistema per PCAS che utilizzerà guide d'onda olografiche per produrre occhiali trasparenti per realtà aumentata spessi solo pochi millimetri.

Ingegneria

Ingegneri e scienziati utilizzano gli HMD per fornire viste stereoscopiche di schemi di progettazione assistita da computer (CAD). La realtà virtuale, se applicata all'ingegneria e al design, è un fattore chiave per l'integrazione dell'essere umano nel design. Consentendo agli ingegneri di interagire con i loro progetti in scala reale, i prodotti possono essere convalidati per problemi che potrebbero non essere stati visibili fino alla prototipazione fisica. L'uso di HMD per VR è visto come supplementare all'uso convenzionale di CAVE per la simulazione VR. Gli HMD sono utilizzati prevalentemente per l'interazione di una sola persona con il design, mentre i CAVE consentono sessioni di realtà virtuale più collaborative.

I sistemi Head Mounted Display sono utilizzati anche nella manutenzione di sistemi complessi, in quanto possono fornire a un tecnico una visione a raggi X simulata combinando grafica computerizzata come diagrammi di sistema e immagini con la visione naturale del tecnico (realtà aumentata o modificata).

Medicina e ricerca

Esistono anche applicazioni in chirurgia, in cui una combinazione di dati radiografici (tomografia computerizzata a raggi X (TAC) e risonanza magnetica (MRI)) viene combinata con la visione naturale dell'operazione da parte del chirurgo e l'anestesia, in cui il paziente e i suoi segni vitali sono sempre nel campo visivo dell'anestesista.

Le università di ricerca usano spesso gli HMD per condurre studi relativi a visione, equilibrio, cognizione e neuroscienze. A partire dal 2010, è stato studiato l'uso della misurazione predittiva del tracciamento visivo per identificare lievi lesioni cerebrali traumatiche. Nei test di tracciamento visivo, un'unità HMD con capacità di tracciamento oculare mostra un oggetto che si muove secondo uno schema regolare. Le persone senza lesioni cerebrali sono in grado di seguire l'oggetto in movimento con movimenti oculari fluidi e con una traiettoria corretta.

Giochi e video

Sono disponibili dispositivi HMD a basso costo per l'utilizzo con giochi 3D e applicazioni di intrattenimento. Uno dei primi HMD disponibili in commercio è stato il Forte VFX1, annunciato al Consumer Electronics Show (CES) nel 1994. Il VFX-1 aveva display stereoscopici, tracciamento della testa a 3 assi e cuffie stereo. Un altro pioniere in questo campo è stata Sony, che ha rilasciato il Glasstron nel 1997. Aveva come accessorio opzionale un sensore di posizione che permetteva all'utente di vedere l'ambiente circostante, con la prospettiva che si muoveva mentre la testa si muoveva, fornendo un profondo senso di immersione. Una nuova applicazione di questa tecnologia è stata nel gioco MechWarrior 2, che ha consentito agli utenti del Sony Glasstron o degli iGlasses di Virtual I/O di adottare una nuova prospettiva visiva dall'interno della cabina di pilotaggio del velivolo, utilizzando i propri occhi come visuale e vedendo il campo di battaglia attraverso la cabina di pilotaggio della propria imbarcazione.

Molte marche di occhiali video possono essere collegate alle moderne fotocamere video e DSLR, rendendole applicabili come monitor di nuova generazione. Grazie alla capacità degli occhiali di bloccare la luce esterna, registi e fotografi sono in grado di vedere presentazioni più chiare delle loro inquadrature in tempo reale.

Nel settore videoludico e della simulazione, la categoria degli HMD trova la sua massima espressione nei visori Var per realtà virtuale (visori VR). Ad esempio, l'Oculus Rift è un visore VR sviluppato da Palmer Luckey per Oculus VR. L'HTC Vive è un display per la realtà virtuale montato sulla testa. L'auricolare è prodotto da una collaborazione tra Valve e HTC, con la sua caratteristica distintiva che è il tracciamento di precisione su scala locale e controller di movimento ad alta precisione. PlayStation VR è un visore per realtà virtuale per console di gioco, dedicato a PlayStation 4. Windows Mixed Reality è una piattaforma sviluppata da Microsoft che include una vasta gamma di cuffie prodotte da HP, Samsung e altri ed è in grado di riprodurre la maggior parte dei giochi HTC Vive. Utilizza solo il tracciamento inside-out per i suoi controller.

Virtual cinema

Alcuni visori personali per cinema virtuale sono progettati per presentare contenuti video e cinematografici tradizionali in un cinema virtuale. Questi dispositivi in genere presentano un campo visivo (FOV) relativamente ristretto di 50–60°, che li rende meno coinvolgenti rispetto alle cuffie per realtà virtuale, ma offrono una risoluzione corrispondentemente più elevata in termini di pixel per grado. Rilasciato nel 2011, il Sony HMZ-T1 presentava una risoluzione di 1280x720 per occhio. Intorno al 2015, i prodotti di "virtual cinema" basati su Android 5 (Lolipop) sono stati rilasciati utilizzando vari marchi come VRWorld, Magicsee, basato sul software di Nibiru. I prodotti rilasciati a partire dal 2020 con risoluzione 1920 × 1080 per occhio includevano Goovis G2 e Royole Moon. Era disponibile anche l'Avegant Glyph, che incorporava la proiezione retinica 720P per occhio, e il Cinera Prime, che presentava una risoluzione di 2560×1440 per occhio e un FOV di 66°. Il Cinera Prime (di dimensioni notevoli) utilizzava un braccio di supporto standard o un supporto per la testa opzionale. Si prevedeva che fosse disponibile alla fine del 2021 Cinera Edge, con lo stesso FOV e la stessa risoluzione 2560 × 1440 per occhio del precedente modello Cinera Prime, ma con un fattore di forma molto più compatto. Altri prodotti disponibili nel 2021 sono stati il Cinemizer OLED, con risoluzione 870×500 per occhio, il VISIONHMD Bigeyes H1, con risoluzione 1280×720 per occhio, e il Dream Glass 4K, con risoluzione 1920x1080 per occhio. Tutti i prodotti qui menzionati incorporavano cuffie o auricolari audio ad eccezione di Goovis G2, Cinera Prime, VISIONHMD Bigeyes H1 e Dream Glass 4K, che invece offrivano un jack per cuffie audio.

Telecomando

Il volo con drone con visuale in prima persona (First Person View - FPV) utilizza display montati sulla testa che sono comunemente chiamati "occhiali FPV". Gli occhiali FPV analogici (come quelli prodotti da Fat Shark) sono comunemente usati per le corse di droni in quanto offrono la latenza video più bassa. Ma gli occhiali FPV digitali (come quelli prodotti da DJI) stanno diventando sempre più popolari grazie alla loro risoluzione video più elevata.

Dagli anni 2010, il volo con droni FPV è ampiamente utilizzato nella cinematografia aerea e nella fotografia aereaDavid McGriffy. Make: Drones: Teach an Arduino to Fly. Maker Media, 2016. ISBN 9781680451719.

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