Introdução aos HUD (Head Up Displays) e HMD (Head Mounted Displays) – PARTE II

On 29 de setembro de 2015 by Thiago D'Angelo

 

hud

Nesta sequência de três artigos, faremos uma breve introdução aos HUDs e HMDs, ferramentas importantes para interação humano-computador com aplicabilidade em diversos problemas e situações. Através de uma abordagem teórica, vamos mostrar um pouco sobre a história, os principais conceitos e os princípios básicos de funcionamento dos HUDs e HMDs.

No primeiro artigo abordamos os HUDs. Neste segundo artigo iremos abordar os HMDs e por último, no terceiro artigo, faremos uma comparação entre essas duas ferramentas.

2. HMD

Assim como os Head Up Displays, os Head Mounted Displays também foram inicialmente desenvolvidos para aplicações em aeronaves militares, wearable technology e, uma vez que são acoplados ao capacete do piloto, também são chamados de Helmet Mounted Displays. As vantagens da apresentação visual de dados de voos e missões através de um Head-Up Display colimado com a visão do mundo exterior foram explicitadas na Parte I dessa sequência de artigos. Entretanto, o HUD apenas apresenta informações no campo de visão (FOV) frontal do piloto. Além disso, mesmo um HUD holográfico que apresenta maior FOV, ainda apresenta um FOV bastante limitado. Um aumento significante deste FOV não é praticável devido às restrições de geometria e espaço do cockpit. O piloto requer informação visual quando está olhando em qualquer direção e este requisito só pode ser alcançado com o uso de um Head Mounted Display.

O primeiro avião com dispositivos HMD, na sua forma mais simples, apareceu para fins experimentais, em meados da década de 1970, para ajudar na mira de mísseis guiados por calor. Esses dispositivos foram colocados em prática, pela primeira vez, nas aeronaves Mirage F1AZ da Força Aérea Sul Africana (SAAR). De maneira geral, esses dispositivos foram criados primeiramente pela África do Sul, depois pela União Soviética e, em seguida, pelos Estados Unidos.

Na sua forma mais simples, o HMD compreende um simples sistema de mira montado em um capacete, apresentando um uma mira em forma circular ou de cruz e algumas informações alfanuméricas simples através de um display colimado. Uma matriz de LED é utilizada como fonte do display, possibilitando uma construção compacta e leve. Essa versão mais simples apresenta um FOV de 5º.

Na sua forma mais sofisticada, um HMD cria o efeito de “HUD on the Helmet”, ou seja, um Head Up Display no próprio capacete. Sendo assim, todo tipo de informação, que é normalmente fornecida ao piloto através de um HUD, pode ser fornecida enquanto o piloto olha para qualquer direção. Além disso, esse modelo de HMD pode atingir FOV de 35º a 40º para aplicações em aeronaves de batalha e FOV de até 50º para helicópteros. Nesse caso, vale ressaltar que o FOV se move com a cabeça do piloto, de acordo com a sua linha de visão (LOS, do inglês Line of Sight). Para determinar a LOS do piloto é utilizado um sistema para mensurar a posição da cabeça do piloto em relação à fuselagem da aeronave. Adicionalmente, nesse modelo ainda é possível integrar um sistema de visão capaz de fazer com que o piloto enxergue o mundo exterior mesmo em condições de baixa visibilidade, como em condições noturnas ou de neblina.

A Figura 9 mostra a diferença entre o campo de visão (FOV) de um HUD e de um HMD.

 

HMD Binocular com Visor de Curvatura Esférica [1].

HMD Binocular com Visor de Curvatura Esférica [1].

2.1. Aspectos Importantes de Projeto de um Helmet Mounted Display – HMD

É importante que as funções principais de um capacete convencional sejam contempladas, assim como, é essencial que a integração de um sistema HMD com o capacete não prejudique essas funções de forma alguma. As funções básicas de um capacete para pilotos de aeronaves são:

  • Proteger a cabeça e os olhos do piloto em situação de ejeção da aeronave.
  • Interface com a máscara de oxigênio acoplada ao capacete.
  • Interface de comunicação de áudio através do equipamento rádio da aeronave.
  • Deve conter um visor escuro para atenuar o brilho da luz solar.

Além dessas funcionalidades básicas um HMD deve seguir as seguintes restrições e requisitos:

  • Qualquer revestimento utilizado no visor para a projeção do display não pode, em hipótese alguma, alterar a chamada distância “Tally-ho” (distância a partir da qual um alvo pode ser visto pela primeira vez). Os revestimentos também devem ser neutros no que diz respeito à susceptibilidade a efeitos de cores.
  • A integração de um sistema HMD deve considerar restrições de peso do capacete e deve representar uma parte mínima desse peso.
  • O momento de inércia do capacete deve ser o mínimo possível.
  • O capacete deve se encaixar de forma firme e não deve se mover em relação a cabeça do piloto, para que seja possível determinar a LOS do piloto através de um sistema de monitoramento de posição da cabeça.
  • O sistema ótico do HMD deve ser fixado rigidamente no capacete e deve possuir ajustes mecânicos adequados para acomodar as variações físicas existentes entre diferentes pilotos.

2.2. Princípios Básicos de Funcionamento

Nessa seção vamos apresentar os princípios básicos de funcionamento do sistema de rastreamento da cabeça, responsável por medir a atitude e a posição da cabeça do piloto em relação à fuselagem da aeronave, do sistema HMS (Helmet Mounted Sights), responsável por auxiliar na determinação de alvos com o auxílio do sistema de rastreamento da cabeça, e do HMD (Helmet Mounted Display), responsável por fornecer imagens do mundo exterior à aeronave em condições de baixa visibilidade assim como fornecer toda a simbologia relacionada aos sistemas de mira e de voo.

2.2.1. Sistema de Rastreamento de Atitude da Cabeça

Como veremos nas seções 2.2.2 e 2.2.3, a medição da orientação da cabeça do piloto para determinar as coordenadas angulares da linha de visão (LOS) do piloto em relação à fuselagem do avião é de extrema importância tanto para a implementação de um HMS quanto para a implementação de um HMD.

A maioria dos efeitos físicos já foram testados e estudados no desenvolvimento de sistemas para rastreamento de atitude da cabeça. Dentre todos, se destacam os métodos óticos e magnéticos.

Os sistemas óticos de rastreamento podem funcionar de diferentes maneiras, por exemplo:

  • Reconhecimento de padrões usando câmeras CCD.
  • Detecção de LEDs acoplados ao capacete do piloto.
  • Medições sofisticadas de padrões de franjas de interferências geradas por laser.

Enquanto isso, os sistemas magnéticos de rastreamento seguem um princípio básico de funcionamento. Eles medem a força do campo magnético no capacete a partir de um gerador de campo magnético localizado em uma posição adequada dentro do cockpit. Ainda assim, existem dois tipos de sistemas rastreadores magnéticos de cabeça:

  • Sistemas AC (Corrente Alternada) utilizando um campo magnético alternado com frequência de cerca de 10 kHz.
  • Sistemas DC (Corrente Contínua) utilizando um campo magnético chaveado em baixa frequência.

Ambos os sistemas são sensíveis a metais vizinhos do sensor do capacete, causando erros de medição da atitude do capacete com relação a fuselagem da aeronave. Esses erros dependem de como o sistema é instalado dentro do cockpit. Sendo assim, para cada cockpit diferente, esses erros devem ser medidos e mapeados, e as correções devem ser armazenadas no computador responsável por rastrear a atitude da cabeça do piloto. Apesar de ambos os sistemas apresentarem a sensibilidade ao metal, o sistema AC tem um desempenho relativamente pior e é cerca de 10 vezes mais sensível a esse tipo de erro do que o sistema DC. Uma vantagem apresentada pelos dois sistemas magnéticos é que tantos os sensores quanto os geradores de campo magnético, que compõem esses sistemas, são de baixo peso e pequeno tamanho, ou seja, não representam grande influência na usabilidade dos HMDs no que diz respeito aos fatores peso e tamanho.

Embora os sistemas magnéticos sejam os mais utilizados atualmente, todos os sistemas (óticos, magnéticos e outros) apresentam as suas respectivas limitações [1]. Em contrapartida, os sistemas óticos mais recentes são os que apresentam maior acurácia para maiores ângulos off-boresight.

Vale a pena ressaltar que, além dos erros que já foram citados, outros erros podem ser encontrados durante a medição da direção do olhar do piloto. Isso ocorre, pois a direção do olhar do piloto, ou linha de visão (LOS), é inferida a partir da determinação atitude do capacete (e da cabeça) do piloto. Desta forma, o piloto pode ter grandes dificuldades em manter a mira do capacete voltada para o alvo enquanto é submetido fortes vibrações de baixa frequência. Para contornar esse problema, pode ser utilizado um sistema de rastreamento do olhar capaz de medir a linha de visão (LOS) do piloto com relação ao capacete. A partir daí, utilizando uma combinação das saídas dos sistemas de rastreamento da cabeça e de rastreamento do olhar, é possível obter a LOS do piloto em relação à fuselagem da aeronave.

2.2.2. HMS (Helmet Mounted Sight)

Tipicamente, a fonte de imagem de um HMD simples compreende uma matriz de LEDs. Essa matriz pode ser um arranjo mais simples ou, até mesmo, uma matriz 32×32 capaz de exibir uma simbologia diversificada, incluindo alfanuméricos, porém a quantidade de simbologia é mantida no mínimo possível: uma para mira (circular ou em cruz); uma para indicar ao piloto a presença de um alvo ou de uma ameaça (setas para cima, para baixo e para os lados); e outra para fornecer o estado dos mísseis.

A imagem gerada pela matriz de LED é transmitida para o visor através de um prisma ótico e, então, é refletida do visor para o olho do piloto. As superfícies do prisma têm curvaturas cilíndricas e esféricas para corrigir distorções óticas. O visor, que também possui um perfil esférico, possui uma camada refletiva, na porção frontal, que age como um espelho esférico e provê a colimação da imagem do display. Geralmente, um HMS possui um FOV entre 7º e 10º. Diferentemente do caso do HUD, onde o FOV é fixo em relação à fuselagem da aeronave, o FOV do HMS se move em conjunto com a cabeça do piloto.

Um HMS em conjunto com o sistema de rastreamento de cabeça fornece, para o piloto, uma forma bastante efetiva de determinar um alvo. O piloto move sua cabeça para olhar e mirar no alvo usando uma simbologia de mira colimada com o sistema de mira do capacete. Dessa forma, as coordenadas angulares da linha de visão do alvo podem ser estimadas pelo sistema de rastreamento da atitude da cabeça do piloto e fornecidas aos mísseis contidos na aeronave. Os mísseis teleguiados podem, então, se direcionar, adquirir e fixar a mira de acordo com a linha de visão do alvo. Assim, o alvo fixado é mostrado ao piloto através do HMS e um sinal de áudio é dado para que o piloto possa lançar os mísseis.

Utilizando-se mísseis ágeis com alta capacidade de manobra mesmo em situações de força G elevada, este procedimento, proporcionado pelo HMS, possibilita o ataque em maiores ângulos off-boresight. Dessa forma, o piloto não necessita de virar a aeronave até que o alvo esteja dentro do campo de visão (FOV) do HUD para depois lançar o míssil. O ângulo off-boresight máximo para um HUD é menor que 15º, ou seja, bem menor que o ângulo off-boresight de 120º fornecido pelo HMD. Esse ângulo maior aumenta de três a quatro vezes a efetividade em combates aéreos. A Figura 10 ilustra o funcionamento de um HMS.

 

Funcionamento de um HMD (Helmet Mounted Display) [1].

Funcionamento de um HMD (Helmet Mounted Display) [1].

2.2.3. HMD (Helmet Mounted Display)

Através de um sistema que permite a visão mesmo sob condições de baixa visibilidade (neblina, noite) e, além disso, apresenta toda a simbologia de mira e símbolos indicativos do estado do voo, o HMD atua como um HUD integrado ao capacete, entretanto apresenta a vantagem de possuir um campo de visão (FOV) extremamente maior que se altera de acordo com a linha de visão (LOS) do piloto.

Apesar da existência de HMDs monoculares, também capazes de mostrar toda a informação que normalmente são exibidas por um HUD, podem ocorrer problemas como o chamado “monocular rivalry” ou rivalidade monocular. Esse problema ocorre porque o cérebro está tentando processar imagens diferentes de cada olho e uma rivalidade pode ocorrer entre o olho com o display e o olho sem. Os problemas se tornam mais perceptíveis à noite quando o olho sem display enxerga pouquíssimo. Já foi provado que um sistema binocular, em que a mesma imagem é apresentada aos dois olhos, é a única solução realmente satisfatória. Logo, projetos HMD atuais geralmente são sistemas binoculares.

Um sistema HMD com peso reduzido pode ser feito através do uso de um sistema de projeção diretamente no visor em juntamente com um projeto ótico de alta eficiência. Essa configuração permite que os visores padrões de curvatura esférica, já utilizados pela tripulação, sejam também utilizados como combinador ótico e colimador através da adição de uma camada refletiva de densidade neutra. Desta maneira, como o visor é uma parte essencial e já existente no capacete, as funções de combinação ótica e colimação são realizadas sem a adição de peso algum ao sistema ótico. A Figura 11 mostra o princípio de funcionamento do HUD com as funções de colimação e combinação ótica sendo realizadas pelo visor.

 

Funcionamento de um HMS (Helmet Mounted Sight) [1].

Funcionamento de um HMS (Helmet Mounted Sight) [1].

Como mostra a Figura 11, a imagem que deve ser mostrada ao piloto é, inicialmente, gerada através da fusão entre as imagens da câmera de visão noturna, as informações do sensor FLIR e toda a simbologia necessária. Posteriormente, essa imagem resultante é repassada ao CRT.  A imagem contida no display do CRT é, então, transmitida pelo sistema de lentes de aumento de transmissão. Enfim, após ser colimada e oticamente combinada através de uma superfície esférica refletora contida visor, a imagem é vista pelo piloto.

Embora um HMD binocular seja inerentemente uma solução melhor para operações com visibilidade noturna ou pouca visibilidade, há um mercado grande para HMDs de peso leve e custo baixo voltado para aeronaves militares, as quais estão mais envolvidas em operações durante o dia, pois fornecem um sistema de visão e sinalização para capacetes com viseira, como os utilizados por pilotos militares. O custo e o peso mais baixos de um HMD monocular fazem dele o sistema com melhor custo-benefício para essas aplicações. Mesmo configurado para uso durante o dia, tal sistema pode gerar imagens a partir de um sensor FLIR, oferecendo ao piloto um sistema de sinalização aperfeiçoado durante a noite ou clima ruim.

 

Diferença entre FOV de um HUD e de um HMD [1].

Diferença entre FOV de um HUD e de um HMD [1].

2.3. Considerações Finais

No presente artigo foi apresentada uma abordagem teórica a respeito dos Head Mounted Displays utilizados em sistemas aviação, também conhecidos por Helmet Mounted Displays. A visão aqui apresentada é baseada no livro Introduction to Avionics Systems (COLLINSON, 2011). Foram destacados os dois principais tipos de HMD (uma versão mais simples, chamada de HMS e uma versão mais complexa, o HMD propriamente dito) e os seus princípios de funcionamento. No próximo artigo será apresentada uma comparação mais aprofundada entre os Head Mounted Displays e os Head Up Displays.

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