TODO SOBRE DIY VR-HMD: una anatomía de monturas de realidad virtual

Principios para la realidad virtual casera

Bienvenidos a una breve entrada dedicada a los  VR HMD  (head-mounted display) y cómo abordar proyectos caseros o DIY  o “haga lo usted mismo” o (Do It YourSelf).  El  artículo  en idioma español estará dedicado a describir varios elementos constructivos en  DIY  HMD GENERACIÓN 3.0.

vintage-virtual-reality-headset

 Recuerden el objetivo no es  la venta  de cascos de realidad virtual  (HMD), no abordaré productos específicos de hardware, este no es un sitio dedicado a la venta ni a la publicidad.

Como es costumbre si consideran que cometo errores,  gazapos  o  requieren de algunas aclaraciones pueden dejar un comentario o enviar los por correo electrónico.

INTRODUCCIÓN

La presente entrada no requiere un prologo interesante, encontraran un artículo previo acerca de la VR en los 90s del siglo XX , generación VR Vintage. Deseo a modo de introducción repetir un poco de esa moraleja:

“Actualmente los dispositivos de HARDWARE  VR que pretenden vendernos son completamente  elitistas, incompatibles y limitados a prestar servicios dentro de protocolos restringidos.”

Visitar REND386 Vintage VR- La real Realidad VIRTUAL, una pausa noventera

Previo a iniciar con las descripciones les propondré una cronología arbitraria de los proyectos VR HMD en casa:

Generación 1.0 (1991 a 1999): La primera oleada de realidad virtual o realidad virtual “vintage”. Antes de la generación de los celulares inteligentes los proyectos empleaban una  TV miniatura  y un doble adaptador gráfico, con resoluciones que con suerte superaban los 320×200 píxeles para cada ojo. Aun cuando apreciamos un mayor boom mediático,  el hardware VR fue  acompañado por precarias técnicas en la programación en 3D  en tiempo real. Poco a poco se abandonó el interés en generar entretenimiento  hasta llevar al ostracismo a  toda tecnología relacionada con el VR.

Visitar: Computer Chronicles – Virtual Reality (1992)

Época nulo interés mediático (2000-2009):  Como su nombre lo indica vimos un nulo interés mediático y tecnológico. A nivel académico  continuó el desarrollo en realidad virtual.  Aquella época nula fue seguida por el Boom del Cine y la  TV estereoscópicas de 2009 a 2015.

Generación 2.0 (2012-2014):  Corresponde a una segunda oleada de fiebre de la realidad virtual.  Engloba todos aquellos  proyectos después de la publicación del Kickstarter  octubre de 2012 de las Oculus Rift. Una vez lanzado el Kickstarter, inició una campaña mediática la cual llevo a un conjunto de fabricantes a una  feroz competencia comercial. En esta época fue posible para los “hobbistas” adquirir dispositivos de visualización electrónicos y los lentes para la fabricación de gafas caceras en cartón o madera.

Generación 3.0 (desde junio de 2014): Engloba todos los proyectos posteriores a la publicación del  CardBoard por Google en junio de  2014. La generación inició con la comercialización del HMD en papel cartón bajo la excusa de aplicaciones en celulares inteligentes, pero la generación realmente da inicio con la comercialización de opciones en plástico para las monturas de HMD con el uso de celulares.  Es en esta generación en la cual enmarco la presente y humilde entrada.

Computer based VR Setup
Fuente de la imagen: WebVR concepts

Montar unas HMD caceras es un ejercicio de investigación y permite entender muchas  de las limitaciones de los dispositivos de pago. Para facilitar y agilizar la lectura condensé los elementos primordiales de los HMD en:

  1. Juego de lentes  fresnelhacen el trabajo de ópticas.
  2. Panel de visualización o display del tipo LCD/LED/AMOLED/ETC y su modulo controlador.
  3. Sistema de posicionamiento de cabeza, Head Tracking.
  4. Montura,  ir a la  oferta del libre mercado en las variadas opciones en plástico inyectado.
Para referencia el primer KIT de Oculus empleaba una pantalla celular SAMSUNG con los dispositivos complementarios objeto la entrada.
Fuente imagen: IFIXIT.

Las primeras HMDs fueron una ciencia complicada en la época previa a los Oculus Rift. La era comercial post-Oculus correspondió a miles de horas de investigación en ingeniería con el fin de resolver diversos problemas y  ofrecer comodidad  acorde a la tecnología más reciente. No obstante no es una ciencia compleja actualmente como deseo comprendan continuando la lectura.

Cerrando la introducción, consideren las explicaciones para un uso personal, dado que hacer un negocio de HMDs de “bajo-costo”  implica lidiar con temas de patentes en varias regiones del planeta. Solo por esta razón no debería considerarse y solo si conseguimos inversores de riesgo del tipo Facebook, solo así  podríamos aspirar a un  emprendimiento y  posterior comercialización. Visitar: ZeniMax vs Oculus

Tengo suerte las entradas  Wikipedia de VR-HMD  y HMD son de pena y contaminadas por el marketing!! así que aquí vamos!!

¿POR QUÉ TANTO ESCÁNDALO MEDIÁTICO CON LAS HMD?

Lo que conocemos como VR contemporáneo emplea una precaria técnica estereoscopíca, o estereopsis. La estereoscopía fue  desarrollada varios siglos  atrás por los humanos, acreditando a  Sir Charles Wheatstone en 1838. La tecnica consiste en un par de  fotografías, una imagen para cada uno de los ojos, con ella  podremos  engañar al cerebro y conseguir la sensación de profundidad y relieve.

Fuente de la imagen: Wikipedia

Sin embargo, no solo de estereoscopía viven los ojos humanos. La visión de la realidad es afectada por otros fenómenos que nos permiten percibir el mundo tridimensional y son el objetivo del software de realidad virtual (wikipedia Depth perception):

  1. La dimensión de la imagen de objetos conocidos sobre la retina.
  2. El fenómeno del paralaje en movimiento.
  3. El color y la distancia.

Todo esto para decirles que  en lo que respecta al OJO y a la ESTEREOSCOPÍA: El primero es un producto evolutivo y el segundo es una técnica diseñada por y para humanos.

Visitar:

¡ ¡ ¡ PRECAUCIONES!! ROJO PELIGRO!! ¡ ¡ CUIDADO BÉBE!!!

Malestar de la realidad virtual<<Imagínese en la cubierta de un barco en el mar. El barco en movimiento, por lo que tus ojos dicen  que estás de pie todavía. Pero ese  movimiento – arriba y abajo, lanzándote de un lado a otro, sin mayor espera empiezas a sentirte muy  mal, a sentir dolores de cabeza, perder colores en el rostro (palidez) y es cuando buscas  la  cesta de la basura más cercana  y a vomitar.>>
Visitar: Why Does Virtual Reality Make Some People Sick?

En otras palabras:

  1. El uso de esta tecnología primitiva de realidad virtual puede causar el malestar de la realidad virtual. Encontraran un gran variedad de investigaciones enfocadas en  reducir los efectos del VR. 
  2. Deberán detener el uso del HMD  inmediatamente cuando presenten mareo y malestar estomacal.
  3. El abuso en el uso de HMD puede causar los síntomas comentados en determinada población por lo que: recomiendo,  advierto  y me eximo de toda responsabilidad por el mal uso de los contenidos expresados a continuación. 

EL JUEGO DE LENTES

Una de las partes más importantes del sistema HMD es un par de lentes; en total 2 unidades, uno para cada ojo (izquierdo y derecho). Los lentes tienen como objetivo  cambiar la distancia focal, modifican el focal de los ojos hacia un nuevo punto. Los lentes en VR HMD ayudan al ojo humano a enfocar objetos a pocos centímetros, en este caso el panel de visualización.

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Fuente : https://forums.oculus.com

En VR HMD los lentes son del tipo “fresnel“, NO son similares a las lentes que usamos en los anteojos convencionales,  son construidos para ofrecer  varias capas de bifurcaciones,  y con ello se reducen en mayor o menor medida las aberraciones ópticas. Revisemos un poco este tema de las aberraciones ópticas.

Lentes usados por las  HTC Vive del tipo Fresnel. Fuente de la imagen: HTC Vive Teardown
Fuente de la imagen PlayStation lente tipo Fresnel: VR Teardown

Por su naturaleza física las lentes de cualquier tipo introducen por lo menos dos tipos de distorsiones o aberración las cuales  afectan la percepción de las imágenes ofrecidas por el PANEL de visualización al interior del   HMD. Las aberraciones principales son:  espacialescromáticas.

Las aberraciones espaciales son distorsiones causadas por el enfoque de los haces de luz dados por el lente curvo. La luz que rebota desde diversos objetos es enfocada en un punto diferente,   llega a un  punto distinto,  por lo que se observa como una deformación física en los bordes de la imagen.

Examples of Lens Distortion. Pincushion and Barrel distortion
Tipos de aberraciones espaciales de las lentes. Fuente de la imagen: http://www.purveyoroflight.com

En las aberraciones cromáticas,  son el resultado de la naturaleza de la luz  visible que nos rodea, ella  se compone de diversas frecuencias de ondas electromagnéticas, las cuales  tienden atravesar el vidrio de la lente,  llegando un punto distinto,  son desviadas por la lente o efecto de refracción.  Lo observaremos como manchas de colores rodeando las figuras.

lens-correction_ca2
Fuente de la imagen: http://cdn.cambridgeincolour.com/

Las aberraciones deben ser corregidas mediante el software:

  •   Las  espaciales  las podremos corregir con un  efecto denominado corrección de la “distorsión de barril”, distorsionando la imagen de tal manera que al ser observadas por la lente se aprecien como correctas.
  • En el caso de la aberración cromática el software debe enviar a la matriz de visualización  cada uno de los canales de color (rojo, verde y azul) en una escala de tiempo diferente.
Fuente de la imagen: Anandtech

En este punto el problema no es tanto que la tecnología para corregir las aberraciones ópticas no exista.  El dilema es un tanto que el software especializado le veremos amarrado a contratos de desarrollo, como en la propuesta NVIDIA VRWORKS.

Opciones en las LENTES:

  • Debo disuadirles de la tentación sobre fabricar unas lentes,  por el contrario adquirir unas monturas con las lentes incorporadas.
  • Lo importante es comprender que la lente introduce distorsiones y estas deben ser corregidas.
    • En aplicaciones de pago es inmediato, pero infortunadamente en nuestro caso de HMD caseros para el formato PC-ATX estamos un tanto huérfanos.
  • Es posible cambiar las ópticas de las monturas comerciales, como una actualización o modificación para uso personal (mod).

Visitar:

PANEL DE VISUALIZACIÓN Y EL MODULO CONTROLADOR

El panel es el dispositivo que nos permite observar las imágenes provenientes desde el computador (PC). Es  un único dispositivo de visualización  por HMD,  solo requerimos de una unidad (1). El software deberá encargarse de enviar la imagen estereoscópica;  enviando las imágenes del ojo izquierdo y derecho como una única imagen.

s-l500
Panel y el modulo controlador. Fuente de la imagen: Ebay.

Ahora bien, tecnologías de paneles de visualización les encontraremos en una gran variedad, pero el panel casero de por si no es un gran problema. Aun cuando existen variados parámetros, pero en este nivel casero lo más importante es comprender que el panel es  objeto del escrutinio de las lentes. Recordemos, el panel agrupa un conjunto diminuto de emisores de luz o puntos de colores rojo, azul y verde (RGB). En otras palabras, si nos tomáramos el tiempo de observar  bajo una lupa  cualquier tipo de TV o un monitor de PC en lugar de  una imagen completa  observaríamos solamente esos  PUNTOS MINIATURA.

Fuente de la imagen: https://en.wikipedia.org/wiki/Screen-door_effect

El observar estos puntos es completamente irremediable al nivel de los HMD,  incluso los apreciamos  en costosos productos como las PS4 VR, pero es claro es común al resto de la oferta en el mercado.

No es interesante entrar en  comparativas de los paneles en el mercado, si entendemos que los grandes fabricantes de HMD comerciales les compran al por mayor.  A consecuencia pueden exigir a  cada uno de sus proveedores especificaciones exactas. En su mayoría los  paneles de los HMD comerciales son fabricados por SAMNSUNG en Corea.

Panel AMOLED de PS4 VR fabricación SAMSUNG

En otras palabras nuestras opciones son un poco limitadas,  principalmente restringidas por la resolución ofrecida a cada ojo en píxeles. En este respecto el primer SDK 1 de Oculus nos puede dar una pista sobre la resolución mínima comercial. El primer kit de desarrollo era nada más ni nada menos que un panel para celular con una resolución de 1280 píxeles de alto por 800  píxeles de ancho, o en otras palabras ofrecían una resolución de 640×800 para cada ojo. Por tanto, no será mala idea tomar aquella resolución como la mínima.

El panel solo representa la información de los píxeles,  es un transductor  de imágenes. Acompañando al panel encontraremos el modulo controlador. Controlador es una FGPA (del inglés Field Programmable Gate Array)  o un circuito especializado de fabricación especial similar, el cual se diseña y construye para  ofrecer una rápida respuesta al nivel de microsegundos sin agregar procesamiento de imagen.

Fuente: MIPI DSI Display Shield/HDMI Adapter 

Consideraciones al adquirir PANELES DE VISUALIZACIÓN:

  • El Panel deberá ser compatible con las resoluciones obtenibles por el software objetivo, nuestros vídeo software ludico.
  • Este debe hacer uso de un solo protocolo:  bien sea HDMI o VGA.
    • Deberíamos evitar las mezclas de protocolos y las conversiones. En otras palabras no debemos usar convertidores de formato, con ello evitaremos los retrasos o “LAG”.
  • Muy importante, a menor resolución mayores fotogramas por segundo, menor malestar de la VR  y por suerte menores costos en los paneles.
    • Contrariamente a lo que sería una opinión mayoritaria lo que quiero decir es que una “menor resolución” no debe despreciarse, es una buena opción.
    • La tecnología en paneles de pequeño tamaño avanza, no sean impacientes. Lo recomendable es mantener una opción física para cambiar los paneles.
  • Por sentido práctico no debemos descartar el uso de monitores para fotografía:
    • Soportan múltiples resoluciones
    • HDMI y VGA

Visitar:

HEAD TRAKING: seguimiento de cabeza

El Head Traking (inglés) es un conjunto de dispositivos electrónicos que traducen los movimientos de la cabeza en señales electrónicas para ser enviadas a la computadora,  al software lúdico o software intermediario.

Las rotaciones de la cabeza son dadas en coordenadas tridimensionales y  hacen uso de  las rotaciones definidas por el matemático Euler.  Según EULER asociamos a cada uno de los ejes como indica la figura. Yaw en el eje y;Pitch en el eje x; Roll en el eje y.

Los movimientos de la cabeza, son movimientos relativos a un punto físico, en sistemas caseros puede ser una opción muy dispendiosa, es posible mediante el software complementario.

Position and Orientation VR setup
Fuente de la imagen: https://developer.mozilla.org/

En general el software lúdico NO reconoce las rotaciones definida por EULER para a cámara 3D, pero si  los movimientos como pulsaciones de teclado o Mando de juegos. Es aquí donde es relevante el uso de un  software complementario.   En el siguiente listado encontrará los más favorables a las DIY VR HDRM:

  1. Wiimote + Plus
  2. Free-Track
  3. PPJoy
  4. GlovePie

 Iniciemos con el Wiimote+plus. En el año 2009 Sr. Johnny Lee en el año 2009 propuso uno de los montajes pioneros del Head Traking para construir en casa,  aprovechando el Wiimote como un sistema de guía para la cabeza, debemos agradecerle de ante mano.

Lee.jpg

Johnny Lee en 2009 desarrolló y público en vídeo el primer sistema de Head Traking con el Wiimote previo a la fiebre de las HMD
Visitar: Head Tracking for Desktop VR Displays using the WiiRemote

Cómo funciona o de qué va  todo esto del Wimote:

  •  El Wiimote es un aparato patentado y fabricado por la empresa japonesa Nintendo y lanzado en el año 2006 junto con la consola Wii.
  • El mando dispone de un circuito integrado del tipo sensor acelerómetro para determinar el sentido de giro y aceleración del mando en el espacio 3D.
  • Para determinar la posición relativa el Wiimote implementa una pequeña cámara de infrarrojos (con resolución de 128×96 tipo monocromática) y solo permite identificar la posición relativa con referencia a una barra con dos diodos emisores infrarrojos ubicados generalmente frente a la TV.
  • En una posterior revisión del Wiimote o Wiimote Plus (2009), Nintendo agregó un giroscopio, obviando las limitaciones de calibración permite determinar con mayor precisión  los ángulos de giro del dispositivo, por lo que es importante tenerlo presente y adquirir el mando con el Plus incorporado.

Fuentes de las imágenes  www.melhuish.info y http://idav.ucdavis.edu/

La imagen superior muestra los términos de referencia de las lecturas de los giros del Wiimote y la inferior es una referencia del funcionamiento de la cámara infrarroja del mando.

El Wiimote comunica los datos inalámbricamente por Bluetooth, mediante un sub-protocolo llamado HID (Human Interface Device). Por este descuido de los diseñadores, no paso mucho tiempo para que pudiésemos aprovecharlo en la PC-ATX. El software  más popular es GlovePIE,  su creador prohíbe su uso  comercial y militar.

Mediante la escritura de pequeños scripts comunicaremos el Wiimote con el sistema operativo emulando la presión de las teclas (entre otras funcionalidades). Antes de adquirir una Wii  había adquirido un Wiimote,  y por varios años utilice el GlovePie por lo que puedo dar garantía: es una buena forma de interacción en el VR y de paso  encontrarán muchos fragmentos de código útil.

Free-track. Fuente de la imagen: Wikipedia
Free-track. Fuente de la imagen https://youtube.com
https://www.youtube.com/watch?v=BayJDx9fhzY

Las siguiente opción a exponer es el software Free-track, es relativamente menos  inmediato en algunas aplicaciones.  Para aprovechar esta asombrosa  tecnología requeriremos solo tres LEDS infrarrojos,    no muy complejo, además de cámara convencional USB (tipo Webcam). Tiene su origen en los simuladores automovilísticos y de aviación, permite modificar el punto de vista en el monitor de PC o TV convencional. Su compatibilidad crece con el tiempo, aun cuando no posee un lenguaje o posibilidades de modificación al nivel del GlovePIE.

PPJOY. Fuente de la imagen: Malavida.com

PPJOY es el último elemento a destacar. Es un multi-controlador de mandos. Es compatible con los dos elementos comentados y por tanto una opción obligada. Originalmente fue  usado para conectar  por puerto paralelo  mandos como:   Super Nintendo y  PlayStation (entre otros). Igualmente, permite construir  una matriz de entrada para proyectos del tipo Árcade-stick del tipo casero.

Air-Mouse
Fuente de la imagen: https://www.gyration.com/

La última opción y poco recomendada es usar un ratón aéreo (Air Mouse) con giroscopios, es una opción interesante  ya que no requiere modificaciones en su electrónica,  sin embargo depende mucho de las calidades del dispositivo.

Visita:

Descarga de software:

A destacar: Con un ARDUINO se puede implementar un sistema que integre giroscopios y enviar la información al computador mediante  USB HID. Claro, requiere bastante conocimiento en electrónica, un poco más que ensamblar los DIY VR HMD  como las propuestas, es otro nivel.

 LA MONTURA – PLÁSTICOS

La montura es muy importante tanto que se le considera HMD sin el resto de componentes. Agrupa todos los elementos anteriores: los lentes, el panel y el sistema Head-Traking.  Espren,  no  les  alienaré a la tarea de construirla con material de cartón,  no solo es complejo, es uno de los casos de “Trolleo” corporativo jamás documentado.

maxresdefault
Fuente de la imagen: Hands-On with Google Cardboard Virtual Reality Kit

No estoy aquí para bromear con ustedes, sino para mostrar las mejores opciones. La idea no es sofisticada:  utilizar  monturas existentes para celular, de libre mercado u oferta. Este mercado de opciones se la debemos a ese infame pero afortunado troll llamado Google.

Diseñarlas  HMD como tal implica muchas consideraciones de diseño industrial y pruebas, pero en este nivel casero,  lo importante es asegurar un peso ideal. La montura no NOS debe representar esfuerzos musculares: en cabeza y  cuello. Si no atendemos a esto podemos solo obtener cansancio físico. Igualmente, recuerden que son vectores de infecciones oculares no será mala idea tener un par de monturas y un solo panel.

 

¿Pero que diferencia a una montura de otra, además de todo el espacio para colocar los elementos?

La respuesta es el FOV (Field of view) o todo el campo de visión abarcable por los ojos. Con solo la modificación del  FOV podemos subsanar el problema de la profundidad con el aumento del campo visual.

FOV related properties

Fuente de la imagen: Wikipedia

Esto nos lleva a la pregunta, ¿Pueden existir una oferta de HMD sin estereoscopía ?

Si, puede existir HMD sin uso de estereoscopía pero no es negocio.  a nuestro pesar las técnicas de renderizado en tiempo real actuales son insuficientes. Con una buena tecnología un  FOV amplio sumado con un render hiper-realista puede ofrecer una opción de VR a la población que por sus limitaciones visuales no pueda aprovechar la VR primitiva contemporánea.

ALGO DE SOFTWARE PARA DIVERTIRSE EN WINTEL (WINDOWS + x86/x64)

Todos los sistemas comerciales son incompatibles y están enmarcados en protocolos cerrados, no era gran sorpresa que lo repitiera.

Intenté buscar desesperadamente en las paginas de  NVIDIA y OCULUS alguna forma de hacer compatibles las gafas caseras, ninguna sorpresa!! están amarrados a contratos con Epic games, Unity Technologies, HTC, y  un largo etcétera.

Pero, NO tengo la respuesta definitiva y debemos esperar a ver la evolución del tema, si estos fabricantes prefieren ver la muerte de la VR primitiva antes que poner en juego sus utilidades.

Pero quejas aparte, las cosas interesantes para ver están en:

 DIVAGACIONES FINALES

  • Espero comprendan el construir una HMD no es un gran reto científico y es de agradecerle a Google, quienes se apresuraron mostrando el truco detrás de la cortina con las Cardboard.
  • La fabricación de  cascos de realidad virtual o HMD NO es el “gran negocio”. El negocio se basa en las alianzas comerciales, las patentes, las SDK cerradas y los protocolos propietarios.
  • El Software disponible para VR casero PC-ATX es muy limitado, me obliga a seguir investigando y les agregaré en la medida que haga una prueba de cada una de las opciones.
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Un comentario en “TODO SOBRE DIY VR-HMD: una anatomía de monturas de realidad virtual

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