TODO SOBRE VR DIY HMD: Anatomía de unas monturas VR- principios para la realidad virtual casera

Bienvenidos a la  entrada sobre las HMD  (head-mounted display) y como se pueden abordar como proyectos caseros o DIY  o como otros llaman “haga lo usted mismo” o (Do It YourSelf).

 vintage-virtual-reality-headsetEste corto articulo  en idioma español lo dedico a comentar los elementos constructivos de los DIY  HMD GENERACION 3.0 y con la esperanza de que cualquier persona pueda afrontar proyectos personales para construcción de este tipo de tecnologías.

Recuerden mi objetivo no es  la venta  de cascos de realidad virtual  (HMD) dado que no soy   lo suficientemente experto en esos temas particulares de televentas. Como es costumbre si consideran que cometo un error o gazapo, o consideran que deben aclararse los temas  agradezco un comentario o correo para realizar las modificaciones necesarias.

INTRODUCCIÓN

La presente entrada no requiere un prologo interesante, porque ya había escrito un articulo sobre el VR  Vintage, sin embargo me gustaría repetir un poco de esa moraleja:

“Actualmente los dispositivos de HARDWARE  VR que pretenden vendernos son completamente  elitistas, incompatibles y se limitan a prestar servicios dentro de protocolos restringidos.” REND386 Vintage VR- La real Realidad VIRTUAL, una pausa noventera

Lo primero que quisiera hacer es proponer una cronología arbitraria de los proyectos HMD caseros:

Generación 1.0: La primera oleada de realidad virtual o realidad virtual “vintage” se ubica en los años 1991 y 1999. Antes de la generación de los celulares inteligentes los proyectos utilizaban pantallas de TV miniatura y la mayoría de soluciones requerían una doble placa de vídeo con resoluciones que con suerte superaban los 320×200 píxeles para cada ojo. Aun cuando se presento un boom, debido a la precariedad en las técnicas de programación tridimensional degeneró en un escaso interés en el desarrollo masivo  de software de realidad virtual y mucho menos de entretenimiento (experiencias), lo que llevo al ostracismo  de aquella generación.

Visitar: Computer Chronicles – Virtual Reality (1992)

Época nula: Entre el año 2000 hasta el año 2009  se presento un nulo interés mediático y tecnológico, no se confunda continuó el desarrollo científico en realidad virtual. Fue seguido por el Boom del Cine y la  TV estereoscopicas, 2009 a 2015.

Generación 2.0: Son todos los proyectos después de la publicación del Kickstarter  octubre de 2012 de las Oculus Rift, inició la segunda oleada de fiebre de la realidad virtual. Una vez lanzado el Kickstarter inicia una campaña mediática intensiva en la que muchos fabricantes se lanzan en una feroz competencia. En esta época fue posible para los hobbistas comprar paneles una sola placa de vídeo y lentes para la fabricación de gafas caceras en cartón o madera.

Generación 3.0: Son todos los proyectos posteriores a la publicación del  CardBoard por Google en junio de  2014. Esta generación inicia con la comercialización del HMD en papel cartón para utilizar aplicaciones en celulares inteligentes, pero la generación realmente inicia con la comercialización de opciones en plástico para las monturas de HMD con el uso de celulares  En esta generación se enmarca la presente y humilde entrada.

perrito.jpg

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 todos los elementos de los HMD en los siguientes apartados:

  1. Un par de lentes fresnel que hacen el trabajo de ópticas
  2. Un panel o display del tipo LCD/LED/AMOLED/ETC y modulo controlador
  3. Un sistema de posicionamiento de cabeza, headtracking 
  4. Una montura fabricado a partir de una inyección de material plástico

Primer KIT de Oculus usaba una pantalla celular SAMSUNG con otros dispositivos.
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 los problemas y dar una experiencia cómoda y acorde a la tecnología más reciente. No obstante no es una ciencia compleja actualmente, y pretendo exponer  indirectamente con este corto articulo.

Cerrando la introducción, consideren las explicaciones para su 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 se tienen los inversores de riesgo del tipo Facebook, solo así se podria aspira al emprendimiento y  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?

El alboroto con las HMD se debe a que contienen todos los elementos necesarios y es el repositorio de la técnica estereoscopica primitiva (estereopsis), y como una de las herramientas fundamentales en la realidad virtual primitiva.

La estereoscopía es una técnica  en la cual mediante dos fotografías una para cada ojo se puede conseguir la sensación de profundidad y relieve.   Fuente de la imagen: Wikipedia

No solo de estereoscopía vive el hombre, la visión de la realidad se afecta por otros fenómenos que nos permite 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.

Siento molestarlos con el tema, pero en lo que respecta al OJO y a la ESTEREOSCOPÍA: El primero es un producto evolutivo y el segundo es una técnica diseñada por el hombre

Computer based VR Setup

Fuente de la imagen: WebVR concepts

Visitar:

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

CUIDADO Malestar de la realidad virtual<<Imagínese que se coloca debajo de la cubierta de un barco en el mar. Todo el barco esta en movimiento, por lo que sus ojos le dicen  que está de pie todavía. Pero se siente el movimiento – arriba y abajo, lanzandole de un lado a otro. Empieza a sentir dolores de cabeza, se ve pálido y busca  a una cesta de la basura y a vomitar.>>
Visitar: Why Does Virtual Reality Make Some People Sick?

Es importante comprender que el uso de esta tecnología primitiva de realidad virtual puede causar el malestar de la realidad virtual. Existen muchas investigaciones enfocadas en  reducirlo, pero la advertencia es que deberán detener el uso del HMD  inmediatamente cuando presenten mareo y malestar estomacal.

El abuso del 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. 

JUEGO DE LENTES

Una de las partes mas importantes del sistema son un par de lentes; 2 unidades, uno para cada ojo. Generalmente los lentes son del tipo “fresnel“. Los lentes tienen como objetivo  cambiar la distancia focal o punto focal de los ojos a un nuevo punto distinto, en otras palabras de unos metros de los objetos reales a unos pocos centímetros en donde se ubica el panel.

810394523-orig.png

Fuente : https://forums.oculus.com

Los lentes fresnel no son iguales a las lentes que usamos en los anteojos normales, se construyen para ofrecer de varias capas o bifurcaciones  y con esto se pretende reducir 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

Pero, por su forma natural las lentes de cualquier tipo introducen dos tipos de distorsiones que afectan las HMD: Las espaciales y las cromáticas.

Las aberraciones espaciales son distorsiones causadas cuando los haces de luz llegan a punto distinto y se observa una deformación física 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

las aberraciones cromáticas, se da porque la luz que se compone por diversas frecuencias y atraviesan la lente, por lo que cada frecuencia llega a puntos distintos (refracción); como consecuencia se observan manchas de colores.

lens-correction_ca2

 Fuente de la imagen: http://cdn.cambridgeincolour.com/

Las aberraciones espaciales  se pueden arreglar en el software mediante el efecto denominado corrección de la “distorsión de barril” (barrel distortion). Para la aberración cromática  se considera el canal de color rojo, verde y azul en una escala de tiempo diferente.

En este punto el problema no es tanto que la tecnología para corregir las aberraciones opticas no exista, sino que esta amarrada a contratos de desarrollo y un ejemplo se da con el  NVIDIA VRWORKS. Fuente de la imagen: Anandtech

¿Que opciones tenemos con las LENTES?

  • Debo disuadirles de la tentación sobre fabricar unas lentes y 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 poco huérfanos.
  • Finalmente destacar que es posible cambiar las ópticas de las monturas de pago, en lo que seria solamente una actualización o modificación para uso personal (mod).

Visitar:

PANEL Y EL MODULO CONTROLADOR

s-l500

En esta imagen se observan el panel y el modulo controlador. Fuente de la imagen: Ebay

Tecnologías de paneles existen en gran diversidad, pero el panel de por si no es un gran problema sino fuera objeto del escrutinio de las lentes. Recordemos que el panel solo es un conjunto diminuto de emisores de luz en forma de diminutos puntos de colores rojo, azul y verde (RGB). En otras palabras, si nos tomáramos el tiempo de observar  bajo una lupa  una TV o un monitor de PC en lugar de  una imagen completa  tendríamos muchos PUNTOS miniatura!!

Esto es completamente irremediable al nivel de de los HMDs caseros e incluso se aprecian pequeños puntos en productos como las PS4 VR y otros.
Fuente de la imagen: https://en.wikipedia.org/wiki/Screen-door_effect

No quiero entrar en comparativas de los paneles de los HMD existentes, porque los grandes fabricantes de HMD les compran al por mayor. Como consecuencia pueden exigir a sus proveedores especificaciones exactas sobre las calidades de estos productos. Como un dato curioso, en su mayoría los  paneles de los HMD comerciales son fabricados por SAMNSUNG en Corea.

Panel AMOLED de PS4 VR fabricación SAMSUNG

Nuestras opciones son un poco limitadas y estan restringidas por la resolución ofrecida a cada ojo. El primer SDK 1 de Oculus nos puede dar una pista sobre la resolución. 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  pixeles de ancho, o en otras palabras  ofrecian una resolución de 640×800 para cada ojo. No seria mala idea tomar esa resolución como la mínima.

El panel de por si solo representa la información (transductor)  de imagen y requiere para su funcionamiento de un modulo controlador. Controlador es una FGPA (del inglés Field Programmable Gate Array)  o un arreglo similar, la razón es que debe ofrecer una rápida respuesta al nivel de microsegundos (sin agregar el procesamiento).

Fuente: MIPI DSI Display Shield/HDMI Adapter 

Antes de comprar paneles en principio recomiendo:

  • El Panel deberá ser compatible con las resoluciones obtenibles por el software objetivo.
  • Hacer uso de un solo protocolo: HDMI o RGB,  evitar hacer mezclas. En otras palabras no deberíamos usar convertidores de formato, envitando los retrasos o”LAG”.
  • Muy importante, a menor resolución mayores fotogramas por segundo, menor malestar de la VR  y por suerte menor costos de los paneles. Contrariamente a lo que seria una opinión mayoritaria lo que quiero decir es que una “menor resolución” no debe despreciarse, sino tomarse como una posibilidad.
  • La tecnología en paneles de pequeño tamaño avanza, no se impaciente, lo mejor es que se  deje la opción física y se cambien los paneles en la medida de lo posible.
  • No se deben descartar el uso de monitores para fotografía:
    • Soportan múltiples resoluciones
    • HDMI y VGA

Visitar:

HEAD TRAKING (seguimiento de cabeza)

Position and Orientation VR setup

Fuente de la imagen: https://developer.mozilla.org/

Los elementos recomendados para las HMD caceras son:

  • Wiimote + Plus
  • Free-Track
  • PPJoy
  • GlovePie

Uno de los pioneros del Head traking casero moderno fue el señor Johnny Lee (2009), el primero en aprovechar y publicar el Wiimote en un sistema de guía para la cabeza  y debemos agradecerle de ante mano.

Lee.jpg

Johnny Lee en 2009 desarrolló y publico en video el primer sistema de headtraking con el Wiimote
Visitar: Head Tracking for Desktop VR Displays using the WiiRemote

Repasemos un poco de que 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 se usa una pequeña cámara de infrarrojos (128×96 monocromática) y solo permite identificar la posición relativa con referencia a una barra con dos diodos emisores infrarrojos que se ubicaba generalmente frente a la TV.
  • En una posterior revisión del Wiimote o Wiimote Plus (2009), Nintendo agrego 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 para adquirir el mando con el Plus incorporado.

La imagen superior muestra los términos de referencia de las lecturas de los giros del wiimote y la inferior un referencia de funcionamiento de la cámara infrarroja del mando. Fuentes de imágenes  www.melhuish.info y http://idav.ucdavis.edu/

El Wiimote se comunica inalambricamente por Bluetooth, mediante un subprotocolo llamado HID (Human Interface Device). Por este descuido de los diseñadores, no paso mucho tiempo antes que se pudiera hacer aplicativos para aprovecharlo en PC-ATX. El software  más popular es GlovePIE y esta restringido y su creador prohíbe su el uso  comercial y militar. Este se basa en la escritura de pequeños scripts y comunica el Wiimote con el sistema operativo emulando la presión de las teclas (entre otras funcionalidades). Antes de adquirir una Wii  ya tenia un Wiimote, por varios años usé el GlovePie y 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. Esta tecnología requiere hacer un pequeño montaje con LEDS infrarrojos que no es muy complejo, ademas de eso va a requerir una cámara convencional USB (webcam).

PPJOY. Fuente de la imagen: Malavida.com

PPJOY es el ultimo elemento a comentar,  que realmente es un multi -controlador de mandos. Es compatible los dos elementos comentados y por tanto una opción obligada. Originalmente fue  usado para conectar  por puerto paralelo  mandos: el de  Super Nintendo, PlayStation (entre otros) y  por otra parte permite construir  una matriz de entrada para proyectos del tipo Arcade Joystick,  igualmente caseros.

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

La ultima opción y poco recomendada es usar un ratón aéreo (Air Mouse) con giroscopios, es una opción interesante  ya que no requiere modificaciones electrónicas (mods), como gran contra partida depende mucho de las calidades del dispositivo. La recomendación será usarlo como la ultima opción.

Visita:

Descarga de software:

LA MONTURA, plásticos

No esperen que les diga que cojan una caja de cartón, porque  es solo uno de los más grandes casos de “Trolleo” corporativo jamas documentado.

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

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

La respuesta es el FOV (Field of view) que representa todo el campo de visión abarcable por los ojos. Con solo la modificación del  FOV se puede 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 HMD sin estereoscopía ?

Si, puede existir HMD sin uso de estereoscopía pero no es negocio. Se debe tener presente que las técnicas de renderizado en tiempo real actuales son insuficientes. Con una buena tecnología que ofrezca un FOV y un render hiper-realista se puede dar opción de VR a la población que por sus limitaciones visuales no pueda aprovechar la VR primitiva que se basa en esta tecnología “estereoscopía”.

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

Aquí esta el principal problema de los sistemas caseros, todos los sistemas comerciales son incompatibles y están enmarcados en protocolos cerrados!! no era gran sorpresa que lo repitiera.

Intenté buscar desesperadamente en NVIDIA y OCULUS alguna forma de hacer compatibles las gafas caseras, sorpresas ninguna!! están amarrados a contratos con Epic games, Unity Technologies, HTC, etc, etc.?

Pero, tampoco 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 son el “gran negocio”. El negocio esta en las alianzas comerciales, las SDK cerradas y los protocolos propietarios. Bueno el negocio esta en la fabricación y  venta de los paneles!!
  • El Sofware disponible para VR casero PC-ATX es muy limitado, me obliga a seguir investigando y agregaré en la medida que haga una prueba de cada opción.
  • Falta solo construirlas, para lo cual estoy a la espera de importación del panel, esperen una segunda parte (segundo periodo 2017) con más temas!!
Anuncios

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s