Шлемы для пилотов истребителя, игр и полётов на квадриках - в чём разница?

---

Об истории развития видео-шлемов и где эти шлемы используются.

Есть одна интересная вещь, которая объединяет пилотов маленьких дронов и пилотов военных истребителей, а также просто любителей поиграть в игры.

Это видеошлем, устройство, которое изначально разрабатывалась для развлечения но впоследствии очень понравилось военным. 

Или все было не так?

Всем знакомы 4D и 5D кинотеатры, в которых показывают не только 3D-картинку, но еще имитирует движение,
встречный ветер, и другие условия. 

Так вот первый подобный мобильный кинотеатр, созданный в 1957 году Мортоном Хейлигомом и стал прототипом современных шлемов.

Устройство называлась «Сенсорама»  и было рассчитано на одного человека. 

Сенсорама - прародитель шлемов

С первого взгляда оно кажется огромным, но на это есть причины - короткометражные фильмы, которые
воспроизводила «Сенсорама», были записаны на пленку и хранились в отдельных модулях, которых в установке могло быть сразу несколько и по желанию зрителя фильм можно было выбирать на лету. 

На пленку записывалось два изображения, которые разделялись оптической системой и выводились отдельно для каждого глаза пользователя, при этом последняя пара линз, находящаяся перед глазами, была подвижной и с помощью ручек позволяла подстраивать межзрачковое и фокусное расстояние под каждого зрителя тдельно. 

Остальное место в установке отводилось для стерео аудио системы и механизмов подачи воздуха и запахов. 
О том, с какой силой необходимо подавать воздух на лицо пользователя и какой запах включать в данный момент, система узнавала из закодированной аудиодорожки.

Устройство Сенсорамы

Последним же дополнением было подвижное кресло, которое позволяло с помощью вибрации воздействовать на зрителя и больше погружать его в тот мир, который показывала «Сенсорама».
В патенте описана не только конструкция, но и цель создания устройства — обучение людей и помощь в приобретении нового опыта без риска для жизни, то есть «Сенсорама» это в первую очередь тренажер, а потом уже аттракцион. 

Еще на этапе чертежей Хелиг обращался за поддержкой в Голливуд, но изобретение встретили холодно и устройство было построено в единственном экземпляре, однако в том же году Хелиг  запатентовал еще один компактный аппарат, построенный на электронно-лучевых трубках. 

Он уже больше похож на современные шлемы и в нем очень интересно устроена оптическая система. 

Хейлиг предлагал использовать линзы, которые бы сильно искажали плоскую картинку с ЭЛ- трубок и тем самым задействовали бы периферическое зрение человека, а угол обзора в шлеме составлял бы 140 градусов и по вертикали и по горизонтали.

К сожалению этот аппарат так и не был построен, виртуальная реальность была слишком сложной и дорогой для гражданского применения, а вот военным подобная техника была по нраву.

Компания «Philco» в 1961 году сделала шлем, который отображал картинку с помощью компактной ЭЛ-трубки на один глаз и на нем же была установлено магнитная система, отслеживающая положение головы. 

Шлем от Philco

Он позиционировался как средство для удаленного присутствия в опасных зонах и фактически этот дисплей был прародителям устройств дополненной реальности. 

Но как и устройство Хейлига, он так и остался прототипом...

Зато в 1962 году американская компания Hughes Aircraft Company, которая выполняла оборонные заказы, показала свой прототип нашлемного дисплея, который выдавал видеосигнал на прозрачную пластинку визора.  

Поскольку Hughes Aircraft Company  делала самолеты и электронику для них, не сложно догадаться, что устройство предназначалось для пилотов и должно было заменить часть обычных приборов, которых в кабине самолета было немало.

Выводить информацию на шлем пилота оказалась удачной идеей и уже на следующий год в  Helicopter Company экспериментировали с камерами на подвесе, которык управлялись движением шлема, а дисплей давал пилоту  увеличенный обзор земли, снятой инфракрасной камерой под вертолетом.

Устройство предназначалось для пилотов и должно было заменить часть обычных приборов

Но даже с такими функциями до полноценной дополненной реальности эти шлемы еще не дотягивали, потому что объекты, которые они отображали, не были связаны с реальным миром. 

Но все изменилось с появлением систем прицеливания с помощью шлема.

В 1968 году Айвен Сазерленд  из Университета Юты разрабатывал устройство, которое прозвали «Дамоклов меч». 

В нем использовались две электронно-лучевые трубки и оптические элементы для отображения созданных компьютером изображений в глаза оператора. 

Дамоклов меч

С их помощью пользователь мог видеть трехмерное изображение, которое было наложено на реальные объекты, но габариты шлема были отнюдь не компактные, а картинка, которую генерировал компьютер, было просто каркасным кубом, который менял свое положение в зависимости от положения головы пользователя. 

В те дни ни один компьютер не был достаточно мощным, чтобы выполнять эту работу, поэтому команде Сазерленда пришлось самостоятельно создавать специальное оборудование и вплоть до начала восьмидесятых устройства с дополненной реальностью так и оставались экспериментальными. 

McDonnell Douglas AH-64 Apache

В 1985 году на свет появился McDonnell Douglas AH-64 Apache  с первым серийным монокулярным шлемом дополненной реальности. 

Он отображал видеосигнал на правом глазу и обеспечивал поддержку изображений ночного видения, символов дневных и ночных навигационных приборов, информацию о вооружении. 
Но главное, что второй пилот вертолета — он же стрелок - мог управлять пулеметом с помощью поворотов головы. Система поиска целей также перемещалась вслед за шлемом второго пилота. 

Серийный монокулярный шлем дополненной реальности

Для того, чтобы это стало возможным, на шлемах закреплены инфракрасные передатчики а в кабине установлена оптическая система, которая отслеживает перемещение и повороты шлема.

А вот уже в таком виде шлем очень похож на конструкции, который используется для VR-игр. 

По крайней мере системы отслеживания положения шлема и контроллеров используют такие же принципы и те же самые базовые станции.

Даже сейчас, с появлением мемс-гироскопов и акселерометров, которые можно без проблем встроить в шлем, для точного измерения положения объекта в пространстве требуется использовать дополнительные корректирующие системы, например оптические с инфракрасными датчиками ИК-камерами или массив  обычных камер с невысоким разрешением, которые работают как сенсор обычной мышки: привязываются к изображению, которое видят и отслеживают изменения в кадре.

Забавно, что в игровой индустрии VR-устройства стали появляться ещё в 80-х, например компания Atari основала отдел VR еще в 1982 году, а компания Sega сделала очки 3D, которые использовались совместно с обычными ЭЛТ-телевизорами и имитировали 3D изображения еще в 1987 году.

3D очки от Sega

Но до полного погружения с качественным изображением в VR мы дошли только в настоящее время.

При этом шлем и становится все легче и сложнее.

В современном виде VR-шлем может не просто показывать картинку и следить за головой но и попутно отслеживать движение кистей рук и пальцев. 

По крайней мере такое можно провернуть, если на шлеме есть дополнительные камеры или с помощью контроллеров.

А вот шлем и очки для полетов от первого лица стоят как-то особняком, по умолчанию в них нет никаких систем, которые следят за положением головы. 

Почему шлем так выглядит? Из-за линзы!

Их, конечно, можно добавить и некоторые пилоты радиоуправляемых самолетов этим пользуются, но у этих очков есть другие проблемы.

Так сложилось, что на модели ставят только одну камеру и потому первые FPV-шлемы выглядели вот так:

Большая линза перед экраном

просто один большой экран с линзой перед глазами. 

Подобная конструкция требует приличного расстояния от дисплея до линзы для того, чтобы не пришлось сводить взгляд в одну точку возле своего носа. 

У этих шлемов большой угол обзора и они создают ощущение просмотра видео в кинотеатре, однако имеют большие габариты и массу, что может быть не очень удобно. 

У FPV-очков такой проблемы нет, для каждого глаза используется отдельный дисплей с линзой, которые можно регулировать и в большинстве случаев очки маленькие и компактные. 

Но в шлемах и в очках для полетов не стоит ждать качественной Full Hd картинки, самая главная проблема любых FPV-систем  - задержка при передаче сигнала.

Чем быстрее вы будете получать сигнал с камеры и видеть его в шлеме, тем на больших скоростях вы сможете  летать и тем меньше будет проблем с реакцией на препятствие, потому в мире FPV до сих пор царствует передача видео в аналоговом формате и с не самым высоким разрешением.

Качество плохое, зато задержек НЕТ

Камера выдает сигнал с матрицы в телевизионном формате PAL или NTSC, этот сигнал без какой-либо обработки попадает в передатчик. А на стороне шлема работает приемник, который также без обработки выдает видео на дисплей. 

В таком случае задержки получаются минимальными и такой сигнал даже при малой мощности передатчика можно передать на большие расстояния, естественно, с помехами. 
А вот для передачи качественного видео хотя бы в 720p требуется быстрый цифровой канал и сложная электроника, которая на фоне аналоговых систем стоит достаточно дорого, потому каким бы высоким разрешением не обладал шлем, качество картинки будет упираться в систему передачи видеосигнала.

За 60 лет принципы работы видео шлемов не особо изменились, улучшаются только качество как самого изображения, так и система отслеживающая движения, а вот что действительно может стать прорывом  - это появление доступной обратной связи. 

Подобные системы есть и сейчас но они очень примитивны и стоят как крыло самолета, а потому нам остается только ждать — когда техника достигнет нужного уровня.
 

Интересное