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ヘッドマウントディスプレイ（HMD）は、頭部またはヘルメットの一部として装着するディスプレイ装置で、片目（単眼HMD）または両目（両眼HMD）の前に小型のディスプレイ光学系を備えています。HMDは、ゲーム、航空、エンジニアリング、医療など、多くの用途があります。[ 1 ]
バーチャルリアリティヘッドセットは、3D位置と回転を追跡してユーザーに仮想環境を提供するHMDの一種です。3DOF VRヘッドセットは通常、IMUを使用してトラッキングを行います。6DOF VRヘッドセットは通常、少なくとも1つのIMUを含む複数のデータソースからのセンサーフュージョンを使用します。
光学式ヘッドマウントディスプレイ（OHMD）は、投影された画像を反射し、ユーザーがそれを通して見ることができるウェアラブルディスプレイです。[ 2 ]
一般的なHMDは、眼鏡（データグラスとも呼ばれる）、バイザー、またはヘルメットにレンズと半透明ミラーが埋め込まれた、1つまたは2つの小型ディスプレイを備えています。ディスプレイユニットは小型化されており、陰極線管（CRT）、液晶ディスプレイ（LCD）、シリコン上液晶（LCoS）、または有機EL （OLED）などが含まれます。一部のベンダーは、解像度と視野角を向上させるために、複数のマイクロディスプレイを採用しています。
HMDは、コンピュータ生成画像（CGI）のみを表示できるか、物理世界のライブ画像のみを表示できるか、またはその両方を表示できるかで異なります。ほとんどのHMDは、仮想画像と呼ばれることもあるコンピュータ生成画像のみを表示できます。一部のHMDでは、CGIを現実世界のビューに重ね合わせることができます。これは、拡張現実（AR）または複合現実（MR）と呼ばれることがあります。現実世界のビューとCGIを組み合わせるには、部分的に反射するミラーを通してCGIを投影し、現実世界を直接見る方法があります。この方法は、光学シースルーと呼ばれることがよくあります。現実世界のビューとCGIを組み合わせるには、カメラからのビデオを受け取り、それを電子的にCGIと混合することによって電子的に行うこともできます。
AR技術を使用することで、HMDはシースルー表示を実現できます。仮想現実（VR）技術を使用することで、HMDは360度で画像を見ることができます。[ 3 ]
光学式ヘッドマウントディスプレイは、部分的に銀メッキされたミラーで構成された光学ミキサーを使用します。人工画像を反射し、実像をレンズに通して、ユーザーがそれを通して見ることができるようにします。シースルー型HMDにはさまざまな方法が存在し、そのほとんどは、曲面ミラーまたは導波路に基づく2つの主要なファミリーに分類できます。曲面ミラーは、Laster TechnologiesやVuzixのStar 1200製品で使用されています。さまざまな導波路方式は長年にわたって存在しています。これには、回折光学、ホログラフィック光学、偏光光学、反射光学が含まれます。
HMDの主な用途としては、軍事、政府機関（消防、警察など）、および民間商業分野（医療、ビデオゲーム、スポーツなど）が挙げられる。
1962年、ヒューズ・エアクラフト社は、テレビ信号を透明な接眼レンズに反射するコンパクトなCRT（長さ7インチ）ヘッドマウント単眼ディスプレイ「エレクトロキュラー」を発表しました。 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]堅牢なHMDは、現代のヘリコプターや戦闘機のコックピットにますます統合されています。これらは通常、パイロットの飛行ヘルメットに完全に統合されており、保護バイザー、暗視装置、その他のシンボル表示が含まれる場合があります。
軍人、警察官、消防士は、HMDを使用して、実際の現場を見ながら地図や熱画像データなどの戦術情報を表示します。最近のアプリケーションには、空挺部隊向けのHMDの使用が含まれます。[ 8 ] 2005年に、Liteye HMDは、標準的な米国のPVS-14軍用ヘルメットマウントにクリップで固定できる頑丈で防水の軽量ディスプレイとして、地上戦闘部隊向けに導入されました。自己完結型のカラー単眼有機EL （OLED）ディスプレイは、暗視ゴーグルチューブを置き換え、モバイルコンピューティングデバイスに接続します。LEはシースルー機能を備えており、標準HMDとして、または拡張現実アプリケーションに使用できます。設計は、あらゆる照明条件下、遮蔽モードまたはシースルーモードでの動作で、高精細データを提供するように最適化されています。LEは低消費電力で、単三電池4本で35時間動作するか、標準のUSB接続を介して電源を受け取ります。[ 9 ]
国防高等研究計画局（DARPA ）は、持続的近接航空支援（PCAS）プログラムの一環として、拡張現実HMDの研究に資金提供を続けている。Vuzixは現在、ホログラフィック導波路を使用して厚さわずか数ミリメートルのシースルー拡張現実メガネを製造するPCAS向けシステムに取り組んでいる。 [ 10 ]
エンジニアや科学者は、HMD を使用してコンピュータ支援設計(CAD)の回路図を立体視で表示します。 [ 11 ]エンジニアリングや設計に仮想現実を適用すると、設計に人間を統合する上で重要な要素となります。エンジニアが実物大で設計と対話できるようにすることで、物理的なプロトタイプを作成するまで見えなかった問題について製品を検証できます。VR に HMD を使用することは、VR シミュレーションに従来使用されてきたCAVEを補完するものと見なされています。HMD は主に設計との単独対話に使用されますが、CAVE はより協調的な仮想現実セッションを可能にします。
ヘッドマウントディスプレイシステムは、複雑なシステムの保守にも使用されます。システム図や画像などのコンピュータグラフィックスを技術者の自然な視覚と組み合わせることで（拡張現実または修正現実）、技術者にX線透視のような視覚体験を提供できるからです。
手術にも応用されており、放射線画像データ（X線コンピュータ断層撮影（CAT）スキャンと磁気共鳴画像法（MRI）画像）を外科医の手術の自然な視界と組み合わせたり、麻酔では患者のバイタルサインが常に麻酔科医の視野内に収まるようにしたりしている。[ 12 ]
研究大学では、視覚、バランス、認知、神経科学に関連する研究を行うためにHMDがよく使用されます。2010年現在、軽度外傷性脳損傷を特定するための予測視覚追跡測定の使用が研究されています。視覚追跡テストでは、視線追跡機能を備えたHMDユニットが規則的なパターンで動く物体を表示します。脳損傷のない人は、滑らかな追跡眼球運動と正しい軌道で動く物体を追跡できます。[ 13 ]
低価格の HMD デバイスは、3D ゲームやエンターテイメント アプリケーションで使用できます。最初に市販された HMD の 1 つはForte VFX1で、1994 年にコンシューマー エレクトロニクス ショー(CES)で発表されました。 [ 14 ] VFX-1 は、立体視ディスプレイ、3 軸ヘッド トラッキング、ステレオ ヘッドホンを備えていました。この分野のもう 1 つの先駆者は、 1997 年にGlasstron を発売した Sony です。オプションのアクセサリとして位置センサーがあり、ユーザーは頭の動きに合わせて視点が移動し、深い没入感を得ることができました。この技術の新しいアプリケーション 1 つは、ゲームMechWarrior 2で、Sony Glasstron または Virtual I/O の iGlasses のユーザーが、自分の目を視覚として使用し、機体のコックピットから戦場を見ることで、機体のコックピット内から新しい視覚的視点を採用することができました。
多くのブランドのビデオグラスは、最新のビデオカメラやデジタル一眼レフカメラに接続できるため、新時代のモニターとして使用できます。グラスが周囲の光を遮断する機能のおかげで、映画制作者や写真家はライブ映像をより鮮明に見ることができます。[ 15 ]
Oculus Riftは、 Palmer Luckeyが考案した仮想現実(VR) ヘッドマウントディスプレイで、 Oculus VR社が仮想現実シミュレーションやビデオゲーム用に開発しました。[ 16 ] HTC Viveは仮想現実ヘッドマウントディスプレイです。このヘッドセットはValveとHTCの共同開発で、高精度ルームスケールトラッキングと高精度モーションコントローラーが特徴です。PlayStation VRはゲーム機用の仮想現実ヘッドセットで、 PlayStation 4専用です。[ 17 ] Windows Mixed Realityは Microsoft が開発したプラットフォームで、HP、Samsung などが製造する幅広いヘッドセットに対応しており、ほとんどの HTC Vive ゲームをプレイできます。コントローラーにはインサイドアウトトラッキングのみを使用しています。
ヘッドマウントディスプレイの中には、従来のビデオや映画コンテンツを仮想映画館で表示するように設計されたものもあります。これらのデバイスは通常、視野角（FOV）が50～60°と比較的狭いため、仮想現実ヘッドセットほど没入感はありませんが、1度あたりのピクセル数で見ると、それに応じて解像度が高くなります。2011年に発売されたソニーのHMZ-T1は、片目あたり1280x720の解像度でした。2015年頃には、 NibiruのソフトウェアをベースにしたVRWorld、Magicseeなどのさまざまなブランドを使用して、 Android 5（Lollipop）ベースのスタンドアロンの「プライベートシネマ」製品が発売されました。
2020年時点で発売された、片目あたり1920×1080の解像度を備えた製品には、Goovis G2 [ 18 ]と Royole Moon [ 19 ]があった。また、片目あたり720Pの網膜投影を組み込んだAvegant Glyph [ 20 ]と、片目あたり2560×1440の解像度と66°の視野角を備えたCinera Prime [ 21 ]も利用可能だった。かなり大型のCinera Primeは、標準のサポートアームまたはオプションのヘッドマウントを使用した。2021年後半に発売予定のCinera Edge [ 22 ]は、以前のCinera Primeモデルと同じ視野角と片目あたり2560×1440の解像度を備えながら、はるかにコンパクトなフォームファクターとなっている。 2021年に発売されたその他の製品には、片目あたり870×500の解像度を持つCinemizer OLED [ 23 ]、片目あたり1280×720の解像度を持つVISIONHMD Bigeyes H1 [ 24 ]、片目あたり1920×1080の解像度を持つDream Glass 4K [ 25 ]などがある。ここで挙げた製品はすべてオーディオヘッドホンまたはイヤホンを内蔵しているが、Goovis G2、Cinera Prime、VISIONHMD Bigeyes H1、およびDream Glass 4Kは例外で、オーディオヘッドホンジャックを備えている。
一人称視点（FPV）ドローン飛行では、一般的に「FPVゴーグル」と呼ばれるヘッドマウントディスプレイを使用します。[ 26 ] [ 27 ]アナログFPVゴーグル（ Fat Shark社製のものなど）は、ビデオ遅延が最も少ないため、ドローンレースでよく使用されます。しかし、デジタルFPVゴーグル（ DJI社製のものなど）は、より高解像度のビデオを提供できるため、ますます人気が高まっています。
Kopin Corp.とBMWグループは、フォーミュラワンのドライバー向けにHMDシステムを開発した。HMDは重要なレースデータを表示し、ドライバーがトラックに集中し続けられるようにする一方、ピットクルーは双方向無線機を介してドライバーに送信されるデータとメッセージを制御する。[ 29 ] Recon Instrumentsは2011年11月3日に、スキーゴーグル用のヘッドマウントディスプレイ2種類、MODとMOD Liveを発売した。後者はAndroidオペレーティングシステムに基づいている。[ 30 ]
HMD の重要な用途はトレーニングとシミュレーションであり、訓練生を現実世界で再現するには費用がかかりすぎたり危険すぎたりする状況に仮想的に置くことができます。HMD を使用したトレーニングは、運転、溶接、スプレー塗装、飛行および車両シミュレーター、歩兵訓練、医療処置トレーニングなど、幅広い用途をカバーしています。しかし、特定のタイプのヘッドマウントディスプレイを長時間使用すると、いくつかの望ましくない症状が発生するため、最適なトレーニングとシミュレーションが実現可能になる前に、これらの問題を解決する必要があります。[ 31 ]
HMD内部での奥行き知覚には、左右の目に異なる画像が必要です。これらの別々の画像を提供する方法は複数あります。
デュアルビデオ入力の利点は、各画像で最大解像度、各目で最大フレームレートを実現できることです。一方、欠点は、コンテンツを生成する機器から個別のビデオ出力とケーブルが必要になることです。
時間ベースの多重化方式では、各画像の解像度は維持されますが、フレームレートは半分になります。例えば、信号が60Hzで提示された場合 、各眼は30Hzの更新しか受け取れません 。これは、動きの速い画像を正確に表示する際に問題となる可能性があります。
サイドバイサイド方式とトップボトム方式の多重化は、両眼にフルレートの更新情報を提供しますが、両眼に表示される解像度は低下します。ESPNなどの多くの3D放送局は、サイドバイサイド方式の3Dを採用しています。この方式は、追加の伝送帯域幅を割り当てる必要がなく、時間ベースの多重化方式に比べて、動きの速いスポーツアクションに適しています。
すべてのHMDが奥行き知覚を提供するわけではありません。低価格帯のモジュールの中には、両眼に同じ画像を表示する両眼視装置のようなものもあります。3Dビデオプレーヤーによっては、ユーザーが使用する3Dフォーマットを選択できるようにすることで、HMDとの互換性を最大限に高めているものもあります。