Feasibility of a ballistic Head-Mounted Display / Haalbaarheid van een ballistisch Head-Mounted Display

Guillaume Segaert Frederik Coghe
Door een stijgende terreurdreiging wordt in deze scriptie uitgebreid onderzoek gedaan naar analoge en digitale manieren om op een ergonomische manier de bescherming van het hoofd te verbeteren.

De Belgische superagent, nabije toekomst?

 

Sinds de 21ste eeuw in het westen werd ingeluid met een “ver van ons bed” oorlog, hebben de septemberaanslagen in 2001 een als maar grotere impact op het collectieve bewustzijn van onze cultuur. De “ver van ons bed” oorlog heeft ons sinds 2014 elk jaar heel dicht bij ons bed bezocht. Als resultaat komen onze speciale interventieteams steeds vaker in contact met bewapende vijanden. Het spreekt vanzelf dat tijdens deze interventies de bescherming van het team ter plaatse centraal staat.

Het beschermen van het lichaam is echter niet op alle lichaamsdelen even vanzelfsprekend. De trage ontwikkeling in doorzichtige kogelwerende materialen sinds 1980, heeft als resultaat dat huidige doorzichtige bescherming vlot twee tot drie keer zwaarder is dan het ondoorzichtige kogelwerend equivalent. Het hoofd blijft daardoor, zelfs met een helm, het minst beschermbare deel van het lichaam.

Deze scriptie onderzoekt, in samenwerking met de Koninklijke Militaire School in Brussel en de Universiteit van Gent, de haalbaarheid van een digitaal ballistisch vizier voor het behalen van een lichtere bescherming van het hoofd. 

Virtual Reality, Augmented Reality, Mixed Reality... De oorsprong van een langverwachte revolutie in hoofdbescherming?

 

De 21ste eeuw introduceerde ook de “coming of age” van Virtual Reality; de technologie die het mogelijk maakt, via lenzen en schermen, ons onder te dompelen in een virtuele wereld. Als het ware een bril met “speciale glazen”, zodat je een volledig fictieve wereld ziet, zonder er effectief te zijn. Het vervangt het beeld van de echte wereld door het beeld op de schermen. Het is in de eerste plaats natuurlijk niet de bedoeling dat de agenten een andere omgeving te zien krijgen dan deze waarin ze zich bevinden, integendeel. Men kan deze technologie echter wel op een minder vanzelfsprekende manier gebruiken. Je kan namelijk, in combinatie met camera’s, de virtual reality bril gebruiken om door materialen te kijken. Als het ware een geavanceerde versie van een TV-scherm op een muur die verbonden is met een camera aan de andere kant van de muur. Wanneer we dit toepassen in de militaire context, is het dus mogelijk een beschermend vizier te maken uit een lichtgewicht ondoorzichtig materiaal, zolang het zicht verschaft wordt door camera’s aan de buitenkant van het vizier en schermen langs de binnenkant. Dit alles in de vormfactor van een extra-large skibril.

Maar wacht. Er is meer!

Dit concept geeft niet alleen toegang tot het gebruik van diverse materialen, maar introduceert ook een digitalisering van het zicht. Een digitalisering die, zoals in vele computergames, de mogelijkheid geeft tot het afbeelden van allerlei tactische informatie aan de gebruiker. De agent kan in real-time visuele informatie krijgen over de positie van teammates, vijanden, tactische routes, uitrustingsgegevens, enz. Allerlei vitale informatie die momenteel enkel kan verkregen worden door het wegkijken van de situatie en zich defensief tijdelijk bloot te stellen terwijl de informatie wordt verkregen. Door deze informatie als een extra laag toe te voegen aan het zicht, kan de agent geïnformeerde beslissingen maken zonder de focus te verleggen van de onmiddellijke omgeving.

 

Wow! Probleem opgelost... Niet?

 

Miljarden jaren aan evolutie vervang je niet zomaar door een technologie die net begonnen is aan de puberteit. Je vervangt de resolutie van je ogen en vliegensvlugge interpretatie van je hersenen niet zomaar door de nieuwste smartphone schermen en technologie. Er zijn een aantal grote knelpunten tijdens de vertaling van onze analoge omgeving naar een digitale afbeelding ervan.

De scriptie deelt deze knelpunten op in drie basisvereisten die de haalbaarheid van het concept beïnvloeden; Het gewicht, de visuele kwaliteit en de gebruikersinteractie (ergonomie). Enkel als deze drie aspecten op een haalbare manier met elkaar te verenigen zijn, kan men deze evenwichtsoefening geslaagd noemen. Dit blijkt, zonder enige verrassing, niet zo gemakkelijk te zijn.

De haalbaarheid van deze methode kan daarnaast enkel bepaald worden door het gebruik van referenties. De haalbaarheid is immers een relatief concept, de prestatie van een methode op elk criteria heeft pas een betekenis als deze getoetst wordt aan de prestaties van alternatieve methoden. Deze scriptie focust zich dus niet enkel op de voorgestelde manier om een lichtgewicht hoofdbescherming te ontwerpen, maar onderzoekt en vergelijkt tientallen verschillende methoden.

Klinkt interessant, maar wat betekent dit concreet?
 

De scriptie begint bij het begin en volgt een zo overzichtelijk mogelijk pad naar de uiteindelijke evaluatie en conclusie. Onderweg verkleint de focus naar de vergelijking van 3 alternatieven: 1) Het behouden van de huidige, zwaardere gezichtsbescherming. 2) Het gebruiken van VR systemen om lichtere, ondoorzichtige materialen te kunnen gebruiken. 3) Het combineren van 1 en 2, resulterend in een nog zwaarder, maar qua visuele kwaliteit een superieur product.

Het derde alternatief maakt gebruik van hedendaagse high-end augmented reality systemen ( projectie van informatie op doorzichtig glas ). Samen met veelbelovende vooruitgangen in transparante materialen, kan deze combinatie in de toekomst veel waardevoller zijn dan de voorgestelde methode. Het zou immers spijtig zijn dat er binnenkort een lichtgewicht doorzichtig materiaal uitgevonden wordt en het onderzoek daar geen rekening mee had gehouden.

Het onderzoek van de technologie sluit af met testen die de invloed van specifieke technologische aspecten op de prestatie weergeven, voornamelijk inzake de breedte van het gezichtsveld (Field Of View).

Naast het testen van de technologische haalbaarheid, wordt een gedetailleerd verslag gegeven over de ontwikkeling van een nieuw ergonomisch bevestigingsmechanisme. Dit bevestigingsmechanisme maakt een ultra snelle afwerping van het vizier mogelijk, laat toe het vizier tijdelijk uit het zicht te verplaatsen zonder het los te koppelen van de helm en behoudt een aangename gewichtsverdeling.

Dit alles wordt gecombineerd in de realisatie van een proof of concept, een fysieke benadering van het gewenste product en een onderbouwde mening over de haalbaarheid van de nieuwste evolutie in gezichtsbescherming.

Bibliografie

References

 

[1]          “Composite pane having a high resistance to impacts,” 1980.

[2]          M. Ramisetty, S. Sastri, U. Kashalikar, L. M. Goldman, and N. Nag, “Transparent polycrystalline cubic spinels protect and defend.”

[3]          R. Scott, “Transparent Armor.”

[4]         G. Segaert, “Feasibility study of a ballistic visor,” Ghent University, 2017.

[5]          K. B. Arbogast, S. S. Margulies, M. Patlak, H. Fenner, and D. J. Thomas, “Department of Continuing Medical Education,” 2003.

[6]         J. Deberlanger, F. Coghe, and R. Bastiaens, “Passief exoskelet voor militaire helm,” 2017.

[7]          F. Coghe, A. Miranda-Vicario, A. Azevedo, J.-C. Matos, and M. Pirlot, “Experimental and numerical testing of different armour configurations for ballistic helmets,” 2014.

[8]         Board on Army Science and Technology, “Review of Department of Defense Test Protocols for Combat Helmets,” Natl. Acad. Press, p. 158, 2014.

[9]         H. International, “Honeywell Spectra® Fiber - Protective Armor Materials.”

[10]        K. Kmw, “Ceramic Materials for light-weight Ceramic Polymer Armor Systems LIGHT-WEIGHT CERAMIC ARMOR.”

[11]         “GCP0LY3A - CRL Bullet Resistant Glass Clad Polycarbonate (Protection Levels 1-8).” [Online]. Available: http://www.crlaurence.com/crlapps/showLine/offerpage.aspx?ProductID=192…. [Accessed: 26-May-2017].

[12]        D. C. Harris, “History of development of polycrystalline optical spinel in the U.S.,” 2005, p. 1.

[13]        M. Patterson, J. E. Caiazza, and D. W. Roy, “Transparent spinel development,” 2000, pp. 59–68.

[14]        J. M. Wahl, T. M. Hartnett, L. M. Goldman, R. Twedt, and C. Warner, “Recent advances in ALON optical ceramic,” 2005, p. 71.

[15]        “ALON Optical Ceramic TM Comparison To Window Materials Al 2 O 3 MgAl 2 O 4 MgO ZnS Y 2 O 3.”

[16]        L. M. Goldman, S. Balasubramanian, N. Nagendra, and M. Smith, “ALON ® Optical Ceramic Transparencies for Sensor and Armor Applications.”

[17]        L. Prokurat Franks, T. (Tatsuki) Ohji, A. Wereszczak, and American Ceramic Society., A collection of papers presented at the 32nd International Conference on Advanced Ceramics and Composites, January 27-February 1, 2008, Daytona Beach, Florida. Wiley, 2009.

[18]        P. J. Patel, G. A. Gilde, P. G. Dehmer, and J. W. McCauley, “Transparent ceramics for armor and EM window applications,” 2000, pp. 1–14.

[19]        “Q17 Thermoset Castable Armor.”

[20]       ISBI armoring, “Data sheets of IIIa air-chamber ballistic glass.” [Online]. Available: http://www.isbi.us/twaron.htm. [Accessed: 26-May-2017].

[21]        G. Heiting, “How To Read Your Eyeglass Prescription - AllAboutVision.com,” 2016. [Online]. Available: http://www.allaboutvision.com/eyeglasses/eyeglass-prescription.htm. [Accessed: 28-May-2017].

[22]        The institute of physics, “The range of accommodation of the eye,” 2007. [Online]. Available: http://practicalphysics.org/range-accommodation-eye.html. [Accessed: 28-May-2017].

[23]        Huawei Technologies, “Facts and Analysis of Virtual Reality,” 2015.

[24]       Michael Abrash, “Latency – the sine qua non of AR and VR | Valve,” 2012. [Online]. Available: http://blogs.valvesoftware.com/abrash/latency-the-sine-qua-non-of-ar-an…. [Accessed: 25-May-2017].

[25]        Jason Jerald, The VR Book: Human-Centered Design for Virtual Reality - Jason Jerald - Google Books. .

[26]       J. Jerald and M. Whitton, “Relating Scene-Motion Thresholds to Latency Thresholds for Head-Mounted Displays.,” Proceedings. IEEE Virtual Real. Conf., pp. 211–218, 2009.

[27]        “Optical Properties of Current VR HMDs | Doc-Ok.org.” [Online]. Available: http://doc-ok.org/?p=1414. [Accessed: 28-May-2017].

[28]       M. S. Banks, W. W. Sprague, J. Schmoll, J. A. Q. Parnell, and G. D. Love, “Why do animal eyes have pupils of different shapes?,” Sci. Adv., vol. 1, no. 7, 2015.

[29]       L. Li, B. D. Adelstein, and S. R. Ellis, “Perception of Image Motion During Head Movement,” ACM Trans. Appl. Percpt. Artic., vol. 6, no. 10, 2009.

[30]       M. F. Deering and S. Microsystems, “The Limits of Human Vision.”

[31]        H. Shimamoto et al., “20 Hz-frame-rate SUPER Hi-VISION Capture and Display Devices.”

[32]        L. Sharan, K. Mitchell, and J. K. Hodgins, “Simulated motion blur does not improve player experience in racing game.”

[33]        Karl Guttag, “AR/MR Combiners Part 2 – Hololens | Karl Guttag on Technology,” 2016. [Online]. Available: http://www.kguttag.com/2016/10/27/armr-combiners-part-2-hololens/. [Accessed: 25-May-2017].

[34]       Bernard Kress, “Diffractive and holographic optics as combiners in Head Mounted Displays.” Google, 2013.

[35]        D. Kessler and T. Aviv, “Optics of Near to Eye Displays (NEDs),” 2013.

[36]       SeanL, “Analyzing HoloLens Field of View (FOV) – Updated,” 2015. [Online]. Available: http://windowscomments.com/?p=660. [Accessed: 25-May-2017].

[37]        TruLife Optics, “TruLife Optics AR Glass | TruLife Optics 3d Holographic | augmented reality component | head-up displays - FAQs.” [Online]. Available: https://trulifeoptics.com/faqs. [Accessed: 29-May-2017].

[38]       J. Ashley, “How Hololens Displays Work | The Imaginative Universal,” 2015. [Online]. Available: http://www.imaginativeuniversal.com/blog/2015/10/18/how-hololens-displa…. [Accessed: 29-May-2017].

[39]       A. Toet, S. E. M. Jansen, and N. J. Delleman, “Effects of field-of-view restriction on manoeuvring in a 3-D environment,” Ergonomics, vol. 51, no. 3, pp. 385–394, Mar. 2008.

[40]       K. W. Arthur, “Effects of Field of View on Performance with Head-Mounted Displays,” 2000.

[41]        B. C. Ihas, “Paraxial Zoom Lens Design,” 2005.

Universiteit of Hogeschool
Master of Science in de industriële wetenschappen: industrieel ontwerpen
Publicatiejaar
2017
Promotor(en)
Msc. Ing. Olivier Rysman
Kernwoorden
Share this on: