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1.1.1 Realtà Virtuale Immersiva
Oltre al realismo o fotorealismo delle immagini, piena percezione della realtà e si raggiunge per mezzo di una precisa modellazione
3D e tecniche di illuminazione sofisticate che portano ad avere una
rappresentazione della scena virtuale con un grado di accuratezza talmente alto da
rendere impossibile percepire la differenza da una fotografia o un video che cattura
la stessa scena nel mondo reale. Nella VR si parla di interattività virtuale, come si evince da queste affermazioni fotorealismo ed interattività sono i
concetti chiave che hanno caratterizzato le applicazioni di VR, sviluppate negli anni
a cui si è aggiunto negli ultimi tempi il concetto di immersività , e dopo una
prima fase in cui il fotorealismo era un obbiettivo imprescindibile della Realtà
Virtuale, per lo più legato alla Computer Grafica, (algoritmi di ray tracing, ray
casting, global illumination , scene 3D) che sono in grado di dare alla scena massimi livelli di realismo , si sta
assunto sempre più un ruolo centrale in tali applicazioni, anche grazie ad una
maggiori a patto di nuove stimolazioni sensoriali .
Per questi nuovi scenari della Realtà Virtuale, un ruolo centrale è rivestito
mo e macchina Human Computer Interaction (H.C.I.) , in pratica ,
lo studio dell'interazione tra le persone (più in particolare utenti) ed i computer per la
progettazione e lo sviluppo di sistemi interattivi che siano usabili, affidabili e
accessibili e che supportino e automatizzino al meglio alcune attività umane .
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dispositivi di motion tracking o motion capture, le quali eseguono le caratteristiche di
spazio 3D ed in più le loro rotazioni sui tre assi dello spazio, coprendo fino a 6 gradi
di libertà (6 Degrees Of Freedom ). Ricordiamo che la posizione di un oggetto nello
ad un sistema di riferimento, indicata da tre angoli: picchiata, rollio e imbardata.
Fig 1 .1 Esempio di Sistema a 6 gradi di libertà
I dispositivi di input in 3D sono diversi dai sistemi tradizionali di puntamento quali
mouse, trackball, efficaci nel puntamento e nella manipolazioni in ambito
bidimensionale, (infatti sono classificati come sistemi di puntamento continuo a 2
gradi di libertà , 2 DOF). Questi sistemi di tracciamento sono capaci acquisire ed
elaborare i movimenti provenienti da ciascuno dei dispositivi wireless o wired che
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ad esempio 6D mouse o cyberglove , in cui
sono rilevate le posizioni delle singole dita.
Tra i parametri più importanti di queste interfacce, osserviamo:
Volume di lavoro : definisce la regione di spazio in cui il sistema funziona
correttamente.
Frequenza di campionamento : è la frequenza con cui il calcolatore rileva e
aggiorna le variabili.
Risoluzione : è la più piccola variazione di posizione rilevata.
Latenza rapidità della risposta.
Precisi one
I metodi di interazione tra l'utente e il mondo ricostruito possiamo raggrupparli in:
Sistemi di tracciamento del movimento
Strumenti per la visione tridimensionale
Tool per la manipolazione degli oggetti virtuali.
La simulazione della VR viene percepita totalmente dai nostri sensi, in particolare
dal senso della -lineari e adattivi. Essi
stimoli costanti, percependo di fatto le differenze tra stimoli successivi. Di questi
aspetti, bisogna tenerne conto, nel progettare interfacce meno legate ai singoli
[Tanaka, A., Hirota, K., Kaneko, T. 1998]
Nella realtà virtuale immersiva si utilizzano speciali dispositivi di visualizzazione e
manipolazione, ad esempio visori montati in prossimità degli occhi chiamati HMD
(Head Mounted Display ).
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Fig. 1. 2 Utente che indossa un casco HMD
Inoltre sono usati cyber-glove , dotati di
sensori adatti a manipolare gli oggetti virtuali e a simulare sensazioni tattili artificiali.
Fig. 1. 3 Guanti sensoriali o Cyber Glove
contesto reale in cui opera, offrendogli la sensazione di stare in un mondo virtuale.
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1.3 Gradi di immersione in un ambiente virtuale
Alla luce delle considerazioni fatte, possiamo distinguere due tipi di Realtà Virtuale:
- Realtà Virtuale immersiva
- Realtà Virtuale non immersiva
Per i nostri scopi, inerenti alle HI, ci riferiremo alla realtà virtuale immersiva,
laddove i la capacità di astrarre totalmente e calarlo nel mondo
simulato. È quindi necessario supportare tutti i nostri sensi, non solo la vista e
, che in prima istanza non siamo abituati a
prendere in considerazione in simili applicazioni [Cobb, George W 1998] .
in tali ambienti può essere ottenuta a diversi gradi, precisamente tre.
Nel
Nel secondo grado di immersione il soggetto avrà la possibilità di navigare
percepisce le informazioni che caratterizzano l'ambiente virtuale Koutek M, Post FH
(2001) .
Il terzo grado di immersione , il più importante per i nostri scopi, è caratterizzato
avrebbe un rapporto esclusivamente passivo nei confronti della realtà virtuale.
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Fig. 1.4 Un applicazione per Realtà Virtuale immersiva
I primi due gradi di immersione sono ottenuti mediante la simulazione di grafica e
audio, in modo da produrre stimoli di natura visiva e uditiva, in questi casi parliamo
di un grado di immersione passivo .
Il terzo grado di livello di immersione non passivo, è necessario
La riproduzione degli stimoli tattili è diventata negli ultimi anni un avvincente sfida
nella comunità scientifica e industriale che proprio in questi anni ha portato avanti la
realizzazione di dispositivi sempre più sofisticati che, attraverso dei ritorni di forza
(force feedback ), rendono questo traguardo sempre più vicino.
Questo tipo di simulazione richiede il calcolo in tempo reale di tutte le situazioni di
É necessario, quindi, caratterizzare gli oggetti presenti nella realtà virtuale anche
dal punto di vista fisico, attribuendo loro grandezze, quali: peso, dimensioni, inerzia,
rigidezza, viscosità, rugosità, umidità, ecc.
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Una simulazione di questo tipo, in grado di riprodurre sensazioni tattili e di forza, è
ottenuta mediante lo studio e la progettazione dispositivi definiti Interfacce Aptiche ,
che insieme a software 3D si prefigge come scopo quello di introdurre percezioni
tattili nelle applicazioni di V. R. e che analizzeremo in maniera dettagliata nel
capitolo successivo.
1. 4 La Realtà Mista (Mixed Reality)
Secondo la letteratura attuale, la Realtà Virtuale e la Realtà Aumentata, altro non
sono che due sottocasi della meno conosciuta Realtà Mista o con il termine
anglosassone Mixed Reality . Tale termine (MR) è stato coniato per indicare una
classe di tecnologie, confinanti tra loro, che fanno uso della Computer Grafica per
interagire con il mondo reale in modo differente, come appunto la Virtual Reality
(VR) e la Augmented Reality (AR) . Tale classificazione proposta da Paul Milgram si
basa essenzialmente sulla definizione del Reality-Virtuality Continuum , (vedi figura
Fig 1. 5 Il Continuo Realtà-Virtualità secondo lo schema di Milgram
visualizzazione (ad esempio un monitor, un televisore o un binocolo) [Borst, C. W., &
Volz, R. A. (2005)]
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ricostruito, costituito esclusivamente da oggetti virtuali, in pratica generati con
simulazioni e grafica computerizzata, visualizzati sia attraverso monitor sia
attraverso dispositivi immersivi.
Sulla base della precedente definizione, quindi, in un ambiente di MR sono presenti
oggetti sia del mondo reale, che del mondo virtuale che vengono fruiti con un
singolo dispositivo di visualizzazione, qualsiasi esso sia. Secondo questa
classificazione molto generale, la AR si colloca chiaramente sul lato sinistro del
Continuum, in quanto si basa principalmente sul mondo reale, mentre la VR
caso il mondo digitale prevale sulla
realtà. Nell'ambito della Mixed Reality , negli ultimi anni la ricerca sta avendo un
impulso maggiore, poiché proprio in un rapporto di complementarietà variabile tra
contributi virtuali e immagini reali risiede il valore aggiunto per tante applicazioni, in
particolare per la medicina .
1. 5 La Realtà Aumentata (Augumented Reality)
La Realtà Aumentata ( Augmented Reality, termine coniato nel 1990 da alcuni
Boeing, Tom Caudell e David Minzell ) è una
particolare estensione della realtà virtuale che consiste nel sovrapporre alla realtà
e.
aumentata, arrichita da oggetti
immagini digitali o dati prodotti ad hoc che arrichiscono la realtà di informazioni utili
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sostituire il mondo reale, come tende a fare la VR, ma di estendere la realtà, anche
se in applicazioni di AR si impiegano alcune tecnologie mutuate da sistemi di VR.
Augmented offerto all
Nè immersività, né fotorealismo, come nella VR, ma sovrapposizione e
nte non
potrebbe direttamente rilevare con i propri sensi.
La particolarità della A. R. è combinare e registrare il mondo reale con il modello
digitale del sistema.
L'ambiente reale e virtuale sembrano coesistere e l'utente si può muovere
liberamente nella scena, con la possibilità, altresì, di interagire con essa. Tutto ciò
deve essere ovviamente elaborato in maniera ottimale, ovvero in maniera tale che
l'utente abbia la percezione di una singola scena, nella quale le due entità reale e
virtuale sono pressoché indistinguibili.
I campi di utilizzo della Realtà Aumentata sono molteplici, e vanno dal design
all'intrattenimento (nella maggioranza delle applicazioni), dall'addestramento
militare ai beni culturali, alla medicina ai sistemi di manutenzione industriale.
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Figura 1.6 . Visualizzazione tramite Realtà Aumentata. Oggetti reali e virtuali
coesistono nello stesso spazio
Fig. 1.7 Applicazione di A. R. in ambito manutenzione industriale
1.5.1 Principali funzionalità delle applicazioni di A.R.
Le funzionalità di applicazioni di A.R. si possono dividere in due categorie principali:
Funzionalità di visualizzazione: rappresentano le differenti modalità
di visualizzazione che offre il sistema basandosi sul device scelto
este funzionalità possono
essere sfruttate tramite diverse strategie sia che si voglia visualizzare il
in modo da poter rendere la visualizzazione dei contenuti fruibile da
parte di device per realtà aumentata (realtà virtuale immersiva) quindi mediante
Dual- head , Head mounted display , Head-Mounted see through display ,
quindi utilizzando un paradigma di fruizione singolo non collaborativo.
Funzionalità di interazione con la scena: si riferisce alle modalità
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rotazione) con l trasparenza etc.).
1.5.2 Dispositivi di visualizzazione per i sistemi di A.R.
La scelta della tecnologia dipende fondamentalmente dai requisiti che il sistema di
Realtà Aumentata richiede. Dispositivi hardware per sistemi di AR sono i visori see-
through, leggeri e confortevoli (HMD Head Mounted Display ), che consentono la
biente circostante e allo stesso tempo forniscono una sensazione di
ed al lo stesso tempo di permettere di
avere le mani libere per agire sulla scena . Essi sono distinguono in due tipologie:
Optical See Through
Video See Through
I primi capaci di mostrare grafici, scritte e immagini di sintesi in sovrimpressione alla
normale visione dell'utente, arricchendola di utili informazioni, sono composti da
uno specchio traslucido che trasmette la luce in una direzione e
contemporaneamente riflette la luce nell'altra. Si tratta quindi di una tecnologia
parzialmente trasmittente poiché, guardando attraverso la lente si può vedere
l'immagine virtuale sovrapposta a quella reale. Tali divisori di fascio sono molto
simili agli Head-Up Display usati dai piloti degli aerei militari.
I dispositivi Video S ee Through ut ilizzano due telecamere, una per ciascun occhio
Questa scelta permette di
realizzare effetti visivi più complessi, ma ha un fattore diverso dal visore ottico see-
through , perchè impone un piano di messa a fuoco costante per tutta la scena e
questo rende il sistema poco confortevole. L'immagine del mondo reale è di
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conseguenza mescolata elettronicamente con l'immagine generata dal computer ed
esposta sul display a cristalli liquidi dello schermo dell' HMD.
I sistemi di AR tracciano la posizione e l'orientamento della testa dell'utente in modo
da poter allineare correttamente le immagini sintetiche al punto di vista dell'utente.
Fig. 1.8 di tipo
Video See Through
Oltre ai primi due tipi di visori, attualmente in commercio la ricerca si sta muovendo
nella direzione dei Virtual Retinal Display (VRD) che sono stati originariamente
progettati e realizzati dallo Human Interface Technology Lab professore Thomas Furness . Lo scopo
era ottenere un display virtuale a colori con ampio campo visivo, alta risoluzione,
elevata luminosità ed a basso costo, leggero e facile da indossare da parte degli
utenti. Tale tecnologia ha molte potenziali applicazioni, dagli HMD in campo militare
o aerospaziale alla medicina, ai beni culturali. Il VRD funziona proiettando un raggio
di luce modulata, (generato, utilizzando laser a bassissima potenza che si muovono
raster sorgente
come se fosse visualizzata a circa 50-
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una qualità eccellente in termini di definizione e in più in modalità stereoscopica. Il
VRD può essere collegato via wireless a un qualunque device , una volta indossato,
si visualizzano le immagini e le informazioni direttamente sulla retina del nostro
occhio. Il suo punto di forza rispetto ad altri apparecchi simili, è proprio la mancanza
di uno schermo.
Fig. 1.9 Display con tecnologia V.R.D.
Una delle maggiori difficoltà nelle applicazioni di AR, affinché il paradigma operativo
è implementata, è che i contenuti reali
(dati, immagini etc.) e i contenuti virtuali siano co-registrati tra loro. Il concetto di
registrazione consiste nel preciso allineamento e sincronizzazione di due o più
elementi sensoriali, ossia richiede un'esatta calibrazione della camera e degli
strumenti utilizzati e comprende le tecniche necessarie affinché l'oggetto virtuale,
elaborato attraverso il computer, si collochi nell'ambiente reale con precisione e con
esattezza. Solo in caso di perfetto allineamento le informazioni in A.R. possono
costituire un valido ausilio.
Un'altra delle tecnologie di visualizzazione molto utilizzata, perché molto economi ca
e alla portata dei tutti, nella Realtà Aumentata sono gli hand -held display , ovvero
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