Un’applicazione multimediale sociale in realtà aumentata per dispositivi mobili

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Introduzione 
 
 
 
 
 
 
 
Con realtà aumentata, o dall’inglese Augmented Reality (AR), si vuole descrivere la tecnologia 
che permette la sovrapposizione di livelli informativi alla realtà direttamente o indirettamente 
visualizzata. In altre parole essa può essere descritta dal concetto di Mixed Reality nel quale 
realtà e oggetti virtuali vengono combinati in tempo reale all’interno di uno spazio 
tridimensionale.  
Le prime ricerche sulla realtà aumentata risalgono ai primi anni sessanta, tuttavia solo negli anni 
novanta si raggiunsero dei risultati concreti applicabili su larga scala. 
I settori che sfruttano i sistemi AR sono molteplici e sono in rapida espansione anche grazie allo 
sviluppo tecnologico degli ultimi anni e al conseguente abbattimento dei costi di sviluppo e dei 
dispositivi. La realtà aumentata offre ad esempio un ottimo servizio di supporto per processi 
complessi come assemblaggio, manutenzione e chirurgia; un altro campo di applicazione 
riguarda il settore militare che investe ingenti risorse economiche per il miglioramento degli 
strumenti di volo e per offrire un miglior supporto informativo ai soldati durante l’azione 
militare. 
Anche nel campo dell’intrattenimento l’utilizzo della realtà aumentata è ormai consolidato, in 
particolare nell’ambito sportivo e cinematografico.  
Il processo che permette la sovrapposizione di un oggetto alla realtà in modo coerente con lo 
spazio tridimensionale di riferimento viene detto registrazione. Attualmente vengono utilizzate a 
questo proposito tecniche di riconoscimento delle immagini o sistemi basati sulla conoscenza di 
coordinate georeferenziate. Il primo metodo sfrutta i dati prelevati da una videocamera per 
posizionare un oggetto virtuale in riferimento ad una particolare immagine mentre il secondo 
impiega la posizione geografica dell’oggetto per inserirlo in modo corretto nella realtà 
visualizzata. 
Esistono attualmente tre principali sistemi di visualizzazione AR, che sfruttano tecnologie 
differenti. Il sistema definito Head Mounted Displays (HMD) consiste solitamente in un paio di 
occhiali indossabili o in una visiera, integrata o meno ad un casco. Esistono due categorie di
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HMD, la prima viene definita video see-through ed elabora le informazioni reali riprese da una 
videocamera a cui aggiunge le informazioni sintetiche. La seconda, definita optical see-through, 
presenta una o due lenti trasparenti su cui viene proiettata esclusivamente la scena virtuale, 
permettendo una visualizzazione piø efficiente in termini di tempo ma una maggior complessità 
tecnologica. 
Un’altra modalità, detta Monitor-Based Display, sfrutta configurazioni basate su monitor, in cui 
la realtà aumentata viene visualizzata in un monitor posto di fronte all’utente. 
A questa categoria appartengono i normali PC e laptop dotati di videocamera e i dispositivi 
mobili di ultima generazione come smartphone e tablet. 
L’ultimo sistema di visualizzazione, chiamato Spatial Augmented Reality (SAR), non prevede 
display da indossare o trasportare come nei casi precedenti, ma utilizza un proiettore digitale per 
visualizzare le informazioni grafiche aggiuntive su spazi fisici reali. 
I sistemi AR, indipendentemente dalla modalità di visualizzazione adottata, prevedono anche 
l’impiego di sistemi di tracking per l’individuazione della posizione e dell’orientamento 
associato al punto di osservazione dell’utente, di dispositivi di input per l’interazione con gli 
oggetti virtuali e di unità di elaborazione performanti, per poter far fronte in modo adeguato al 
processo di rendering e allo sforzo computazionale legato alla gestione dei sensori e della 
connessione dati. 
Lo sviluppo tecnologico ha permesso di integrare tutte queste componenti negli attuali 
dispositivi mobili, rendendo quest’ultimi la piattaforma trainante per la diffusione del settore. 
L’utilizzo di GPS, accelerometri, magnetometri e videocamere negli smartphone prima, e nei 
tablet poi, hanno favorito lo sviluppo di nuovi servizi AR, basati sulla geolocalizzazione. 
Tra le applicazioni di maggior successo vi sono i così detti browser AR che permettono di 
visualizzare oggetti virtuali all’interno della scena reale ripresa con la videocamera; questi 
oggetti sono solitamente associati a punti di interesse (POIs) con i quali è possibile interagire. 
I settori che maggiormente beneficiano di questi strumenti sono sicuramente il turismo e la 
ricerca geolocalizzata ma sono possibili utilizzi anche nel campo dell’intrattenimento e del 
gaming. 
Questa tesi descrive lo sviluppo di un’applicazione in realtà aumentata basata sulla piattaforma 
Layar, che fornisce sia un browser AR per i dispositivi mobili Apple e Android di ultima 
generazione che un servizio per la gestione e la pubblicazione di nuovi “layer” cioè insiemi di 
POIs da sovrapporre alla realtà visualizzata nel display. 
La creazione di un nuovo layer necessita di un applicativo per la gestione e l’inserimento dei 
punti e un servizio con il quale restituire quest’ultimi alla piattaforma di riferimento per la
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visualizzazione nel browser AR. L’approccio solitamente utilizzato delega la gestione dei punti e 
del loro contenuto informativo ad un unico amministratore e vede i singoli utenti del sistema 
unicamente come utilizzatori del servizio. 
Il lavoro svolto e discusso in questa tesi descrive invece un approccio di tipo “social” nel quale 
ogni utente può inserire propri punti di interesse e definire la visibilità di questi nei confronti 
degli altri utenti del sistema. 
La tesi vuole descrivere gli aspetti generali che riguardano la creazione e lo sviluppo di un layer 
“social media” ma fa riferimento ad un esempio concreto utile alla gestione di annunci 
geolocalizzati. In particolare viene analizzata la struttura software dell’applicativo web per la 
gestione degli annunci, il servizio di restituzione POIs utilizzato (entrambi scritti in PHP) e i 
risultati ottenuti con il browser AR fornito da Layar. 
 
Il Capitolo 1 introduce la realtà aumentata in base alle definizioni attualmente riconosciute dalla 
comunità scientifica, viene poi svolta un’analisi sulla storia passata, presente e futura dei 
principali sistemi AR e dei relativi campi di utilizzo. 
Il Capitolo 2 descrive la piattaforma Layar nel suo insieme, evidenziando sia le funzionalità 
offerte dal Browser AR fornito per i dispositivi mobili che i servizi da utilizzare per la creazione 
e pubblicazione di un layer. 
Il Capitolo 3 descrive le tecnologie web utilizzate per la creazione e lo sviluppo 
dell’applicazione. In particolare si descrivono le piattaforme MySQL per la gestione del DBMS, 
il linguaggio PHP per la creazione dell’interfaccia e del servizio di restituzione punti e i Web 
Server utilizzati con le relative modalità di configurazione; vengono analizzate anche le 
caratteristiche del formato JSON per lo scambio del contenuto informativo associato ai POIs. 
Il Capitolo 4 riporta l’architettura software dell’applicazione utilizzata per l’inserimento dei 
punti, chiamata Web Application, e del servizio di restituzione degli stessi definito Service 
Provider. Il capitolo mostra che la modularità dell’applicazione creata permette ai due servizi di 
condividere parti di codice. 
Il Capitolo 5, infine, inserisce la struttura software analizzata nel capitolo precedente in un 
contesto pratico, descrivendo la realizzazione di un layer per gli annunci geolocalizzati. 
In particolare si riportano le funzionalità offerte dalla Web Application e si analizzano le 
modalità con le quali un utente può visualizzare e interagire con i punti visualizzati. Viene data 
anche una breve descrizione dell’interfaccia amministrativa e delle funzionalità che questa 
prevede rispetto all’interfaccia utente.
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1   Realtà aumentata 
 
 
 
 
 
 
 
L’attuale avanzamento tecnologico, spinto dalla diffusione dei dispositivi di ultima generazione 
e dall’esigenza di trovare nuove forme di intrattenimento sempre piø accattivanti, ha permesso 
l’accesso al grande pubblico di nuove tecnologie prima utilizzate solo in ambiti specifici. 
Con questo capitolo si vuole introdurre una di queste nuove tecnologie, la realtà aumentata, 
attraverso le definizioni attualmente accettate dal mondo scientifico e la descrizione dei 
principali sistemi con la quale essa viene realizzata. Verranno inoltre analizzati i campi 
applicativi che hanno impiegato i sistemi AR nel recente passato e i principali settori di utilizzo 
attuali e futuri. 
 
 
1.1   Definizione 
 
La realtà aumentata (AR) è la sovrapposizione di livelli informativi alla realtà direttamente o 
indirettamente visualizzata; essa in altre parole permette di incrementare il concetto di realtà, 
estendendola con oggetti virtuali che permettono un incremento della percezione naturale e con i 
quali è possibile interagire in tempo reale. 
Il termine è stato introdotto per la prima volta nel 1990 da Thomas Caudell [1] e attualmente la 
definizione maggiormente accettata nella comunità scientifica è quella data da Ronald Azuma 
nel 1997 [2], che inserisce la Realtà Aumentata in un contesto generale, definendola come 
l’insieme di tre caratteristiche fondamentali: 
 
1) combinazione di realtà e virtualità 
2) interazione real-time con il sistema 
3) ambientazione in uno spazio tridimensionale
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Una definizione di questo tipo permette di classificare in modo specifico cosa può essere 
realmente identificato con AR e cosa no, indipendentemente dalla tecnologia utilizzata, sia che 
essa consideri dispositivi semitrasparenti da indossare (detti Human Mounted Disply) o sistemi 
previsti di display e videocamera. 
Ad esempio non si considera realtà aumentata un film che prevede la sovrapposizione della 
realtà a mondi virtuali, in quanto non includono l’interattività, o videogiochi interattivi che non 
comprendono la componente realtà. 
 
Alla definizione data, si affianca il concetto di Mixed Reality (MR) di Paul Milgram e Fumio 
Kishino [3]. Essi propongono un modello di classificazione per definire il rapporto che intercorre 
tra le diverse forme di realtà aumentata all’interno di un continuum, una linea i cui estremi sono 
la realtà e il mondo puramente virtuale, definito realtà virtuale (VR). 
Il primo caso definisce ambienti costituiti esclusivamente da oggetti reali e comprende, per 
esempio, ciò che si osserva attraverso il display di una videocamera; la realtà virtuale descrive 
invece ambienti costituiti esclusivamente da oggetti virtuali come ad esempio una simulazione 
grafica al computer. 
Nel linguaggio comune la sigla VR spesso comprende una varietà di altri ambienti, che non 
rispettano necessariamente gli aspetti di immersione totale e completa sintesi ma che rientrano da 
qualche parte lungo un continuum di virtualità riportato in Figura 1.1. 
 
 
 
 
Figura 1.1: Il continuum di virtualità definito da Paul Milgram 
 
I due ricercatori vogliono definire con chiarezza le diverse sfaccettature comprese tra i due 
estremi, attraverso una classificazione e una tassonomia precisa che quantifichi i diversi livelli di 
Mixed Reality, che vanno dall’Augmented Reality, dove oggetti virtuali sono inseriti 
nell’ambiente reale visualizzato, all’Augmented Virtuality che rappresenta il caso 
complementare.
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1.2   Sistemi AR  
 
La realtà aumentata potrebbe sembrare una materia di recenti studi, ma in realtà le prime ricerche 
furono svolte nell’università di Harvard e dell’Utah da Ivan Sutherland negli anni sessanta [4]. 
Negli anni settanta e ottanta ulteriori studi furono fatti dalla NASA (Ames Research Center) e 
dall’Air Force (Armstrong Laboratory), ma fu solo negli anni novanta che si raggiunsero dei 
risultai concreti e applicabili su larga scala. 
Sono riportati di seguito le principali innovazioni nel campo della realtà aumentata. 
 
1966 Morton Heilig, un fotografo, crea e brevetta un simulatore chiamato Sensorama (Figura 
 1.2), il primo esempio di esperienza multi-sensoriale conosciuto. Il prototipo costruito nel 
 1962 era sostanzialmente un dispositivo meccanico nel quale lo spettatore poteva vedere, 
 ascoltare e nello stesso tempo perfino odorare ben cinque cortometraggi attraverso 
 immagini, suoni, vibrazioni, e odori. 
 
 
 
 
Figura 1.2: Sensorama, il primo prototipo conosciuto per la realtà aumentata
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1968 Ivan Sutherland inventa l’Human Mounted Display (HMD) associandogli l’appellativo di 
finestra sul mondo virtuale (WoW dall’inglese). Un HMD è un dispositivo di 
visualizzazione da indossare sulla testa o come parte di un casco, che ha un piccolo 
display ottico di fronte a uno o entrambi gli occhi; nel primo caso si parla di HMD 
monoculare, nel secondo di HMD binoculare. 
 
1975 Myron Krueger crea Videoplace che consente per la prima volta un’interazione con gli 
oggetti virtuali. L’idea prevedeva la creazione di un laboratorio di realtà artificiale nella 
quale piø utenti erano in grado di interagire tra loro attraverso la realtà aumentata senza 
essere in contatto diretto e senza l’ausilio di occhiali o HMD. 
 
1989 Jaron Lanier conia il termine Realtà Virtuale e crea la prima impresa commerciale sulla 
realtà aumentata. 
 
1992 Tom Caudell introduce per la prima volta il termine Realtà Aumentata e crea un sistema 
AR per la Boeing in grado di facilitare l’assemblaggio di cavi a bordo di aeromobili. 
 
LB Rosenberg sviluppa uno dei primi sistemi AR, chiamata VIRTUAL FIXTURES, 
presso l’US Air Force Labs Armstrong, e dimostra il vantaggio di quest’ultimo.  
 
Steven Feiner, Blair MacIntyre e Doree Seligmann presentano uno dei principali articoli 
[5] relativi ad un prototipo di sistema AR, chiamato KARMA, durante la Graphics 
Interface conference. 
 
1994 Julie Martin crea l’Augmented Reality Theater production, la prima compagnia teatrale 
 nella quale ballerini e acrobati operano all’interno di un mondo virtuale, interagendo 
 direttamente con quest’ultimo. 
 
1997 Azuma introduce l’attuale definizione di realtà aumentata. 
  
Touring Machine, sviluppato dalla Columbia University, mostra all’utente il mondo reale 
con informazioni dinamiche addizionali (centrate sugli oggetti reali) riguardanti ciò che 
l’utente stesso sta guardando (ad esempio il nome degli edifici, delle strade, alcuni cenni 
storici).
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1999 Hirokazu Kato crea ARToolKit [6], una libreria che permette la creazione di applicazioni 
per la realtà aumentata attraverso il riconoscimento delle immagini. Questo strumento è 
attualmente supportato da molte piattaforme tra cui Android e Adobe Flash, la prima 
permette nuove e interessanti applicazioni AR nei moderni smartphone, la seconda porta 
la realtà aumentata nel web. 
 
2000 Bruce H. Thomas sviluppa ARQuake [7], una versione del popolare gioco Quake in realtà 
 aumentata. Il sistema utilizza GPS, un sensore di orientamento magnetico inerziale e 
 ibrido, un controller che funge da arma per il gioco e un laptop inserito in uno zaino. 
 Il gioco non è mai stato commercializzato, ed esiste solo nel suo stato di 
 prototipo. Tuttavia, ha generato un certo interesse per il mondo della realtà aumentata. 
 In Figura 1.3 viene mostrata la strumentazione da indossare per il gioco e la visuale 
 aumentata di un giocatore. 
 
 
 
 
Figura 1.3: Strumentazione e vista AR del gioco ARQuake 
 
 
2003 Viene rilasciato da Siemens SX1 il primo gioco commerciale per dispositivi mobile in 
 realtà aumentata chiamato Mozzies. Il gioco consiste nel colpire delle zanzare che sono 
 sovrapposte alla realtà ripresa dalla videocamera.  
 
2007 Reitmayr presenta un sistema AR per la visualizzazione di informazioni associate a 
 edifici urbani ripresi dall’esterno. Il sistema prevedeva l’utilizzo di un dispositivo mobile