04-lezione_RV

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Realt VirtualeRealt Virtuale

Lo scopo della realt virtuale (VR) quello di ricreare, tramite

Realt VirtualeRealt Virtuale

un computer, mondi e oggetti che sono la trasposizione digitale diambienti reali o di fantasia.


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Realt VirtualeRealt VirtualePermette di sperimentare situazioni troppo costose o pericolose

costruito, un'operazione su di un paziente virtuale,...), oppureastratte ed impossibili da vivere (percezione di campimagnetici, di flussi d'aria attorno ad un aereo, etc...).

Definizione di Realt VirtualeDefinizione di Realt Virtuale

Virtual

Reality


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Renderin in


tempo reale

VirtualReality

Renderin in


PresentazioniFotorealistiche

Virtual

Reality

tempo reale


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Renderin in

Interazione

VirtualReality Presentazioni

Fotorealistiche

tempo reale


Renderin in

Dispositivi di I/O

Virtual

Reality

Interazione


tempo reale


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Input/Output Multi-Modali


Renderin in

VirtualReality

(audio, tatto, ...)

Dispositivi di I/O

Interazione


tempo reale


Input/Output Multi-ModaliRenderin in

Visualizzazione

Virtual

Reality

(audio, tatto, ...)

Dispositivi di I/O

Interazione


tempo reale

STEROSCOPICA


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La Visione StereoscopicaLa Visione Stereoscopica

Una dellecaratteristichefondamentali deisistemi di RV lavisualizzazione delle

scene inSTEREOSCOPIA

Leffetto stereo nella visione consente un notevole balzo di

La Visione StereoscopicaLa Visione Stereoscopica

qualit nella visione digitale, in quanto permette di vedere leimmagini artificiali in un modo molto vicino a comepercepiamo quelle naturali.Per dare al nostro sistema visivo la sensazione ditridimensionalit bisogna fornire, separatamente ai due occhi,due immagini differenti, nelle quali gli oggetti della scena

distanza dallosservatore.In sostanza bisogna ricreare in modo sintetico le condizionireali nelle quali losservatore si troverebbe.


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Perch vediamo in 3DPerch vediamo in 3DLocchio umano formato da diverse

,paragonato, per funzionalit, allecomponenti di una macchinafotografica. La pupilla mette a fuocolimmagine. Questa, passandoattraverso il cristallino, viene proiettatasulla retina.Il cervello fondendo le due percezionivisive provenienti dagli occhi inununica immagine genera lasensazione di profondit.

Limma ine viene trasferita al cervello

Perch vediamo in 3DPerch vediamo in 3D

attraverso il nervo ottico.Essendo i due occhi distanziati di circa

6-7 cm, limmagine prodottadallocchio sinistro risulta leggermentesfalsata rispetto a quella prodottadallocchio destro. Quando il cervelloricompone limmagine originale,partendo da quelle prodotte dai dueocchi, in grado di dare profondit aglioggetti.


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Su questo principio si basano iPerch vediamo in 3DPerch vediamo in 3D

stereoscopica che, nati nella primamet dellottocento, si sonoevoluti fino a diventare una delletecnologie pi diffuse per laVISIONE TRIDIMENSIONALE.

Il visore per stereofotografie di Maegher del 1861.

Tipologie di Realt VirtualeTipologie di Realt Virtuale

VR Semi-Immersiva

Proietta il mondo virtuale su di un display pi o menogrande, senza isolare lutente dallambiente.


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Attualmente sono disponibili numerose tecniche per

VR SemiVR Semi--ImmersivaImmersiva

.queste tecniche si basano su due metodi particolaridi proiezione:

StereoscopiaStereoscopia

Attiva e PassivaAttiva e Passiva

Consente di avere la visione stereoscopica sullo schermo

Stereoscopia attivaStereoscopia attiva

di due immagini proiettate, una per ogni occhio.

Per la visualizzazione sono necessari degli occhiali conlenti a cristalli liquidi detti shutter glasses.


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Il monitor o il proiettore visualizza


,ogni occhio, mentre gli occhialiprovvedono ad oscurare un occhioper volta. Quando il monitor o ilproiettore visualizza il fotogrammaer locchio destro la lente sinistra

degli occhiali viene oscurataimpedendo allocchio sinistro lavisione dellimmagine che non glicompete.

Questo processo per poter


funzionare senza creare disturbideve lavorare ad una frequenza

almeno pari a 60 Hz per ogniocchio. Quindi le lenti sarannooscurate ognuna con una

monitor o il proiettore avr unafrequenza doppia (120 Hz)proiettando alternativamente ledue immagini.


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Shutter glasses

Stereoscopia attivaStereoscopia attivaProiettore CRT

Svanta i delle tecniche attive:


Necessarie schede grafiche che supportino lo stereoattivo, spesso costose. Risoluzione solitamente non altain quanto ogni immagine utilizza met della risoluzione

disponibile. I soli proiettori che supportano le alte frequenze

necessarie sono CRT, di solito ingombranti e di difficilecalibrazione.

Gli shutter glasses sono fragili e abbastanza costosi. Senon sono wireless, i cavi possono essere di intralcio almovimento.

Possibile flickering.


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Sullo schermo vengono proiettate contemporaneamente

Stereoscopia passivaStereoscopia passiva

sinistro. Una volta create le due immagini bisogna farein modo che ciascun occhio veda esclusivamentelimmagine che gli compete.


Per attuare ci esistono tre metodiche utilizzano:

1. gli anaglifi,

2. la polarizzazione della luce,

3. la larghezza di banda del colore.


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Stereoscopia passiva: gli anaglifiStereoscopia passiva: gli anaglifiUn anaglifo una immagine ottenuta sovrapponendo due

colori fondamentali (secondo lo standard ISU (InternationalStereoscopic Union) si usa il Rosso per quella sinistra e il Cyanper quella destra.

Stereoscopia passiva: gli anaglifiStereoscopia passiva: gli anaglifi

sservan o mmag ne tram te entcolori opportuni (rosso per locchiosinistro e ciano per locchio destro)

ciascun occhio vede limmagine filtratadal colore corrispondente.Con questa tecnica, la gamma

viene fortemente ridottadallapplicazione delle dominanti rossae ciano che generano leffetto 3D.


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Fa uso di occhialini dotati di lenti polarizzate, molto


pi economici e confortevoli degli Shutter Glasses,abbinati a due videoproiettori che inviano sullo schermodue immagini diverse, una per ogni occhio

Polarizzare una luce (di per s non polarizzata)


.Un filtro a polarizzazione lineare una lamina di materiale plastico in grado ditrasmettere solo la componente del campo elettrico parallela a una particolare direzione,

chiamata direzione di polarizzazione del filtro o asse del filtro.

Un filtro a polarizzazione circolare determina unonda polarizzata circolarmente con ilcampo elettrico che ruota con velocit angolare costante intorno alla direzione dipropagazione, mantenendo il modulo costante.


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Se si montano due filtri polarizzatori ruotati di 90 gradi lunoris etto allaltro sulle lenti dei roiettori allora i due risultanti


fasci luminosi risultano composti da luce che oscilla su due pianiperpendicolari, uno orizzontale e laltro verticale.


Se losservatore indossa gli occhialicon lenti polarizzate potr separare le

due immagini riflesse dallo schermo.

Se si usa la polarizzazione lineare, quando un osservatore inclina la testa si avrun cambiamento nella polarizzazione degli occhiali, che non corrisponder picon la polarizzazione dei filtri montati sui proiettori, e lo spettatore perderleffetto stereo.

Per questo motivo si usa la polarizzazione circolare che consente maggiorelibert di movimento da parte dellosservatore


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I filtri a polarizzazione circolare vengono posizionati in modo chela luce uscente da un proiettore subir una polarizzazione


circolare destrorsa, mentre quella uscente dallaltro proiettore unapolarizzazione circolare sinistrorsa.

Con la polarizzazione circolare, lo spettatore pu inclinare la sua testa e cambiare ilsuo angolo di ispezione rispetto allo schermo senza perdere leffetto stereoscopico,perch la luce non polarizzata in una singola direzione

Svanta i della olarizzazione:


La P.L. pu essere usata solo in ambienti in cui sonopreviste piccolissime rotazioni della testa. La P.C. presenta problemi pi importanti di ghosting. In entrambi i casi necessario uno schermo di materialespeciale in grado di mantenere la polarizzazione.

Si possono usare normali schede grafiche, ad altarisoluzione, senza costi eccessivi. Costi limitati per lHW di proiezione (proiettori DLP ad altaluminosit, filtri, lenti, schermo)


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Silver Screen Da-LiteOcchiali in plastica con lenti

a olarizzazione circolare


150x170 cm

VideoproiettoriLCD NEC VT 460K

Filtri a polarizzazione circolare


Lo schermo rivestito di materialemetallico in modo da mantenere lapolarizzazione della luce


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Allineamento delle due imma ini


Affinch il sistema funzioni correttamente, le immaginiprovenienti dai due proiettori devono combaciare sulloschermo

Esistono diversi approcci a questo problema

Lapproccio pi semplice consiste nel posizionare i proiettori unosopra laltro paralleli tra loro


Questa configurazione richiede per che i proiettori siano dotati dellafunzione Vertical Shift Lens

Questa funzione permette di spostare unimmagine pur tenendofermi i proiettori senza influire sulla qualit dellimmagine


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Se i proiettori non sono dotati di questa funzione, per


ar co nc ere e mmag n necessar o nc nare unodei due proiettori. Questo genera per unadeformazione dellimmagine.

Per rimediare a questo errore viene sfruttata la funzioneDi ital Ke stone Correction, di cui la ma ior arte dei


proiettori LCD e DLP attualmente in commercio sonodotati


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Stereoscopia passivaStereoscopia passivaTecnologia per lo stereo passivo INFITEC


Vanta i ris etto alla olarizzazione: Scarsissimi problemi di ghosting e indipendenza dallarotazione della testa

Migliore separazione delle immagini Una qualsiasi superficie pu fungere da schermo

Svantaggi del filtraggio infitec Alti costi I colori vengono alterati ed consigliabile una correzioneSW della gamma dei colori


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Sistemi di ProiezioneSistemi di ProiezioneIl Powerwall uno schermo di grandi dimensioni, generalmente a retro-proiezione, che visualizza immagini stereoscopiche.

Permette la collaborazione di piccoli gruppi di ricercatori che condividono glistessi dati.

La retro-proiezione garantisce la piena libert di movimento, dal momento chenon c mai occlusione degli utenti nei confronti del fascio di luce.

Per limitare lo spazio occupato, senza diminuire il cammino ottico, possibileusare uno o pi specchi.

Sistemi di ProiezioneSistemi di Proiezione


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Workbench. Simile alPowerwall, ma di dimensionipi ridotte (con conseguenteimmersione ridotta) e

orientazione piana o inclinata.Utile in alcuni contesti (es.simulazione chirurgica) in cuinon necessaria limmersione inun ambiente virtuale ma preferibile calare alcunicontenuti virtuali in un contestoreale.


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Workbench o Virtual Table


unkalibriert

6x4 tiles (48 Proiettori)

Grandi dimensioni e

alta risoluzione Rendering Cluster:

serie di PCs connessi

kalibriert

n rete a a ta ve oc tAnwendung


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HEyeWall SXGA

Proiezioni ad alta risoluzione


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Sistemi di ProiezioneSistemi di Proiezione Problemi del sistema HEyeWall

Visibilit delle giunzioni tra le diverse tiles

Disunuformit di colore e luminosit

NCSA: 4 x 5 Wall, mono

Tipologie di Realt VirtualeTipologie di Realt Virtuale

mmers va. raallimmersione totale

dellutente nel mondovirtuale medianteperiferiche speciali (come

,lutente dallambientecircostante.


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RV immersivaRV immersiva

un acron mo r cors voAutomatic Virtual Environment).

Il CAVE un ambiente multi-utente,una stanza i cui muri sono powerwallsincronizzati fra loro e (opzionalmente)con i movimenti dellutente.

Ovviamente la visione stereo coerentecon i movimenti di un solo utente. Glialtri sono passeggeri.

Esistono CAVE a 3, 4, 5 e 6 schermi. In Europa si trovano aLondra 4 Stoccarda 4 6 Torino 3 ...


Solitamente il pavimento non retroproiettato, a meno che non visia anche il soffitto.

Nella CAVE a 6 schermi(Fraunhofer Institute),tutti sono retroproiettati.

accedere alla struttura.E disponibile sia la versione constereo attivo sia quella con passivo.


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Sistemi di ProiezioneSistemi di Proiezione CAVE

Gli HMD (Head Mounted Display)

Sono dei caschi che conten ono dei dis la er la visualizzazione


e inoltre delle cuffie per laudio tridimensionale. Gli HMDpossono essere stereoscopici, quando esiste un visore diverso per

ogni occhio o monoscopici,quando entrambi gli occhivedono la stessa immaginepresente su un singolodisplay.


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Head Mounted Display


Le interfacce della RVLe interfacce della RV

Input/Output Multi-Modali

Visualizzazione

Virtual

Reality

(audio, a o, ...)

Dispositivi di I/O

Interazione


tempo reale

STEROSCOPICAn u va

Interazione intuitiva. Si cerca di sfruttare il pi possibile i gestie le azioni che le persone svolgono nella realt fisica quotidiana(camminare, raccogliere, girarsi, saltare, lanciare,...).


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Un notevole contributo alla sensazione di

Dispositivi di INPUTDispositivi di INPUT

immersione nell'ambiente virtuale dato dallapossono essere affiancati o addirittura sostituiti dastrumenti che offrono un'interfaccia pi naturale,quindi pi adatta a dare la sensazione di immersivit.

Tali interfacce devono quindi permettere all'utente di

interagire con l'ambiente mediante lo strumento chenormalmente utilizza nella maniera pi comoda enaturale possibile, ovvero il proprio corpo.

Mouse 3DMouse 3D


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Cyber GloveCyber GloveIl Cyber Glove un dispositivo che consente una

Cyber GloveCyber Glove

presenti dei dispositivi checreano delle distorsioniallinterno di un campomagnetico, tali distorsionisono rilevate da a ositisensori che determinano ilmovimento della manodelloperatore.


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Interfacce apticheInterfacce apticheL'interazione pu essere bidirezionale: l'utente, muovendo una

, , ,ritorno di forza, ovvero una sensazione tattile coerente con laforma dell'oggetto virtuale coinvolto nell'interazione.Siffatte interfacce sono dette aptiche, e possono coinvolgerequalsiasi parte del corpo.

Le ano fisicamente lutente alla

Interfacce apticheInterfacce aptiche

macchina mediante un bracciosnodato nelle giunture del qualesono presenti dei sensori.Si installa sulla mano in modo dafasciare tutte o solo alcune dita epermette di programmare le forze

.L utente dunque capace dipercepire la forma e la taglia deimodelli 3D generati dal computer.


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Whole Body Motion

Interfacce apticheInterfacce apticheHaptic Interface

ap c n er ace

L'interazione con l'ambiente virtuale non si limita alla

Il Motion TrackingIl Motion Tracking

man po az one eg ogge v r ua e a a mo ca e eloro propriet, ma comprende anche la notifica all'ambientedella collocazione dell'utente al suo interno. Senza questa

informazione il sistema non riuscirebbe infatti a calcolare egenerare correttamente le sensazioni visive, uditive e tattiliche rendono immersivo un ambiente virtuale.

'monitorare la posizione dell'utente, o di una parte di esso, alfine di registrarne il moto. Il sistema dovr tenerne conto almomento di fornire gli stimoli sensoriali precedentementedescritti.


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I meccanismi di motion tracking (o pi semplicemente


meccan sm trac ng, o trac er sono n gra o m surareil moto dell'utente, o di una parte di esso.

Affinch un meccanismo di tracking sia di buona qualit necessario che abbia determinate caratteristiche:

Frequenza elevata: un lento aggiornamento delleinformazioni ottenute sull'utente porterebbe ad una scadente

risposta, caratterizzata da una visualizzazione non fluida e daun'interazione poco naturale con gli oggetti virtuali.


Precisione della misura: una bassa accuratezza del sistema'non orn re e una r spos a coeren e con g s mo e u en e.

Robustezza alle interferenze: le interferenze che minanol'accuratezza della misura possono essere molteplici, a secondadella tecnologia usata. Una loro gestione ottimale garantisce unfunzionamento sempre corretto, senza che l'utente debbapreoccuparsi dello stato dell'ambiente fisico quando interagiscecon que o v r ua e.

Minimo ingombro per l'utente: meno il meccanismo invasivo per la mobilit dell'utente, maggiore sar lanaturalezza con cui viene adoperato, quindi la sensazione diimmersivit.


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I tracker meccanici misurano la

Tracking meccanicoTracking meccanico

posizione e l'orientamento utilizzandouna connessione meccanica diretta traun punto di riferimento e l'oggetto.

Tipicamente, un leggero bracciomeccanico collega una scatola dicontrollo posta sopra la testa dell'utente,e sensori posti nelle giunzioni del

braccio misurano le variazioni dellaposizione e dell'orientamento rispetto adun punto di riferimento.

Molte interfacce aptiche oltre a fornire un ritorno di forza, misurano i movimenti

effettuati dall'utente, fungendo cos anche da tracker meccanico.

Tracking elettromagneticoTracking elettromagnetico

Il funzionamento dei tracker elettromagnetici sibasa sulla misura dell'entit del cam omagnetico generato facendo scorrere correnteelettrica all'interno di tre cavi disposti a spirale,orientati perpendicolarmente l'uno con l'altro.

Le tre spirali sono inserite dentro un piccolocontenitore che fissato all'oggetto di cui sivuole fare il tracking (tipicamente l'utente).

Finch presente corrente elettrica in unaspira, essa produce un campo elettromagnetico.Attivandole in sequenza, e misurando il campomagnetico generato da ognuna di esse, possibile determinare la posizione el'orientamento dell'oggetto.


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Siffatti meccanismi di tracking possono riscontrare interferenze


se operano in prossimit di CRT o altri device che produconocampi magnetici, oppure oggetti metallici, quali arredo d'ufficio,che interrompono i campi magnetici. Un altro svantaggio di

questo tipo di tracker consiste nel limitato volume di lavoro chelo caratterizza.


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La maggior parte dei meccanismi di tracking ottico utilizzati

Tracking otticoTracking ottico

in ambienti virtuali vengono usati per il tracking del corpo.

I tracker ottici hanno genericamente frequenze diaggiornamento elevate. Tuttavia soffrono del problema dellalinea di vista (line of sight), ovvero il fatto che la presenzadi ostacoli tra i sensori e gli oggetti degrada le performancedel tracker. Inoltre le prestazioni variano anche a seconda

delle condizioni di luminosit dell'ambiente e delle sorgentidi luce contenute in esso. Pertanto necessario progettarecon cura l'ambiente di lavoro, per limitare il pi possibiletali disturbi. Un altro svantaggio dei tracker ottici rappresentato dal loro elevato costo.


Opticalmarkers


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un sistema particolarmente conosciuto per essere uno deisistemi maggiormente utilizzati per il motion capture nelcampo cinematografico e dei videogiochi.

Audio tridimensionale

Dispositivi per la RVDispositivi per la RV

e sc e e au o permettono pos z onare suonin qualsiasi punto della sfera virtuale di spostarli, di

generare effetti di assorbimentodi eco proprio comenella realt


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Applicazioni della Realt VirtualeApplicazioni della Realt Virtuale

Difesa. . Architettura. Patrimonio culturale. Visualizzazione di dati tecnici e scientifici:

Matematica; Fisica; Chimica; Biologia;

Metereologiche; Ingegneria. Intrattenimento. Arte. Commercio Elettronico.

MedicinaMedicina

Simulazionedintervento in

endoscopiaVisualizzazione di modelli

anatomici complessi.


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AddestramentoAddestramento

Presentazione modelliPresentazione modelli

Presentazione di un modello di autovettura in scala 1:1


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Presentazione modelliPresentazione modelli

ArchitetturaArchitettura


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Esempio di applicazioneEsempio di applicazione

La ricostruzione inambiente virtuale delDuomo di Siena


Modellazione(CAD o Scanner 3D )


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ricostruzioni


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