realidade virtual
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Realidade Virtual
Remis Balaniuk
Disciplina
• Site da disciplina:– http://www.geocities.com/rv_ucb– email: remis_balaniuk@yahoo.com – Chai: http://www.chai3d.org
• Discussão do plano de ensino:– Objetivos– Metodologia– Avaliação
O que é Realidade Virtual
• O termo foi criado por Jaron Lanier, um dos pioneiros dessa área, no início dos anos 80
• Simulação tempo real interativa de fenômenos físicos
• Simula um mundo virtual, imitando as leis da física
• Requer alto desempenho computacional, algoritmos especializados e interfaces de entrada e saída para interação homem-máquina
O que é Realidade Virtual
• A RV é a junção de diversas disciplinas:– Computação Gráfica
• Que agrega conceitos de geometria, matemática, hardware e software especializados
– Física– Mecânica (robótica)– Ergonomia– Simulação – Interação homem-máquina– Fisiologia– etc
O que é Realidade Virtual
• Avanços tecnológicos em hardware e software abriram as portas a novas gerações de sistemas em Realidade Virtual
• Software gráfico padronizado: OpenGL, VRML
• Potentes (e baratas) CPUs• Hardware especializado: placas gráficas,
visão estereo (3D), interfaces hápticas
Aplicações• Entretenimento - jogos• Navegação em modelos (arquitetura, projetos em geral)• Treinamento:
– “Hands on”– Com tutor (real ou virtual)– À distância– Orientação e navegação– tarefas arriscadas
• Ensaios e prática• Controle de robôs• Apoio a usuários com deficiências
– Estende as capacidades motoras e sensoriais
Elementos chave• Real time graphics
– 30 quadros/segundo– polígonos: 50K/quadro (quanto mais melhor)– resolução: quanto mais melhor
• Velocidade e sincronização– o atraso entre a percepção do movimento do usuário
(input) e a atualização da cena (output) deve ser mínimo (1ms=1mm erro)
– atrasos causam instabilidades
Elementos chave
• Interatividade:– definida pela interface (hardware e software)
de interação entre o usuário e o mundo virtual– quanto mais “imersiva” melhor
• Interação multi-sensorial – visão– audição– retorno de força
Sistemas de RV
• Podem ser divididos em 3 grupos:– não imersivos (estação de trabalho
convencional)– imersivos (CAVE, HMD, etc).– Híbridos (realidade aumentada)
Sistemas de RV
• Condições para “imersão” num mundo virtual:– campo de visão total (ao redor do usuário)– acompanhamento (tracking) da posição e
atitude do corpo do participante– atraso mínimo da atualização da cena com
relação ao movimento do participante
Blocos principais numa simulação em Realidade Virtual
• Aquisição de modelos:– Geometria
• Scanner 3D• Modelos existentes
– Propriedades físicas:• Experimental• Propriedades dos materiais
(bibliografia)
– Definição do modelo:• Meshing• Ajuste de parâmetros
Blocos principais numa simulação em RV
• Simulação - Rendering gráfico– Modelo da superfície dos objetos: vértices e
triângulos.– Transformações: câmeras virtuais,
movimentos “rígidos” (translação e rotação), matriz de transformação, coordenadas homogêneas
– Efeitos:• Luzes (cálculo das normais)• Texturas: texture mapping • Sombras • Transparências • Cores
Blocos principais numa simulação em Realidade Virtual
• Simulação:– Rendering háptico:
• Cálculo da força:– Detecção de colisão
– Modelo de força: penetração, fricção, estabilidade, proxy.
• Frequência de refresh alta:– Problemas nas integração com
simulação física lenta
– Uso de modelo local
– Limites de força
• Dispositivo:– Drivers
– Dispositivo virtual
Blocos principais numa simulação em Realidade Virtual
• Simulação:– Simulação física:
• Dinâmica:– Cálculo do estado do sistema: posição e
velocidade– Mètodos de integração: explicita, implicita– Problemas com os passos de tempo
» Pequenos passos = grande esforço de simulação
» Grandes passos = instabilidade
• Deformação:– Problema muito complexo– LEM
• Diminuir a complexidade é essencial, para fins de performance e estabilidade
Blocos principais numa simulação em Realidade Virtual
• Simulação:– Detecção de colisões:
• É um problema geometricamente complexo
• Que se torna muito pior com as deformações dos objetos
Software
• Virtual Reality Modeling Language (VRML)– Padrão ISO de formato de arquivo para
modelos gráficos em 3D– Permite a visualização de modelos em 3D na
internet (várias ferramentas)– Análogo do HTML para 3D– Integra 3D, 2D, texto e multimídia de forma
coerente
Software
• OpenGL– Biblioteca gráfica de baixo nível– Disponibiliza para o programador um pequeno
número de primitivas: pontos, linhas, polígonos, imagens e bitmaps.
– Provê um conjunto de comandos que permite a especificação de objetos geométricos em 2D e 3D
– E um conjunto de comandos que controlam como os objetos são mostrados
– Não depende da plataforma nem linguagem de programação usadas.
Hardware: dispositivos• Scanners 3D• Output devices
– visual displays– audio output
• Input devices– discrete event devices– continuous event devices– combination devices– speech input
• Input/output devices– tactile and haptic output
Scanners 3D
• Aquisição da geometria tridimensional de objetos.
• Normalmente usa laser.• Existe em vários tamanhos.• É muito caro.• Opção mais barata:
– Imodeller: software cuja entrada são fotos digitais comuns.
Head mounted display - HMD• O dispositivo tem duas telas de cristal líquido
na frente dos olhos do usuário• Usuário não enxerga o ambiente externo• Provê uma imagem estéreoscópica (3D) que se
move relativamente ao movimento do usuário • Permite uma experiência imersiva sem
restringir os movimentos do usuário• As imagens podem ter boa qualidade, mas na
média as imagens são de baixa resolução e o campo de visão é restrito.
• Devido ao isolamento do usuário cria apreensão quanto aos eventos do mundo externo (colisão com objetos e paredes).
• É pesado e desconfortável.
Arm Mounted Display (BOOM)
• Similar ao HMD mas montado num braço articulado.
• É mais leve e tem melhor qualidade e resolução da imagem.
• A sincronização entre movimento do usuário e da imagem é mais rápida.
• Restringe os movimentos do usuário.
• Não tem visão periférica (binóculos)
Virtual Retinal Displays (VRD)
• Projeta a imagem diretamente na retina
• Ainda não é um produto comercial.
• Os protótipos ainda tem baixa resolução e qualidade embora possa ser ainda melhorado.
Stereo Monitor
• Estação de trabalho convencional + shutter glasses
• Mais barato• Boa resolução.• Usuário pode usar o teclado e
mouse.• Não é muito imersivo.• Não tem visão periférica.
Surround screens (CAVE)
• Boa resolução e largo campo de visão usando visão periférica.
• Visão estéreo pode ser obtida usando shutter glasses.
• MUITO caro ($1M)
• Pode ser usado por + de um usuário simultaneamente.
• Pode ser combinado com objetos reais.
ImmersaDesk
• Similar ao CAVE mas com uma única tela (ou duas)
• boa resolução e boa qualidade do estereo
• Caro
• Limita os movimentos do usuário
Interfaces Hápticas
• Essa nova interface promete mudar a forma como interagimos com mundos criados por computador, aumentando o grau de "imersão" do homem nesses mundos virtuais
• novas aplicações no ensino, treinamento, simulação, planejamento e entretendimento
• Uma nova e revolucionária interface entre o homem e a máquina que permite a interação com ambientes virtuais através do toque.
Manipulação
• Homunculus representando as proporções do cortex cerebral motor dedicado a controlar as partes do corpo
Haptic Interfaces
• Terminology : – Haptic display : mechanical device configured to
convey kinesthetic cues to a human operator
– Haptic interface : includes everything that comes between the human operator and the virtual environment
– Virtual environment : computer generated model of some physically
motivated scene
Haptic Interfaces
• Terminology (cont.) –– Haptic simulation : synthesis of human
operator, haptic interface, and virtual environment which creates a kinesthetically immersive experience
Haptic Interfaces
• Force feedback :– simulating object hardness, weight and inertia
• Tactile feedback :– simulating surface contact geometry,
smoothness, slippage and temperature
• Proprioceptive feedback :– sensing of the user’s body position or posture
Haptic Interfaces• Force Feedback devices :
– robotic teleoperation (Argonne National Laboratories - 1954)
– Rutgers Master glove (Rutgers Univ. - 1988)
– PHANToM arm (SenseAble Co. - 1994)
– Impulse Engine (Immersion Co. - 1995)
– CyberGrasp glove (Virtual Tech. 1998)
Haptic Interfaces
• Tactile Feedback devices :– Dextrous Hand Master Exoskeleton (fingertip
tactile dysplay) (MIT - 1990)– “Sandpaper” Tactile Joystick (Minsky – 1990)– Touch Master (EXOS Co. – 1993)– CyberTouch glove (Virtual Tech. – 1995)– FEELit Mouse (Immersion Co. – 1997)
Haptic Interfaces
– precise collision detection– real-time force and tactile computation– surface deformation– surface texture or smoothness– force shading– high control-loop bandwidth : 300Hz for
soft contacts to 10KHz for rigid contact
• Involve realistic physical modeling
Input devices
• Teclado / mouse
• Trackers – seguem os movimentos do
usuário– podem ser magnéticos,
acústicos, óticos (cameras) ou mecânicos
• Fala (reconhecimento de voz)
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