Realidade virtual
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Realidade Virtual. Remis Balaniuk. Disciplina. Site da disciplina: http://www.geocities.com/rv_ucb email: [email protected] Chai: http://www.chai3d.org Discussão do plano de ensino: Objetivos Metodologia Avaliação. O que é Realidade Virtual.

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Presentation Transcript


Realidade virtual

Realidade Virtual

Remis Balaniuk


Disciplina

Disciplina

  • Site da disciplina:

    • http://www.geocities.com/rv_ucb

    • email: [email protected]

    • Chai: http://www.chai3d.org

  • Discussão do plano de ensino:

    • Objetivos

    • Metodologia

    • Avaliação


O que realidade virtual

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 realidade virtual1

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 realidade virtual2

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


Aplica es

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

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 chave1

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

Sistemas de RV

  • Podem ser divididos em 3 grupos:

    • não imersivos (estação de trabalho convencional)

    • imersivos (CAVE, HMD, etc).

    • Híbridos (realidade aumentada)


Sistemas de rv1

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 simula o em realidade virtual

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 simula o em rv

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 simula o em realidade virtual1

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 simula o em realidade virtual2

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 simula o em realidade virtual3

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

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


Software1

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

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

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

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

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

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

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

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

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 h pticas

Interfaces Hápticas

  • Uma nova e revolucionária interface entre o homem e a máquina

  • que permite a interação com ambientes virtuais através do toque.

  • 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


Manipula o

Manipulação

  • Homunculus representando as proporções do cortex cerebral motor dedicado a controlar as partes do corpo


Haptic interfaces

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 interfaces1

Haptic Interfaces

  • Terminology (cont.) –

    • Haptic simulation : synthesis of human operator, haptic interface, and virtual environment which creates a kinesthetically immersive experience


Haptic interfaces2

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 interfaces3

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 interfaces4

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 interfaces5

Haptic Interfaces

  • Involve realistic physical modeling

  • 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


Input devices

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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