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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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realidade virtual

Realidade Virtual

Remis Balaniuk

disciplina
Disciplina
  • Site da disciplina:
  • 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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