Limiti e potenzialità della realtà virtuale di tipo immersivo ad uso ingegneristico

Se é impossibile dare una definizione esaustiva e univocamente riconosciuta di realtà virtuale, è al contrario possibile elencare alcune importanti caratteristiche che la distinguono dalle altre forme di utilizzo del computer:

• il tempo reale: il mondo virtuale è generato da dati non precalcolati ma elaborati dall’hardware in tempo reale;

• l’interattività: l’utente non è uno spettatore passivo, potenzialmente si muove senza nessuna limitazione stabilita;

• la rappresentazione della scena: è possibile ricreare una buona scenografia;

• l’immersione: il senso di presenza fisica nel mondo simulato e quindi il coinvolgimento.

Lo scopo della realtà virtuale è quello di ricreare, tramite un computer, mondi e oggetti che sono la trasposizione digitale di ambienti reali o di fantasia. Si tratta di una simulazione che viene percepita totalmente dai nostri sensi, in particolare dalla vista, seguita dall’udito e dal tatto.

Esistono vari tipi di realtà virtuale, che cambiano in base alla qualità e al livello di interazione permessa:

Immersiva

L’utente è completamente isolato dall’ambiente reale che viene sostituito dagli stimoli generati dalla simulazione, questo tipo di realtà virtuale è però possibile solo con l’uso di interfacce fisiche molto sofisticate. La realtà virtuale immersiva secondo il livello tecnologico attuale e secondo le previsioni possibili per il prossimo futuro potrà essere utilizzata dalla massa grazie ad alcune periferiche:

o visore: un casco o dei semplici occhiali in cui gli schermi vicini agli occhi annullano il mondo reale dalla visuale dell'utente. Il visore può inoltre contenere dei sistemi per la rilevazione dei movimenti, in modo che girando la testa da un lato, ad esempio, si ottenga la stessa azione anche nell'ambiente virtuale. Tra i visori più moderni troviamo gli HMD (Head Mounted Display) : sono caschi che contengono dei display per la visualizzazione delle

immagini. Al loro interno sono pure integrate delle cuffie stereofoniche di alta qualità per permettere l’utilizzo di audio tridimensionale;

o auricolari : trasferiscono i suoni all'utente;

o wired gloves (guanti): i guanti rimpiazzano mouse, tastiera, joystick, trackball e gli altri sistemi manuali di input. Possono essere utilizzati per i movimenti, per impartire comandi, digitare su tastiere virtuali, etc.;

o cybertuta: una tuta che avvolge il corpo. Può avere molteplici utilizzi: può simulare il tatto flettendo su se stessa grazie al tessuto elastico, può realizzare una scansione tridimensionale del corpo dell'utente e trasferirla nell'ambiente virtuale.

Alcuni ipotizzano che queste periferiche potranno un giorno essere sostituite da sistemi collegati direttamente al cervello dell'utente (wetware).

Fig. VII.1 – Attrezzature tipiche per le attività sperimentali in ambiente immersivo.

Aumentata

Consiste nel sovrapporre alla realtà percepita dal soggetto una realtà virtuale generata dal computer. La percezione del mondo dell’utilizzatore viene “aumentata” da oggetti virtuali che forniscono informazioni supplementari sull’ambiente reale.

A proiezione

L’utente è modellizzato nell’ambiente virtuale e diventa un’entità interattiva.

Telepresenza

Collega ad esempio sensori remoti in un robot ai sensi di un operatore umano.

A simulazione

L’utente è posto all’interno di un’imitazione di veicolo con comandi e montato su piattaforme mobili.

Da scrivania (o Desktop VR)

Primitiva immersione in un ambiente virtuale senza interfacce particolari, il monitor diventa finestra sul mondo simulato.

Il computer per essere motore di realtà virtuale deve elaborare simulazioni tridimensionali interattive, cioè converte database numerici e alfanumerici in un mondo virtuale secondo specifiche simulazioni definite dall’utente. Si richiedono pertanto tre caratteristiche fondamentali al processore: velocità, capacità e versatilità. Gli studi sulla realtà virtuale hanno dimostrato come tra le tre sia da mettere in primo piano una più elevata velocità di movimento e quindi una maggiore velocità di aggiornamento delle immagini. Un ambiente virtuale formato da n oggetti, ognuno dei quali è costituito da m poligoni deve riuscire a trasformare 25xnxm poligoni al secondo (dove 25 è lo standard europeo di frame al secondo per dare all’osservatore l’effetto di continuità nelle immagini in movimento).

Nella realtà virtuale, è l’utente che decide ciò che vuole vedere, può scegliere il punto di vista a lui più congegnale, può posizionarsi in un qualsiasi punto dello spazio, può selezionare un oggetto, ruotarlo, cambiarne le dimensioni, i colori, e, se abilitato, può interagire con tutto l’ambiente circostante.

Gli oggetti visualizzati sullo schermo da un’applicazione di realtà virtuale sono oggetti tridimensionali. Gli elementi di partenza hanno coordinate tridimensionali ma vengono tracciati su un piano bidimensionale. Ogni punto dell’oggetto da disegnare, identificabile dalle coordinate (x,y,z), viene mappato su un punto (a,b) nel piano bidimensionale dello schermo. Le tre tecniche fondamentali per la rappresentazione di oggetti tridimensionali su un piano bidimensionale sono la proiezione, l’assonometria e la prospettiva.

Le proiezioni ortogonali

Si fanno assumere alle coordinate bidimensionali dello schermo solamente due delle coordinate tridimensionali dell’oggetto. Si elimina quindi una delle tre coordinate spaziali. Si ottengono tre tipi di proiezione:

- piano orizzontale: quando si elimina la coordinata z; - piano verticale: quando si elimina la coordinata x; - piano laterale: quando si elimina la coordinata y.

L’assonometria

Nell’assonometria l’osservatore vede l’oggetto da un punto a distanza infinita da una posizione qualsiasi dello spazio caratterizzata da due angoli: la latitudine a e la longitudine b. La vista che si ottiene non è realistica in quanto le dimensioni degli oggetti che si vedono non vengono sfalsate con il variare della distanza.

Sia (x,y,z) il punto nello spazio tridimensionale. Il punto (a,b) ad esso corrispondente sul piano dello schermo è dato dalle seguenti formule:

a = - x * cos a + y * cos b b = x * sin a + y * sin b + z

La prospettiva

La prospettiva consente una visione più realistica rispetto all’assonometria. Essa tiene conto della variazione delle dimensioni apparenti degli oggetti con il variare della distanza fra questi e l’osservatore. Siano:

- E : la distanza fra l’osservatore e il piano del disegno; - G : la distanza tra l’osservatore e l’oggetto disegnato; - (x, y, z) : il punto nello spazio tridimensionale;

- a : la longitudine dell’osservatore; - b : la latitudine dell’osservatore.

Il punto corrispondente (a,b) nello spazio bidimensionale è dato dalle seguenti formule:

x1 = - x*(cos a)*(cos b) + y*(sin b) - Z*(sin a)*(cos b)

y1 = - x*(sin a) + z*(cos b)

z1 = - x*(cos a)*(sin b) + y*(cos b) - Z*(sin a)*(sin b) + G

a = E * (x1/z1) + 1

b = - E * (y1/z1) + 1

I tool di realtà virtuale, anche se con qualche variante, utilizzano la prospettiva per visualizzare le immagini.

Il movimento in uno spazio tridimensionale può avvenire in tre direzioni: - asse x (orizzontale);

- asse y (profondità); - asse z (verticale).

È pure possibile eseguire una rotazione su ognuno dei tre assi. I movimenti possibili sono quindi sei (tre di traslazione e tre di rotazione). Si dice che in un ambiente tridimensionale ci sono sei gradi di libertà.

Per ottenere un valido livello di interazione con l’utente, in luogo di un mouse o di un joystick, è preferibile l’utilizzo di un dispositivo di puntamento in grado di operare a sei gradi di libertà che riconosca, quindi, tutti i tipi di movimento e li trasferisca direttamente al computer.

Nonostante siano stati creati dei mouse tridimensionali, il dispositivo migliore per operare in un ambiente 3D è la mano dell’operatore. Si sono quindi sviluppati dei dispositivi in grado di tracciare la posizione e l’orientamento della mano in relazione agli oggetti virtuali visualizzati sullo schermo o sull’HMD. Si tratta di speciali guanti sui quali sono disposti dei sensori in grado di intercettare la posizione e il movimento di ogni singolo dito. Alcuni di questi device sono in grado di fornire una risposta tattile alle azioni dell’utente. Per far ciò utilizzano delle piccole scariche elettriche per stimolare le connessioni nervose sottocutanee oppure utilizzano dei materiali in grado di flettersi quando sono sottoposti all’azione di un campo elettrico. In questo modo è possibile fornire all’utente la sensazione di impugnare realmente un oggetto.

Uno dei linguaggi più diffusi per la creazione di mondi virtuali è il VRML (Virtual Reality Modeling Language), capace di rappresentazioni 3D interattive e fruibili anche attraverso il web. Fra le sue caratteristiche principali si ricordano la possibilità di definire vertici e spigoli di poligoni tridimensionali, insieme ad informazioni sul colore, opacità e brillantezza delle superfici, le fonti luminose. È anche possibile l'associazione di URL agli oggetti per consentire la navigazione verso pagine HTML o altre pagine VRML. Molto utile è la possibilità di gestire animazioni e suoni attraverso procedure attivabili da eventi esterni. Ad oggi i browser più diffusi non supportano direttamente i contenuti VRML, è quindi necessario ricorrere ad opportuni plug-in per poterne fruire. Un esempio molto semplice di questo linguaggio potrebbe essere il seguente:

#VRML V2.0 utf8 # primo mondo vrml Shape { appearance Appearance { material Material { emissiveColor 1 0 0 } geometry Sphere { radius 1 } }

Il risultato di questi pochi comandi è una sfera di colore rosso. La realtà virtuale ha diversi campi di applicazione:

Architettura

Attraverso la realtà virtuale è possibile “passeggiare“ tra gli edifici o al loro interno, permette di testare la resistenza delle strutture alle sollecitazioni e valutare l’orientamento preferibile in funzione della luce solare e del calore.

Educazione

La realtà virtuale può offrire coinvolgenti esperienze di apprendimento come ad esempio l’esplorazione di paesi stranieri e il loro studio sui libri.

Disabilità

La maggior parte delle applicazioni della realtà virtuale alla disabilità si rivolge a soggetti rimasti vittime di lesioni in seguito ad incidenti o malattie.

Medicina

Strumento di indagine e addestramento in campo medico con simulazioni di interventi chirurgici, esplorazioni del corpo umano o creazioni di pazienti “modello” virtuali.

Divertimento

Giochi di realtà virtuale.

Arte

Possibilità di creare nuove forme d’arte interattiva o guidare gli utenti alla scoperta della realtà tradizionale esistente con visite ai musei o alle gallerie.

Scienza

Visualizzazione di dati tridimensionali o creazione di simulazioni interattive dei fenomeni scientifici.