Tesina sulla Realtà Aumentata

ISIS C. Facchinetti

Indirizzo Informatica “ABACUS”

La Realtà Aumentata

Studente: Claudio Rossi Anno Scolastico: 2012 / 2013

Indice

Introduzione………………………………………………………………………………………..3

Che cos’è? ………………………………………………………………………………………...3

Un po’ di storia…………………………………………………………………………………….3

Come funziona…………………………………………………………………………………….4

Tracking……………………………………………………………………………………..5

Tracking inerziale…………………………………………………………………..6

Tracking acustico…………………………………………………………………..6

Tracking ottico………………………………………………………………………6

Registrazione……………………………………………………………………………….7

Errori statici………………………………………………………………………….7

Errori dinamici………………………………………………………………………7

Visualizzazione……………………………………………………………………………..8

Head mounted display……………………………………………………………..8

Optical see through………………………………………………………...8

Video see through………………………………………………………….8

Hand held display…………………………………………………………………..8

Spatial display………………………………………………………………………9

Applicazioni………………………………………………………………………………………..9

Settore militare……………………………………………………………………………...9

Settore medico……………………………………………………………………………...9

Settore robotica……………………………………………………………………………10

Settore meccanica………………………………………………………………………10

Settore commerciale……………………………………………………………………10

Settore videoludico………………………………………………………………………10

Librerie ARToolkit……………………………………………………………………………….12

Sviluppo e funzionamento di un’applicazione con ARToolkit………………………...12

Calibrazione della telecamera…………………………………………………...13

Tracking e individuazione dei markers………………………………………….14

Funzioni principali per lo sviluppo delle applicazioni………………………….15

Conclusioni………………………………………………………………………………………15

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Realtà Aumentata

-Introduzione

In questa tesina verranno illustrati gli aspetti principali di questa tecnologia ancora

in fase di sviluppo analizzandone il funzionamento e i campi in cui può essere

applicata e anche come essa si sia evoluta nel tempo.

-Che cos’è?

Per realtà aumentata (abbreviato RA o AR),si intende l’insieme dei dispositivi e

delle tecniche che consente di combinare immagini e altre informazioni elaborate

dal computer con la realtà effettiva che si presenta di fronte a noi.

In altre parole è possibile avere una visione alterata di ciò che sta davanti ai nostri

occhi, per esempio visualizzare le informazioni riguardanti un’opera d’arte o un

importante monumento, oppure poter interagire con creature virtuali visibili solo ai

nostri occhi, e altre applicazioni che tratteremo in seguito.

Naturalmente tutto questo è possibile solo se si dispone di un apparecchio dotato

fondamentalmente di una telecamera, di uno schermo e di un sistema di

elaborazione dati come un microprocessore che ha la funzione di acquisire le

immagini, elaborarle e trasmetterle alla persona.

-Un po’ di storia

Si è cominciato a parlare di realtà aumentata fin dalla seconda metà del secolo

scorso, quando con l’invenzione dei computer e il loro conseguente forte sviluppo,

si è data la possibilità ai ricercatori di creare i primi sistemi di realtà aumentata.

Il primo a cimentarsi nella costruzione di un sistema del genere fu Morton Heilig,

che negli anni ’60 realizzò una macchina chiamata “Sensorama” con lo scopo di

coinvolgere tutti i sensi delle persone che assistevano alla proiezione di un film.

Un altro tentativo fu fatto una decina di anni dopo, quando Ivan Sautherland

brevettò l’ “Head Mounted Display” che consisteva in un visore montato su un

casco, il quale consentiva all’utente di interagire con un mondo virtuale; ce ne

furono altri di dispositivi che immergevano le persone in mondi creati dagli

sviluppatori, ma tutti questi apparecchi non rispecchiano a pieno il concetto di realtà

aumentata, si può dire che rispecchino maggiormente la definizione di realtà

virtuale.

Il termine ‘Realtà Aumentata’ venne coniato nel 1990 da Tom Caudell, un

ricercatore della boeing, al quale fu chiesto di studiare un dispositivo che aiutasse

gli operai nel cablaggio degli aeromobili per sostituire tutte le difficili procedure e

diagrammi da seguire.

Per portare a termine il compito affidatogli, egli creò degli occhiali che ricevendo

informazioni da delle apposite tavole, fornivano all’operaio tutte le informazioni

necessarie al cablaggio. 3

Un passo importante fu fatto nel 2002 quando la tecnologia dell’AR venne

introdotta anche nell’industria videoludica con la creazione del primo videogioco

basato su questo sistema: ARquake, ovvero una trasposizione in AR del già

esistente quake.

Sviluppato da un gruppo di studenti di un’università australiana guidati dal

professor Bruce H. Thomas, il gioco non entrò mai in produzione ma restò solo un

prototipo che però diede il via a una nuova era nel mondo dei videogiochi che da

allora hanno subito delle innovazioni di cui parleremo in seguito.

Il gioco appartiene alla categoria degli sparatutto e la strumentazione base di cui

deve disporre il giocatore consiste in un localizzatore GPS, un sensore per

determinare l’orientamento del campo visivo del giocatore, un controller che

assume la funzione di arma e un normale computer portatile per l’elaborazione dei

dati, e naturalmente un visore attraverso cui osservare gli elementi generati dal

computer.

Nel 2007 un gruppo di ricercatori gettò le basi per la creazione di un occhio bionico,

che aveva la funzione di protesi retinica per le persone non vedenti.

Infine nel 2011 viene realizzato il webcam social shopper con cui le persone

possono trasformare il loro computer in uno “specchio”, per mezzo della webcam, e

in questo modo indossare dei vestiti ancora prima dell’acquisto.

-Come funziona

La corretta combinazione delle immagini reali acquisite dalla telecamera e degli

oggetti virtuali generati dal computer garantisce il corretto funzionamento

dell’applicazione ma al contempo questo rappresenta il principale problema nella

creazione dell’applicazione.

Prima di iniziare a esaminare il funzionamento dei sistemi AR è

necessario parlare dei markers che consistono in dei simboli

stampati, in bianco e nero, quando questi vengono riconosciuti dal

software, vengono proiettati su di essi gli oggetti virtuali.

In questo caso si parla di markers passivi che si differenziano da

quelli attivi in quanto questi ultimi emettono dei segnali per fare in

modo di essere riconosciuti dalla telecamera, per esempio si possono usare i diodi

infrarossi che emettono degli impulsi luminosi.

Quindi ora possiamo distinguere i sistemi AR tra quelli che si avvalgono dell’utilizzo

di questi marcatori e quelli che non ne fanno uso, che risultano più complessi da

realizzare.

Nonostante i sistemi AR possano differire tra loro sia per la loro struttura, sia per le

tecniche implementate, è possibile rappresentarli con il seguente schema, nel

quale vengono mostrati i processi che stanno alla base dell’applicazione. 4

Esaminando lo schema, al livello più basso troviamo le parti fondamentali di

un’applicazione AR e ora andremo ad analizzarle:

-Tracking

Si occupa di tracciare la posizione dell’osservatore rispetto alla scena in cui si

trova, in altre parole questo processo si occupa di determinare in tempo reale in

quale posizione l’utente si trova e in quale direzione sta guardando all’interno

dell’ambiente usato come sistema di riferimento.

Diverse tecniche sono state sviluppate per l’implementazione di questo processo,

le più conosciute sono quelle che si basano sui marker e quelle che combinano i

dati rilevati dal GPS e dalla bussola integrati nei sistemi.

La prima delle due è quella più utilizzata nelle applicazione per computer ed è allo

stesso tempo la più semplice da sviluppare perché è sufficiente che il marcatore

entri nel campo visivo della telecamera, e dopo averlo riconosciuto il software

procederà con la generazione dei modelli virtuali basandosi sulla posizione del

marcatore. Nella figura viene mostrato come il

software generi l’origine del suo

spazio di riferimento partendo dal

centro del marcatore, di

conseguenza il piano su cui il

software si basa avrà la stessa

inclinazione del marker se questo

non si trova in posizione

orizzontale.

Un altro vantaggio derivante dall’utilizzo di

questa tecnica sta nel fatto che se il

marker viene spostato il computer riesce

a muovere il modello virtuale

automaticamente evitando così al

programmatore di dover implementare

anche il ricalcolo della posizione, questo

rende il metodo il più preciso. 5

La seconda tecnica in esame è quella di della combinazione tra GPS, utilizzato per

determinare la posizione dell’utente, e della bussola, per sapere in quale direzione

l’utente sta guardando.

Questa soluzione viene utilizzata per le applicazioni dei dispositivi mobili, in questo

caso la posizione dove aggiungere gli elementi virtuali non viene determinata dalla

presenza di marcatori ma vengono memorizzate le coordinate delle posizione dove

dovranno essere generati gli elementi, in modo che quando il software rileva la

vicinanza a queste posizioni, effettui tutte le operazioni necessarie.

Nonostante questa tecnica consenta di poter utilizzare l’applicazione in ogni

posizione in cui l’utente si viene a trovare, presenta anche delle problematiche non

trascurabili infatti il GPS rileva la posizione con un margine di errore di ± 10 metri,

un altro problema legato al GPS riguarda l’assenza di copertura del servizio in

alcune zone.

Inoltre si presenta anche un problema di aggiornamento delle informazioni, perché

un luogo potrebbe mutare nel tempo, quindi è necessario che le informazioni e gli

oggetti virtuali da proiettare su quel luogo vengano modificati.

Sono stati sviluppati altri metodi per effettuare il tracking:

Tracking inerziale: questo tipo di sistema si avvale dell’utilizzo di accelerometri e

giroscopi per determinare posizione e orientamento però le misure derivanti da

questi strumenti servono solamente a calcolare lo spostamento effettuato e non la

posizione precisa.

Questo sistema offre alcune caratteristiche positive come quella di non essere

influenzato da eventuali interferenze magnetiche e può funzionare in qualunque

ambiente, anche se potrebbe risultare non preciso nella rilevazione dei piccoli

spostamenti se questi non vengono effettuati imprimendo una certa forza.

Tracking acustico: in questo caso, il sistema si basa sull’emissione di onde

sonore per riuscire a calcolare la posizione degli ostacoli presenti nello spazio.

Per questo tipo di sistema si usa un trasmettitore e uno o più ricevitori collocati

nello spazio, posti sopra gli ostacoli, si calcola la distanza di quest’ultimi dall’utente