Realidade Virtual
Introdução e conceitos associados
Luís Manuel Borges Gouveia
© LMBG /98, U.F.P.
O “imaginário” da realidade virtual
“The ultimate display would be a room within the
computer can contr...
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Definição de realidade virtual
• existem tantas definições como empresas a tentar
vender sistemas de RV...
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O que a RV permite
• a RV é um modo de visualização, manipulação
e interacção com computadores
• substi...
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O que se pode fazer com a RV
• num mundo virtual um utilizador pode pesquisar,
movimentar-se, fazer esc...
© LMBG /98, U.F.P.
Potencial da RV
• o ser humano possui “poderes imensos” de
imaginação
– não precisa de uma simulação pe...
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O cognitivo e a realidade
• o conjunto olho humano/cerebro possui
capacidades de processamento de image...
© LMBG /98, U.F.P.
A imersão
• num ambiente virtual imersivo:
– o utilizador é “cercado” de imagens geradas
por computador...
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Sistemas VR “desktop”
• num sistema VR desktop
– o utilizador visualiza as imagens num ecran
tradiciona...
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O conceito de presença
• estado de consciência em que o utilizador “sente”
que se encontra no local rep...
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O sentido de presença
• presença
– classificada como uma experiência que tem
mais de visita a um local ...
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Os sentidos e a realidade
• a percepção do mundo real é adquirida de
inúmeras formas:
– usando os senti...
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Os sentidos e a realidade
para a criação de uma experiência de imersão total,
não basta proporcionar qu...
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A monitorização de movimentos
• o movimento da cabeça deve ser monitorizado e
corresponder a acções rel...
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A história da RV
• dificil determinar uma data exacta para a sua
origem
– simulação (em particular os s...
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Os simuladores de voo
• apareceram por volta de 1910
– para treino de pilotos de forma rápida, de baixo...
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Outras máquinas de simulação
• na indústria do entretenimento, apareceu o
Sensorama
– criado na décade ...
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“The Ultimate Display”
• paper de 1965 - Ivan Sutherland
• considerado como o início da realidade virtu...
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Evolução do trabalho de Sutherland
• “A head-mounted three dimensional display”, paper
de 1968 - Ivan S...
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A ideia de Sutherland
• simular o “olhar em volta” de modelos 3D
– monitorizando a posição do utilizado...
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Desenvolvimentos tecnológicos
• ocorreram na década de 80
– Supercockpit project - Wright Patterson Air...
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A importância da RV
• a realidade virtual é uma área de rápido
desenvolvimento tecnológico
• possui um ...
© LMBG /98, U.F.P.
Os elementos da RV
• um sistema típico de realidade virtual possui os
seguintes elementos:
– os subsist...
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Arquitectura de um sistema RV
Fonte: Butterworth, Heinemann /96
© LMBG /98, U.F.P.
O sistema de RV para o utilizador
• na perspectiva do utilizador um sistema RV é
constituido por três e...
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O sistema de RV para o conceptor
• na perspectiva do conceptor do sistema um sistema
RV apresenta três ...
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Subsistemas RV
monitorização
do ambiente real
controlo do
ambiente virtual
visualização do
ambiente vir...
© LMBG /98, U.F.P.
Movimento de objectos
Z
X
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roll
pitch
yaw
6 graus de liberdade
(6 dof)
deslocação
em X
em Y
em Z
rotaç...
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  • O centro de investigação Ames, da NASA tomou uma posição de lideraça na investigação e desenvolvimento tecnológico na área da realidade virtual, criando dispositivos como o VIEW.
    O VIEW erá um capacete 3D, de ângulo aberto, possuindo um sistema incluído no capacete de visualização estereocópica que era controlado pela posição e gestos do utilizador.
    Ecrans LCD de baixo peso substituiram os CRT usados por Sutherland, mas o capecete 3D era em conceitos, semelhante ao origina, apresentado por Sutherland.
  • Em conjunto, os subsistemas referidos podem ser usados em ambientes 3D e na experimencia de visitas de mundos que poderão ser fisicamente impossiveis na “nossa” realidade.
    O mundo visualizado é virtual, isto é, existe apenas no computador e no equipamento utilizado.
  • Realidade Virtual. Introdução e conceitos associados

    1. 1. Realidade Virtual Introdução e conceitos associados Luís Manuel Borges Gouveia
    2. 2. © LMBG /98, U.F.P. O “imaginário” da realidade virtual “The ultimate display would be a room within the computer can control the existance of matter. A chair displayed in such a room would be good enough to sit in. Handcuffs displayed in such a room would be confining, and a bullet displayed in such a room would be fatal. With appropriate programming such a display could literally be the wonderland in which Alice walked” Ivan Sutherland
    3. 3. © LMBG /98, U.F.P. Definição de realidade virtual • existem tantas definições como empresas a tentar vender sistemas de RV – mundo interactivo tri-dimensional, gerado por computador, no qual uma pessoa está imersa – a realidade virtual proporciona ao ser humano a ilusão, o mais convicente possível, de que este se encontra numa outra realidade. Esta realidade “existe” num formato digital, na memória de um computador
    4. 4. © LMBG /98, U.F.P. O que a RV permite • a RV é um modo de visualização, manipulação e interacção com computadores • substitui-se – ecrans por sistemas de visualização com pequenos ecrans que projectam imagens específicas em frente de cada um dos olhos – teclados por luvas de dados, que controlam os movimentos da(s) mão(s) do utilizador. O movimento da cabeça também é detectado
    5. 5. © LMBG /98, U.F.P. O que se pode fazer com a RV • num mundo virtual um utilizador pode pesquisar, movimentar-se, fazer escolhas e manipular objectos – ideal: a experiência deve ser semelhante à da vivência de um outro mundo – real: a maioria dos sistemas RV são deficientes e bastante caros (aparência de jogos e de reacção lenta; limitações da própria tecnologia e da potencia disponível de computação)
    6. 6. © LMBG /98, U.F.P. Potencial da RV • o ser humano possui “poderes imensos” de imaginação – não precisa de uma simulação perfeita para “acreditar” que o mundo que lhe é oferecido se trata de uma forma de realidade a RV possui um enorme potencial de aplicação
    7. 7. © LMBG /98, U.F.P. O cognitivo e a realidade • o conjunto olho humano/cerebro possui capacidades de processamento de imagem específicas (e igualmente limitações) – a percepção é um processo cognitivo e não puramente óptico (com tudo de subjectivo que lhe é inerente) – da imagem captada, o cerebro constroi um modelo do mundo a que nós designamos realidade
    8. 8. © LMBG /98, U.F.P. A imersão • num ambiente virtual imersivo: – o utilizador é “cercado” de imagens geradas por computador que retiram a possibilidade de os seus sentidos percepcionarem o mundo físico exterior – exige maiores recursos computacionais – exige o apoio de um maior número de periféricos específicos – implementação “nobre” do conceito de VR
    9. 9. © LMBG /98, U.F.P. Sistemas VR “desktop” • num sistema VR desktop – o utilizador visualiza as imagens num ecran tradicional à distância normal – usados com maior frequência em contraste com os sistemas de imersão total – minimiza os problemas de fadiga e enjoo associados ao uso de HMD’s e dispositivos de visualização
    10. 10. © LMBG /98, U.F.P. O conceito de presença • estado de consciência em que o utilizador “sente” que se encontra no local representado visualmente – a imersão amplifica o sentido de presença – o nível de presença varia de utilizador para utilizador (para uns, um sentido forte de presença é conseguido com bons gráficos e sem som; para outros, bastam representações mais abstractas mas algumas pistas visuais e som 3D, de qualidade)
    11. 11. © LMBG /98, U.F.P. O sentido de presença • presença – classificada como uma experiência que tem mais de visita a um local do que ver imagens desse local – o utilizador deve experimentar objectos e processos como meio temporário em que o nível de realidade obtido é maior que o conseguido no mundo real
    12. 12. © LMBG /98, U.F.P. Os sentidos e a realidade • a percepção do mundo real é adquirida de inúmeras formas: – usando os sentidos: visão, audição, tacto, olfato e gosto – o modo como nos vemos a nós próprios, derivado dos sinais recebidos pelo nosso corpo e designado por dados de autopercepção
    13. 13. © LMBG /98, U.F.P. Os sentidos e a realidade para a criação de uma experiência de imersão total, não basta proporcionar que o sistema de visualização que forneça as entradas de dados visuais, sonoras de toque e cheiro, de forma directa para os diferentes sentidos humanos o próprio corpo humano deve ser monitorizado de forma a que as modificações na visualização sejam comandadas directamente, por movimentos do corpo humano
    14. 14. © LMBG /98, U.F.P. A monitorização de movimentos • o movimento da cabeça deve ser monitorizado e corresponder a acções relacionadas no sistema de computador e no respectivo sistema de visualização – ideal: as pistas para o movimento a forneçer ao computador deviam incluir informação relativa à autopercepção – real: existe um atraso entre os movimentos do utilizador e a sua representação (considerado uma das causas de enjoo em RV)
    15. 15. © LMBG /98, U.F.P. A história da RV • dificil determinar uma data exacta para a sua origem – simulação (em particular os simuladores de voo) – computação gráfica – jogos de computador
    16. 16. © LMBG /98, U.F.P. Os simuladores de voo • apareceram por volta de 1910 – para treino de pilotos de forma rápida, de baixo custo e segura – 1920: recurso à pneumática para simulação dos movimentos - “Link Trainer” – 1950: recurso a computadores e a equações matemáticas que modelam as características de um voo
    17. 17. © LMBG /98, U.F.P. Outras máquinas de simulação • na indústria do entretenimento, apareceu o Sensorama – criado na décade de 50 por Morton Heilig • criava a sensação de uma realidade artificial de uma viagem de bicicleta através de Brooklyn e das dunas Californianas – recurso a segmentos de filmes 3D; – guiador e selim que vibravam; – indução do cheiro a pizza e fumos de escape – a máquina envolvia o campo visual do utilizador
    18. 18. © LMBG /98, U.F.P. “The Ultimate Display” • paper de 1965 - Ivan Sutherland • considerado como o início da realidade virtual • proposta a ideia de: – uma simulação, generalizável, – com um interface que produzia a experiência de se estar num espaço artificial, – em que o computador controlava a existência da matéria
    19. 19. © LMBG /98, U.F.P. Evolução do trabalho de Sutherland • “A head-mounted three dimensional display”, paper de 1968 - Ivan Sutherland (Univ. Harvard) • criação de um capacete 3D e sensor de localização – o capacete usava dois ecrans miniatura de tv, colocados à frente dos olhos – o sensor de localização monitorizava a posição e movimento do utilizador; implementado de duas formas alternativas: • a espada de Damocles: veio no tecto que se ajustava em função dos movimentos • uso de uma fonte de ultrasons, montada no capacete e que permite maior liberdade de movimentos
    20. 20. © LMBG /98, U.F.P. A ideia de Sutherland • simular o “olhar em volta” de modelos 3D – monitorizando a posição do utilizador (capacete), o computador podia calcular a aparência adequada dos objectos e realizar a sua representação no(s) ecran(s) – o movimento modifica a dimensão dos objectos – o ângulo de visão do utilizador modifica a perspectiva – Sutherland prôpos também que as leis da física (gravidade, etc.) fossem aplicadas aos objectos, permitindo obter um comportamento natural
    21. 21. © LMBG /98, U.F.P. Desenvolvimentos tecnológicos • ocorreram na década de 80 – Supercockpit project - Wright Patterson Air Force Base, Dayton, Ohio – Telepresença e robotica - NASA Ames Research Centre, California • avanços tecnológicos nas áreas: – ecrans de cristais líquidos e tecnologia de CRT’s – sistemas de geração de imagem – sistemas de localização para conversão de dados de posição e orientação
    22. 22. © LMBG /98, U.F.P. A importância da RV • a realidade virtual é uma área de rápido desenvolvimento tecnológico • possui um campo de aplicação alargado – entretenimento, – concepção de produtos, – visualização, – arquitectura, – modelação molecular, – medicina – etc e outras áreas que a inovação irá oferecer!
    23. 23. © LMBG /98, U.F.P. Os elementos da RV • um sistema típico de realidade virtual possui os seguintes elementos: – os subsistemas visual, táctil e acústico, através dos quais o utilizador vê, sente e ouve o mundo virtual, isto é, o interface – os controlos manuais para navegação no mundo virtual. Pode ser tão simples como um rato ou joystick ou uma luva de dados e mesmo um facto que cubra o corpo inteiro – software e processos de coordenação central
    24. 24. © LMBG /98, U.F.P. Arquitectura de um sistema RV Fonte: Butterworth, Heinemann /96
    25. 25. © LMBG /98, U.F.P. O sistema de RV para o utilizador • na perspectiva do utilizador um sistema RV é constituido por três experiências principais: – manipulação: a capacidade de atingir, tocar e movimentar objectos num mundo virtual – navegação: a capacidade de movimentação e exploração do mundo virtual – imersão: encerrar os sentidos do utilizador, usando dispositivos especificos, que permitem que este (só) receba a informação visual, sonora e táctil proveniente do mundo virtual
    26. 26. © LMBG /98, U.F.P. O sistema de RV para o conceptor • na perspectiva do conceptor do sistema um sistema RV apresenta três áreas chave de trabalho: – monitorização do ambiente real: monitorizar a cabeça, as mãos e/ou posição do corpo e atitude do utilizador – controlo do ambiente virtual: baseado na informação adquirida pela monitorização, os objectos (características e comportamento) são controlados – visualização do ambiente virtual: envolve além dos aspectos visuais do ambiente, o som e, por vezes, dispositivos tácteis (como os joystick de força de reacção contrária)
    27. 27. © LMBG /98, U.F.P. Subsistemas RV monitorização do ambiente real controlo do ambiente virtual visualização do ambiente virtual monitorização do movimento controlo luva de dados visual audio táctil dinâmica dos objectos modelação física detecção de colisões
    28. 28. © LMBG /98, U.F.P. Movimento de objectos Z X Y roll pitch yaw 6 graus de liberdade (6 dof) deslocação em X em Y em Z rotação sobre X - pitch sobre Y - yaw sobre Z - roll

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