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App. Realidad Virtual A. García-Alonso 1
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Apuntes históricos• 1970 Plotter• 1975 Vector images (“osciloscopio”) Tektronix• 1980 raster (“terminals”, PCs, micros)• 1983 (z) depth-buffer (3D, Clark “geometry
engine”)• 1985 Workstation Silicon Graphics• 1992 CAVE (Carolina Cruz Neira, Tom DeFanti)• 2000 GPU NVidia … • 2005 Consolas Nintendo, Sony, Microsoft TfnoMóvil, TVstereo, autostereo
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Terminología
• Visualización (3D) interactiva • GPU (Graphic Processing Unit), ancestors :
– graphic accelerator– graphic engine
• Real time• Real time feedback
– Capture user interaction– Generate 3D images
• Interfaces– “Desktop”– Visualización 3D
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Terminología• Telepresencia Visualización
– retransmitir vs. generar • Simulación Visualización
– refresco, problemas específicos• Simulación & Animación
– variedad hasta el equívoco• Imágenes estereoscópicas
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Interacción persona-computador• Historia
– Tarjetas perforadas (lotes)– Terminal alfanumérico (interacción)– Gráficos por ordenador (interacción gráfica : GUI )– Sistemas de ventanas (desktop metaphor)
• Investigación presente y Futura expansión– Realidad Virtual y Realidad Aumentada– Sistemas colaborativos– 3D GUI (sobremesa, proyectado, aumentado)– Sistemas “User oriented”
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Technologies• Telepresence• Virtual Reality
– VR vs. Interactive visualization • Augmented Reality• Mixed Reality
VIDEOS
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Inmersión• Recibir acciones de la(s) persona(s) +• Modelo físico (geometría + propiedades) +• Simulación ( leyes físicas + relaciones + IA ) +• Generar sensaciones
=> I N M E R S I Ó N
ligaduras mecánicasgravedad, electrostática, ...
térmicascomportamientos (rebaños/ia)
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Inmersión• Recibir de la(s) persona(s) input devices ( capture ) +• Modelo físico estruct. Datos ( modelado ) +• Simulación algorit. ( animación ) +• Generar sensaciones output devices ( rendering )
=> I N M E R S I Ó N
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Areas de aplicación• Visualización científica
– Fluidos– Deformaciones
• Arquitectura y decoración• Entrenamiento de operadores (máquinas y vehículos)• “Simuladores”• Medicina• CAD, fabricación, montaje, mantenimiento, ...
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Comunicación en el mundo real• Real environment (medio ambiente real: mundo y personas)
– Vista ¿ gestos ?
– Oido ¿ habla ?
– Tacto bidireccional (coupled) !!! (temperatura, fuerza, presión, rugosidad, etc.)– Gusto ¿ ser “gustado” ?
– Olfato ¿ olor segregado ?
• Virtual environment– Nos limitaremos a comunicación : VE ↔ usuario– Prescindimos de : avatar(es) ↔ usuario (clases de Amalia)
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Comunicación : del VE al usuario• Nos muestra imágenes• Nos habla o genera sonidos• Realimentación háptica• Nos ofrece sabores u olores
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Comunicación : del usuario al VE• Nos ve: capta posiciones (visión/sensores) e interpreta
– Cuerpo y extremidades, mano, cara (o sólo boca) – Reconoce gestos (posiciones o secuencia movimientos)
• Nos oye (comando, lenguaje natural)• Realimentación háptica• ¿nos saborea o nos huele?
Acción directa input devices : mouse, wand, haptic, glove, …
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Temas• Conceptos : inmersión, interacción, captura, modelado,
animación, rendering, telepresencia, VR, AR, haptic• Equipos : displays y hápticos• Geometría : modelos & challenges• Image rendering• APIs• Práctica : openGL, estéreo, haptic.
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Estereo• Pasivo : cines• Activo : home estereo TV• Autoestereo• Otros : anaglyph images (anaglifos), goggles (+ lentillas,
proyección directa sobre ojo), holográficos
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Sistema visual• Cuadro o película (parte de una pared)
– No inmersivo• Proyección envolvente (estéreo panel suficientemente grande,
pantalla curva, o varias paredes)– Inmersión parcial
• Pantalla transparente (placa o “gafas”)– Inmersión parcial
• Inmersion (gemelos -goggles-, periscopio -boom-, casco -head mounted display-, CAVE)– Pura imagen virtual
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Gráficos por
Computador
(Visualización)
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Gráficos por Computador• Base para el principal subsistema de salida en VR
– (recordar esquema)• IGS : Image Generation System
– distintos niveles de abstraccion o encapsulamiento• librerías gráficas• sistemas gráficos• visualizadores de ficheros
– problemas de I/O
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IGS : Image Generation System• librerías gráficas
– OpenGL, Direct3D, ...• sistemas gráficos
– Inventor, Performer– Sistemas para visualizar bases de datos geométricas muy
grandes (HP, SGI, SGI & Microsoft, Second life)– Simuladores
• visualizadores de ficheros– DXF, Catia, SolidEdge, ... VRML, X3D
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Conceptos básicos• frame buffer
– pixel, resolución– memoria en la tarjeta gráfica
• 256 colores• tabla de colores + índice de color• true color (8 + 8 + 8)
– refresco de la memoria gráfica– información referida a un pixel:
• RGB (8 x 3 bits)• RGBA• profundidad Z (2 ó 4 bytes)• doble buffering• GPUs
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Conceptos básicos• “frame” o cuadro
– tiempo real– “off line”
• generación / reconocimiento (síntesis/análisis)– cooperación
• texturas• i/f de usuario
• generación, síntesis, infografía, GxC– modelos– animación– visualización
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Elementos de GxC• modelos
– geometría y topología– materiales– fuentes de luz
• animación– posición cuerpos, luces, cámaras, ...– transformación de cámara (perspectiva, paralela, ...)– cambios de propiedades en el tiempo,– deformaciones,– crecimiento, – leyes físicas o comportamientos, ...
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.....• Visualización
– interactiva o en tiempo real / en espera o en lote– visibilidad e iluminación– modelo interacción luz-superficie– luz ambiente– sombras– transparencia– reflejos– profundidad de campo, .....
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El proceso de generación de imagen• limpiar frame buffer y z-buffer• definir posición y orientación de la cámara (otros
parametros no suelen variar de frame a frame)• definir luces• recorrer cuerpos• declarar su posición (matriz)• recorrer superficies• definir material• enviar los polígonos• “swap” de frame buffers
Field of view & aspect ratio
z
yα
yx z
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zzzzz• zzz• aaa
– xxx– fffff
• gggg
xxxxxxxx