Mobile Virtual Reality (MVR): un nuovo modello di realtà virtuale A. Sanna C. Zunino F.Lamberti

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1 Mobile Virtual Reality (MVR): un nuovo modello di realtà virtuale A. Sanna C. Zunino F.Lamberti Dipartimento di Automatica e Informatica Politecnico di Torino Corso Duca degli Abruzzi 24, I Torino (Italy) {andrea.sanna,claudio.zunino,fabrizio.lamberti}@polito.it

2 Indice della presentazione Motivazioni Idea di base Background La soluzione proposta L architettura Esempio Conclusioni e sviluppi futuri

3 Tipi di realtà virtuale Immersive Virtual Reality (IVR): Impiego di dispositivi ad-hoc per fornire all utente i senso di completa immersione (CAVE) Desktop Virtual Reality (DVR): Impiego di dispositivi tradizionali (monitor, tastiera e mouse) e di supporti per la visualizzazione 3D Mobile Virtual Reality (MVR): Impiego di dispositivi mobili come Personal Digital Assistant (PDA), tablet PC, telefoni cellulari,

4 Motivazioni I dispositivi palmari (PDA) si sono diffusi velocemente a partire dalla fine degli anni novanta Grazie al continuo sviluppo delle tecnologie per dispositivi mobili la grafica 3D di qualità sta diventando un importante campo di ricerca Sebbene alcuni tool per progettare applicazioni di grafica 3D esistano, la visualizzazione di modelli complessi è ancora fuori dalla portata dei PDA

5 Idea di base Il calcolo (rendering) di modelli complessi è demandato a sistemi centralizzati Il dispositivo mobile viene usato unicamente come risorsa di visualizzazione remota In questo tipo di scenario: Un sistema (lato-server) fornisce la potenza di calcolo e la capacità di memorizzazione I dispositivi mobili (lato-client) si connettono al server e fanno da front-end

6 Idea di base: vantaggi Questa soluzione presenta principalmente tre vantaggi: La visualizzazione remota è indipendente dal tipo di dati Non c è trasferimento di dati dal server al client È possibile la visualizzazione di modelli estremamente complessi che non sarebbero gestibili localmente su un dispositivo palmare

7 Background L idea di separare i compiti di calcolo e visualizzazione non è nuova: Vizserver di Silicon Graphics e GLR abilitano visualizzazioni collaborative remote simultaneamente per utenti multipli Sono state proposte anche soluzioni non commerciali che però mancano di indipendenza dall applicazione e/o dall architettura Solo pochi tentativi considerano i PDA per la visualizzazione: Stegmaier et al. Hanno presentato recentemente un applicazione basata su OpenGL che usa l infrastruttura client-server VNC per inviare l output al PDA

8 La soluzione proposta Chromium è stato scelto per realizzare l architettura d rendering centralizzata: Con Chromium è possibile unificare la potenza di calcolo di un cluster di macchine dotate di schede grafiche acceleratrici Chromium fornisce un interfaccia all hardware attraverso chiamate OpenGL L utente può navigare la scena attraverso il PDA: I comandi sono impartiti ad un applicazione sviluppata per PDA I comandi sono inviati dal PDA all applicazione grafica centralizzata Chromium riceve i comandi e divide il rendering tra i vari nodi del cluster L immagine finale è riassemblata e mandata al PDA

9 L applicazione lato client Per ottimizzare le prestazioni, l applicazione lato client è stata sviluppata usando il linguaggio nativo della piattaforma: Microsoft embedded Visual C++ per PocketPC L applicazione include un interfaccia di visualizzazione, un generatore di eventi e un decodificatore delle immagini

10 L applicazione lato client L interfaccia di visualizzazione gestisce : L interazione con l utente L area di schermo dove visualizzare le immagini provenienti dal server Le immagini provenienti dal server. In caso di immagini compresse applica un opportuno algoritmo di decompressione

11 L applicazione lato client

12 L applicazione lato server L applicazione eseguita sul server di visualizzazione deve: Gestire la comunicazione con il client ricevendo i comandi dal PDA Passare i comandi ricevuti dal client al motore di rendering basato su OpenGL Usare Chromium (mediante un opportuna SPU) per dividere il calcolo tra i vari nodi Usare Chromium (mediante un opportuna SPU) per ricostruire l immagine finale, opportunamente codificata, da inviare al PDA

13 L architettura complessiva

14 Latenza del sistema La sequenza di operazioni che determinano la latenza complessiva del sistema

15 Impatto della comunicazione di rete Sono state considerate due possibili tecnologie di comunicazione wireless: IEEE b GSM/GPRS Le operazioni che il PDA deve eseguire indipendentemente dal canale di comunicazione (lettura da socket, scrittura nel framebuffer, aggiornamento del contesto grafico) sono state valutate per trovare il massimo frame rate teorico (7fps) La banda disponibile con IEEE b è sufficiente a garantire il massimo frame rate

16 Impatto della comunicazione di rete Le prestazioni cambiano radicalmente per canal di comunicazione GPRS: La banda non è sufficiente a garantire il massimo frame rate teorico Adozione di tecniche di compressione con e senza perdita L introduzione di una forma forma di codifica risolve il problema della banda del canale ma la decompressione lato client è un attività onerosa : Il massimo frame rate ottenuto è di 2 fps

17 Esempio PDA: Compaq ipaq H3630 equipaggiato con il sistema operativo Microsoft PocketPC, CPU StrongARM 206MHz, display 12-bit 240x320 pixel touch screen, 32MB RAM e 16MB Flash ROM Risoluzione del frame: 150x150 pixel Configurazione di Chromium: una workstation master (dual PIII 800MHz) che esegue il motore di rendering OpenGL e un cluster di 8 PC 1.4 GHz AMD Athlon e scheda grafica GeForce2

18 Esempio

19 Alcune considerazioni Le prestazioni del sistema sono legate alla ricerca di un compromesso tra larghezza di banda e schema di codifica: I canali trasmissivi con una larghezza di banda ristretta impongono l adozione di schemi di codifica per mantenere l interattività Schemi di codifica sofisticati richiedono un elevata capacità di elaborazione lato-client Entrambe questi problemi saranno superati con l adozione di canali wireless a larga banda (es. IEEE g) e dalle nuove CPU montate sui PDA (es. Intel XScale)

20 Conclusioni e sviluppi futuri La soluzione proposta permette di visualizzare interattivamente su dispositiv mobili oggetti 3D estremamente complessi Lo sviluppo futuro sarà mirato a realizzare uno schema di codifica ottimizzato per canali di comunicazione wireless a banda stretta