Sperimentazione della Realtà Aumentata nella Manutenzione di Apparati di Rete

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PARMA DIPARTIMENTO DI MATEMATICA E INFORMATICA Corso di Laurea in Informatica Sperimentazione della Realtà Aumentata nella Manutenzione di Apparati di Rete Relatore: Prof. Federico Bergenti Candidato: Sebastian Davrieux Anno Accademico 2013/2014

2 Indice 1 Realtà Aumentata Informazioni per aumentare la realtà Visualizzazione delle informazioni Fattori influenti nella visualizzazione dell informazione Come funziona la realtà aumentata? Sensori Processore Stato dell arte dei dispositivi Dispositivi con un display Dispositivi con due display Applicazioni Industria Istruzione Turismo Medicina e Sanità Marketing Analisi e realizzazione Analisi del problema Metaio SDK Riconoscimento delle Porte Riconoscimento oggetti 2D Riconoscimento oggetti 3D Riconoscimento dello Switch Creazione del prototipo Conclusioni 52 Ringraziamenti 53 1

3 INDICE INDICE Riferimenti bibliografici 54 2

4 Capitolo 1 Realtà Aumentata La realtà aumentata (AR) è un mezzo tramite il quale vengono aggiunte informazioni al mondo fisico. Tuttavia ci sono molti modi diversi per aggiungere o modificare l informazione. Prendendo questa definizione così com è possiamo considerare qualunque cosa realtà aumentata; infatti al giorno d oggi questo termine è molto diffuso e non è chiaro esattamente il suo significato. Alcune fonti utilizzano un significato molto ampio del termine, mentre altre optano per un significato specifico di esso. Nel tempo diventerà evidente ciò che si intende con queste parole, ma al momento viene applicato in ambiti differenti come ad esempio i sistemi di mappatura GPS, manipolazione dei codici a barre, applicazioni mobili che aggiungono oggetti virtuali al mondo reale tramite dispositivi quali gli smartglass. Ronald T. Azuma [1] afferma che ci sono tre caratteristiche che definiscono la realtà aumentata: combinazione tra il mondo reale e virtuale; interazione in tempo reale; rappresentazione degli oggetti in 3D. Gli aspetti chiave di questa tecnologia sono: sovrapposizione ad una visione del mondo fisico di informazioni digitali; visualizzazione di informazioni come se appartenessero al mondo fisico; dipendenza delle informazioni visualizzate dalla posizione nel mondo reale e dalla prospettiva fisica della persona; 3

5 1.1 Informazioni per aumentare la realtà Realtà Aumentata interattività dell esperienza di realtà aumentata, una persona è in grado di rilevare le informazioni e modificarle, se lo desidera. Il livello di interattività può spaziare dal semplice cambiamento del punto di vista fisico, fino a creare nuove informazioni. 1.1 Informazioni per aumentare la realtà La realtà aumentata consente la sovrapposizione di informazioni digitali sul mondo fisico; con informazioni digitali, si intende una simulazione al computer oppure copie di informazioni reali rappresentate digitalmente. Essa può essere statica, come ad esempio una fotografia digitale, un modello grafico 3D o una registrazione digitale di un suono, oppure può essere basata dinamicamente sull evoluzione di una simulazione dei dati ricevuti da un sensore o da altre fonti di informazioni dinamiche. Un aspetto importante della realtà aumentata è che si rimane nel mondo fisico a differenza di altri media, come ad esempio la realtà virtuale e il cinema, nei quali l obiettivo è quello di mettere l utente in uno scenario in cui il mondo fisico non è visibile o udibile. I sistemi di realtà virtuale, basati su un display montato sulla testa dell utente, precludono la visione del mondo fisico; nel cinema, invece, le luci sono oscurate e le persone sono in silenzio. In questi modi gli unici segnali che vanno ad influire sulla vista e sull udito dell utente sono quelli del mondo virtuale o del film, rispettivamente. Nella realtà aumentata la percezione del mondo fisico che ha l utente, basata su vista, udito, olfatto, tatto e gusto, non viene intaccata in alcun modo dal dispositivo utilizzato. Ad esempio con i più moderni smartglass il mondo fisico può essere osservato perché il display è realizzato mediante quella che viene chiamata ottica see-through; nel caso di informazioni audio possono essere utilizzate cuffie o auricolari che non devono escludono gli utenti dai suoni provenienti dal mondo fisico. 1.2 Visualizzazione delle informazioni Un idea chiave per la realtà aumentata è che le informazioni digitali visualizzate hanno una posizione nel mondo reale come la loro controparte fisica. Ad esempio, se l informazione digitale visualizzata come parte di un esperienza di realtà aumentata è un vaso, esso si troverà in una posizione che è indipendente da dove lo spettatore è situato. Se la persona che visualizza il vaso va 4

6 1.3 Fattori influenti nella visualizzazione dell informazione Realtà Aumentata verso l altro lato del tavolo essa vedrà l altro lato del vaso, ma il vaso non si muoverà in base al movimento dello spettatore. Naturalmente la persona può scegliere di spostare il vaso, ma esso ha una posizione specifica nel mondo fisico che non cambierà a meno che la persona lo decida attivamente. Ovviamente nella realtà aumentata ci possono essere più opzioni su come interagire con il vaso rispetto al mondo reale: si potrebbero avere poteri magici che consentono di far levitare il vaso, ma generalmente gli oggetti digitali tenderanno a comportarsi come il loro equivalente nel mondo reale. Il problema è che la visualizzazione degli oggetti nel mondo reale deve essere molto precisa sia nello spazio che nel tempo. Uno degli ostacoli tecnologici in un sistema AR è proprio quello dello spazio, cioè l oggetto digitale deve essere collocato nel mondo fisico con tolleranze molto strette, a seconda dell applicazione. Riportandoci all esempio del vaso, potrebbe andare bene una tolleranza di mezzo centimetro. Tuttavia, per un chirurgo che utilizza la realtà aumentata per facilitare l esecuzione di un intervento chirurgico, un errore di mezzo centimetro potrebbe essere mortale. La precisione temporale è ancora più difficile da ottenere a causa del ritardo generato dalla lavorazione delle informazioni. Dato che la visione di un oggetto dipende dal punto di vista, l oggetto deve essere renderizzato ogni volta che lo spettatore cambia, anche leggermente, il punto di vista. Se ci fosse un ritardo nel sistema e lo spettatore cambiasse la sua prospettiva molto rapidamente, il ritardo nell elaborazione potrebbe risultare notevole nella scena vista dallo spettatore. 1.3 Fattori influenti nella visualizzazione dell informazione Un aspetto chiave della realtà aumentata è che il punto di vista fisico dell utente è preso in considerazione come nel mondo reale. Ogni occhio fissa un proprio punto di vista; la differenza di prospettiva causata da questo fatto permette di percepire la tridimensionalità dell oggetto che si sta guardando. Questo meccanismo deve essere creata nell oggetto digitale visualizzato simulando così il punto di vista dello spettatore. La visualizzazione nello spazio può essere assoluta (un luogo specifico sulla Terra) o relativa (rispetto a qualche oggetto). Un esempio di applicazione che utilizza la visualizzazione spaziale assoluta è quello che permette di vedere come sarà un edificio non ancora costruito, osservando le fondamenta. Un esempio di applicazione con visualizzazione relativa, invece, è quello che 5

7 1.4 Come funziona la realtà aumentata? Realtà Aumentata mostra la struttura interna di un oggetto, come il circuito e le componenti interne di una calcolatrice. La visualizzazione viene effettuata in relazione a tale oggetto piuttosto che ad un punto assoluto sulla Terra. 1.4 Come funziona la realtà aumentata? Per illustrare il funzionamento della realtà aumentata a un livello molto astratto si comincia descrivendo le applicazioni di realtà aumentata come un processo diviso in due fasi, per poi passare all esposizione dei diversi tipi di tecnologia che possono essere utilizzate. Le due fasi accennate in precedenza sono: determinare lo stato attuale del mondo fisico e del mondo virtuale; visualizzare il mondo virtuale in relazione al mondo reale in modo che l utente percepisca gli elementi del mondo virtuale come parte integrante del mondo fisico. Considerando questi due passaggi, si può vedere facilmente che molti metodi diversi potrebbero essere utilizzati per la loro realizzazione e molte tecnologie potrebbero essere impiegate per implementare tali metodi. I componenti principali di un sistema di realtà aumentata utili a sostenere i passi appena elencati sono tre: sensori utili a determinare lo stato del mondo fisico in cui l applicazione opera; un processore per valutare i dati del sensore, per visualizzare le immagini sul display, e per simulare le leggi della fisica; un display adatto a creare l impressione che il mondo virtuale ed il mondo reale siano coesistenti. Si potrebbe considerare una quarta categoria composta dai dispositivi di input; tuttavia, questi sono in realtà sensori a cui l utente fissa attivamente i valori Sensori Poiché la realtà aumentata dipende dalle posizioni che il partecipante, il mondo fisico, e tutti i dispositivi AR occupano, deve esserci un meccanismo per determinarle. Si noti che nella nozione di posizione è compreso anche il concetto di orientamento. 6

8 1.4 Come funziona la realtà aumentata? Realtà Aumentata Computer vision Molte applicazioni di realtà aumentata attuali utilizzano tecniche di visione artificiale per determinare la posizione del partecipante e la prospettiva rispetto al mondo reale. Per consentire la computer vision solitamente viene utilizzata una telecamera, che vede il mondo reale ed è in grado di determinare dove essa si trova e com è orientata rispetto alla scena. Per fare ciò è necessario un software che analizzi le immagini raccolte; quindi, nell ambiente ci devono essere punti di riferimento che possano essere utilizzati per determinare la posizione. I punti di riferimento possono essere caratteristiche naturali dell ambiente o posizionati artificialmente al fine di semplificare il problema; questi ultimi sono detti marker. I marker, oltre a fornire informazioni sulla posizione relativa rispetto ad essi, possono anche fornire informazioni aggiuntive. Per esempio, posizionando un marker e associando ad esso un oggetto da visualizzare, tale oggetto viene visualizzato nel punto voluto, dunque in corrispondenza alla posizione della camera e del marker. In generale, è vantaggioso che il marker sia un modello unico ed asimmetrico: in questo modo è molto più semplice determinare il posizionamento e orientamento. Al fine di incorporare ulteriori informazioni nel marker, vengono utilizzati i codici QR (strada percorsa anche nel progetto qui presentato). Questi codici hanno diversi vantaggi: essi possono rappresentare una grande quantità di informazioni, sono facili da riconoscere come marker e sono asimmetrici. L assimetria viene ottenuta tramite i tre quadrati presenti agli angoli del QR code, che consentono al sistema di visione di determinare l orientamento relativo della telecamera rispetto al marker. In generale, i marker sono entità fisiche che si trovano nella scena (ad esempio pezzi di carta con stampato ul codice QR riconoscibili). È inoltre possibile utilizzare oggetti del mondo fisico: alcuni oggetti naturali e artificiali offrono le stesse caratteristiche dei marker astratti. Ad esempio il volto umano può essere riconosciuto ed è asimmetrico, quindi utilizzabile come marker. Global Positioning System (GPS) Un ricevitore GPS fornisce informazioni riguardo la propria posizione nello spazio (X, Y e potenzialmente Z), ma non riguardo l orientamento e la rotazione rispetto agli assi. Questo preclude ad un GPS il ruolo di unico sensore nei sistemi AR; poiché richiede l affiancamento di altri sensori per ricavate altre informazioni. Il grande vantaggio del loro utilizzo è dato dal fatto 7

9 1.4 Come funziona la realtà aumentata? Realtà Aumentata che sapendo la localizzazione del sistema AR si può ridurre drasticamente il numero di marker da cercare, diminuendo così la potenza di calcolo richiesta. Giroscopi, accelerometri ed altri tipi di sensori Nelle applicazioni di realtà aumentata possono essere utilizzati diversi tipi di sensori. L obiettivo è quello di ricavare più informazioni possibili del mondo fisico per utilizzarle nell applicazione. I sensori più diffusi sono giroscopi, bussole e accellerometri. I giroscopi riportano valori relativi all orientamento, le bussole forniscono informazioni per quanto riguarda la direzione in cui i dispositivi sono rivolti, gli accelerometri misurano l accelerazione. Dispositivi di input Questi sensori, a differenza dei precedenti, raccolgono l input dell utente. Includono pulsanti, touchscreen, tastiere e altre interfacce utente. Essi sono utili perché permettono al partecipante di prendere decisioni durante l esperienza di realtà aumentata. Si noti che anche una fotocamera può essere utilizzata come un sensore per raccogliere l input dell utente, se è implementato un sistema di riconoscimento gestuale. In questo caso, la fotocamera segue mani o le dita dell utente interpretando i movimenti come input. Un altro esempio di utilizzo della fotocamera come sensore per rilevare input è la creazione di pulsanti virtuali nella scena: in questo modo, tutto può essere utilizzato come un dispositivo per fornire input Processore Al centro di ogni sistema di realtà aumentata c è un processore che coordina e analizza gli input dei sensori, memorizza e recupera i dati, svolge i compiti del programma applicativo AR e genera i segnali appropriati da visualizzare. Esso deve avere sufficiente capacità di calcolo da realizzare i compiti necessari in tempo reale, cioè ad ogni azione il sistema deve rispondere con una combinazione aggiornata del mondo fisico e del mondo virtuale, senza ritardi o apparenti esitazioni. In altre parole, la scena deve essere aggiornata uniformemente ed in modo che il partecipante percepisca l esperienza come un flusso continuo di informazioni. Per tracciare un analogia, un film al cinema è girato ad una velocità di 24 fotogrammi al secondo, che è un frame rate sufficiente affinché lo spettatore non percepisca il film come una serie di singole immagini, ma come un flusso ininterrotto. Le applicazioni AR devono 8

10 1.5 Stato dell arte dei dispositivi Realtà Aumentata sostenere un frame rate di almeno 15 fotogrammi al secondo affinché il partecipante le percepisca come continue. Se si sta simulando un oggetto solido, esso deve essere aggiornato circa 1000 volte al secondo, altrimenti l oggetto sembrerà morbido. Nei casi in cui la visualizzazione del mondo fisico sia mediata dal processore, il mondo fisico e quello virtuale possono essere sincronizzati, ma nei casi in cui è percepito direttamente, qualunque ritardo nella creazione e visualizzazione dei componenti virtuali diventa evidente. 1.5 Stato dell arte dei dispositivi Tutte le applicazioni del mondo sono inutili senza il giusto hardware; da è dunque importante elencare alcuni dei dispositivi che sono stati o verranno rilasciati in futuro che renderanno la realtà aumentata un prodotto di largo consumo. Questi dispositivi vengono comunemente chiamati smartglass e sono stati sviluppati da aziende diverse per soffisfare obbiettivi specifici rivolti a fette di mercato differenti. Pertanto non sono tutti in competizione diretta e non devono essere confrontati con lo scopo di determinare il migliore Dispositivi con un display Sono smartglass con un unico display che viene inserito nella visione periferica dell utente. Questo display è utilizzato per mostrare le informazioni all utente. Purtroppo questa tipologia di dispositivi non può essere utilizzata per creare una realtà aumentata interattiva, dato che gli oggetti virtuali possono essere visti solo in visione periferica. Google Glass Un esempio di smartglass con un display sono i Google Glass, equipaggiati di sistema operativo Android. Le sue caratteristiche sono le seguenti: Peso: 50g; Caratteristiche tecniche: 1,2 GHz dual-core ARM Cortex-A9 CPU, PowerVR SGX540 GPU, 16 GB di memoria interna, 682MB RAM (più o meno equivalente ad un iphone 4); Fotocamera: 5MP; Risoluzione display: 640x360 pixel; 9

11 1.5 Stato dell arte dei dispositivi Realtà Aumentata Figura 1.1: Google Glass Il display consiste in un mini proiettore che effettua una proiezione su uno schermo semi riflettente, il quale riflette soltanto la luce giunta dal proiettore. Figura 1.2: Funzionamento del proiettore È dotato di microfono, accelerometro, giroscopio e bussola. Per interagire con il dispositivo si utilizza una touch pad che supporta i gesti swipe e tap. È presente un pulsante apposito per attivare la fotocamera. 10

12 1.5 Stato dell arte dei dispositivi Realtà Aumentata L audio viene trasmesso attraverso un trasduttore a conduzione ossea, il quale per trasmettere i suoni genera delle vibrazioni sul teschio. Questa tecnologia, oltre a non impedire l ascolto dei rumori ambientali, consente di percepire i suoni anche alle persone con capacità uditiva compromessa. Non hanno una connessione cellulare e quindi sono usati in combinazione con uno smartphone, possiedono connessione Bluetooth e WLAN b/g. Vuzix M100 Figura 1.3: Vuzix M100 Presentati al CES 2015, sono visti come i principali concorrenti dei Google Glass, anche questi sono equipaggiati con il sistema operativo Android ed utilizzano le stesse API dei Glass per connettersi allo smartphone. Le sue caratteristiche sono le seguenti: Peso: 50g; Caratteristiche tecniche: CPU OMAP4460 at 1.2GHz, 4 GB di memoria interna, 1GB RAM; Fotocamera: 5MP; Risoluzione display: WQVGA ( pixel); 11

13 1.5 Stato dell arte dei dispositivi Realta Aumentata Un display a colori e situato nell angolo della vostra linea di vista, fornendo un immagine equivalente allo schermo di uno smartphone da 4 pollici situato ad una tipica distanza di 14 centimetri. Un paraluce del display massimizza la visibilita in piena luce esterna e le ridotte dimensioni di quest ultimo minimizzano il blocco visivo del mondo reale. L audio e provvisto da una semplice cuffia a differenza dei Google Glass Dispositivi con due display Smartglass dotati di due display che possono influenzare tutto cio che si vede e consente di visualizzare oggetti tridimensionali. Questo rende possibile, oltre alla realta aumentata, la creazione di una realta virtuale. Epson Moverio BT-200 Figura 1.4: Epson Moverio BT-200 Questi occhiali intelligenti trasparenti forniscono un nuovo mondo di intrattenimento, produzione ed altro. A differenza dei modelli della concorrenza, ogni lente ha un proprio display che occupa tutto il campo visivo, integrandosi completamente nell ambiente. Vantano di uno schermo con una dimensione percepita decisamente elevata (come uno schermo 80 pollici visto da 5 metri di distanza) ad un prezzo accessibile. Questi occhiali sono dotati di connessione Bluetooth e sono compatibili con gran parte delle applicazioni Android. Dotato di una macchina fotografi- 12

14 1.5 Stato dell arte dei dispositivi Realta Aumentata ca e tracking di movimento, il BT-200 e uno dei devices piu promettenti per le applicazioni del futuro. Le sue caratteristiche sono le seguenti: Peso: 88g; Caratteristiche tecniche: TI OMAP Ghz Dual Core, 8 GB di memoria interna, 1GB RAM; Fotocamera: VGA; Risoluzione display: Poly-silicon TFT active matrix ( pixel); Oculus Rift Figura 1.5: Oculus Rift L Oculus Rift e un dispositivo di realta virtuale che utilizza due schermi posti davanti a delle lenti vicino agli occhi di colui che lo indossa, insieme essi hanno una risoluzione di 1920x1080 pixel. Con Oculus Rift e molto semplice creare scene 3D dato che ogni schermo e visibile solo da un occhio, inoltre la luminosita non e un problema perche dipende solo dalla luminosita del display ed essa puo essere regolata. Oculus Rift traccia il movimento della testa tramite LED infrarossi, giroscopio e accelerometro. Il vantaggio di utilizzare il giroscopio e l accelerometro e che la latenza e molto bassa, lo svantaggio rispetto alla soluzione con 13

15 1.5 Stato dell arte dei dispositivi Realtà Aumentata gli infrarossi è che nel tempo gli errori si accumulano. Combinando entrambi i metodi si ottiene un tracking con una latenza molto bassa. Molti utenti hanno sperimentato una serie di problemi con i prototipi di Oculus Rift. Questi sono alcuni dei più riscontrati. A causa del ritardo tra il momento in cui l utente muove la testa e quando le immagini si adattano al movimento, alcuni utenti avvertono chinetosi. Questo accade quando esiste un disaccordo tra il movimento percepito visivamente e il senso di movimento dell orecchio interno. Se si utilizza per un lungo periodo di tempo molti hanno avuto l affaticamento degli occhi per colpa della vicinanza dello schermo. Anche i più recenti prototipi Oculus Rift pesano circa 0,5 kg, il ché non risulta molto comodo per l utente. Nonostante questi problemi rimane una tecnologia molto promettente. Può essere utilizzato anche per la realtà aumentata aggiungendo una fotocamera davanti al dispositivo, la quale consente di integrare la realtà fisica a quella virtuale. Microsoft HoloLens Figura 1.6: Microsoft HoloLens Su questi dispositivi, presentati quest anno dalla Microsoft, ci sono poche informazioni. Essi sono degli smartglass che dovrebbero funzionare senza il 14

16 1.6 Applicazioni Realtà Aumentata bisogno di connetterli allo smartphone, teoricamente dotati di una proiezione full HD. I sensori, basandoci sulle immagini dei modelli di prova, dovrebbero essere almeno 4 e considerando che la Microsoft produce il Kinect si pensa possano contenere almeno gli stessi, in modo di riutilizzare gli stessi algoritmi di riconoscimento: una camera che rileva la profondità, un sensore infrarosso ed una camera a 1080p. Riconoscerà i comandi vocali, i gesti e riuscirà ad effettuare una mappatura dello spazio intorno all utente. Il sistema audio consentirà di percepire la direzione da cui il suono proviene. 1.6 Applicazioni Industria L industria è uno dei campi nel quale si può trarre più vantaggio dalla tecnologia AR, in quanto può essere applicata all intero ciclo di vita del prodotto, partendo dalla progettazione, passando attraverso la formazione dei lavoratori, la fabbricazione del prodotto e la manutenzione degli impianti. Il design del prodotto è di solito un processo costoso per la maggior parte delle imprese dato che spesso richiede la creazione di più prototipi fisici prima di giungere alla versione finale. L uso della tecnologia AR consente ai progettisti di creare prototipi virtuali in scala reale che sarebbero molto costosi da costruire (ad esempio automobili, macchine pesanti, ecc) e di analizzare e presentare tale modello in uno scenario di realtà aumentata a basso costo. I progettisti possono interessarsi dell utilizzo della AR non solo per il risparmio dei costi, ma anche per alcune caratteristiche aggiuntive come l interazione tangibile, la facilità di visualizzare molto rapidamente variazioni sul modello come la dimensione, il colore o le texture, oppure effettuare valutazioni sull usabilità. L uso della realtà aumentata può portare alla standardizzazione della formazione dei dipendenti con l obiettivo di ridurnei costi e i tempi e consentire ai lavoratori di imparare al proprio ritmo. I dispositivi reali possono essere sottoposti ad un processo di realtà aumentata in grado di guidare l allievo attraverso i vari passi, evidenziare alcune parti specifiche dei dispositivi o richiamare parti e procedure che devono essere evitate, ad esempio perché pericolose. Diversi studi hanno già dimostrato risultati positivi quando si utilizza la realtà aumentata per guidare il processo di assemblaggio, fornendo prestazioni più veloci e più accurate. Sebbene questi studi siano stati condotti per prototipi di piccole dimensioni, i benefici di una maggiore accuratezza, meno errori e tempi ridotti raffigurano un futuro promettente per i progetti 15

17 1.6 Applicazioni Realtà Aumentata in scala più ampia. Inoltre, può essere utilizzata anche per il controllo finale dei prodotti. La manutenzione è il campo di ricerca dove la AR è più attiva; vi è infatti un gran numero di studi che hanno analizzato i vantaggi che si ottengono. Uno dei benefici è di diminuire i tempi di intervento, riducendo gli errori e rendendo le procedure più efficienti e sicure. Inoltre, grazie alla AR, è possibile la guida e la supervisione a distanza da parte di un esperto. Diversi prototipi AR sono già stati utilizzati per la manutenzione in diversi settori come l industria aerospaziale, la manipolazione a distanza, i sistemi fotovoltaici di pompaggio o l industria del trattamento dell acido, per citare alcuni esempi recenti. La grande maggioranza degli studi di ricerca è orientato allo sviluppo di prototipi mirati a risolvere un problema specifico. Tuttavia, l uso di AR in ambienti industriali richiede flessibilità quindi gli strumenti AR dovrebbero essere facilmente riutilizzabili per adattarsi a dispositivi e procedimenti diversi con poco sforzo. La soluzione a questo problema potrebbe essere la standardizzazione dei modelli e l implementazione di strumenti di produzione che consentano di creare le proprie applicazioni AR senza la necessità di implementarle a basso livello. Nonostante i vantaggi appena citati, non è ancora chiaro se per l industria i costi di implementazione della tecnologia sarebbero ammortizzati una volta in funzione, e questo può essere il principale ostacolo all utilizzo di queste tecnologie Istruzione Secondo M. Adams [3], la realtà aumentata è una delle dieci tecnologie emergenti più importanti per l umanità, soprattutto quando viene utilizzata in ambiti educativi. Le ragioni di tale asseverazione si basano sulle caratteristiche intrinseche della tecnologia, cioè il creare ambienti immersivi e interattivi. La combinazione di ambienti reali con oggetti virtuali crea una sensazione coinvolgente per l utente e l immersione in ambiente digitale migliora l istruzione. AR è anche una tecnologia altamente interattiva e questo la rende adatta per mettere in atto il concetto di imparare facendo. Le possibilità di interazione vanno da quella di base con oggetti virtuali (ad esempio, lo spostamento di modelli 3D, la riproduzione di video, il ridimensionamento degli oggetti, ecc.) alle funzionalità interattive complesse, come un tutor virtuale intelligente o l interazione tra oggetti fisici e virtuali. 16

18 1.6 Applicazioni Realtà Aumentata La realtà aumentata non è solo un mezzo per educare e formare le persone, ma anche per intrattenerle durante l acquisizione di nuove conoscenze; gli studenti di solito trovano l acquisizione di un concetto più interessante quando si usa questo tipo di sistemi. Ultimo ma non meno importante, la tecnologia AR ha una curva di apprendimento veloce, il che significa che gli utenti sono in grado di iniziare ad utilizzare le applicazioni con pochissimi preconcetti. Non esiste uno standard comune su come distribuire le applicazioni AR per l istruzione e la formazione. Tuttavia, ci sono alcuni approcci comuni che sono stati indicati da un gran numero di studi. Uno dei più utilizzati è quello di sfruttare la realtà aumentata per completare il contenuto di libri tramite modelli 3D, animazioni, video, pagine web, ecc. Partendo da uno dei primi libri AR, il noto MagicBook, dove gli utenti potevano immergersi in un mondo virtuale, i ricercatori hanno iniziato ad applicare tale tecnologia a libri riguardante ogni aspetto dell educazione. Nonostante il grande numero di studi di ricerca in questo campo, la diffusione di tale tecnologia è ancora limitata. Questo è dovuto al fatto che, siccome è una tecnologia emergente, le persone non sono abituate ad utilizzarla o addirittura non sanno che cosa sia. Un altro problema può essere, come detto in precedenza, che la maggior parte delle applicazioni sono sviluppate da programmatori senza le conoscenze pedagogiche appropriate Turismo L industria dei viaggi e del turismo è uno dei settori in più rapida crescita, contribuendo a più del 5% del PIL europeo. Il mercato del turismo si basa molto sulle informazioni e la tecnologia gioca un ruolo sempre più fondamentale nella valorizzazione dell esperienza. La realtà aumentata può essere utilizzata per accedere a informazioni su oggetti fisici on-the-go via browser mobili che forniscono informazioni attraverso annotazioni virtuali. Diventa così possibile sfogliare la storia della Grecia, del Muro di Berlino e di altri siti storici, nonché visualizzare le informazioni sul miglior ristorante nelle vicinanze. Un altra interessante applicazione può avvenire nelle istituzioni culturali per coinvolgere i visitatori e migliorare la loro esperienza attraverso l interattività. Ad esempio, la stazione binoculare digitale usata nel Canterbury Museum si basa su una stazione binoculare tradizionale, ma aggiunge uno strato interattivo, con contenuti digitali stereoscopici in 3D tra l utente e ciò che vede. Lo Stedelijk Museum di Amsterdam ha usato la realtà aumentata per installare opere d arte in un parco locale; il Royal Ontario Museum l ha utilizzata per aggiungere carne alle ossa dei dinosauri, mentre l Asian Art Museum ha recentemente presen- 17

19 1.6 Applicazioni Realtà Aumentata tato una nuova applicazione per la sua mostra sui guerrieri di terracotta. Esplorare nuovi luoghi è la motivazione più comune nel settore del turismo e quindi la navigazione è molto importante. La tecnologia AR può anche essere utilizzata per facilitare l accesso ai visitatori all interno di una meta turistica, mostrando frecce virtuali in tempo reale che indichino la direzione da seguire. Attualmente, ci sono molte applicazioni mobili disponibili che utilizzano la realtà aumentata; alcune si concentrano esclusivamente sui pedoni e altre sui guidatori. Inoltre, l industria automobilistica è interessata anche all integrazione tra la realtà aumentata e la macchina come mezzo per migliorare la sicurezza dei conducenti. Mercedes-Benz sta sviluppando un sistema In-Vehicle Infotainment basato sulla realtà aumentata per il suo sistema di navigazione in-car; avrà un display diviso a metà, al fine di ridurre al minimo la distrazione per il conducente, fornendo da una parte la navigazione e dall altra la traduzione delle informazioni utili (ad esempio cartelli stradali). Nonostante il crescente utilizzo della realtà aumentata in applicazioni mobili, ci sono diversi ostacoli che impediscono una più ampia adozione di questa tecnologia. Uno di questi è che molte applicazioni spesso richiedono la connessione ad Internet, il che può limitare notevolmente il loro impiego considerando l elevato costo del roaming dati (anche se questa limitazione sparirà all interno dell Unione Europea quando questo servizio sarà gratuito) Medicina e Sanità Lo sviluppo tecnologico nel settore ospedaliero ha largamente migliorato la qualità dei servizi sanitari e ne ha diminuito i costi, migliorando così anche la qualità della vita delle persone. La possibilità di utilizzare la realtà aumentata e la realtà virtuale in medicina è stata riconosciuta già alla fine del I vantaggi del suo utilizzo comprendono la possibilità di ottenere maggiore accuratezza e precisione con minori rischi, la possibilità di diagnosticare le condizioni del paziente durante l intervento chirurgico e di effettuare chirurgia guidata in meno tempo. Grazie alla visualizzazione 3D, la realtà aumentata può aiutare i medici ad effettuare interventi chirurgici meno invasivi, fornendo un immagine anatomica del punto su cui intervenire. La realtà aumentata si è dimostrata utile nei processi di rieducazione post ictus, ottenendo risultati promettenti, ad esempio con la creazione di un gioco musicale che aiuta la riabilitazione e lo sviluppo della coordinazione motoria dei pazienti. Un altro esempio interessante è il sistema proposto da Mousavi Hondori [4], il quale effettua la riabilitazione tracciando la mano del paziente 18

20 1.6 Applicazioni Realtà Aumentata e creando un interfaccia audio-video virtuale per la riabilitazione del polso, gomito, e movimenti della spalla. Questi sistemi possono essere utilizzati dai pazienti in autonomia e il terapeuta può seguire e modificare l esercizio da remoto analizzando le foto e i dati ricevuti in tempo reale. Nonostante i numerosi vantaggi di AR nel campo medico, alcuni problemi sono sorti, tra cui la visualizzazione non corretta dell interposizione tra oggetti reali e virtuali. Una sfida imposta dalla chirurgia è che la posizione degli organi e dei tessuti non possa essere stimata ma che il chirurgo debba conoscerla esattamente. Le proiezioni AR non corrispondono sempre alla realtà a causa della struttura dei tessuti del corpo umano e i minimi movimenti del paziente come la respirazione. Il tentativo più realistico di fornire dati in tempo reale è stato fatto da Konishia [5] integrando immagini ottenute tramite laparoscopia e ultrasuoni, cioè combinando immagini interne ed esterne del corpo umano Marketing Nel settore retail, la realtà aumentata può portare importanti benefici sia nell ambito on-line che off-line consentendo l interazione con oggetti virtuali e migliorando l esperienza di acquisto con funzionalità offerte da Internet. In particolare, ci sono molti vantaggi nell utilizzo nel settore della vendita al dettaglio: si possono ridurre i resi nei negozi di abbigliamento on-line attraverso l uso di camerini virtuali, essi consentono ai clienti di indossare i prodotti, sovrapponendo i vestiti all immagine video in tempo reale della loro webcam. Ad esempio, sia Bloomingdale che JC Penney hanno testato l uso di questi spogliatoi virtuali. Inoltre, il rivenditore di abbigliamento American Apparel, sta adottando la tecnologia AR con l obiettivo di portare l esperienza offline, utilizzando una particolare applicazione: nel negozio i clienti possono indossare virtualmente il prodotto in diversi colori e leggere recensioni di altri clienti che l hanno acquistato. Oltre all abbigliamento, la realtà aumentata permette ai clienti di provare un prodotto prima di acquistarlo attraverso l uso di un anteprima 3D, come nel caso dei Lego. Anche IKEA ha utilizzato la realtà aumentata per visualizzare il catalogo prodotti 2014 e fornire un anteprima virtuale dei mobili in una stanza. Inoltre può essere utilizzata per ottimizzare lo spazio magazzino con conseguente riduzione dei tempi necessari per elaborare gli ordini: proprio con questo obiettivo Vuzix e SAP hanno creato una partnership con l obiettivo di sviluppare applicazioni per la raccolta di oggetti in un magazzino. 19

21 1.6 Applicazioni Realtà Aumentata Con l aiuto della tecnologia AR, ulteriori informazioni possono essere visualizzate sui prodotti, con l obiettivo di arricchire l esperienza dello shopping, permettendo ai clienti di cercare offerte vicine e attirarli all interno di un negozio. Yihaodian, il più grande rivenditore e-commerce di cibo in Cina, lanciato nel 2012, ha 1000 negozi virtuali nei quali con una applicazione mobile AR consente ai clienti di fare acquisti in luoghi pubblici di tutto il paese. Un altra applicazione AR lanciata in Australia, chiamata TrackMy- Macca, permette ai clienti del McDonald di vedere di cosa è composto il loro pasto. La tecnologia AR può consentire un esperienza di commercio efficace consentendo una nuova forma di visualizzazione ed interazione. Ad esempio, Accenture ha sviluppato un app per i Google Glass che permette ai clienti di esplorare lo showroom Toyota e ricevere informazioni sulle auto nuove. Oppure Unilever, marchio globale di igiene e cura della persona, ha lanciato a Buenos Aires una campagna AR interattiva per promuovere uno dei loro prodotti. Nonostante l uso della realtà aumentata nel marketing sia in aumento, ci sono ancora diversi ostacoli che ne impediscono l adozione di massa. In particolare, solo una frazione di consumatori con accesso ad Internet ha una webcam e la maggior parte dei telefoni cellulari non sono in grado di sostenere attività di realtà aumentata complesse data la potenza di calcolo limitata. 20

22 Capitolo 2 Analisi e realizzazione 2.1 Analisi del problema Il problema affrontato è stato proposto da Telecom Italia e consiste nel fornire supporto agli operatori durante la manutenzione delle centrali telefoniche e di rete. L idea è di dotare ogni operatore di uno smartglass, il quale lo guiderà nei diversi passaggi dell intervento tecnico. Si è deciso di ideare una soluzione che consista nell indicare da quale porta il manutentore deve staccare il cavo di rete e a quale porta deve essere riattaccato, operazione molto comune quando si effettuano interventi tecnici in questo settore. Prima di iniziare con la progettazione è necessario analizzare l hardware da riconoscere, in questo caso l armadio di rete ed il suo contenuto, per capire quale sia il modo più adatto di affrontare il problema. Per effettuare la ricerca in questo settore e per la creazione di un prototipo funzionante, è stato preso come esempio un armadio di rete presente nel Dipartimento di Matematica e Informatica. L armadio è composto da tanti switch, contenenti porte RJ45, come si può vedere in figura 2.1. Il problema di riconoscimento fondamentalmente può essere diviso in tre parti: il riconoscimento dell armadio, dello switch e della porta. Una volta riconosciuti questi tre componenti si capisce su quali switch e relative porte porre il modello 3D che guiderà l operatore durante l intervento. Una volta riconosciute le porte sarà necessaria la creazione del modello tridimensionale di guida ed il posizionamento esatto sopra all oggetto fisico. Se il posizionamento non dovesse avvenire in modo preciso, potrebbero essere fornite indicazioni sbagliate all operatore. 21

23 2.1 Analisi del problema Analisi e realizzazione Figura 2.1: Armadio di rete 22

24 2.2 Metaio SDK Analisi e realizzazione 2.2 Metaio SDK Analizzando i prodotti presenti sul mercato, si è deciso di fare affidamento al SDK offerto dall azienda Metaio [12], spinti dal fatto che essa è considerata una delle migliori nel settore, poiché ha 12 anni di esperienza in questo campo ed il loro SDK è stato utilizzato recentemente in applicazioni molto importanti, come il catalogo Ikea, l applicazione Mitsubishi Enterprise MeVIEW AR, il manuale dell Audi A1 e più di 300 altre applicazioni disponibili tra AppStore e Google Play. È stata considerata la migliore e la più flessibile piattaforma di realtà aumentata (al Augmented World Expo), per i seguenti motivi. È l unico SDK che offre la capacità di riconoscere e fare tracking di quasi qualsiasi immagine, oggetto o ambiente del mondo reale. È l unico SDK che offre, oltre ad un riconoscimento di immagini clientbased, il sistema Metaio Continuous Visual Search (CVS). Esso consiste in un sistema di riconoscimento delle immagini nel cloud, che permette di creare un database contenente fino ad un milione di immagini, all interno del quale effettuare la ricerca del contenuto di realtà aumentata. È l unico SDK che per riconoscere gli oggetti tridimensionali utilizza due tecnologie, quella utilizzata dai concorrenti che consiste in un tracking tramite nuvola di punti tridimensionale, aggiungendo il suo meccanismo SLAM on-the-go. Quest ultimo consente di effettuare un riconoscimento dell oggetto, sul quale verrà realizzato il tracking, direttamente dal dispositivo, semplicemente muovendo il device, inclinato di 25 gradi, intorno all oggetto. È l unico SDK che consente lo sviluppo di applicazioni native su ios, Android e Windows. La struttura modulare del SDK permette di scrivere una sola volta l applicazione e distribuirla su più piattaforme (Android, ios, Windows). Consente di conservare i contenuti sia sul client che nel cloud e di recuperarli quando necessario. È dotato di un proprio motore di rendering, quindi non c è bisogno di cercare soluzioni esterne. Supporta i principali formati di oggetti 3D. 23

25 2.2 Metaio SDK Analisi e realizzazione Inoltre può essere utilizzato con tutte le sue principali funzionalità in modo gratuito, semplicemente all applicazione verrà aggiunta una filigrana con scritto Powered by Metaio e uno splash screen all avvio. Andando più nello specifico, è strutturato in forma modulare ed include i componenti di cattura, l interfaccia del sensore, il motore di rendering, il sistema di tracking e l interfaccia del SDK. L interfaccia fornisce interazione tra l applicazione e gli altri quattro componenti modulari, in questo modo i dettagli delle implementazioni sono incapsulati e lo sviluppatore non deve preoccuparsene. Il framework del SDK Metaio è illustrato nella figura 2.2. L installazione del SDK è molto semplice: prima di iniziare a sviluppare il progetto è però necessario registrarsi e comunicare l Application Identifier per ottenere la firma fornita da loro (Application Signature), la quale consente di utilizzare i componenti forniti da Metaio. Come Application Signature in Android viene utilizzato il package presente nel manifest, dato che esso per definizione deve essere univoco. L Application Identifier fornito è anche esso una stringa univoca, e nel caso venisse cambiato il nome al package è necessario richiederne una nuova. Sono forniti tantissimi esempi, semplici ma molto utili, che facilitano l apprendimento e guidano nei primi passi. 24

26 2.3 Riconoscimento delle Porte Analisi e realizzazione Figura 2.2: Schema Metaio SDK 2.3 Riconoscimento delle Porte Il primo problema affrontato è stato quello del riconoscimento delle porte RJ45 presenti sullo switch, in modo da identificare su quali di esse lavorare e comunicarlo all operatore. Si è cominciato identificando la singola porta (figura 2.3), per poter riconoscere le porte di qualunque switch, hub, router senza distinzione tra marca, modello e tipo di apparato. In questo modo l applicazione avrebbe dovuto riconoscere tutte le porte, effettuando il tracking di tutti gli elementi contemporaneamente. Riconoscendo la posizione di ogni porta in corrispondenza con le altre avrebbe segnalato le porte utili all operatore. Questa soluzione sarebbe stata possibile, 25

27 2.3 Riconoscimento delle Porte Analisi e realizzazione Figura 2.3: Porta RJ45 ma si e preferito non svilupparla oltre poiche si sarebbero utilizzati dispositivi mobili con ridotte capacita di calcolo. Un iphone 4, ad esempio, con il tracking di piu di tre oggetti ha smesso di funzionare. I nuovi dispositivi sono piu potenti ma cio nonostante uno switch in media e composto da 24 porte, troppe anche per la nuova generazione. Quindi l approccio implementato e stato quello di riconoscere l insieme delle porte (vedi figura 2.4). Figura 2.4: Porte RJ45 Le modalita di tracking offerte dal SDK si possono dividere fondamentalmente in due gruppi: riconoscimento di oggetti 2D (immagini); riconoscimento di oggetti 3D Riconoscimento oggetti 2D I primi test sono stati effettuati sul riconoscimento di immagini; gli esiti utilizzando il marker fornito da Metaio sono stati molto positivi (vedi figura 2.5), sia che esso fosse stampato in bianco e nero, sia a colori. Si e proseguito cambiando l immagine utilizzata come marker con una leggermente piu complessa da identificare: sono state utilizzate le lettere 26

28 2.3 Riconoscimento delle Porte Analisi e realizzazione Figura 2.5: Test riconoscimento oggetto 2D delle aule del dipartimento. In questo caso alcune delle lettere venivano confuse tra di loro, la F e la E, data la loro somiglianza. Il passo successivo è stato il tentativo di riconoscere l insieme delle porte RJ45, utilizzando come marker una fotografia di esse. I risultati riscontrati non sono stati positivi, nonostante i tentativi siano stati compiuti con più immagini a contrasto e luminosità diversi. Il marker veniva riconosciuto se le condizioni di orientamento della fotocamera, la luminosità ed il contrasto erano molto simili a quelle dell originale. Questo fattore però ha posto molti problemi e ha reso inutile questo tipo di tracking per i nostri scopi, dato che l armadio è composto da tanti switch, ognuno ad un altezza diversa; inoltre le condizioni di luminosità variano da armadio ad armadio già all interno della stessa stanza. Questo accade perché l algoritmo decide di segnare alcuni insiemi di punti dell immagine come fondamentali, per poi ricercarli negli oggetti inquadrati dalla telecamera, basandosi sul contrasto tra i singoli pixel e la capacità di individuarli in tempo reale. Il problema di utilizzare l insieme di porte come marker è che non rispetta le regole spiegate nel capitolo introduttivo, cioè non è asimmetrico e univoco. 27

29 2.3 Riconoscimento delle Porte Analisi e realizzazione Riconoscimento oggetti 3D La soluzione al problema, che ha portato al raggiungimento dell obiettivo, è stata di utilizzare il riconoscimento 3D; spinti dal fatto che il modello da riconoscere rispettasse tutta la casistica supportata da Metaio: fare il tracking o aggiungere componenti virtuali ad un oggetto rigido tridimensionale precedentemente conosciuto, da qualsiasi punto di vista su un ambiente tridimensionale; fare il tracking di oggetti diversi con identica struttura; aggiungere componenti virtuali ad un oggetto in un ambiente imprevedibile dove esso è in movimento e l illuminazione cambia, rendendo il tracking 2D impossibile. Inoltre non deve appartenere ai casi non supportati: fare il tracking di oggetti non rigidi, altamente deformabili o volti e persone; fare il tracking di pose diverse di oggetti simili; collocare eventuali marcatori nella scena per ottenere una scala dell ambiente. Metaio offre tre tipi di soluzioni a seconda del tipo di applicazione che si sta creando: inizializzazione da punti di vista predefiniti di diverse posizioni dell ambiente; inizializzazione in un contesto navigabile liberamente; inizializzazione in ambienti esterni geo-referenziabili; Offre inoltre tre tipi di tecnologie con le quali effettuare il tracking: CAD Model Tracking (SDK 5.0 e successivi); Pure Edge CAD Model Tracking (o Edge Based Tracking, SDK 6.0 e successivi); Hybrid CAD Model Tracking (SDK 6.0 e successivi). 28

30 2.3 Riconoscimento delle Porte Analisi e realizzazione Per decidere quale implementazione sviluppare bisogna decidere prima come inizializzare l applicazione (se si desidera che l utente scelga liberamente il punto di partenza o esso sia acquisito tramite GPS), e che tipo di tracking si desidera eseguire. Tutte queste opzioni utilizzano la stessa tecnologia, ma raccolgono dati diversi, hanno requisiti di sistema diversi e ognuno ha i propri punti di forza e proprietà. Per effettuare il tracking sfruttando una delle tre tecnologie appena elencate è necessaria la costruzione di due modelli tridimensionali. Un modello lineare composto soltanto dai bordi dell oggetto 3D utilizzato come marker. Questo modello serve al sistema per identificare la corretta posizione della telecamera cercando di allineare le linee del modello con i bordi dell oggetto identificato nell immagine. Un modello della superficie utilizzato per determinare la posizione tridimensionale dei punti caratteristici. In terzo luogo si richiede un file chiamato InitialPose, il quale specifica una stima iniziale approssimativa della posizione della telecamera e l orientamento del marker. Può essere utilizzata una configurazione DummyPose (di default), o un punto GPS di origine in uno scenario di tracking geo-localizzato. Inoltre una volta identificato il marker deve essere creato l oggetto tridimensionale da visualizzare. La scelta di quale tecnologia utilizzare per effettuare il tracking può essere complicata, per questo motivo è stato creato lo schema in figura 2.6. Figura 2.6: Schema Tracking Metaio 29

31 2.3 Riconoscimento delle Porte Analisi e realizzazione Modello CAD L opzione di tracking migliore dipende dal tipo di modello che si ha a disposizione o si desidera supportare: 2D, se il modello CAD è planare o quasi planare; 3D incompleto, se il modello CAD rappresenta solo parte della superficie che un utente può navigare; 3D completo, se il modello CAD rappresenta la totalità dell area dove si può fare tracking e sarà completamente visibile da tutti questi luoghi; silhouette 3D, se si dispone di una linea del modello 3D che rappresenta, completamente o in parte, una silhouette del vero e proprio modello 3D da una posizione specifica. Obiettivo del tracking Quando si utilizza un modello 3D completo è possibile decidere cosa sia più importante: robustezza, il tracking deve essere molto stabile, dovrebbe reinizializzare rapidamente, sostenere veloci movimenti della fotocamera e continuare anche se gran parte delle immagini sono occluse; precisione, il tracking non dovrebbe slittare o perdere precisione, anche se il modello si spostasse continuamente rispetto allo sfondo o l utente si allontanasse rispetto alla posizione iniziale di fotocamera. Bersaglio Per i modelli 3D incompleti o con l obiettivo di un tracking particolarmente robusto si può specificare quale dovrebbe essere il fuoco: estensibile, il modello serve solo a scopo di inizializzazione, ma non è il focus del tracking. Dopo l inizializzazione l utente dovrebbe poter muoversi molto senza dover necessariamente tenere l oggetto sullo schermo la maggior parte del tempo. Da utilizzare nel caso la robustezza sia preferibile alla precisione; modello centrato, il modello è sempre al centro del tracking. In questo caso la precisione è preferibile ed è limitata la navigazione intorno all oggetto. 30

32 2.3 Riconoscimento delle Porte Analisi e realizzazione Movimento del modello Per il tracking preciso su modelli 3D completi è possibile specificare quali movimenti sono previsti, da parte del modello, rispetto all ambiente: statico, l oggetto non dovrebbe mai muoversi o solo occasionalmente; dinamico, l oggetto dovrebbe spostarsi continuamente rispetto all ambiente, come una macchina su una piattaforma girevole o un oggetto fermo davanti ad uno schermo video. Creazione dei modelli 3D Per creare il modello lineare e quello della superficie, ed ottenere un buon riscontro, è importante seguire delle linee guida. Il termine polycount è definito come il numero totale di poligoni in un modello 3D, la cui unità di misura sono i triangoli. Un modello ad alta risoluzione, composto da numerosi di poligoni, è chiamato high-poly-model in contrasto con il low-poly-model. A volte queste categorie non si distinguono chiaramente, dipende dal dispositivo e l utilizzo dei modelli. Nel caso di applicazioni in tempo reale è consigliato utilizzare principalmente low-poly-model, i quali rendono più veloce e aumentano le prestazioni dell applicazione. Ogni volta che si progetta un modello 3D, è necessario utilizzare il minor numero di poligoni possibile, ma in quantità sufficiente a riconoscere il marker. Per essere più precisi sono riportati i risultati di un polycount-test eseguito su alcuni smartphone. Sono stati usati modelli con un polycount compreso tra e Questi modelli sono stati caricati in una applicazione AR e sono stati misurati i frame al secondo (Frame Per Second, FPS). Nella tabelle in figura 2.7 e 2.8 si possono vedere le performance misurate. La linea tratteggiata indica il framerate da rispettare: se un applicazione ha un rendimento minore di 20 essa funzionerà a scatti. Per avere un esecuzione in tempo reale è preferibile raggiungere un valore di 25 FPS. Quindi, ad esempio, per sapere quanti poligoni supporta l hardware di un Samsung S2 si osserva la tabella; è possibile caricare un modello con un massimo di poligoni e l applicazione funzionerà ancora a 20 FPS. Ora che il modello 3D è stato creato bisogna implementare la parte di tracking e visualizzare la guida per l operatore. È stato scelto di utilizzare il 31

33 2.3 Riconoscimento delle Porte Analisi e realizzazione Figura 2.7: Polycount Andoid [10] Figura 2.8: Polycount ios [10] 32

34 2.3 Riconoscimento delle Porte Analisi e realizzazione tracking ibrido, dato che questo metodo è il più avanzato ed è stato presentato con l ultima versione del SDK. Per effettuare il tracking bisogna creare il file TrackingConfiguration che è un file XML contenente i parametri di configurazione. 1 <HybridTracking> 2 <Execution>parallel</Execution> 3 4 <DrawFeatures>off</DrawFeatures> 5 6 <Mode>initialize_once</Mode> 7 8 <PreferredResult>feature</PreferredResult> 9 10 <NumDesiredInitialFeatures>350</NumDesiredInitialFeatures> <EBSRequiredModelVisibilityRatio>1.0</EBSRequiredModelVisibilityRatio> <EBSMapCreationRequiredModelVisibilityRatio>1.0</ EBSMapCreationRequiredModelVisibilityRatio> <LostLocalTrackingRestartThreshold>120</ LostLocalTrackingRestartThreshold> <ReprojectionErrorThreshold>10</ReprojectionErrorThreshold> 19 </HybridTracking> Come si può vedere da questa porzione del file, è stato scelto di utilizzare una configurazione parallela per sfruttare il multi threading, in modalità initialize once dato che è quella consigliata per modelli tridimensionali con profondità bassa. 33

35 2.3 Riconoscimento delle Porte Analisi e realizzazione 1 <TriangleMesh>SurfaceModel_150.obj</TriangleMesh> 2 <InitialPose>InitialPose.xml</InitialPose> 3 <AutoInit> 4 <PresetType>off</PresetType> 5 </AutoInit> 6 7 <EdgeAlignment> 8 <LineModel>LineModel_150.obj</LineModel> 9 <DebugRendering>off</DebugRendering> 10 <MinQuality>0.82</MinQuality> 11 <SearchRangeRelative>0.2</SearchRangeRelative> 12 <NumFeatures>500</NumFeatures> 13 <NumIterations>30</NumIterations> 14 <VisibilityTest> 15 <Enabled>false</Enabled> 16 <TestRate>0.1</TestRate> 17 <DepthBias>1.03</DepthBias> 18 </VisibilityTest> 19 <EdgeSampling>0</EdgeSampling> 20 <EdgeSamplingForScore>0</EdgeSamplingForScore> 21 <NumFeaturesForScore>0</NumFeaturesForScore> 22 <PoseOptimization>6</PoseOptimization> 23 <SearchRangeBounds> 24 <ImageSize min="0.05" max="0.4"/> 25 <Pixel min="5.0"/> 26 </SearchRangeBounds> 27 <SnappingMethod>point_magnitude_angle_based</SnappingMethod> 28 <MinNormalVisibilityRatio>0.8f</MinNormalVisibilityRatio> 29 </EdgeAlignment> Con TriangleMesh si indica il percorso del file da utilizzare come marker per il tracking: questo file è stato creato in precedenza seguendo le linee guide già illustrate, deve contenere solo vertici e triangoli. Invece con il LineModel si inserisce il percorso del file contenente il modello lineare del oggetto da ricercare: questo modello deve essere composto solo da vertici e linee. Sono stati manipolati i valori di inizializzazione per ridurre al minimo i falsi positivi e comunque riuscire a riconoscere l insieme delle porte. In ogni fotogramma l algoritmo cercherà di posizionare il modello in modo che esso sia allineato ai bordi osservati nell immagine. Successivamente la qualità di questo allineamento verrà valutata per determinare se esso è riuscito. Il valore MinQuality specifica il minimo tasso di allineamento medio consentito. Si tratta di un valore compreso tra 0 e 1 ed è il principale modo per regolare la precisione. I valori consigliati sono compresi tra 0.55 e 0.85 e dipendono dal modello utilizzato e dalle condizioni di illuminazione. 34

36 2.3 Riconoscimento delle Porte Analisi e realizzazione Modelli con bordi chiaramente rilevabili consentiranno di decidere una soglia elevata e un basso tasso di errore. Modelli con ripetizioni o inesattezze sono più difficili da riconoscere e richiedono una soglia più bassa, aumentando anche il rischio di false rilevazioni. Come si può vedere per questa applicazione la decisione è stata di utilizzare un valore elevato. La seconda regolazione utile a ridurre gli errori è la dimensione della zona da considerare nella ricerca del modello. Qua sono fornite due possibilità: la prima è di scegliere la lunghezza in millimetri, la seconda è di scegliere la lunghezza in percentuale rispetto alla lunghezza delle linee nel modello utilizzato. È stata percorsa la seconda strada impostando il valore nel campo SearchRangeRelative. La terza regolazione è il numero di tratti caratteristici da ricercare (NumFeatures); ovviamente più questo valore sarà alto più l applicazione consumerà risorse. Il valore preimpostato è 200, ma per eliminare ancora di più i falsi positivi è stato utilizzato un valore più alto che non diminuisse drasticamente il numero di FPS. Dopo aver creato il file con le impostazioni si può procedere con la creazione della classe che si occuperà del tracking dello switch, l idea è di creare una classe che eredita da un ARViewActivity in modo che basti lanciarla per effettuare il tracking e la visualizzazione della guida per l operatore. 1 public class EdgeBasedScan extends ARViewActivity { 2 3 private IGeometry mmodeltoshow = null; 4 private IGeometry mguidemodel = null; 5 private MetaioSDKCallbackHandler mcallbackhandler; 6 private ArrayList<String> instruccions; 7 9 public void oncreate(bundle savedinstancestate) 10 { 11 super.oncreate(savedinstancestate); 12 Bundle extras = getintent().getextras(); 13 if (extras!= null) { 14 instruccions = extras.getstringarraylist( SWITCH INSTRUCCIONS ); 15 } 16 mcallbackhandler = new MetaioSDKCallbackHandler(); 17 } 35

37 2.3 Riconoscimento delle Porte Analisi e realizzazione protected void loadcontents() { 5 if(!instruccions.isempty() ){ 6 mmodeltoshow = loadmodel(instruccions.remove(0)); 7 mguidemodel = loadmodel( Mio/quad24pAid 150.obj ); 8 if (mmodeltoshow!= null){ 9 mmodeltoshow.setcoordinatesystemid(1); 10 mmodeltoshow.setrotation(new Rotation(90, 0, 0)); 11 } 12 if (mguidemodel!= null) 13 mguidemodel.setcoordinatesystemid(2); 14 settrackingconfiguration( Mio/quad24p/Tracking2.xml ); 15 } 16 else { 17 finish(); 18 } 19 } private IGeometry loadmodel(final String path) 22 { 23 IGeometry geometry = null; 24 try 25 { 26 final File modelpath = AssetsManager.getAssetPathAsFile( getapplicationcontext(), path); 27 geometry = metaiosdk.creategeometry(modelpath); 28 MetaioDebug.log( Loaded geometry +modelpath); 29 } 30 catch (Exception e) 31 { 32 MetaioDebug.log(Log.ERROR, Error loading geometry: +e.getmessage()); 33 return geometry; 34 } 35 return geometry; 36 } 36

38 2.3 Riconoscimento delle Porte Analisi e realizzazione 1 2 private boolean settrackingconfiguration(final String path) 3 { 4 boolean result = false; 5 try 6 { 7 // set tracking configuration 8 final File xmlpath = AssetsManager.getAssetPathAsFile(getApplicationContext(), path); 9 result = metaiosdk.settrackingconfiguration(xmlpath); 10 MetaioDebug.log( Loaded tracking configuration +xmlpath); 11 } 12 catch (Exception e) 13 { 14 MetaioDebug.log(Log.ERROR, Error loading tracking configuration: + path + +e.getmessage()); 15 return result; 16 } 17 return result; 18 } public void onokbuttonclick(view v){ 23 if(!instruccions.isempty() ){ 24 Intent i = new Intent(getApplicationContext(), EdgeBasedScan.class); 25 i.putstringarraylistextra( SWITCH INSTRUCCIONS, instruccions); 26 finish(); 27 startactivity(i); 28 } 29 else { 30 Intent intentresult = new Intent(); 31 setresult(activity.result OK, intentresult); 32 finish(); 33 } 34 } 35 } Quando la classe viene creata sono recuperate le istruzioni da svolgere, in particolare quale file guida caricare una volta riconosciuto lo switch. I contenuti sono caricati, recuperando i modelli dai percorsi indicati e vengono creati degli oggetti della interfaccia IGeometry. Un oggetto viene impostato come guida per l inquadramento dell oggetto e l altro è settato come il modello da visualizzare dopo che l oggetto è stato riconosciuto, come ultima cosa si setta il file con le impostazioni. L utilizzo è molto semplice, lanciata l acti- 37

39 2.3 Riconoscimento delle Porte Analisi e realizzazione vity si attiva automaticamente la fotocamera tramite la quale inquadrare lo switch, guidati dal modello guida, e una volta riconosciuto viene visualizzato il modello con le indicazioni per l installazione (figura 2.9). Figura 2.9: Screenshot del momento nel quale lo switch e stato riconosciuto e viene visualizzata la guida per l operatore Sono stati aggiunti due bottoni, il primo serve per effettuare il reset dell interfaccia di tracking, in modo che nel caso venisse riconosciuto un falso positivo, e l operatore se ne accorgesse, si possa resettare. Il secondo bottone serve ad indicare un installazione avvenuta in modo corretto e chiude l activity Riconoscimento dello Switch Risolto il problema del riconoscimento delle porte rimane da affrontare il riconoscimento dello switch all interno dell armadio di rete. Si e pensato di impiegare la stessa tecnologia utilizzata per il riconoscimento delle porte, quindi la creazione di un modello tridimensionale dello switch ed il riconoscimento di esso. Non bisogna pero farsi prendere dall entusiasmo nell utilizzo di questa nuova tecnologia e ricordarsi di analizzare bene il problema. Questo approccio pero genera piu problemi che vantaggi ed e scomodo, bisognerebbe inquadrare l armadio di rete interamente in modo che la telecamera visualizzi tutti gli switch presenti e marchi quello su cui lavorare. 38

40 2.3 Riconoscimento delle Porte Analisi e realizzazione Dopo aver pensato a diverse possibilità è stato scelto di utilizzare la tecnologia del codice QR. Essa porta diversi vantaggi, oltre ad essere asimmetrica e facilmente riconoscibile, consente di salvare all interno fino a 4296 caratteri alfanumerici. In questo modo oltre ad inserire informazioni per riconoscere quale switch stiamo inquadrando, si potrebbe in futuro aggiungerne tantissime altre. Figura 2.10: QR code che identifica il primo switch L approccio consiste nel posizionare accanto ad ogni switch un QR Code contenente un identificativo dello switch. Esso potrebbe essere un codice alfanumerico univoco ricavato tramite un algoritmo in base al numero di switch e la posizione geografica. Metaio fornisce all interno del SDK un insieme di classi per la lettura dei codici QR, quindi non è necessario aggiungere altre librerie esterne. È stata creata una classe QRCodeScan ereditata da ARViewActivity, in modo che, anche in questo caso, per eseguire la lettura del codice QR basti lanciare l activity. 1 public class QRCodeScan extends ARViewActivity { 2 private MetaioSDKCallbackHandler mcallbackhandler; 3 private QRCodeScan mthis; 4 private AlertDialog malert; 39

41 2.3 Riconoscimento delle Porte Analisi e realizzazione 6 public void oncreate(bundle savedinstancestate) { 7 super.oncreate(savedinstancestate); 8 mcallbackhandler = new MetaioSDKCallbackHandler(); 9 metaiosdk.settrackingconfiguration( QRCODE ); 10 mthis = this; 11 malert = null; 12 } 13 final class MetaioSDKCallbackHandler extends IMetaioSDKCallback { 15 public void ontrackingevent(trackingvaluesvector trackingvalues) { 16 for (int i = 0; i < trackingvalues.size(); i++) { 17 final TrackingValues v = trackingvalues.get(i); 18 if (v.istrackingstate()) { 19 final String[] tokens = v.getadditionalvalues().split( :: ); 20 if (tokens[1].length()>0) { 21 runonuithread(new Runnable() { 23 public void run() { 24 if (malert == null) { 25 malert = new AlertDialog.Builder(mThis) 26.setTitle( Scanned QR Code ).setmessage(tokens[1]) 27.setPositiveButton( OK, new DialogInterface.OnClickListener() { 29 public void onclick(dialoginterface dialog, int which) { 30 Intent intentresult = new Intent(); 31 intentresult.putextra( SWITCH DETECTED, tokens[1]); 32 setresult(activity.result OK, intentresult); 33 finish(); 34 } }).setnegativebutton( Cancel, new DialogInterface. OnClickListener() { 36 public void onclick(dialoginterface dialog, int which) { 37 dialog.cancel(); 38 } }).create(); 39 } 40 if (!malert.isshowing()) { 41 malert.setmessage(tokens[1]); 42 malert.show(); 43 } 44 } 45 }); 46 } 47 } 48 } 49 } 50 } } 40

42 2.3 Riconoscimento delle Porte Analisi e realizzazione Una volta regolata la configurazione del tracking in modalita QRCODE, Metaio SDK si occupa della lettura (figura 2.11) e per utilizzare i dati letti bisogna semplicemente intercettare l evento. E stata aggiunta la possibilita di mostrare all utente il dato appena raccolto e chiedere conferma: in questo modo se per sbaglio viene inquadrato un QR code diverso da quello desiderato si puo effettuare nuovamente la lettura. Figura 2.11: Screenshot durante il riconoscimento del codice QR Se confermato, il valore letto viene inviato come risultato dell Activity alla classe che ha effettuato la chiamata. 41

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