"A computer terminal is not some clunky old

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1 "A computer terminal is not some clunky old television with a typewriter in front of it. It is an interface where the mind and body can connect with the universe and move bits of it about." Douglas Adams, Mostly Harmless

2 Che cos è la Realtà Virtuale? Il termine Realtà Virtuale nasce nel 1988, in un intervista a Jaron Lanier A Portrait of the Young Visionary. Lanier: La VR è una tecnologia usata per sintetizzare una realtà condivisa. Ricrea la nostra relazione con il mondo fisico in un nuovo piano. Non influisce sul mondo soggettivo e non ha niente a che fare direttamente con ciò che è nel cervello. Ha a che fare solo con cosa i nostri organi sensoriali percepiscono. Nella VR non c è bisogno di una singola metafora, come accade per il computer. Siamo abituati a cambiare contesto nella vita reale: è normale comportarsi diversamente in luoghi diversi.

3 Che cos è la Realtà Virtuale? La Realtà Virtuale (VR) è faticosamente definibile Dickelman: Un ambiente generato dal computer che simula la realtà in modo che i sensi lo possano percepire Withrow: Un interfaccia umano-computer in cui un computer crea un ambiente immersivo che risponde interattivamente ed è controllato dal comportamento dell utente umsebiz.com: Una simulazione informatica tridimensionale che risponde così realisticamente agli input da far sembrare di vivere in un altro mondo. Mavericks of the mind: Una tecnologia interattiva che controlla totalmente gli input sensoriali e crea la convincente illusione di essere completamente immersi in un mondo generato dal computer.

4 Che cos è la Realtà Virtuale? Alcune parole chiave: Dickelman: Un ambiente generato dal computer che simula la realtà in modo che i sensi lo possano percepire Withrow: Un interfaccia umano-computer in cui un computer crea un ambiente immersivo che risponde interattivamente ed è controllato dal comportamento dell utente umsebiz.com: Una simulazione informatica tridimensionale che risponde così realisticamente agli input da far sembrare di vivere in un altro mondo. Mavericks of the mind: Una tecnologia interattiva che controlla totalmente gli input sensoriali e crea la convincente illusione di essere completamente immersi in un mondo generato dal computer.

5 Che cos è la Realtà Virtuale? Ambiente Computer Sensi Utente Simulazione Interazione Immersione Presenza

6 Che cos è la Realtà Virtuale? Definizioni: Presenza: La sensazione mentale di essere in uno spazio virtuale (non necessariamente sintetico applicabile anche a libri e film). Dà una misura del COINVOLGIMENTO dell utente. Immersività: Il calarsi completamente nel mondo virtuale, a livello sensoriale, tramite interfacce. Dà una misura della PERCEZIONE del mondo virtuale come esistente. Interazione: La possibilità dell utente di modificare l ambiente e, da parte dell ambiente, di rispondere alle azioni dell utente. Dà una misura del REALISMO della simulazione. Introduce requisiti stringenti sul tempo reale.

7 Che cos è la Realtà Virtuale? lcuni tipi di realtà virtuale: R testuale: uò essere anche fortemente nterattiva, ma non immersiva es. RPG, MUD etc.) R desktop: terazione variabile, mmersività di solito scarsa R immersiva: orte sensazione di immersività, interazione dipende fortemente alla complessità dell ambiente

8 Realtà Virtuale Testuale Gli ambienti della Text-based VR sono rappresentati tramite descrizioni testuali e non grafiche. Sono comunemente noti come MUD (Multi User Dungeons) e MOO (MUD Object Oriented). Per quanto nati come gioco, molti MUD e MOO sono oggi usati a fini educativi per due motivi fondamentali: - La creazione del contesto di comunità (permette l esplorazione di codici sociali, dinamiche di gruppo etc.) - L incoraggiamento a lettura e scrittura Svantaggi: la mancanza di feedback sensoriale li rende spesso incompleti per alcuni fini educativi.

9 Realtà Virtuale Desktop Poiché le installazioni di VR sono molto costose, spesso si usa il termine VR in senso più vasto includendo sistemi da scrivania. Solitamente le interfacce utilizzate sono limitate (perlopiù mouse, joystick e tastiera) e questo limita la complessità dell interazione che, addirittura, può essere quasi nulla. I risultati sono a volte simulazioni quasi passive di dettaglio limitato. Per quanto limitate, queste installazione costituiscono per molte persone l unico accesso realisticamente possibile per applicazioni di VR.

10 Realtà Virtuale Immersiva E la Realtà Virtuale propriamente detta, in cui tutte le componenti (Presenza, Immersività e Interazione) sono presenti, anche se in quantità variabile. Alcune caratteristiche comunemente disponibili: - Prospettiva legata ai movimenti della testa - Visione stereoscopica - Ambiente virtuale realizzato con proprietà e scala realistiche - Interazione realistica con l ambiente tramite interfacce per la manipolazione, operazione controllo - Eventuale ritorno auditivo, aptico, e motorio - Possibilità di condivisione dell ambiente

11 Che cosa NON è la Realtà Virtuale? La RV NON è la realtà. È in effetti una connessione simulata che viene proposta al posto di una connessione reale tra utenti ed eventi reali. E però vero che la realtà che comunemente sperimentiamo è sempre mediata dal cervello e dal nostro sistema sensoriale. Loomis (1992) distingue tra mondo fisico e fenomenico. Il risultato della mediazione con il mondo fisico è il mondo fenomenico, che è una costruzione dei nostri sensi e che è tutto ciò di cui siamo consci. La nostra coscienza del mondo fisico è dunque indiretta. Non è detto che, in futuro, la Realtà Virtuale non possa essere percepita come realtà alternativa. And what exactly is a dream? And what exactly is a joke? (Syd Barrett/Pink Floyd, Jugband Blues)

12 Che cosa NON è la Realtà Virtuale? La RV NON mira a ricostruire la realtà. Mira piuttosto a convincere un utente di essere nella realtà, affinchè possa svolgere con naturalezza il compito (task) che gli è stato assegnato. L utente deve pensare che il mondo fenomenico (virtuale) in cui è immerso mantiene le aspettative di un mondo reale. La realtà diventa una proprietà del mondo fenomenico. Il fattore umano diventa un metro di giudizio indispensabile.

13 Che cosa NON è la Realtà Virtuale? La RV NON simula la realtà. Comunemente la RV simula alcuni aspetti della realtà, quelli più legati al particolare microcosmo relativo al task da svolgere. Le pesanti esigenze in termini di tempo di calcolo e potenza computazionale, si risolvono solitamente in un approssimazione di molte delle caratteristiche dell AV rispetto al mondo reale. L efficacia e il realismo della simulazione vanno validate con l ausilio di metriche che ne giudicano l aderenza al corrispondente reale, ma solo nel contesto del task.

14 Realtà Virtuale e Realtà Reale Neo, I imagine you know something about Virtual Reality. Essentially, it's a hardware system that uses an apparatus to ake you feel that you are in a computer program. If the VR apparatus controlled all of your senses, would you be le to tell the difference between the virtual world and the real orld? You might not, no. No, you wouldn't. [The Matrix - WACHOSKI 1999] - A show. Then who am I? - You're the star. - Nothing was real. - Nothing was real. That's what made you so good to watch. [The Truman Show NICCOL 1998]

15 Realtà Virtuale: il passato

16 Da a dove nasce la VR? Nel 1956 Morton Heiling inventò un attrazione chiamata SENSORAMA, una sorta di simulatore passivo di motociclo. Il sedile e il manubrio potevano vibrare e lo schermo visualizzava un filmato stereoscopico realizzato nel traffico di Manhattan. Anche il vento era replicato, ad una velocità proporzionale a quella del proprio movimento. Perfino gli odori dei gas di scarico venivano presentati nei momenti appropriati.

17 Da a dove nasce la VR? Al costo di 25 cents, Sensorama offre impressioni multiensoriali di un giro in moto di 10 minuti per New York Dal momento che l esperienza non era interattiva, non si può ancora parlare di Realtà Virtuale. Il Sensorama non fu un gran successo ( Era forse troppo rivoluzionario per i suoi tempi ).

18 Il l primo HMD Nel 1969, all Università dello UTAH, Ivan Sutherland, il padre della computer grafica, implementò un HMD stereoscopico. Le immagini erano proiettate due minuscoli monitor, uno per occhio, montati su un dispositivo sospeso al soffitto e fissato alla testa dell utente I movimenti della testa erano rilevati dal dispositivo e inviati al computer che generava la corretta prospettiva.

19 Il l primo HMD Il progetto fu denominato "La spada di Damocle", dal momento che sopra il casco vi era un così alto numero di tubi, fili ed attrezzature varie. Inizialmente, il sistema utilizzava una telecamera per mostrare immagini nei due display ottici. Poco dopo venne modificato per mostrare il primo vero mondo virtuale: l utente poteva osservare un cubo in wireframe e, muovendo la testa, vedere i vari lati dell oggetto. Parallelamente nacque il BOOM, un binocolo con due schermi, montato su un braccio meccanico per il tracking.

20 La a nascita dell interazione Lo stesso Sutherland si era laureato nel 1962 a Stanford presentando il sistema Sketchpad, un sistema grafico con il quale l utente poteva interagire mediante una penna ottica. L'idea era ricavata dall'osservazione del naturale gesto di disegno e quindi dalla necessità di sfruttare il gesto spontaneo del disegnatore con uno strumento molto leggero e flessibile, che si avvicinasse molto alla penna che era per il normale strumento di disegno. Inoltre il Sketchpad permetteva la gestione parametrica delle entità di disegno perchè aveva individuato in questa potenzialità una delle peculiarità più promettenti della computer grafica.

21 La a realtà artificiale C erano ormai abbastanza elementi per definire una nuova entità. Nel 1970 Myron Kreuger coniò il termine Realtà Artificiale. La realtà artificiale consiste nella partecipazione, con tutto il corpo, agli eventi del computer, così convincente da farli accettare come una esperienza reale La promessa della realtà artificiale NON è quella di riprodurre la realtà convenzionale, ma l opportunità di creare realtà SINTETICHE per le quali non ci sono precedenti reali.

22 Il l force-feedback feedback Nel 1976 P.J. Kilpatrick, alla UNC, connesse un manipolatore per teleoperazione ad un semplice ambiente grafico 3d. L ambiente consisteva in un tavolo ed un oggetto posto di esso, oltre alla replica grafica del manipolatore. Se l utente provava a portare la replica grafica del manipolatore oltre il tavolo, il manipolatore fisico si bloccava impedendo il movimento. Se l utente afferrava l oggetto, ne sentiva il peso quando lo sollevava. In questo caso il manipolatore impediva di chiudere le dita, dando la sensazione di aver afferrato l oggetto.

23 Grafica 3D Nel 1977 il MIT realizzò l Aspen Movie Map, una simulazione virtuale della città di Aspen, Colorado. CLIP Gli utenti potevano esplorare la città in tre modalità: inverno, estate, poligoni. I primi due erano basati su foto (i ricercatori fotografarono ogni possibile movimento nelle strade della città durante le due stagioni) mentre la terza era un modello 3D. La tecnologia usata era il videodisc, che permetteva un accesso non sequenziale alle immagini in modo da poter selezionare quella corretta a seconda del punto di vista.

24 Sensori Nel 1979 inventò Polhemus 3SPACE, un sistema di sensori per rilevare la posizione e l orientamento assoluti di punti nello spazio. Inizialmente concepito per essere usato insieme ad un HMD, tale sensore verrà usato anche per molti altri utilizzi. Il Polhemus era lontano dall essere perfetto e soffriva la presenza di strutture metalliche. Ciò nonostante permetteva di sostituire complessi dispositivi meccanici per la rilevazione dei 6 DOF necessari nelle applicazioni di VR.

25 Interfacce avanzate Nel 1984 la NASA perfezionò un HMD usato come cockpit virtuale (creato nel 66) riducendone il costo da $1M a $20K. All HMD fu affiancato un sensore Polhemus a 6-DOF per determinare posizione e orientazione dell utente, e dei guanti (datagloves) che rilevavano la postura delle mani. Anche sui polsi furono inseriti dei sensori 6-DOF, in modo che l utente potesse selezionare e manipolare gli oggetti virtuali. Infine la VPL (di Jaron Lernier) integrò questo sistema con una workstation Silicon Graphics per generare ambienti grafici dettagliati e realistici.

26 Il Cyberspazio Da tempo la fantascienza aveva intuito le potenzialità degli strumenti della VR. Ma la VR non era ancora nata Uno dei padri morali della VR è considerato Philip K. Dick, con UBIK (1969). La VR è creata direttamente con stimolazioni sensoriali su corpi in animazione sospesa (cosa ci ricorda?). Nel 1984 Gibson scrive Neuromancer e introduce il Cyberspace, l insieme delle informazioni di una rete di computer. Oggi comunemente si definisce Cyberspazio il VE che Internet crea con tutti i servizi e le informazioni da esso fornite.

27 Finalmente, la Realtà Virtuale Con la fondazione della VPL da parte di Jaron Lernier (1984), la VR diventa una realtà commerciale: sistemi in cui vengono integrate le tecnologie descritte in precedenza (guanti e tuta sensorizzata, HMD, grafica 3d), possono essere venduti a prezzi abbordabili. Virtual Reality is conceived of as an expansion of reality, the provision of alternate realities for people in mass in which to share experiences, and so the types of metaphors that come up are things like cars, travel, different countries, different cultures. For instance, you might very well have a virtual car that you ride around even though physically you're in one place. It would go through different territories in Virtual Reality so that you could get around them - or transporter booths, perhaps. So you could have geographical metaphors. There might very well evolve a new geography, let's say - a fictitious planet with new continents that you can dive into to find new realities. Nel 1989, come detto, lo stesso Lanier in un intervista ( individua un nome per In the early Virtual Realities you'll only be able to see the Virtual Reality when you're in it. Later, there will be more sophisticated questo ones where you can blend set Virtual di objects tecnologie and physical objects so that you e can live per in a mixed l esperienza reality for a while and be able to see ad esse connessa: your physical environment as if you were wearing sunglasses but also have nonphysical objects mixed in it. That will be a later stage. We're already developing technology to do that but it's an order of magnitude more complex to pull off. nasce la Realtà Virtuale. In Virtual Reality any tool is possible and there will be some wonderful tools. In Virtual Reality your memory can be externalized. Because your experience is computer-generated, you can simply save it, and so you can play back your old experience anytime from your own perspective. Given that, you can organize your experience and use your experience, use your externalized memory in itself, as the basis for what you would call The Finder in the Macintosh. That will be quite a different thing. You can keep whole universes in your pocket or behind your ear and pull them out and look through them any time.

28 Realtà Virtuale: il presente

29 Quando è utile la Realtà Virtuale? Permette di lavorare in un Ambiente Virtuale quando lavorare nella controparte fisica è: -Troppo costoso -Impraticabile / impossibile -Pericoloso Permette di esplorare le relazioni spaziali, anche su scale fisicamente impraticabili nella realtà (dalla modellazione molecolare alla simulazione astronomica).

30 Applicazioni: architettura Fare in modo che gli utenti possano esplorare in tempo reale una scena 3D che rappresenta un ambiente architettonico. Valutare gli spazi, l illuminazione, i materiali, l acustica. Usare la VR come tool di modellazione per analizzare gli spazi dall interno e valutare differenti scelte di progetto.

31 Applicazioni: arte Ricostruire opere d arte o ambienti artistici che il tempo ha deteriorato o distrutto per permetterne la conservazione. Permettere l accesso del pubblico a monumenti che non possono normalmente essere visitati. Fornire assistenza per azioni di restauro. La VR stessa può essere usata per creare opere d arte.

32 Applicazioni: didattica E possibile apprendere nuovi concetti in maniera interattiva, cosa che facilita l apprendimento e lo rende più efficace. La VR è una tecnologia di grande impatto ed è dunque per sua natura più stimolante e coinvolgente Costituisce uno strumento di supporto per gli insegnanti. L insegnamento a distanza è realisticamente realizzabile

33 Applicazioni: addestramento Tramite l uso di simulatori la VR consente di addestrare personale per ridurre i rischi dovuti all addestramento reale svolto in condizioni pericolose (soldati, piloti, chirurghi etc.) Permette di simulare condizioni di rischio non riproducibili nella realtà. Riduce i costi potendo simulare più piattaforme diverse con poche modifiche.

34 Applicazioni: medicina E possibile simulare un operazione chirurgica non solo a fini d addestramento, ma anche per pianificare un operazione reale sulla base dei dati fisicamente rilevati sul paziente. Oltre che per la chirurgia, è possibile addestrare i medici sulla palpazione dei tessuti, l inserzione di aghi, etc. E uno strumento utilissimo per la riabilitazione e per trattare particolari sindromi di fobia e panico.

35 Applicazioni: industria La modellazione CAD evolve in Virtual Prototyping. La VP consente di ridurre i costi di dei prototipi facendo eseguire verifiche in sede virtuale prima della costruzione fisica. Consente inoltre progettazione e verifica collaborativa. E possibile simulare i process e linee produttive e individuarne tempestivamente i possibili problemi. VR come strumento di marketing per presentazioni.

36 Applicazioni: entertainment Uno dei più redditizi campi applicativi è l intrattenimento. L industria videoludica ha dato un enorme spinta tecnologica che ha prodotto aumenti di performance e riduzione dei costi. I simulatori, oltre che utili per il training, sono strument di intrattenimento molto attraenti. La VR e il suo indotto (CG etc.) sono efficaci mezzi e affascinanti temi per il cinema.

37 VR R e Videogiochi: realtà simulata

38 VR R e Cinema RIVELAZIONI (1995, Barry Levinson) CLIP

39 VR R e Cinema NIRVANA (1997, Gabriele Salvatores) CLIP

40 VR R e Cinema IL TREDICESIMO piano (1999, Josef Rusnak) CLIP

41 VR R e Cinema MATRIX (1999, Wachoski Bros.) CLIP

42 Realtà Virtuale: il futuro

43 Perché la VR non è di massa? Problemi di sicurezza: A volte la VR fa paura per le interfacce coinvolte e per la sua invasività. Inoltre usi prolungati di alcuni dispositivi possono affaticare e provocare nausea e irritabilità. Costi dell hardware: La VR richiede componenti costosi e delicati, non alla portata di tutti. Componenti di interfaccia: Risoluzione, complessità, velocità, ingombri: hw da migliorare ulteriormente

44 Perché la VR non è di massa? E più difficile ingannare i sensi: I primi dischi e film erano percepiti come realistici. Oggi siamo più smaliziati e notiamo ogni incoerenza con la realtà. Coinvolgimento non totale: Per quanto i maggiori sensi siano stimolati, alcuni stimoli sono ancora insufficienti o inesistenti (FF su tutto il corpo, ritorno tattile, olfatto, gusto).

45 Perché la VR non è di massa? monoutente: entre il cinema e la televisione possono essere fruiti da più utenti, la VR è onoutente (o quasi). Gli AV collaborativi stanno però cambiando questa endenza. copi: onostante le tante applicazioni, spesso non è ancora ben chiaro dove e ome inserire la VR nella nostra vita e come usarla proficuamente.

46 Sfide per il futuro Naturalezza dell interazione: Piena e corretta interpretazione delle azioni: sensori, speech recognition Realismo delle rappresentazioni: Ritorno realistico su tutti i canali sensoriali e motori. In particolare affrontare le problematiche di: - Tatto: utilizzo di interfacce indossabili che forniscano sensazioni tattili - Movimento: interfacce per la locomozione - Olfatto: analizzatore e sintetizzatore olfattivo (problemi: tempi di evacuazione) - Stimolazione nervosa diretta. Eccitante ma disturbante (soppressione dell io?)

47 Marcello Carrozzino PERCRO Scuola Superiore Sant Anna, Pisa IMT Lucca Home page del corso: percro.sssup.it/didattica