La Realtà Virtuale al Servizio dell'ingegnere G. Monno 1, F. Persiani 2, A. E. Uva 1, A. Liverani 2 1 Dipartimento di Progettazione e Produzione Industriale - Politecnico di Bari - Bari, Italy 2 DIEM - Università di Bologna, v.le Risorgimento, 2, 40136 Bologna Italy Abstract La Realtà Virtuale (VR), con i suoi 'Immersive Environments', offre un potentissimo strumento di progettazione, e aggiunge potenzialità impossibili ai più evoluti strumenti tradizionali (CAD, CAM, CAE). In questo articolo si descrivono i progressi raggiunti nella realizzazione di questa tecnologia, lo stato dell'arte, e il modo nuovo di progettare un prodotto dalla sua ideazione fino all'assemblaggio e manutenzione. Il progettista si avvale finalmente di una visualizzazione stereografica tridimensionale e di una interfaccia intuitiva ed efficace. L'interazione uomo-calcolatore viene radicalmente migliorata, schiudendo scenari descritti in passato solo dalla letteratura fantascientifica. Nel lavoro vengono analizzati prima gli attuali livelli di utilizzo della VR. Successivamente sono evidenziati gli strumenti hardware e software a disposizione dell'ingegnere. Infine vengono presentate a titolo esemplificativo due applicazioni VR realizzate dagli autori meglio dettagliate in specifici lavori: un applicativo di disegno 3D immersivo e un applicativo di progettazione con analisi agli elementi finiti. 1. INTRODUZIONE Il termine 'Virtual Reality', fu coniato da Jaron Lanier, fondatore della VPL Research(1989). Ben più recenti, ma analoghi, i termini 'Synthetic Reality', 'Cyberspace', 'Virtual World' e 'Virtual Environments'. La Realtà Virtuale nasce come naturale evoluzione della Computer Graphics and Animation, dalla quale mutua le tecniche di rappresentazione a video dei modelli 3D matematici che possiamo ritrovare anche nei sistemi CAE dell ultima generazione. La tecnica di rappresentazione grafica a video, detta correntemente rendering ha trasformato in pochi anni il calcolatore da un terminale a caratteri in uno strumento di visualizzazione estremamente raffinato, consentendo di mostrare su periferiche bidimensionali scenari variegati o assemblaggi complessi. Nella Realtà Virtuale troviamo, come in tutti gli ambienti di grafica tridimensionale, i concetti fondamentali dello scenario, del punto di vista dell osservatore e dello spazio visibile (concetti che vedremo in modo più approfondito in seguito). Ma la sostanziale caratteristica della VR sta nella possibilità di eseguire in tempo reale le operazione di rendering, ovvero di realizzare un flusso di immagini ad una velocità tale che l occhio umano percepisca una vera animazione e tale animazione non sia prodotta in tempi precedenti, ma direttamente nel momento in cui viene richiesta. La differenza appena citata costituisce un divario considerevole, sia sul piano concettuale, sia su quello tecnico rispetto alle più raffinate animazioni, come quelle prodotte per gli effetti speciali dei film.
Dal punto di vista concettuale, la VR offre la possibilità di collegare all elaboratore periferiche che possano rilevare la posizione nello spazio dell osservatore reale e sincronizzare tale posizione con il punto di vista virtuale nell ambiente sintetico: si ottiene pertanto il calcolo istantaneo della scena visibile e quindi la sovrapposizione della visione dell osservatore reale e la proiezione bidimensionale della porzione di scenario virtuale visibile (Fig. 1). Piano di proiezione Scenario Piramide visibile (Frustum) Fig. 1.: Lo scenario virtuale proiettato secondo il punto di vista dell osservatore. Sul piano tecnico la Realtà Virtuale deve invece rinunciare ai più raffinati metodi di rappresentazione fotorealistica, come il ray-tracing, che sono in grado di dare alla scena un livello molto alto di realismo, per poter garantire la velocità sufficiente al calcolo istantaneo della proiezione dello scenario. Per calcolo istantaneo intendiamo un flusso di immagini tale che l occhio umano non possa distinguere il passaggio tra ciascuna e quella successiva. Si è calcolato infatti che la soglia oltre la quale l uomo mediamente non riesce a percepire una sequenza di immagini come singole figure statiche è attorno ai 20 frame per secondo (fps). E chiaro, a questo punto, che la potenza del calcolatore è uno dei punti fondamentali per il funzionamento di un qualsiasi ambiente di Realtà Virtuale, non solo per quanto riguarda la parte di elaborazione grafica (scheda grafica), ma anche nella parte dell unità centrale di elaborazione (CPU). Ma non tutte le applicazioni di Realtà Virtuale hanno le medesime esigenze in termini di potenza di calcolo e possibilità di visualizzazione. Sulla strada dell utilizzo di particolari sistemi di cattura della posizione in tre dimensioni, anche le mani dell osservatore possono essere ricostruite nell ambiente virtuale e spostate in tempo reale, contemporaneamente al punto di vista. Potrà quindi essere attivata la possibilità di collisione nell ambiente virtuale tra gli arti dell osservatore e gli oggetti presenti nello scenario. Il livello d interazione tra uomo e macchina cresce notevolmente lasciando, abbandonando quasi completamente le note interfacce di tipo bidimensionale, basate sul mouse e i menu a tendina.
Fig. 2.: Interazione Uomo-Macchina mediante tracciatori tridimensionali. Nata in ambiti di ricerca pura, la VR ha subito dimostrato le sue forti potenzialità, rivelandosi utile nei settori più disparati: il design industriale, medicina, architettura, marketing, addestramento, divertimento, etc. Inspiegabilmente la progettazione assistita dal calcolatore è stata uno degli ultimi settori ad essere investito da questa rivoluzione tecnologica. Infatti, la progettazione in ambito virtuale promette di seguire con continuità la creazione di un prodotto. Nel disegno, grazie ai nuovi strumenti di input e output la fase acquista nuovi gradi di libertà e allo stesso tempo una semplicità e naturalezza di uso mai raggiunta (è possibile, ad esempio, con una mano selezionare una superficie, e con l'altra effettuare un operazione di editing). L' ingegnerizzazione del prodotto trae vantaggio dalla visualizzazione immediata e dalla possibilità di gestire in tempo reale grandi quantità di dati. Il prodotto può essere realizzato in prototipazione virtuale (virtual prototyping) come se fosse reale, evitando i tempi e i costi della realizzazione del prototipo. E possibile con la VR eseguire operazioni di assemblaggio virtuale (virtual assembling) di componenti. L'industria automobilistica utilizza gli ambienti virtuali per valutare l'abitabilità e l'ergonomia degli interni. Nei successivi paragrafi analizzeremo i livelli di utilizzo della VR nei campi ingegnerisitici, gli strumenti hardware e software dedicati alla VR, ed infine forniremo a titolo di esempio due applicazioni nel campo dell'ingegneria Meccanica della VR. 2. LA REALTA VIRTUALE: LIVELLI DI UTILIZZO In base al tipo si utilizzo e all'interfaccia dell'utente possiamo fare una prima macroscopica classificazione delle applicazioni di VR secondo il livello d interazione che esse richiedono o che il progettista dell ambiente stesso intende utilizzare. 2.1. Walk Through Il livello più semplice di Realtà Virtuale consiste nella visualizzazione dello scenario facendo soltanto uso di un sistema di tracciamento della posizione del capo dell osservatore o,
ancora più semplicemente, utilizzando il mouse come manopola che l osservatore impiega per muoversi nella passeggiata virtuale. Proprio quest ultima soluzione, pur nella sua limitatezza, ha reso possibile l affermazione di questa tecnologia al larghissimo pubblico, comprendendo quegli utilizzatori che non dispongono di sistemi di tracking dal costo a volte non abbordabile o caschi per la visualizzazione. Per queste ragioni in tempi rapidissimi, grazie anche alla celere evoluzione delle schede grafiche con funzioni tridimensionali implementate in hardware, il World Wide Web ha fatto propria questa tecnologia, elaborando contemporaneamente un linguaggio descrittivo dello scenario molto efficace e adatto al trasferimento su linee dati non particolarmente veloci: il VRML. Pur non reggendo assolutamente il confronto con i ben più raffinati database dei migliori sistemi CAD attualmente sul mercato, il VRML è in grado di descrivere dettagliatamente, mediante una poligonalizzazione ottimizzata, scenari anche molto complessi con velocità di rendering apprezzabili anche su calcolatori dalla potenza limitata. Nell immagine in Fig. 3 è possibile vedere uno dei più noti visualizzatori di scenari, Cosmo Player, realizzato dalla stessa casa, Silicon Graphics, che ha sviluppato il VRML. Com è facile notare, l osservatore può scegliere tra vari comandi di navigazione che comprendono lo spostamento sul piano (walk), la rotazione totale dello scenario (rotation), l analisi dello scenario dall alto (fly), ma non ha alcun mezzo per modificare il mondo virtuale nel quale si muove. Fig. 3.: Esempio di visualizzatore per Internet, Cosmo Player. La possibilità di navigare, ovvero di muoversi nell ambiente virtuale, ha sviluppato in modo estremamente veloce anche il settore dell architettura. In pochi anni si è passati prima dagli schizzi su carta all utilizzo del calcolatore per creare animazioni e visualizzazioni statiche del modello tridimensionale, e poi alla navigazione in tempo reale all esterno e
all interno del complesso architetturale nella sua forma di progetto finale (comprese texture per un maggiore realismo). Si è data così la possibilità al cliente-osservatore di valutare interattivamente a video o nel casco per la VR il risultato definitivo, senza che un solo mattone sia stato posato. Nell ambito dell ingegneria meccanica si è affermata l opportunità di valutare gli assemblaggi a distanza e in modo collaborativo attraverso la rete Internet, condividendo anche le librerie di parti già modellate in 3D. Il progettista è in grado di consultare tramite browser (tipo Netscape Navigator o Microsoft Internet Explorer) una gran quantità di parti in formato poligonale VRML, scegliere quella più idonea e infine richiedere il modello CAD effettivo. 2.2. Spostamento degli Oggetti (I livello di interazione) Fino ad ora è stato preso in considerazione un sistema di visualizzazione avanzato che può essere considerato l anticamera della Realtà Virtuale vera e propria. Infatti negli esempi fatti finora non vi alcun modo da parte dell osservatore di modificare interattivamente, ovvero durante la sessione di lavoro, gli oggetti presenti nello scenario virtuale. Ma se non vi fosse la possibilità di interagire con il mondo virtuale ad un livello più elevato non saremmo in grado di applicare questa tecnologia agli scopi dell ingegneria, lasciandola soltanto appannaggio dei migliori pacchetti per l entertainment. Per realizzare un livello superiore di interazione, il software deve essere in grado di calcolare in modo trasparente all utente e in tempo reale alcune relazioni fondamentali tra gli oggetti dell ambiente, come ad esempio la distanza tra i baricentri o l entrata in collisione delle superfici esterne di due oggetti. Tale tecnica, denominata comunemente collision detection, permette ad esempio di impedire durante la sessione di navigazione all operatore di attraversare un muro nell ambiente virtuale, ma passare soltanto attraverso i varchi delle porte. Dotando l osservatore virtuale di un sistema di tracciamento spaziale per gli arti, è facile far coincidere un puntatore virtuale con il dito indice della mano reale che si muove nello spazio e quindi attivare la collision detection tra la mano virtuale e gli oggetti dell ambiente. L avvenuta collisione delle superfici esterne, e quindi la selezione dell oggetto, verrà comunicata all operatore mediante un cambio di colore degli oggetti o mediante un suono. L attivazione di un comando a tastiera o riconoscendo una particolare gestualità permetterà di agganciare all oggetto selezionato le coordinate del puntatore virtuale, realizzando così lo spostamento in tempo reale dell oggetto scelto. Ovviamente l ambiente sarà dotato anche di un comando di deselezione per poter liberare l oggetto e lasciarlo nella nuova posizione. Questo costituisce il primo vero passo verso l interazione tridimensionale e completa tra l uomo e l ambiente virtuale. 2.3. Modifica degli Oggetti (II livello di interazione). In una seconda fase dell implementazione di un ambiente di Realtà Virtuale occorre che sia possibile modificare non solo la posizione degli oggetti in esso presenti, ma anche la loro forma. E ormai chiaro come tale caratteristica diventa estremamente importante nella realizzazione di un ambiente ingegneristico che sfrutti la Realtà Virtuale come interfaccia di un pacchetto di modellazione e progettazione. Nelle Fig. 4 e 5 è possibile vedere come sia possibile aggiungere all ambiente alcuni comandi per la modifica delle dimensioni dell oggetto dopo la sua selezione, come lo scaling secondo i tre assi.
Fig. 4. 5.: Selezione e Scaling degli oggetti. 2.4. Design Ma il livello di interazione tra uomo e macchina mediante la Realtà Virtuale che aspiri a sostituire un interfaccia di tipo tradizionale per la modellazione tridimensionale, può essere raggiunto soltanto utilizzando oggetti dalla struttura dati dinamica decisamente più raffinata e velocemente accessibile, tale da poter garantire, ad esempio, l operatività di quote parametriche. Per di più, in un ambiente di modellazione il progettista deve essere in grado di produrre un entità basilare tridimensionale e plasmarne la forma, aggiornando istantaneamente il database degli oggetti presenti ed, eventualmente, assegnare all entità stessa delle proprietà fisiche. Attualmente nessuno di questi due requisiti viene soddisfatto da ambienti virtuali commerciali, sia perché il database degli oggetti continua a essere implementato su modelli di tipo VRML che non consentono una gestione dinamica della struttura dati (si ricorre sempre alla conversione del modello CAD nel formato utilizzato dall ambiente di Realtà Virtuale), sia perché eventuali proprietà fisiche vengono assegnate soltanto mediante tradizionale interfaccia bidimensionale prima della sessione di lavoro in virtuale. Rimane in quest area dunque molto lavoro da svolgere per rendere veramente sfruttabile un interfaccia per la modellazione tridimensionale basata sui principi della VR. Un settore invece in cui il divario tra database CAD e struttura dati per l ambiente virtuale ha una minore rilevanza è il Virtual Prototyping, in cui la modellazione si svolge in sede tradizionale e il modello viene esportato per realizzare nell ambiente virtuale prove di assemblaggio e verifiche di ingombri. In queste sessioni il progettista sviluppa, servendosi dei sistemi di tracking e di visualizzazione avanzata, il lavoro iniziato nell ambiente CAD 3D, controllando eventuali interferenze e montaggi mal eseguiti. Rimane tuttavia la grossa limitazione di non poter eseguire pesanti modifiche alle parti in gioco a causa delle difficoltà (nella maggior parte dei casi non superabili) alle quali si va incontro volendo aggiornare il modello CAD originario. Infatti mentre risulta relativamente semplice convertire un database complesso in un modello VRML, non è più possibile recuperare le informazioni aggiuntive (ad esempio i volumi) al momento della conversione inversa. Il Virtual Prototyping comunque costituisce una tecnologia particolarmente utile negli assemblaggi delle parti e negli studi ergonomici che implicano soltanto la modifica delle relazioni di assemblaggio e non delle parti in gioco.
2.5. Simulazione e training Fig 6.: Esempio di studio ergonomico Nata nell ambiente ludico e specialmente in ambito militare, l applicazione della Realtà Virtuale alla simulazione e all addestramento trova in campo aeronautico e impiantistico una delle espressioni maggiori. La possibilità di riprodurre completamente situazioni di pericolo e addestrare il personale ad affrontarle in completa sicurezza è una opportunità realizzabile con facilità e realismo superiore rispetto ad altri strumenti. Anche l industria automobilistica ha recentemente scoperto questa tecnologia per la simulazione dei montaggi e la loro ottimizzazione. L operatore condivide gli stessi modelli progettati al CAD, per verificare la loro congruenza e simulare completamente tutte le operazioni che l operaio specializzato dovrà eseguire per portare a termine correttamente il montaggio, lo smontaggio o la manutenzione. 3. GLI STRUMENTI HARDWARE Una nuova generazione di periferiche Input/Output dedicate è stata sviluppata a causa del cambiamento radicale dell'interfaccia uomo-macchina. Nei sottoparagrafi successivi analizzeremo le componenti hardware di maggior impatto per applicazioni di tipo VR. 3.1 Processore Centrale (CPU) e Rendering Grafico Poche applicazioni richiedono una potenza computazionale pari a quella necessaria per realizzare un ambiente virtuale. Questo è il motivo tecnologico che ha notevolmente frenato la ricerca e l' interesse per questo settore. Non deve quindi sorprendere che lo sviluppo della realtà virtuale segue pari passo quello dei supercomputer grafici. Le macchine della SGI con architettura dedicata al rendering grafico sono quelle che si trovano più frequentemente nei laboratori di VR, ma ormai la accresciuta capacità di elaborazione dei PC (con le elevate frequenze di clock della classe Pentium Intel e le schede grafiche dedicate) ha permesso lo sviluppo di tecnologie simili ad un costo notevolmente inferiore, ampliando in maniera massiccia il bacino dei consumatori.
3.2. Dispositivi di Input 3D Questi dispositivi convertono il movimento fisico dell'utente all'interno del mondo virtuale. Un oggetto, nello spazio 3D, è dotato di 6 gradi di libertà invece che dei 2 tradizionali dell'ambiente Desktop. Una opportuna conversione del software ha permesso di utilizzare nel 3D i sistemi tradizionali come il mouse, il Trackball o il Joystick, nati per lavorare esclusivamente nel 2D. Nello spazio virtuale risulta di vitale importanza definire con precisione e ripetitività la posizione di un punto nello spazio. I primi dispositivi di posizionamento (tracking) sono stati inizialmente realizzati con armature meccaniche, ma il loro ingombro ha fatto preferire sistemi senza contatto, basati su ultrasuoni, campi magnetici o raggi infrarossi. Al momento sono molto usati i sistemi ad induttanza magnetica (ad esempio Polhemus Fastrack). Un interessante dispositivo realizzato da Polhemus è lo Stylus che integra un tracciatore 3D all'interno di una penna che può essere facilmente impugnata. Al semplice puntamento si aggiunge la necessità di convertire anche un più complesso insieme di "gesti" in forma digitale per cui lo sviluppo di un hardware dedicato. Inizialmente furono introdotti sul mercato dei Trackball e Joystick dotati di controlli aggiuntivi (ruote o bottoni) per introdurre rotazioni e traslazioni nello spazio come il Global Devices 6D Controller, che aggiunge alle caratteristiche di un normale Joystick la presenza di una sfera mobile. Ma il dispositivo che si è rivelato più adatto per la "Gesture Recognition" nella VR è sicuramente il guanto virtuale. Esso è dotato di sensori di posizione delle dita così come dell'intera mano e permette una iterazione immediata e spontanea con il mondo virtuale. La realizzazione più diffusa è quella della VPL, che è anche detentrice del brevetto, chiamata DataGlove. Successivamente il concetto di guanto è stato esteso a tutto il corpo, con applicazioni tra le più disparate. 3.3. L'Output in 3D Fig. 7.: Dispositivi di input 3D. La VR per definizione deve garantire all'utilizzatore la sensazione di trovarsi in un ambiente reale. Di conseguenza sono state sviluppate delle tecniche di visualizzazione che permettano la percezione della profondità di una scena come la Visione Stereoscopica.
Questo tipo di visione è realizzata creando due differenti immagini della realtà, una per ciascun occhio. Quando il cervello riceve immagini in rapida successione (non minore di 60 Hz), le fonde insieme in una singola scena, e ne percepisce la profondità. Le immagini sono calcolate utilizzando la reale posizione del singolo occhio. Numerose tecnologie sono disponibili per presentare ad ogni occhio la propria visuale. Nei Sistemi Immersivi si tenta di realizzare un completo coinvolgimento dell'utente nella realtà artificiale. Ciò si realizza 'immergendo' il visitatore all'interno del mondo virtuale, mediante un Casco Virtuale (Head Mounted Display) o un monitor binoculare orientabile (come il BOOM della Fakespace). Questi dispositivi sono dotati solitamente di due minischermi, uno per ciascun occhio, dotati di speciali ottiche per focalizzare e allargare il campo visivo percepito. Le realizzazioni più economiche sono dotate di LCD displays, mentre altre usano i più prestanti, in termini di risoluzione, CRT (tubi catodici). Dopo un breve periodo di adattamento, l'utente perde la percezione di essere in un ambiente simulato e agisce in completa naturalezza. Problemi di sicurezza, di costo, e di elevata potenza computazionale richiesta, hanno sicuramente limitato lo sviluppo di questo tipo di applicazioni. Fig 8.: Sistema Boom della Fakespace. Tali problemi, oltre ad altri, hanno portato allo sviluppo di Sistemi VR Semimmersivi in cui lo spettatore è sempre cosciente della sua realtà fisica ma sfrutta egualmente le potenzialità di questa tecnologia. Lavorare in un ambiente naturale (cioè reale) permette non solo di evitare una serie di controindicazioni (nausea, perdita dell'equilibrio) tipiche dei sistemi immersivi attuali, ma permette la collaborazione nel lavoro di più persone, pur avendo a disposizione una scena virtuale comune su cui lavorare. In questi sistemi le immagini non sono proiettate direttamente sugli occhi separatamente. In alcune realizzazioni economiche vengono proiettate attraverso dei filtri polarizzati diversamente per poi essere nuovamente filtrati da degli occhiali anch'essi polarizzati. Analogamente immagini tridimensionali monocromatiche possono essere realizzate con i filtri blu/rosso. Una tecnologia più diffusa è quella che usa occhiali dotati di otturatori a cristalli liquidi (Fig. 9) opportunamente sincronizzati con il proiettore tramite comando infrarosso. La posizione degli occhiali nello spazio è rilevata da un tracciatore 3D affinché il software riesca a visualizzare le due immagini correttamente.
Fig. 9.: Shutter Glasses realizzati da CrystalEyes. Un esempio di sistema VR Semimmersivo è il Virtual Workbench composto da un tavolo fisico su cui si forma l'immagine virtuale grazie ad una proiezione stereografica e ad occhiali con otturatore a cristalli liquidi (Shutter Glasses). Un'altra realizzazione è quella della Pyramid (CAVE) che proietta immagini stereoscopiche su tutte le superfici di un opportuno ambiente. 3.4. Sistemi di Feedback Sono tutti quei sistemi che permettono di interessare i restanti sensi (udito, tatto, olfatto, gusto) al fine di rendere estremamente coinvolgente e credibile la simulazione. Così come questi sensi sono fondamentali nella vita reale, altrettanto possono essere indispensabili nell'ambiente simulato. Ad esempio, il tatto può essere essenziale nell'avvertire il contatto di un oggetto così come l'udito può indicarci se stiamo infilando una mano nella sabbia o nella ghiaia. Differenti studi hanno esplorato l'utilizzo dei restanti sensi. Le applicazioni più promettenti sono quelle che riguardano i cosiddetti sistemi di "Force Feedback" dove l'utilizzatore percepisce delle forze (dovute nella realtà a contatto e inerzia) tramite dispositivi meccanici che amplificano la sensazione di interagire con un oggetto reale. 3. L'AMBIENTE SOFTWARE 3.1. OOP e C++ L'ambiente software di un applicativo virtuale ormai raggiunge livelli di complessità che sfuggono alle possibilità di un singolo programmatore o anche di un piccolo gruppo. La struttura deve essere in grado di poter essere sviluppata da team diversi con specializzazioni differenti. Il linguaggio di programmazione più evoluto al momento per questo tipo di applicazioni è il C++ con la sua logica di programmazione orientata ad oggetti (OOP). In generale quando si programma in OOP si suddivide un problema in sottogruppi di parti correlate che contengono sia il codice che i dati. I sottogruppi organizzati al fine di essere indipendenti vengono chiamati oggetti. Ogni oggetto ha solo un'interfaccia pubblica che lo lega in maniera gerarchica ad altri oggetti, tutto ciò che è all'interno dell'oggetto non interessa all'utilizzatore dell'oggetto stesso. Ecco come diversi programmatori possono utilizzare oggetti sviluppati da altri senza sapere nulla del codice sorgente.
3.2. Primitive Grafiche e OpenGL Per quello che riguarda la struttura software grafica è necessario utilizzare un toolkit 3D che prevede l'utilizzo di primitive grafiche invece della costruzione della singola immagine da visualizzare e che successivamente non può essere facilmente modificata. Una necessità da soddisfare è quella degli standard grafici. Al momento se si escludono librerie grafiche proprietarie (Microsoft DirectX ad esempio) lo standard per la grafica professionale è rappresentato da OpenGL che dalla sua introduzione nel 1992 si è affermato su tutte le piattaforme. 3.3. OpenInventor OpenInventor è una piattaforma software orientata ad oggetti per la creazione di applicazioni interattive grafiche in 3D che sfruttano le caratteristiche degli attuali acceleratori con un minimo sforzo di programmazione. Basato su OpenGL, OpenInventor fornisce una libreria di elementi base (nodi) che possono essere utilizzati, modificati ed estesi per soddisfare nuove richieste. L'utilizzatore di OpenInventor deve focalizzare la sua attenzione solo sulla costruzione di oggetti 3D, dimenticandosi delle interfacce di manipolazione e visualizzazione al contrario di OpenGL. Fig. 10.: Architettura di OpenInventor. I nodi di OpenInventor comprendono primitive geometriche, includendo forma, proprietà, raggruppamento. Tutte le informazioni su questi oggetti (forma, dimensioni, posizione, colore, etc.) sono registrate in un database chiamato scene-graph (albero gerarchico della scena). Questi oggetti possono essere selezionati, manipolati e modificati come se fossero entità discrete tramite altri elementi chiamati manipolatori. Alla scena possono essere aggiunti alcuni elementi come editore dei materiali, luci direzionali e punto di vista (camera). Come si è detto le interfacce standard (come l'examiner Viewer) di OpenInventor permettono di esaminare una scena in maniera naturale.
Il motore di rendering (visualizzazione finale) si occupa di estrarre dalla scena l'immagine da visualizzare. In base ad alcuni elementi come illuminazione e punto di camera l'interfaccia grafica permette di realizzare una corretta visualizzazione dell'ambiente 3D. OpenInventor fornisce già una serie di nodi che è possibile assemblare in un scene-graph ma altri propri dell'ambiente virtuale vanno creati da zero. Questi vantaggi di OpenInventor hanno reso il formato di scambio dei dati (intera scena) lo standard de facto della comunità virtuale sotto il nome di VRML. Fig 11.: SceneViewer, un visualizzatore per OpenInventor 4. APPLICAZIONI A titolo esemplificativo sono riportate due applicazioni realizzate dagli autori: un applicativo di disegno 3D immersivo e un applicativo di progettazione con analisi agli elementi finiti. 4.1. 3DVIS: Un Prototipo di Disegno Tridimensionale Semimmersivo Questa applicazione realizzata dagli autori è focalizzata alla realizzazione di un ambiente di progettazione CAD che fornisca una intuitiva interfaccia uomo-machina per la creazione e manipolazione di modelli 3D. Il prototipo realizzato, chiamato 3DVIS, è stato sviluppato per essere utilizzato con una nuova generazione di sistemi di visualizzazione stereo come il "ImmersiveWorkbench" della Fakespace. L'hardware è composto da una stazione grafica SGI Onyx2 InfiniteReality (225MHz, R10000 processor) con un proiettore stereo che genera un'immagine in 3D in un volume di lavoro di circa 2x1.5x1m. L'utilizzatore indossa un paio di occhiali a occlusione, e un sistema di tracciamento in 3D (Fastrack della Polhemus) che rileva costantemente le posizioni della testa, mani e di un puntatore (stylus). Il riconoscimento dei gesti è affidato a un paio di guanti con sensori nelle estremità delle dita. Il
software è stato realizzato in collaborazione dal Politecnico di Bari e dall'università della California a Davis, ed è basato su una piattaforma OpenInventor sulla quale sono stati implementate le espansioni per l'input e l'output 3D. L'utilizzatore è in grado di creare e modificare in maniera molto semplice ed intuitiva modelli tridimensionali semplicemente afferrandoli con un guanto e selezionando punti di controllo con lo stylus. Fig. 12.: Esempio di Navigazione e manipolazione in 3DIVS. 5.2. VRFEA: Un Sistema di Analisi agli Elementi Finiti in Ambiente Virtuale L intervento della Realtà Virtuale non ricopre soltanto il campo della modellazione di superfici o solida, ma sono state realizzate anche applicazioni che ampliano il concetto di modellazione per trasformarlo nel più ampio concetto di simulazione. Infatti, con l ausilio delle librerie grafiche di OpenInventor, è stata realizzata dall Università di Bologna in collaborazione con l Università della California, Davis, una semplice interfaccia virtuale, fondata sul concetto d interattività, per la manipolazione e visualizzazione di mesh ad elementi finiti. L obiettivo dello studio è stato dimostrare la fattibilità dell accoppiamento di un preprocessore e postprocessore integrati e creati attorno a device di tipo tridimensionale (Polhemus Fastrak Stylus e StereoGraphics CrystalEyes). Tale accoppiamento ha avuto buon successo anche grazie al fatto che il tempo di calcolo per la soluzione del problema rappresenta una quota piccola del lavoro complessivo, rispetto alle fasi di messa a punto della maglia ad elementi finiti e di verifica dei risultati. Fig. 13.: Applicazione di un carico in modo interattivo e visualizzazione in VRFEA.
6. CONCLUSIONI Si può facilmente desumere dalle considerazioni ed esempi visti in precedenza che il mondo delle interfacce bidimensionali per la modellazione tridimensionale ha raggiunto una notevole maturità, aumentando progressivamente le proprie capacità di operatività e semplicità d uso, ma dimostrando anche limiti strutturali che sono insiti nel tipo di periferiche utilizzate e che non potranno in alcun modo essere superati. La Realtà Virtuale invece si presenta come interfaccia uomo-macchina tridimensionale per eccellenza, annullando le barriere di un modo di pensare ed agire con il computer di tipo bidimensionale. Ma questo tipo di interazione che, fino a non molto tempo fa, era appannaggio del settore dell entertainment, ora sta entrando prepotentemente nel mondo dell ingegneria, stravolgendo completamente le interfacce software a disposizione del progettista. Siamo di fronte ad una rivoluzione di portata considerevole che coinvolge non solo il tipo di periferiche che il progettista ha a disposizione, ma soprattutto modifica radicalmente il modo di impartire ordini al calcolatore e quindi sconvolge il software e la filosofia che lo crea. Il designer dunque dovrà cambiare modo di "progettare" anche mentalmente poiché si trova a disporre di strumenti che, associati a software appositamente realizzato, possono incrementare e migliorare sostanzialmente il livello di utilizzo del calcolatore per la progettazione, la visualizzazione e la simulazione, non solo rendendo più semplici e intuitive molte operazioni, ma anche rendendo possibili azioni prima difficoltose e non immediate. REFERENCES [1] Foley, J. D., Van Dam, A., Feiner, S. K. and Hughes, J. F., 1992, Computer Graphics, Principles and Practice, Addison-Wesley Publishing second edition. [2] Newman, W. M. and Sproull, R. F., Principles of Interactive Computer Graphics, McGraw-Hill, 1979. [3] Kalawsky, R.S., The Science of Virtual Reality and Virtual Environments, Addison-Wesley, 1994, ISBN 0-201-63171-7. [4] Hollerbach, J.M., Cohen, E.C., Thompson, W.B., and Jacobsen, S.C., Rapid Virtual Prototyping Of Mechanical Assemblies, Proc. 1996 NSF Design and Manufacturing Grantees Conf., (Albuquerque, NM), Jan. 2-5, 1996, pp. 477-478. [5] Persiani, F., Liverani, A., "A Virtual Reality CAD Interface, Proceedings of the 10 th ADM International Conference on Design Tools and Methods in Industrial Engineering, 17-19 September 1997, Florence (Italy), pp. 777-784. [6] Liverani, A., Virtual Reality tools for quick reverse Engineering and modelling, Proceedings of 18 IASTED International Conference, Modelling, Identification and Control - MIC 99, 15-18 Feb 1999, Innsbruck, Austria, pp. 351-354. [7] Liverani, A., Kuester, F., Hamann, B., Towards Interactive VR based Finite Elements Analysis of Shell Elements, Proceedings of 1999 IEEE International Conference on Information Visualization (IV '99), 14-16 July, London, England, pp. 340-346. [8] Kuester, F., Uva, A. E., Hamann, B. and Monno, G. "3DIVS: 3-dimensional immersive virtual sketching", in: Proceedings of 12th International Conference on Engineering Design (ICED '99), August Munich, Germany, pp. 1407-1412.