La realtà virtuale nella progettazione industriale

Francesco Caputo Giuseppe Di Gironimo La realtà virtuale nella progettazione industriale ARACNE

Copyright MMVII ARACNE editrice S.r.l. www.aracneeditrice.it info@aracneeditrice.it via Raffaele Garofalo, 133 A/B 00173 Roma (06) 93781065 ISBN 978 88 548 1339 7 I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell Editore. I edizione: settembre 2007

Alle nostre mogli Luciana ed Ornella

Noi vediamo sono molti che hanno l ingegno, e molti dotati d ingegno e non di dottrina, e molti hanno la dottrina e lo ingegno e non hanno il disegno. Francesco di Giorgio Martini

Indice Presentazione... 15 Introduzione... 17 PARTE PRIMA: STRUMENTI Capitolo I: La Realtà Virtuale I.1. Dematerializzazione della realtà... 27 I.2. I primi passi della Realtà Virtuale... 33 I.3. Campi di applicazione della Realtà Virtuale... 37 I.3.1. Virtual Prototyping... 38 I.3.2. Applicazioni in ambito veicolistico... 44 I.3.3. Applicazioni in ambito architettonico... 62 I.3.4. Applicazioni in ambito medico... 63 I.3.5. Applicazioni in ambito militare... 65 I.4. Livelli di interazione... 65 I.4.1. Walk Through... 65 I.4.2. Spostamento di oggetti virtuali... 66 I.4.3. Modifica delle proprietà degli oggetti virtuali... 67 I.5. Sistemi grafici ed unità di calcolo... 67 I.5.1. Introduzione... 67 I.5.2. Sistemi high-end Onyx e cluster di PC... 71 I.5.3. Soluzioni innovative: Orad VR-X, Nvidia Quadro Plex, SGI VSS... 77 I.6. Sistemi di visualizzazione... 79 I.6.1. La visione stereoscopica... 79 I.6.2. La visione stereoscopica nella RV... 83 I.6.3. Parallasse... 85 I.6.4. Tecnologie di proiezione... 87 I.6.5. Modalità di proiezione... 93 I.7. Dispositivi di input... 96 I.7.1. Sistemi di tracking... 96 I.7.2. Sistemi di navigazione... 101 I.7.3. Sistemi di manipolazione... 104 I.7.4. Sistemi Haptic... 106 I.8. Dispositivi di output... 113 I.8.1. Sistemi di visualizzazione... 113 9

10 Indice I.8.2. Audio tridimensionale... 132 I.9. Ambienti di programmazione e sviluppo... 137 I.9.1. Il linguaggio VRML... 137 I.9.2. Il linguaggio C++ e la programmazione object oriented... 140 I.9.3. Primitive grafiche ed OpenGL... 140 I.9.4. OpenSG ed OpenInventor... 141 Capitolo II: Laboratori di Realtà Virtuale II.1. Componenti principali... 143 II.2. Il laboratorio di Realtà Virtuale del DPGI: VRoom... 144 II.2.1. Sistema grafico e di calcolo... 145 II.2.2. Sistema di visualizzazione... 147 II.2.3. Sistema di tracking... 150 II.2.4. Sistemi di input 3D per la navigazione... 152 II.2.5. Sistemi di input 3D per la manipolazione... 152 II.2.6. Sala... 152 II.2.7. Software... 153 II.3. Il laboratorio di Realtà Virtuale del Centro di Competenza Trasporti della Regione Campania: VRTest... 153 II.3.1. Sistema grafico e di calcolo... 156 II.3.2. Sistema di visualizzazione... 159 II.3.3. Apparati per lo stereo attivo... 162 II.3.4. Sistema di tracking... 163 II.3.5. Sistema audio... 171 II.3.6. Sistemi di input 3D per la navigazione... 171 II.3.7. Sistemi di input 3D per la manipolazione... 171 II.3.8. Sala... 172 II.3.9. Software... 172 II.4. Considerazioni conclusive sui laboratori... 174 Capitolo III: Software per la Realtà Virtuale III.1. Introduzione... 177 III.2. Problematiche connesse alla scelta del software RV... 177 III.2.1. Obiettivi di utilizzo... 178 III.2.2. Sistema grafico e di calcolo e sistema di visualizzazione... 179 III.2.3. Interfacciamento con i dispositivi RV... 182 III.3. I software presenti nei laboratori VRTest e VRoom... 182 III.4. Classificazione dei software RV... 186

La Realtà Virtuale nella Progettazione Industriale 11 III.5. Catia V5... 187 III.5.1. DMU Fitting Simulator... 189 III.5.2. Virtual Hand for Catia V5... 194 III.5.3. Simulazione di attività manutentive in ambiente Catia V5 Virtual Hand... 200 III.6. Jack... 203 III.6.1. Introduzione: i manichini virtuali nella progettazione... 203 III.6.2. Il manichino virtuale Jack... 205 III.6.3. L Occupant Packaging Toolkit... 216 III.6.4. Il Task Analysis Toolkit... 228 III.6.5. Jack e la Realtà Virtuale... 242 III.7. Virtual Design 2... 244 III.7.1. Introduzione... 244 III.7.2. Virtual Design Scene Editor (VDSE)... 244 III.7.3. Virtual Design 2 (VD2)... 253 III.7.4. Programmazione dell ambiente virtuale... 272 III.7.5. Dynamic Shared Objects (DSO)... 280 III.7.6. Wizard... 286 III.7.7. Realizzare un plug-in... 287 III.7.8. Package... 288 III.7.9. Moduli sviluppati dall Università di Napoli Federico II... 295 III.7.10 Considerazioni conclusive sul software VD2... 300 III.8. ViRstperson... 302 III.8.1. Le funzioni del ViRstperson... 303 III.8.2. Applicazione delle ombre in tempo reale... 305 III.8.3. Simulazione della dinamica dei corpi rigidi... 306 III.8.4. L utilizzo del software... 312 III.8.5. Creazione della scena... 313 III.8.6. Posizionamento delle luci... 314 III.8.7. Definizione dei parametri che governano la dinamica dei corpi rigidi... 315 III.8.8. Avvio della simulazione... 317 PARTE SECONDA: APPLICAZIONI Capitolo IV: Primo livello d interazione con ambienti virtuali: il walk through IV.1. Introduzione... 321

12 Indice IV.2. Realizzazione di un walk through all interno della cabina passeggeri del Piaggio P180 Avanti... 322 IV.2.1. Ambiente di visualizzazione Catia V5... 325 IV.2.2. Ambiente di visualizzazione ViRstperson... 329 IV.2.3. Confronto tra i due approcci proposti... 331 IV.3. Ricostruzione di scenari reali e immaginari... 335 IV.3.1. Metodi per la rappresentazione del territorio... 335 IV.3.2. Ricostruzione della stazione ferroviaria di Mergellina... 338 IV.3.3. Una passeggiata virtuale nel Parco dello Sport di Bagnoli Futura... 342 Capitolo V: Progettazione Concettuale in Ambiente Virtuale V.1. Introduzione... 345 V.2. Progettazione concettuale per la qualità... 348 V.3. Il Metodo EVA... 351 V.4. Primo caso studio: caffettiera napoletana... 352 V.4.1. Individuazione degli elementi di qualità... 353 V.4.2. Classificazione degli elementi di qualità... 354 V.4.3. Generazione dei concept... 354 V.4.4. Valutazione della qualità dei concept... 355 V.4.5. Definizione del concept ottimale... 356 V.5. Secondo caso studio: plancia di una minicar... 357 V.5.1. Individuazione degli elementi di qualità... 357 V.5.2. Classificazione degli elementi di qualità... 357 V.5.3. Generazione dei concept... 358 V.5.4. Valutazione della qualità dei concept... 358 V.5.5. Scelta del concept ottimale... 362 V.6. Terzo caso studio: comparto passeggeri di una carrozza ferroviaria... 364 V.6.1. Individuazione degli elementi di qualità... 367 V.6.2. Classificazione degli elementi di qualità... 367 V.6.3. Generazione dei concept... 368 V.6.4. Valutazione della qualità dei concept... 375 V.7. Considerazioni conclusive... 380 Capitolo VI: Progettazione per la Manutenibilità in Ambiente Virtuale VI.1. Introduzione... 383 VI.2. Analisi di manutenibilità e limiti dei sistemi CAD tradi-

La Realtà Virtuale nella Progettazione Industriale 13 zionali... 385 VI.2.1. Analisi di smontabilità... 386 VI.2.2. Analisi di accessibilità... 387 VI.2.3. Analisi di manipolabilità... 389 VI.3. L uomo nel progetto: simulazione delle attività manutentive in ambiente virtuale... 390 VI.4. Impiego dei manichini virtuali: la Metodologia EDIVE.. 392 VI.5. Applicazione della metodologia EDIVE: casi studio nel settore ferroviario... 398 VI.5.1. Redesign di una locomotiva di manovra e verifica delle operazioni di manutenzione... 399 VI.5.2. Progettazione per la manutenibilità di un impianto di condizionamento di un nuovo veicolo ferroviario... 406 VI.6. Interazione manuale diretta in ambiente immersivo di realtà virtuale: l approccio DIR.MAN.INT.... 422 VI.6.1. Il realismo nell interazione... 424 VI.6.2. Sistema d interazione manuale diretta... 426 VI.6.3. Applicazione dell approccio DIR.MAN.INT: verifica di manutenibilità del sistema di pressurizzazione e condizionamento del Piaggio P180 Avanti... 427 VI.7. Verifiche di manutenibilità su assiemi complessi... 433 VI.7.1. La scheda manutentiva... 437 VI.7.2. Vantaggi offerti dalla metodologia... 437 VI.8. Caso studio: analisi delle operazioni di manutenzione su un carrello motore e portante di un veicolo ferroviario... 439 VI.8.1. Approccio CATIA V5 Virtual Hand... 442 VI.8.2. Approccio ViRstperson... 455 VI.8.3. Approccio Virtual Design 2... 459 VI.8.4. Valutazioni comparative... 467 VI.9. Considerazioni conclusive... 469 Capitolo VII: Virtual Manufacturing VII.1. Introduzione... 471 VII.2. Studio del ciclo di montaggio di una carrozza ferroviaria in ambiente virtuale... 473 VII.2.1. Stato dell arte nella produzione di veicoli ferroviari... 474 VII.2.2. Risorse software impiegate... 476

14 Indice VII.2.3. Ciclo di montaggio innovativo di un veicolo ferroviario: prima impostazione... 479 VII.2.4. Prima ottimizzazione del ciclo di montaggio... 505 VII.2.5. Ottimizzazione finale del ciclo di montaggio... 506 VII.3. Considerazioni conclusive... 510 Conclusioni... 513 Riferimenti bibliografici... 517 Ringraziamenti... 541

Presentazione di Guido Trombetti * Sono particolarmente lieto di poter presentare questo bel volume di Francesco Caputo e Giuseppe Di Gironimo. E ciò per due ordini di motivi. Il primo è che fa sempre piacere poter riflettere sul lavoro compiuto da eminenti colleghi. Il secondo è che questo libro fornisce un ulteriore conferma di quanto l interazione tra Università e mondo produttivo possa essere utile ad entrambi. In effetti, gli autori attraverso sei anni di lavoro hanno operato un significativo ed originale trasferimento di tecnologie di progettazione, fino ad oggi impiegate diffusamente solo in ambito automobilistico, ad altri comparti industriali. Ciò attraverso l ausilio della Realtà Virtuale. Tale attività ha portato tra l altro alla realizzazione, nell ambito del Centro di Competenza dei Trasporti della Regione Campania, di uno dei più avanzati laboratori di Realtà Virtuale d Europa. In sintesi, uno straordinario esempio di collaborazione tra il mondo imprenditoriale con le sue esigenze ed il mondo scientifico con le sue competenze. Il lavoro necessario allo sviluppo e l impiego delle tecnologie di progettazione con l ausilio della Realtà Virtuale ha creato anche una straordinaria occasione per formare giovani ingegneri. Ancora una volta, ricerca, sviluppo ed alta formazione unite in modo indissolubile. Tutto ciò si evince dal bel volume che qui presentiamo. In particolare, la prima parte del libro è rivolta alle conoscenze di base della Realtà Virtuale; la seconda alle sue specifiche applicazioni. I contenuti del volume, in definitiva, costituiscono un efficace e documentata dimostrazione di quanto le tecniche di simulazione e, più in generale, il processo di astrazione dal materiale siano oggi caratteristica peculiare del ciclo di progettazione e di sviluppo del prodotto. Ciò, ovviamente, vale a maggior ragione per i prodotti industriali complessi, quali sono gli attuali mezzi di trasporto, che debbono rispondere, oltre che a requisiti di funzionalità, affidabilità ed economia d acquisto e di gestione, anche a quello del gradimento (estetico ed ergonomico) di chi li utilizza. La Realtà Virtuale, secondo gli autori, si rivela come strumento idoneo a porre l Uomo al centro del processo di progettazione. * Rettore Magnifico dell Università degli Studi di Napoli Federico II. Presidente della Conferenza dei Rettori delle Università Italiane (CRUI). 15

Introduzione Le attività di modellazione e di simulazione, basate sull informatica, costituiscono oggi strumenti irrinunciabili per conseguire risultati di eccellenza nella progettazione dei prodotti industriali. Esse realizzano nella Realtà Virtuale (RV) la loro sintesi più efficace e potente, poiché questo strumento, meglio di ogni altro, favorisce l essenza stessa del progettare che consiste, essenzialmente, nel concepire, e nel proiettare verso il futuro, idee innovative per il soddisfacimento di fabbisogni reali della società in cui viviamo. La progettazione è anche l attività dell Ingegneria che richiede oggi il maggior potenziamento poiché, per il completamento del suo intero iter, sono disponibili tempi che tendono a divenire sempre più brevi. Questi, in sintesi, i motivi che giustificano l impiego di strumenti hardware e software sofisticati, complessi, costosi ed in continua evoluzione, che richiedono anche l opera di tecnici con adeguato livello di preparazione ed in continuo aggiornamento. La scelta metodologica da intraprendere, già da qualche anno attuata nei settori industriali più competitivi, automobilistico, aeronautico, spaziale, è quella dell ingegneria simultanea, basata sullo sviluppo del modello digitale del prodotto o DMU 1, supportata da sistemi di modellazione solida CAD di ultima generazione, che trova nei sistemi di Realtà Virtuale il suo ambiente più evoluto d applicazione. Poiché le tecniche di simulazione tendono a divenire sempre più efficaci, affidabili ed accurate, l impiego del DMU del prodotto consente ogni sorta di verifica, di sperimentazione e di valutazione comparativa tra più soluzioni alternative. I tempi che complessivamente si richiedono sono evidentemente molto più brevi di quelli occorrenti per la costruzione di altrettanti prototipi fisici, dei cosiddetti muletti, per impiegare un termine in uso nell industria automobilistica. I vantaggi d impiegare modelli digitali, riducendo di molto, o abbandonando del tutto, l uso dei modelli fisici, si conseguono con la costruzione di ambienti virtuali nei quali è possibile immergersi per simulare e valutare, fino ad ogni minimo dettaglio, tutte le caratteristiche funzionali del prodotto. 1 Acronimo che sta per Digital Mock Up. 17

18 Introduzione La più evidente ed immediata applicazione della RV nelle attività di progettazione è quella dello stile. In campo automobilistico, ad e- sempio, forme che fino a qualche anno fa venivano realizzate in scala 1:1, con ogni cura, dalle mani di esperti modellisti, in legno, gesso ed altri materiali, vengono oggi realizzate come modelli digitali e valutate in ambienti di realtà virtuale, con evidenti vantaggi di tempi e costi ed, inoltre, con la possibilità di apportare correzioni e varianti quasi in tempo reale. Dopo lo stile, l ergonomia. I mezzi di trasporto collettivi come gli aerei, gli autobus, le navi o i treni sono da considerare tra i manufatti che maggiormente incidono sulla qualità della vita dell intera popolazione. Nella progettazione di questi prodotti industriali complessi, come avviene in campo automobilistico, dovrebbe innanzi tutto essere privilegiato il requisito funzionale del comfort per l utente, oltre che quello della sicurezza attiva e passiva. Questa priorità dovrebbe valere sia quando essi sono destinati ad operare su percorrenze che richiedono tempi di pochi minuti, sia per viaggi che richiedono molte ore. In relazione alla specifica destinazione del mezzo di trasporto, lavorando su modelli digitali in ambiente virtuale, è oggi possibile concepire, sviluppare, confrontare tra loro ed infine deliberare le soluzioni migliori. Impiegando una tale metodologia, infatti, è possibile sperimentare caratteristiche funzionali come la facilità d accesso e d uscita dal mezzo, la posizione di seduta, la raggiungibilità dei comandi o di altri particolari funzionali o di arredo, come corrimano, bagagliai o piani di appoggio. La fruizione di tali caratteristiche, insieme con quella dei colori, della natura e dell aspetto dei materiali impiegati, costituisce elemento che, consapevolmente o inconsapevolmente, induce l utente a percepire la qualità del manufatto e, conseguentemente, a formulare un suo giudizio. Così il prodotto o il servizio offerto è ritenuto complessivamente più o meno valido, e quindi più o meno gradevole, anche sulla base di una molteplicità d impressioni soggettive formulate da utenti che per cultura, abitudini, sesso, età, statura, peso possono essere anche assai differenti tra loro; queste impressioni, spesso, sono variamente motivate dalla percezione dell una o dell altra delle caratteristiche. Con l impiego della RV tutte le valutazioni, evidentemente, sono rese possibili prima di aver realizzato alcunché di fisico. Su una parte degli autobus destinati al servizio pubblico di una grande città italiana, ad esempio, è possibile riscontrare che il raggiungimento del pulsante per la richiesta della fermata, collocato in prossimità della porta di

La Realtà Virtuale nella Progettazione Industriale 19 Figura i.1. Posizionamento del pulsante di richiesta fermata su autobus per trasporto pubblico: a sinistra posizionamento non corretto ai fini della raggiungibilità; a destra posizionamento corretto. uscita, sia, a dir poco, problematico, poiché esso è posizionato sulla parete, ma, dal lato della porta, è coperto da un pannello di materiale trasparente, come si vede nella foto di sinistra in figura i.1. In un autobus affollato, dove i movimenti sono ostacolati dalla presenza di altri passeggeri e gli equilibri sono precari, con una siffatta soluzione, compiere la banale, ma pur necessaria, operazione di richiedere la fermata da parte di un utente di statura ridotta può riuscire veramente difficile, talvolta impossibile. È evidente che la soluzione è stata adottata senza aver potuto effettuare alcun tipo di verifica preventiva. Poiché, dopo aver immesso i mezzi in esercizio, l inconveniente, evidentemente, è stato rilevato, negli autobus più recenti, come appare dalla foto di destra in figura i.1., la raggiungibilità del pulsante è stata opportunamente assicurata con una semplice quanto opportuna modifica. Sempre in autobus destinati al trasporto urbano, altro, analogo rilievo riguarda la soluzione adottata per il posizionamento degli elementi tubolari verticali di sostegno, detti anche pertiche. È evidente che un passeggero, a meno che non sia di corporatura particolarmente esile, debba avvertire disagio e difficoltà per accedere al sedile, per la Figura i.2. Posizionamento delle pertiche: a sinistra posizionamento non corretto ai fini dell accessibilità al sedile; a destra posizionamento corretto.

20 Introduzione esiguità dello spazio a disposizione, causata dalla presenza della pertica verticale disposta come si vede nella foto di sinistra in figura i.2. Il problema del posizionamento delle pertiche è stato risolto in ben altro modo sugli autobus di altra casa produttrice, foto di destra in figura i.2. In questo caso i progettisti, evidentemente, hanno assicurato ai passeggeri una seduta comoda, ed hanno eliminato ogni ingombro, rendendo solidale lo schienale del sedile al tubolare verticale, mediante un apposito elemento di collegamento. Poiché si tratta di carenze solo apparentemente marginali, gli e- sempi valgono a dimostrare come, nei casi considerati, l impiego di un adeguato strumento di simulazione avrebbe consentito di ricercare, ed attuare in prima istanza, soluzioni ben più valide sotto il profilo ergonomico, atte, quindi, a rendere il mezzo di trasporto pubblico più accogliente. Altri, particolari requisiti funzionali di progettazione, come quelli di manutenibilità, si rivelano ancora più importanti, perché il loro corretto soddisfacimento si ripercuote sull intera vita utile del manufatto, che, come accade per gli aerei, per le navi o per i treni, può coprire anche l arco di alcune decine di anni. In questo caso si tratta di analizzare le caratteristiche morfologiche dei componenti, le relazioni funzionali d interdipendenza che tra loro sussistono per le esigenze dell assemblaggio e del disassemblaggio e di stabilire innanzi tutto se le operazioni sono possibili, e se gli operatori sono in grado di eseguire tutte le manovre necessarie senza effettuare sforzi eccessivi e senza assumere posizioni potenzialmente nocive. La simulazione in ambiente virtuale consente anche di definire al meglio le caratteristiche degli attrezzi e delle altre risorse occorrenti. La simulazione e la visualizzazione dei prototipi virtuali riguarda anche prestazioni strutturali, quali, ad esempio, quelle della sicurezza passiva, con le relative analisi di danno sui passeggeri e sulle strutture, in conseguenza di manovre di emergenza o di collisioni. Infine, nello spirito dell ingegneria simultanea, occorre progettare, oltre che il prodotto, anche il processo tecnologico che s intende attuare per la sua fabbricazione. Anche per questa problematica la contestuale simulazione del prodotto, dei mezzi di produzione, degli attrezzi e di tutte le azioni cinematiche e dinamiche che è necessario compiere durante il processo produttivo, può consentire verifiche, confronti e scelte, in tempi brevi e con costi sicuramente ridotti rispetto all eventualità di dover apportare a posteriori modifiche all impianto, o peggio, di dover ritenere definitiva, con maggiore o

La Realtà Virtuale nella Progettazione Industriale 21 minore consapevolezza, per tutta la durata della produzione, una soluzione che, invece, sarebbe stato possibile rendere oggettivamente migliore prima di dar inizio alla sua realizzazione costruttiva. Impiegando adeguati strumenti di simulazione, invece, è agevole definire e prescegliere la soluzione più conveniente per il layout, studiando l accessibilità e l ergonomia delle postazioni di lavoro, verificando realisticamente ogni problematica d ingombro e di funzionalità dei sistemi di movimentazione delle parti per le esigenze di montaggio. Di queste applicazioni, nelle pagine che seguono, è stata fornita documentazione. Il primo capitolo del libro è dedicato alla storia, alle applicazioni ed ai principi su cui si basa la RV. In particolare, nella prima parte, dopo l introduzione della nozione stessa di RV, se ne ripercorre la storia e se ne prospettano anche i principali impieghi, sia nell ambito della progettazione industriale, sia in altri settori. La parte più consistente di questo capitolo è dedicata alla trattazione dettagliata dei principi e delle caratteristiche di funzionamento, nonché delle più valide soluzioni hardware oggi possibili per realizzare impianti di RV. Il secondo capitolo contiene la descrizione dettagliata di due laboratori di RV, invero molto diversi tra loro per dimensioni, per potenzialità e per costo; entrambe le risorse sono state progettate e realizzate a cura del Dipartimento di Progettazione e Gestione Industriale dell Università di Napoli Federico II. Una è operante presso la Facoltà d Ingegneria, l altra è stata allestita presso il Centro di Competenza Trasporti della Regione Campania. La prima di queste strutture, il laboratorio VRoom, realizzato grazie al finanziamento di un Progetto di Rilevante Interesse Nazionale (PRIN 2003), permette di realizzare ambienti di simulazione virtuale con la visualizzazione di scene realistiche, ad un discreto livello di immersività. Il suo impiego è destinato ad attività di ricerca ed allo svolgimento di tesi di laurea assegnate a studenti della Facoltà d Ingegneria dell Ateneo Fredericiano. La seconda realizzazione è quella del Laboratorio di Realtà Virtuale del Centro di Competenza dei Trasporti della Regione Campania. Questo laboratorio, denominato VRTest, destinato alla progettazione avanzata di mezzi e sistemi di trasporto, è tra i più importanti d Europa per prestazioni e dimensioni. Esso consente di sviluppare, con realismo perfetto, ogni genere di simulazione, per la verifica, in ambiente semiimmersivo, dei requisiti funzionali di oggetti di grandi dimensioni riprodotti in scala 1:1. Dei due laboratori, in coerenza con le finalità di

22 Introduzione produzione e divulgazione della conoscenza, proprie dell istituzione universitaria, è riportata, in dettaglio, la descrizione e vengono anche illustrate le ragioni che hanno motivato le soluzioni tecniche adottate. Il terzo capitolo è dedicato ai software per la RV, alla loro scelta ed al loro impiego in relazione alle caratteristiche dell impianto ed alle specifiche applicazioni da realizzare. La descrizione, ovviamente, è in larga parte riferita alle esperienze condotte nei laboratori VRoom e VRTest. Con il quarto capitolo si apre la seconda parte del volume, che documenta una parte delle applicazioni di RV alla progettazione, di recente sviluppate dal gruppo di Disegno e Metodi dell Ingegneria Industriale dell Università di Napoli Federico II. In questo capitolo, in particolare, è descritta la passeggiata virtuale nel P-180 Avanti, un bimotore prodotto dalla Piaggio Aeronautica, destinato ad impieghi di aviazione generale. La simulazione consente ai progettisti di definire la sistemazione degli spazi interni, con tutte le scelte morfologiche e di materiali che riguardano gli arredi. Come per le altre applicazioni che seguono, anche in questo caso la metodologia seguita è stata illustrata in ogni dettaglio sia per quanto riguarda le risorse informatiche impiegate, sia per i risultati che è stato possibile raggiungere. Il quinto capitolo tratta della progettazione concettuale in ambiente virtuale: viene proposta la sintesi di diverse applicazioni di design sviluppate nei laboratori VRoom e VRTest. Esse valgono a dimostrare che la RV può rivelarsi strumento molto utile per la valutazione della qualità dei concept di prodotto e per la scelta di quello ottimale, tra un gruppo di soluzioni proposte, pervenendo alla individuazione ed alla classificazione degli elementi di qualità, quando del prodotto esiste solo il modello digitalizzato. Il sesto capitolo contiene la descrizione di diversi approcci metodologici per la simulazione di attività manutentive in ambiente di RV. Si tratta di analisi di smontabilità, di accessibilità e di manipolabilità attuate dal progettista sia direttamente, immergendosi ed operando nell ambiente virtuale, sia mediante l impiego di manichini virtuali, umanoidi digitali che sostituiscono l uomo nel simulare il compimento delle attività. Le applicazioni di manutenibilità virtuale proposte sono state realizzate, in ambito aeronautico e ferroviario, su sottosistemi di mezzi di trasporto, fin dalla fase iniziale del loro processo di sviluppo. È possibile, in tal modo, apportare ogni modifica al progetto, in tempi molto contenuti e senza aggravio dei costi. I casi sviluppati dimostrano il raggiungimento di due fondamentali risultati: la verifica della ef-

La Realtà Virtuale nella Progettazione Industriale 23 fettiva fattibilità delle azioni manutentive e la certezza che l impegno di realizzarle non produca effetti nocivi agli operatori, sia per quanto riguarda la correttezza ergonomica delle posture, sia per il controllo ed il contenimento delle forze che essi debbono applicare durante le operazioni di manutenzione. Il settimo ed ultimo capitolo riporta i risultati di una prima applicazione, di carattere generale, della Realtà Virtuale nella progettazione del ciclo di montaggio di carrozze ferroviarie. Si tratta di una metodologia innovativa per lo specifico settore, che consente di sviluppare, in ambiente simulato, l impianto di produzione, le risorse impiegate e tutte le operazioni che è necessario compiere. Anche in questo caso l ambiente simulato è facilmente riconfigurabile: è in tal modo possibile apportare modifiche all impianto ed al processo produttivo per valutare diverse soluzioni e scegliere, tra esse, quella che appare la migliore. Questo libro, in definitiva, ha l obiettivo di dimostrare che le simulazioni sviluppate in ambiente di Realtà Virtuale costituiscono un effettivo e valido supporto alla progettazione, in particolare di quella che occorre dedicare ai sistemi complessi quali sono gli attuali mezzi di trasporto, ferroviari, navali, aeronautici e su gomma. Per conseguire questa finalità i contenuti sono stati organizzati in modo tale che il lettore possa valutare le applicazioni progettuali proposte nella seconda parte del volume, avendo preventivamente acquisito l indispensabile conoscenza degli elementi basilari della Realtà Virtuale e degli strumenti, hardware e software, che essa utilizza. Vale la pena di ribadire ancora che il laboratorio VRTest rappresenta un tentativo, forse ambizioso, di rendere disponibile alle aziende manifatturiere un importante risorsa per la progettazione dei loro prodotti. L Istituzione Universitaria che la gestisce ha dimostrato di essere pronta a sostenerle con tutta la conoscenza e l impegno che occorrono per contribuire a renderle competitive sui mercati internazionali. Questo lavoro può anche costituire utile base di conoscenza per gli studenti delle facoltà d Ingegneria, di Architettura e di Disegno Industriale che intendano approfondire le metodologie e gli strumenti che, inevitabilmente, nell immediato futuro si riveleranno essenziali, in tutti i settori produttivi, per le attività di progettazione.

PARTE PRIMA Strumenti

Capitolo I La Realtà Virtuale I.1. Dematerializzazione della realtà La possibilità di percorrere nuovi itinerari di sviluppo, quando appare promettente e potenzialmente efficace, apre nuovi scenari per soluzioni innovative di problematiche tecniche e scientifiche, rispetto a quelle classiche e consolidate, e favorisce, quindi, il progresso [Valentini2005]. Ciò oggi si verifica con l impiego delle tecniche di RV (RV) nella progettazione. La RV, infatti, costituisce un nuovo paradigma che ridefinisce in maniera sostanziale l interfaccia uomomacchina, e modifica completamente l approccio alle tecnologie di progettazione [Bricken1990]. La rivoluzione del virtuale, infatti, ha reso disponibile un sistema di distribuzione e di accesso all informazione di una potenza senza pari e, al tempo stesso, ad un modo nuovo di rappresentare la realtà. L immagine digitale diventa così linguaggio e scrittura. Il modello virtuale risulta non essere più partecipe della materialità del reale, bensì appare come il frutto di pure operazioni linguistiche impartite ad un calcolatore [Queau1995]. Muovendo dalla rappresentazione dei manufatti mediante disegni, dapprima nelle due dimensioni del foglio di carta, quindi nelle tre dimensioni della modellazione solida mediante sistemi CAD, è stato raggiunto un tale livello di sofisticazione nella simulazione degli oggetti da costruire che addirittura la RV viene assunta a dimostrazione della più generale tendenza verso la dematerializzazione della nostra realtà [Maldonado2005]. Senza voler pretendere d entrare nel merito della complessa fase evolutiva che Schrodinger [Schrodinger1994] prospetta come il procedere della nostra società verso «uno scenario in cui l impatto delle tecnologie emergenti (informatica, telecomunicazioni, bioingegneria, robotica e tecnologie dei materiali avanzati), porterebbe alla riconsiderazione del tradizionale concetto intuitivo di materia come cosa semplice, palpabile, resistente, che si muove nello spazio», è sufficiente ricordare che l uomo, da sempre, è stato non solo homo faber, impegnato a realizzare artefatti materiali, ma anche homo depictor, per raffigurare, per esprimersi, per tramandare [Hacking1983]. 27

28 Capitolo I Figura I.1. Il Bisonte di Altamira. Figura I.2. Filippo Brunelleschi: primo esempio di Augmented Reality. Nella raffigurazione della realtà l artista ha quasi sempre tentato di riprodurre la tridimensionalità della percezione visiva, impiegando ogni artificio possibile. La ricerca, da parte dell uomo, di creare immagini quanto più possibile realistiche, si sono concretizzate dapprima con lo studio della prospettiva, quindi l invenzione di veri e propri effetti di RV da parte di artisti di ogni tempo. Basterà ricordare l effetto plastico dei poderosi glutei del bisonte di Altamira riprodotti in rilievo, scegliendo, all uopo, una parte di parete rocciosa tondeggiante (v. fig. I.1). O, ancora, il tentativo del Brunelleschi di fondere, in una sorta d antesignana Augmented Reality, la vista prospettica di un dipinto con l immagine reale del cielo e delle nuvole. L artista, infatti, aveva dipinto su una tavoletta il Battistero di Firenze e sul punto principale della prospettiva aveva praticato un forellino, in modo che attraverso di esso, dal rovescio dell opera, si potesse ammirare l immagine riflessa su uno specchio posto a conveniente distanza: l argento brunito che sostituiva l azzurro, contornando l immagine architettonica, rendeva ancora più realistica la scena, poiché rifletteva anche il cielo, con le nuvole in movimento che lo attraversavano (v. fig.i.2), [Caputo2005a]. Nel San Gerolamo nello studio di Antonello da Messina (v. fig.i.3), poi, il Maldonado riconosce un vero e proprio caso di RV, creato con mezzi pittorici tradizionali e puntualmente ne dimostra, ripercorrendolo, la narrazione spaziale [Maldonado1999]. Lo sconosciuto artista del Rinascimento italiano (probabilmente Piero della Francesca) che realizzò le prospettive della città ideale inconsapevolmente, forse, propose un vero e proprio walk through

La Realtà Virtuale 29 Figura I.3. San Gerolamo nello studio di Antonello da Messina (1430 1479). Custodito presso la London National Gallery. Misura cm 46 x 36.5. Figura I.4. La Città Ideale, seconda metà del 400. Attribuita a Piero della Francesca. Custodita ad Urbino presso il Museo Nazionale delle Marche. Misura cm 239.5 x 67.5.

30 Capitolo I Figura I.5. Passeggiata virtuale nella Città Ideale, presso un dei laboratori di RV dell Università di Napoli Federico II. attraverso gli armoniosi spazi urbanistici prescegliendo per le sue pitture un formato molto allungato (v. fig. I.4). Lo sconosciuto artista mai avrebbe immaginato che circa quattro secoli più tardi un giovane ingegnere si sarebbe divertito a ricostruire la Sua Città Ideale, consentendo in tal modo a più persone contemporaneamente di attraversare virtualmente e ammirare in maniera del tutto realistica i capolavori architettonici da lui ideati in un semplice laboratorio di RV [LoPriore2006] (v. fig. I.5). Non può mancare, in questa pur concisa rassegna, la citazione di un brano di Giovanbattista della Porta che, nel lontano 1589 [Caputo2006], immaginava con incredibile precisione ciò che sarebbe stato realizzato dopo quasi tre secoli. Scriveva, infatti, lo scienziato di Vico Equense [DellaPorta1607]: «Prima che ci partiamo dal ragionamento di veder l imagine pendente nell aria, insegneremo come si possa fare che veggiamo le immagini pendenti nell aria di qualsivoglia cosa; il che sarà cosa mirabile più di tutte le cose meravigliose, principalmente senza specchio, e senza l oggetto visibile.. Ma diciamolo, come si veda una imagine nell aria in mezo una camera, che non si veda lo specchio, né l oggetto della cosa visibile, e camminando intorno vedrai l imagine da tutte le parti». Passando a considerare la tecnologia di cui qui si tratta, occorre rilevare che non esiste della RV una definizione univoca e ben delimitata, giacché, infatti, questo termine viene oggi riferito ad una molteplicità di sistemi e di impieghi, tra i quali sono da ricordare, oltre che quelli rivolti alla progettazione, che qui interessano, anche le simulazioni nell impiego di sistemi d arma e di tecnologie militari, l intrattenimento, la visualizzazione in numerosi settori della ricerca scientifica, l addestramento allo svolgimento di attività lavorative

La Realtà Virtuale 31 complesse, la teledidattica. Nell ambito specialistico della progettazione industriale s intende per RV l insieme delle rappresentazioni che definiscono e riproducono in maniera realistica ambienti, oggetti e fenomeni che ancora non esistono nella realtà, ma che potrebbero, a tutti gli effetti, esistere od essere esistiti come risultato della capacità dell uomo di costruire oggetti per migliorare le condizioni di vita. Nelle attività di produzione industriale l uomo è il designer, il progettista o il cliente, mentre l ambiente virtuale è il modello digitale del prodotto che s intende sviluppare, con tutte le sue funzionalità, inserito nel contesto di utilizzo, che può essere anch esso virtuale o reale. In altri termini la RV è costituita dall interazione di vari ambienti che, stimolando le capacità sensoriali di un essere umano attraverso opportune interfacce, riproducono artificialmente situazioni reali. Nella RV l uomo è immerso in un ambiente artificiale, simulato dal calcolatore, che impartisce sensazioni visive, sonore e tattili [Burdea1993]. Il concetto stesso di virtualità implica la disponibilità di visualizzazioni tridimensionali e di sistemi interattivi finalizzati alla creazione di ambienti simulati, direttamente fruibili, generati in tempo reale dal calcolatore [Lanier2005]. Si può, dunque, intendere la RV come una tecnologia che migliora l interazione tra l uomo ed il modello virtuale del prodotto, consentendo di estendere le capacità sensoriali umane, grazie ad un approccio più congeniale ed intuitivo tra l uomo e la macchina. L utente può sperimentare, così, il modello virtuale direttamente in maniera interattiva e multisensoriale, muovendosi attorno ad esso o al suo interno, sollevando oggetti, captando suoni, vivendo in definitiva esperienze sensoriali complesse e molto simili alle sensazioni percepibili nel mondo reale. Tale approccio, infatti, incrementa le capacità di comprensione, analisi, creatività e comunicazione. In questo senso la RV si configura come strumento tecnologico innovativo e potente per la risoluzione di numerose problematiche tecniche. È proprio in virtù di ciò che essa è stata definita come una tecnologia rivoluzionaria, che fornisce un nuovo modo di guardare alla soluzione di un problema [Cobb1995]. Analizzando il termine RV da un punto di vista puramente semantico ci si rende conto di trovarsi di fronte ad un ossimoro. Infatti l aggettivo virtuale ed il sostantivo realtà sembrano paradossalmente elidersi a vicenda. Il primo rimanda a ciò che non è nel concreto, il secondo invece a ciò che è nel concreto. Il termine è stato coniato

32 Capitolo I nel 1989 da Jaron Lanier, fondatore del VPL 1 Research, malgrado già si avvertisse il sentore della nuova rivoluzione in atto, quando negli anni 70 Myron Krueger iniziava a parlare di artificial reality e, nel 1984, William Gibson di Cyberspace [Andreolotti2005]. Solo successivamente, negli anni 90, furono introdotti i concetti di mondo virtuale e di ambiente virtuale. Risulta evidente che la grande potenzialità della RV consiste nel fatto che essa, anche nel caso di forme ed organizzazioni di spazi molto complesse, può essere portatrice sia delle valenze e dei significati studiati mediante rappresentazioni a carattere simbolico-ricostruttivo, sia di valenze e di significati definiti mediante rappresentazioni a carattere percettivo. Un ambiente virtuale consente ai partecipanti di interagire nel modo più naturale possibile, come se si trattasse della realtà, comunicando con l ambiente simulato generato dal computer, distinto da quello in cui gli oggetti esistono fisicamente [Ellis1995] in modo del tutto efficace. Ancora una volta appare chiaro come la rappresentazione a- stratta degli oggetti possa essere utilizzata come strumento di stimolazione per i sensi. In realtà la difficoltà maggiore è proprio legata alla risposta realistica che il sistema virtuale restituisce all interazione dell utente. Infatti essa non deve comprometterne il senso di presenza, vale a dire l illusione di sentirsi realmente parte della scena virtuale. Nelle attività di sviluppo e di progettazione dei prodotti industriali la potenzialità maggiore fornita dalla RV è correlata alla possibilità di prevedere e verificare lo stadio di avanzamento, l organizzazione e la coerenza formale e sostanziale di qualsiasi concept. Il grande interesse che tale tecnologia sta suscitando all interno delle comunità accademiche ed industriali è legato alla prospettiva di sostituire, a breve termine, la sperimentazione su mock up fisici, o prototipi, del prodotto in esame con quella su oggetti virtuali e digitali equivalenti in termini di caratteristiche geometriche e fisiche, nei loro ambienti di utilizzo, anch essi simulati. Tale processo, in realtà è già in atto, e questo libro tenta di dimostrarlo. La totale eliminazione dei prototipi fisici, a vantaggio di quelli virtuali, comporterebbe una sostanziale riduzione dei tempi e dei costi di progettazione dei prodotti, con un sensibile incremento della qualità. Tale ultimo vantaggio è principalmente dovuto alla concreta possibilità di valutare un prodotto, fin dagli stadi preliminari dell iter progettuale, in un ambiente virtuale altamente interat- 1 Acronimo che sta per Virtual Programming Languages.

La Realtà Virtuale 33 tivo e riconfigurabile, nonché alla possibilità di compiere un maggior numero di iterazioni sul mock up digitale. L obiettivo, quindi, è quello di sostituire la simulazione alla sperimentazione fisica, non solo per le economie ottenibili, ma per permettere il raggiungimento di una ben più alta qualità tecnologica, in tempi sempre più ridotti. In fase di progettazione, quindi, si tende a passare dal tradizionale metodo Trial and Error al più sistematico Continuous Improvement, tipico della simulazione. L impiego della RV, che può coinvolgere oltre che la fase di progettazione del prodotto, anche quella del processo produttivo, incide in maniera sensibile sulla qualità di qualsiasi tipo di manufatto, migliorandone le caratteristiche estetiche, funzionali, costruttive, nonché economiche e sociali, in termini di utilità e di grado di soddisfazione percepito dal cliente nella fruizione di esso. Tali vantaggi si rivelano maggiori quando i prodotti da progettare sono complessi. Tuttavia, perchè una così favorevole prospettiva di progresso nelle tecnologie della progettazione si concretizzi in pieno, resta ancora da compiere un importante lavoro di sviluppo che coinvolge e richiede l interazione di una molteplicità di saperi positivi. I.2. I primi passi della Realtà Virtuale I primi esempi di simulazioni in realtà virtuale sono riconducibili ai simulatori di volo costruiti dall aviazione statunitense subito dopo la Seconda Guerra Mondiale. Un altra origine di questa tecnologia è legata al mondo ed all industria del tempo libero. Fu il giovane inventore dilettante, nonché cineasta di Hollywood, Morton Heilig a dar vita, nel 1956, al primo vero e proprio simulatore virtuale. Si trattava di una meraviglia meccanica che egli brevettò nel 1962 col nome di Sensorama [Heilig1962]. Il dispositivo era costituito da un unità, in grado di ospitare una sola persona, che combinava l effetto tridimensionale della percezione visiva e del suono stereofonico con vibrazioni meccaniche e getti d aria e perfino con la produzione di particolari odori, per rendere più realistica l esperienza vissuta dall utente. Sensorama simulava un giro a bordo di una motocicletta per le strade di Brooklyn. L intento di Heilig, con questa sorta di primo video game virtuale, era quello di offrire, al costo di un nichelino, un esperienza multisensoriale che coinvolgesse l udito, il tatto, la vista e l olfatto. Tuttavia come tutte le innovazioni dal sapore lungimirante e rivoluzionario,

34 Capitolo I Figura I.6. La ricostruzione digitale e la locandina originale del Sensorama di Morton Heilig. Sensorama venne presa in scarsa considerazione dal mondo industriale. Anni dopo fu lo stesso Heilig a dichiarare: Sensorama, forse, è risultata troppo rivoluzionaria per il suo tempo [Lefcowitz2001]. Nel 1991 fu Howard Rheingold a riportare in vita Sensorama nel suo bestseller Virtual Reality [Rheingold1991]. Egli affermò allora che l idea di Heilig presentava problemi significativi: l apparecchio era ingombrante ed i tempi di latenza nel rendering troppo elevati. Ciò a sottolineare che bisognava ancora lavorare parecchio sull idea prima che la RV potesse risultare fruibile ed utile. Solo oggi è possibile apprezzare in pieno le enormi potenzialità dell innovazione introdotta da Heilig. A gettare le basi concettuali di ambiente virtuale immersivo per la progettazione fu invece Ivan Sutherland. Nel 1965 egli scrisse: Un monitor collegato ad un computer digitale offre la possibilità di acqui-

La Realtà Virtuale 35 sire familiarità con concetti impossibili da realizzare nel mondo fisico [Sutherland1965]. Ciò indusse Sutherland a sviluppare e realizzare il primo casco virtuale per grafica computerizzata [Sutherland1968], vale a dire un Head-Mounted Display (HMD) del tutto funzionale ed in grado di garantire all utente, munito del casco stesso, una visione tridimensionale stereoscopica dell ambiente simulato. L HMD era accoppiato ad un sistema di tracking meccanico a sei gradi di libertà deputato ad individuare e localizzare sullo scenario la posizione della testa dell utente. Nel 1970 Myron Krueger focalizzò la sua attenzione sull interazione uomo-macchina. Fu il primo ad introdurre il concetto di artificial reality come strumento di sperimentazione ed a coniarne il termine [Lefcowitz2001]. Scopo dei suoi studi era quello di poter interagire interamente, vale a dire con tutto il corpo, mediante il computer, in ambienti che venissero percepiti dai partecipanti come realistici. Egli intuì che la tastiera costituiva un mero limite fisico nel rendere l esperienza virtuale una illusione convincente. Utopicamente per i suoi tempi, Krueger intendeva realizzare un ambiente artificiale in cui l utente potesse operare con tutto il suo corpo, senza l ausilio di dispositivi dedicati. Si trattava di un idea ancora oggi non realizzata, pur con i mezzi attualmente disponibili, ma a cui si continua a tendere con lo sviluppo di nuove soluzioni per sistemi immersivi di realtà virtuale. Krueger, in concreto, aveva intuito appieno le potenzialità di queste nuove tecnologie. Egli lavorò negli anni seguenti a più progetti, tra i quali vale la pena citare Videoplace, un sistema costituito da una telecamera collegata ad un calcolatore in grado di controllare le interazioni tra le immagini dell utente e gli oggetti presenti nella scena simulata su un grande schermo di proiezione. La silhouette dell utente, catturata dalla telecamera e processata opportunamente in digitale, così da essere differenziata dallo sfondo, veniva combinata con immagini grafiche generate dal computer ed i movimenti erano convertiti in azioni sulla scena bidimensionale. Risposte visive o anche sonore tra oggetti ed utenti conferivano maggiore realismo alla simulazione. È interessante notare che in tutti gli esperimenti condotti Myron Krueger evidenziò che l utente percepiva un senso di autocoscienza tra il corpo reale ed il profilo proiettato sullo schermo. Ancora negli Stati Uniti all inizio degli anni 70 l ARPA 2 fu impegnata a concentrare le sue risorse per finalità di ricerca e sviluppo sul- 2 Acronimo che sta per Agenzia Avanzata dei Progetti di Ricerca.

36 Capitolo I le armi, per far fronte alle esigenze della guerra del Vietnam. In quegli stessi anni diverse innovazioni tecnologiche ed il crescente interesse per i viaggi spaziali ad opera della NASA, indussero le industrie ad intravedere e valutare le possibili applicazioni della RV, tanto che le più lungimiranti cominciarono ad istituire i primi centri di ricerca sulla RV. Parallelamente si consolidava nell industria manifatturiera l introduzione della progettazione assistita dal calcolatore ed i primi sistemi CAD 3 permettevano la creazione di immagini tridimensionali su uno schermo bidimensionale. Fu per questi motivi che il governo degli Stati Uniti continuò a puntare su progetti di ricerca e sviluppo nel settore della RV. Nel 1981, sotto la direzione di Tom Furnes, da parte dell aeronautica americana venne realizzato il progetto Super- Cockpit. Fu costruita, infatti, una cabina di pilotaggio munita di un computer e di un casco virtuale per la visualizzazione dello spazio grafico tridimensionale: all interno di essa i piloti potevano effettuare il loro addestramento senza esporsi a situazioni di reale pericolo. Nel 1982 Thomas Zimmermann della VPL Research sviluppò il primo guanto virtuale in grado di stimare non solo la posizione e l orientamento della mano, ma anche il livello di flessione ed abduzione di ciascun dito. Tali progressi portarono nel 1986 Jaron Lanier, eclettico fondatore ed esploratore delle frontiere della realtà virtuale [Lanier2005], a realizzare il primo ambiente di RV immersivo, utilizzando un visore HMD corredato di un guanto tattile, così da consentire all utente la visione tridimensionale e l interazione con l ambiente simulato in cui era completamente inserito. In seguito le ricerche NA- SA sull ausilio della realtà virtuale nella progettazione e preparazione di missioni spaziali, condussero al VIEW 4, vale a dire al primo sistema a combinare grafica computerizzata, suono con localizzazione spaziale, riconoscimento vocale attraverso un casco virtuale, basato su monitor video ricavato da piccoli schermi televisivi e da un DataGlove, ossia da un guanto, entrambi derivanti dalle invenzioni precedenti. Nel corso degli anni successivi gli studi si sono sempre più focalizzati su ambienti virtuali ad immersività crescente. In tale ottica un ambiente virtuale, ossia un modello costruito in RV di cui l utente fa esperienza, deve possedere alcune caratteristiche basilari [Usoh1995; Sanchez-Segura2004]: il livello di controllo dell utente, ossia il grado di autonomia che consente all utente di navigare all interno 3 Computer Aided Design. 4 Virtual Interface Environment Workstation

La Realtà Virtuale 37 dell ambiente; la quantità di interazione, ossia il grado di manipolazione in tempo reale degli oggetti; presenza, ossia il coinvolgimento personale dell utente relativo al grado di fedeltà e di immersività che l ambiente restituisce. In definitiva è possibile effettuare un confronto tra le caratteristiche fondamentali dei sistemi interattivi del futuro ed i primi sistemi di RV già sviluppati. L interfaccia non ha più il compito di garantire esclusivamente la funzionalità, ma include l utente all interno dell ambiente. La tecnologia RV adatta il computer alle azioni dell utente, che risulta essere parte attiva dell applicazione, poiché il sistema stesso è preparato per reagire alle azioni esterne. I software si discostano da quelli tradizionalmente visivi, ma sono configurati in modalità multimodale, per incrementare il senso di immersione. Infine, è importante sottolineare la novità dell interazione diretta con gli oggetti, in maniera del tutto intuitiva, come se fossero reali [Sanchez-Segura2004]. I.3. Campi di applicazione della Realtà Virtuale La realtà virtuale si è rapidamente imposta come tecnologia che offre uno strumento effettivo di supporto alle abilità umane in ogni genere di applicazione: dal campo militare alla fisica, dall intrattenimento al design, dall ingegneria dei settori aerospaziale, automobilistico e ferroviario alla microrobotica, dall architettura all orografia, dall analisi di processo alla biomeccanica [Usoh1995; Stone2001]. In ogni caso, affinché la simulazione in ambiente virtuale fornisca risultati soddisfacenti, è necessario raggiungere un adeguato livello di realismo. Questo si traduce in software applicativi caratterizzati da un livello di dettaglio sempre crescente. L incremento della complessità del sistema in esame risulta poi strettamente correlato alle potenzialità dei calcolatori, in termini di spazio disco, memoria e velocità del processore, in modo tale che i risultati della simulazione vengano restituiti in tempi utili [Bonini2001]. Nell ambito industriale, di particolare interesse per questa trattazione, la RV è particolarmente impiegata, come insostituibile risorsa multidisciplinare di visualizzazione, nella progettazione e nello sviluppo di soluzioni innovative, nonché nella validazione di strategie integrate processo-prodotto [Bao2002]. Inoltre il significativo incremento delle potenze disponibili per il rendering ha indotto allo sviluppo di molti sistemi RV di simulazione per l addestramento all impiego ed