Διπλωματική Εργασία. Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ & ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΑΝΘΡΩΠΟΥ-ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ Διπλωματική Εργασία Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Πανόπουλου Βασίλειου του Ιωάννη Αριθμός Μητρώου: 6337 Θέμα «Μελέτη και αξιολόγηση τεχνολογιών πολλαπλής αφής» Επιβλέπων Καθηγητής κ. Νικόλαος Αβούρης Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Φεβρουάριος 2013

2 2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα: «Μελέτη και αξιολόγηση τεχνολογιών πολλαπλής αφής» Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Πανόπουλου Βασίλειου του Ιωάννη Αριθμός Μητρώου: 6337 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα.... Ν. Αβούρης E.Χούσος Καθηγητής Καθηγητής 3

4 4

5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Μελέτη και αξιολόγηση τεχνολογιών πολλαπλής αφής» Φοιτητής: Πανόπουλος Βασίλειος Επιβλέπων: Αβούρης Νικόλαος Περίληψη Οι τεχνολογίες πολλαπλής αφής παρουσιάζουν μεγάλο ερευνητικό και τεχνολογικό ενδιαφέρον στον τομέα της αλληλεπίδρασης ανθρώπου-υπολογιστή από τις προηγούμενες κιόλας δεκαετίες. Το κόστος όμως τέτοιων συστημάτων καθιστούσε απαγορευτική τη χρήση τους εκτός έξω από το χώρο ερευνητικών εργαστηρίων. Οι εξελίξεις στον τομέα αυτό είναι ραγδαίες με αποτέλεσμα πλέον τα συστήματα αυτά να καθίστανται προσιτά και ιδιαίτερα ελκυστικά, προσφέροντας έτσι τη δυνατότητα ευρύτερης αποδοχής τους. Η διπλωματική αυτή εργασία, που εκπονήθηκε στο Εργαστήριο της Ερευνητικής Ομάδας Αλληλεπίδρασης Ανθρώπου Υπολογιστή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών, υπό την επίβλεψη του Καθ. Νικόλαου Αβούρη, περιγράφει σε πρώτο στάδιο τη μελέτη και αξιολόγηση των τεχνολογιών αφής και ιδιαίτερα των οπτικών καθώς αυτές επιτρέπουν την κατασκευή συστημάτων μεγάλων διαστάσεων. Έπειτα από επιλογή της καταλληλότερης τεχνολογίας με βάση τις προαπαιτούμενες προδιαγραφές παρουσιάζεται η κατασκευή ενός λειτουργικού συστήματος πολλαπλής αφής με χρήση της τεχνικής Diffused Illumination. Η αναγνώριση των σημείων αφής επετεύχθη με χρήση του προγράμματος ανοιχτού λογισμικού CommunityCoreVision (CCV). Στόχος της κατασκευής είναι η αξιολόγηση του ίδιου του συστήματος καθώς και η έρευνα και η αξιολόγηση νέων τρόπων αλληλεπίδρασης με το σύστημα αυτό. Η αξιολόγηση πραγματοποιήθηκε μέσω πειραματικής διαδικασίας που κατέδειξε την αποτελεσματικότητα του συστήματος στη διαχείριση αντικειμένων σε σχέση με έναν επιτραπέζιο υπολογιστή. Η εφαρμογή του πειράματος αναπτύχθηκε με τη γλώσσα Python και το Kivy. Η διαδικασία αυτή οδήγησε στην απόκτηση πρακτικών και θεωρητικών γνώσεων σε μεγάλο μέρος του γνωστικού φάσματος του τομέα της κατασκευής ολοκληρωμένων συστημάτων. 5

6 6

7 Thesis Title «Study and evaluation of Multi-touch Technologies» Student: Panopoulos Vasileios Supervisor: Avouris Nikolaos Abstract When interacting with a regular desktop computer, indirect devices such as a mouse or keyboard are used to control the computer. Results of the interaction are displayed on a monitor. Current operating systems are restricted to one pointing device. With the introduction of multi-touch, a new form of human computer interaction is introduced. Multi-touch combines display technology with sensors which are capable of tracking multiple points of input. The idea is that this would allow users to interact with the computer in a natural way. Furthermore, unlike interaction on a desktop computer, multi-touch allows multiple users to interact with the same devices at the same time. Due to recent innovations multi-touch technology has become affordable. For this project an optical based multi-touch device has been designed and constructed at the Human Computer Interaction group of the Electrical and Computer Engineering department of the University of Patras. To perform multi-touch point tracking we used CommunityCoreVision (CCV), a free open source multi-touch framework. To demonstrate the possibilities of multi-touch input technology the system was tested with existing applications, which are controlled by gestures. Multi-touch systems are often stand-alone systems that do not have external input devices attached, however, such devices can be used to support difficult task such as writing. In order to simplify common tasks, a gesture recognition engine has been evaluated along with a multitouch mouse driver compatible with Windows 7 that supports TUIO messages. Through an experiment designed with the Python based Kivy framework, we evaluate how multi-touch input performs on a specific object manipulation task compared to conventional mouse input. 7

8 Λέξεις-κλειδιά Αλληλεπίδραση ανθρώπου-υπολογιστή (HCI), συστήματα και τεχνολογίες πολλαπλής αφής (multi-touch), διάχυτος φωτισμός (DI Diffused Illumination), υπέρυθρος φωτισμός και κάμερες, FTIR, CommunityCoreVision (CCV), TUIO, Python, Kivy. 8

9 Το απλό είναι και δύσκολο. Το εύκολο είναι δυσκολότερο. Το αόρατο είναι το πιο δύσκολο. Jean-Louis Gassee 9

10 10

11 Ευχαριστίες Για την εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής εργασίας, αρχικά θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή κο.αβούρη Νικόλαο για τη δυνατότητα που μου έδωσε να την πραγματοποιήσω υπό την επίβλεψή του, καθώς και για την εμπιστοσύνη και τη διαρκή και άριστη συνεργασία που είχαμε σε όλη την διάρκεια της ανάπτυξης και συγγραφής της εργασίας αυτής. Επιπρόσθετα, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κο.ράπτη Δημήτρη για την βοήθεια και την υποστήριξη του ιδιαίτερα κατά τα αρχικά στάδια της κατασκευής του συστήματος. Να ευχαριστήσω επίσης των υποψήφιο διδάκτορα κο.σιντόρη Χρήστο για τον χρόνο που διέθεσε, την υποστήριξη και την καθοδήγηση του, καθώς και όλα τα μέλη του εργαστηρίου για τις πολύτιμες συμβουλές και την άριστη συνεργασία που είχαμε. Τέλος θέλω να εκφράσω τις ευχαριστίες μου στην οικογένεια μου ως το ελάχιστο αντίκρισμα για την συνεχή υποστήριξη τους καθ όλη την διάρκεια των σπουδών μου. 11

12 Περιεχόμενα Περίληψη... 5 Abstract... 7 Ευχαριστίες ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. Εισαγωγή Στόχος της διπλωματικής Ιστορική ανασκόπηση Εναλλακτικές τεχνολογίες αφής Τεχνολογία βασιζόμενη στην αντίσταση Τεχνολογία βασιζόμενη στην χωρητικότητα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. Εισαγωγή στις oπτικές τεχνολογίες αφής Ανάλυση αλληλεπίδραση χρήστη-συστήματος Ανάλυση βασικών στοιχείων Υπέρυθρη ακτινοβολία Υπέρυθρος φωτισμός Αναγνώριση δεδομένων εισόδου οπτικός αισθητήρας Ανάλυση διάφορων οπτικών τεχνολογιών FTIR Διαταραχή εσωτερικής ολικής ανάκλασης Diffused Illumination (DI) Διάχυτος φωτισμός Rear-DI Οπίσθιος διάχυτος φωτισμός Diffused Surface Illumination (DSI) Διάχυτος φωτισμός επιφάνειας Άλλες λιγότερο διαδεδομένες μέθοδοι Σύγκριση και επιλογή κατάλληλης τεχνολογίας Τεχνικές προβολής δεδομένων Προβολείς Επιφάνειες προβολής Οθόνες υγρών κρυστάλλων Ανάλυση λογισμικού και ανάπτυξης εφαρμογών Εισαγωγή στην ανάπτυξη λογισμικού πολλαπλής αφής Εντοπισμός για πολλαπλή αφή Προγραμματισμός εφαρμογών πολλαπλής αφής

13 2.7. Optical Tracker (οπτικός ιχνηλάτης) Βασικές επιλογές ρυθμίσεις Πρωτόκολλο TUIO Fiducials ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. Σχεδίαση και θεωρητικές προδιαγραφές Βασικές προϋποθέσεις σχεδιασμού Γενικές οδηγίες για το σχεδιασμό επιφανειών συνεργασίας Διαστάσεις Κατασκευής Εργονομία και Πρακτικοί προβληματισμοί Συμπληρωματικές προδιαγραφές ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. Επιλογή και τροποποίηση hardware Βασικές επιλογές Συσκευές εισόδου δεδομένων Επιλογή Κάμερας Τροποποίηση Καμερών Υπέρυθρος φωτισμός Συσκευή Εξόδου δεδομένων Προτζέκτορας Συσκευές ψύξης ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. Υλοποίηση και υποστηρικτικές Κατασκευές Διαδικασία σχεδιασμού Θεωρητικό Μοντέλο Τοποθέτηση προτζέκτορα Τοποθέτηση και αριθμός καμερών Ολοκληρωμένο μοντέλο Δοκιμαστική ανοιχτή κατασκευή Βασική Κατασκευή Βάση προτζέκτορα Βάση Α Βάση Β Βάσεις και στήριξη των LED bars Τοποθέτηση Υπολογιστή

14 5.8. Βάσεις Ανεμιστήρων Καλωδίωση και Τροφοδοσία υποσυστημάτων Ενεργοποίηση και Απενεργοποίηση του συστήματος Διάγραμμα διασύνδεσης συστημάτων Πίνακας ελέγχου panel Ρύθμιση Software Λειτουργικό Σύστημα της κατασκευής Οδηγός λειτουργίας Καμερών (driver) Optical Tracker Ενσωμάτωση στο λειτουργικό σύστημα Έλεγχος προτζέκτορα από Υπολογιστή Τελικό στάδιο (ρυθμίσεις λειτουργικού συστήματος) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6. Αξιολόγηση Σκοπός του πειράματος Πειραματική διαδικασία Εφαρμογή Στατιστική ανάλυση πειράματος Student s t test Mann-Whitney ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7. Συμπεράσματα Μελλοντικές βελτιώσεις Προοπτικές Βιβλιογραφία Παράρτημα Κόστος κατασκευής Πίνακας αποστάσεων καμερών οθόνης Fiducials

15 Εικόνα 1.1: Γραφική αναπαράσταση λειτουργίας του Digital Desk Εικόνα 1.2: Το Digital Desk σε λειτουργία Εικόνα 1.3: Σχεδιάγραμμα του τρόπου λειτουργίας του DiamondTouch Εικόνα 1.4: Εφαρμογή του συστήματος DiamondTouch Εικόνα 1.5: Microsoft Surface Εικόνα 1.6: Samsung SUR40 (PixelSense) Εικόνα 1.7: Επιφάνεια αφής με χρήση της επιφανειακής χωρητικότητας Εικόνα 1.8 :Ένα πλέγμα καλωδίων ανάμεσα σε δύο προστατευτικές γυάλινες επιφάνειες. Η αλλαγή των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών του πλέγματος χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του σημείου αφής Εικόνα 1.9: Τρόπος λειτουργίας της προβαλλόμενης τεχνολογίας αφής Εικόνα 1.10: Τρόπος λειτουργίας συστημάτων με τη χρήση της τεχνολογίας SAW (1-3) Εικόνα 2.1. Σχηματικό διάγραμμα του κύκλου αλληλεπίδρασης του χρήστη με το σύστημα Εικόνα 2.2. Ευαισθησία αισθητήρα σε διάφορα μήκη κύματος Εικόνα 2.3 Γράφημα διαπερατότητας φίλτρου 850D Εικόνα 2.4. Σχηματική αναπαράσταση λειτουργίας της τεχνικής FTIR Εικόνα 2.5. Σημεία αφής χρήστη όπως φαίνονται στην τεχνολογία FTIR Εικόνα 2.6. Σχηματική αναπαράσταση λειτουργίας της τεχνικής FDI Εικόνα 2.7. Σχηματική αναπαράσταση λειτουργίας της τεχνικής RDI Εικόνα 2.8. Τα σημεία επαφής όπως αναγνωρίζονται από την κάμερα στις τεχνικές Rear-DI και Front-DI αντίστοιχα Εικόνα 2.9. Σχηματική αναπαράσταση λειτουργίας της τεχνικής DSI Εικόνα Σχηματική αναπαράσταση λειτουργίας της τεχνικής LLP Εικόνα Σχηματική αναπαράσταση λειτουργίας της τεχνικής LED-LP Εικόνα Βασικές χειρονομίες χειραγώγησης αντικειμένων Εικόνα Γενικό σχεδιάγραμμα ανίχνευσης σημείων αφής και μετατροπής τους σε χειρονομίες Εικόνα 2.14 Περιγραφή οπτικού ιχνηλάτη Εικόνα Αρχική εικόνα της τελευταίας έκδοσης του CCV Εικόνα Μενού επιλογής κάμερας και ρυθμίσεων Εικόνα Διάγραμμα που περιγράφει τη χρήση του πρωτοκόλλου για επικοινωνία του ιχνηλάτη με τις εφαρμογές που το υποστηρίζουν Εικόνα (a) ένα fiducial του reactivision (b) σταθμισμένο κέντρο μαύρων και λευκών σημείων (c) σταθμισμένο κέντρο μαύρων σημείων και (d) και το διάνυσμα που προκύπτει από αυτά και χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της γωνίας Εικόνα Αναγνώριση fiducial από το CCV Εικόνα 3.1. Τελικό σχέδιο εξωτερικής δομής της κατασκευής με δοθείσες τις διαστάσεις

16 Εικόνα 3.2 Σύστημα αποτελούμενο από στιβαρή γεωμετρική κατασκευή που δεν επιτρέπει στους χρήστες να κάθονται Εικόνα 4.1 α) Κάμερα PlayStation Eye του PS3 στην αρχική της κατάσταση β)τροποιημένη κάμερα Εικόνα 4.2. Φακός μεταβαλλόμενης εστιακής απόστασης Εικόνα 4.3. Παραμορφώσεις εικόνας ανάλογα με τον φακό Εικόνα 4.4: Μπροστινή και πίσω όψη του περιβλήματος Εικόνα 4.5 Οι δύο όψεις της κάμερας Εικόνα 4.6. Το ειδικό φίλτρο και ο αισθητήρας της κάμερας Εικόνα 4.7. Η βάση φακού τύπου m12x Εικόνα 4.8. To τελικό στάδιο μετατροπής της κάμερας Εικόνα 4.9. Οι δύο κάμερες αφού έχουν μετατραπεί και είναι έτοιμες για χρήση Εικόνα 4.10 Multi touch screen kit της εταιρίας Environmental Lights Εικόνα 4.11 Διάγραμμα απεικόνισης του επιτρεπτού μήκους κύματος της κάμερας σε σχέση με το μήκος κύματος των προβολέων (IR12-850) Εικόνα 4.12 Προβολέας TDP-EW Εικόνα Σύστημα ψύξης Εικόνα 4.14 Ανεμιστήρας του συστήματος ψύξης Εικόνα 5.1 Πιθανές διαμορφώσεις προτζέκτορα-καθρέφτη Εικόνα 5.2 Πλάγια όψη που παρουσιάζει την ακριβή τοποθέτηση του συστήματος προτζέκτορα καθρέφτη σε σχέση με το υπόλοιπο σύστημα Εικόνα 5.3 Εικόνα για την οποία είχε σχεδιαστεί το σύστημα αρχικά (Screen A) και εικόνα που τελικά επετεύχθη με το σύστημα προτζέκτορα-καθρέφτη (Screen B) Εικόνα 5.4 Σχέδιο τμήματος που δύναται να καλύψει η αριστερή κάμερα Εικόνα 5.5 Αναλυτικό σχέδιο του ολοκληρωμένου μοντέλου (ακριβείς διαστάσεις) 95 Εικόνα 5.6 Ακριβές σχέδιο ανοιχτής δοκιμαστικής κατασκευής Εικόνα 5.7 Επιμέρους υλικά και τρόπος κατασκευής Εικόνα 5.8 Επόμενο στάδιο κατασκευής Εικόνα 5.9 Ολοκλήρωση τελικής κατασκευής Εικόνα 5.10 Δοκιμαστικά σχέδια κατασκευής με χρήση κεκλιμένων επιφανειών στο κάτω επίπεδο Εικόνα 5.11 Δοκιμαστικά σχέδια κατασκευής με γνώμονα αυξημένη εργονομία Εικόνα 5.12 Λεπτομέρεια εσοχής για την επιφάνεια αφής Εικόνα 5.13 Σχέδιο της τελικής κατασκευής με ακριβείς διαστάσεις Εικόνα 5.14 Διαχωρισμός τελικής κατασκευής σε άνω και κάτω τμήμα Εικόνα 5.15 Ολοκλήρωση τελικής κατασκευής στο χώρο του εργαστηρίου Εικόνα 5.16 Λεπτομέρειες τελικής κατασκευής Εικόνα 5.17 Σχέδιο τελικής βάσης Εικόνα 5.18 Λεπτομέρεια βάσης από άλλη οπτική γωνία Εικόνα Πρώτη προσπάθεια κατασκευής της βάσης και δοκιμή της

17 Εικόνα 5.20 Βασικά στοιχεία για την κατασκευή της βάσης Εικόνα 5.21 Διαδικασία κατασκευής της βάσης προβολέα Εικόνα Η κατασκευή της βάσης του προβολέα βίντεο Εικόνα5.23 Δοκιμή των βάσεων του προτζέκτορα στη δοκιμαστική κατασκευή και προσπάθεια ευθυγράμμισης της εικόνας Εικόνα Οι προβολείς υπέρυθρου φωτισμού Led και η βάση στήριξης τους Εικόνα Γωνία προβολής των υπέρυθρων LED Εικόνα Βάση στήριξης υπέρυθρων προβολέων Εικόνα Τελική τοποθέτηση των υπέρυθρων προβολέων Εικόνα Σχέδιο τοποθέτησης υποσυστημάτων του υπολογιστικού συστήματος Εικόνα Δοκιμαστική τοποθέτηση βάσης υπολογιστικού συστήματος Εικόνα Τροποποιημένο κανάλι αλουμινίου U Εικόνα Κατασκευή και εγκατάσταση υπολογιστικού συστήματος Εικόνα Υπολογιστικό σύστημα Εικόνα Διαδικασία κατασκευής Εικόνα Κατασκευή συστήματος ψύξης Εικόνα5.35 Σειρά ενεργοποίησης υποσυστημάτων Εικόνα Διάγραμμα τροφοδοσίας των συστημάτων Εικόνα Διάγραμμα σύνδεσης των περιφερειακών συστημάτων Εικόνα Σχέδιο πίνακα ελέγχου Εικόνα Υλοποίηση πίνακα ελέγχου Εικόνα Σχέδιο σημείων διάτρησης Εικόνα Τελική τοποθέτηση πίνακα Εικόνα Τιμές φίλτρων CCV Εικόνα 5.43 Τα βασικά φίλτρα του οπτικού ιχνηλάτη κατά τη διάρκεια μιας δοκιμαστικής ρύθμισης Εικόνα 5.44 Το αποτέλεσμα της ανίχνευσης μετά την επεξεργασία της εικόνας από τα φίλτρα Εικόνα 5.45 Οθόνη βαθμονόμησης πριν την ενεργοποίηση της διαδικασίας Εικόνα 6.1. Αρχική οθόνη επιλογών της εφαρμογής του πειράματος Εικόνα 6.2. Αρχική οθόνη του πειράματος Εικόνα 6.3 Δεύτερο στάδιο του πειράματος Εικόνα 6.4 Τρίτο στάδιο του πειράματος Εικόνα 6.5. Ιστόγραμμα πληθυσμού οθόνης multi-touch Εικόνα Ιστόγραμμα πληθυσμού πληκτρολογίου/ποντικιού Εικόνα 6.7. Μετασχηματισμένες (log) κατανομές Εικόνα 6.8. Μετασχηματισμένες (Box-Cox) κατανομές Εικόνα 6.9. Tests κανονικότητας του προγράμματος Past Εικόνα Γραφική παράσταση κανονικής πιθανότητας

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. Εισαγωγή 1.1. Στόχος της διπλωματικής Στόχος αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση και η ανάλυση διάφορων τεχνολογιών αφής με απώτερο σκοπό την υλοποίηση μιας επιφάνειας πολλαπλής αφής. Αρχικά, πραγματοποιείται μια σύντομη αναφορά στις τεχνολογίες αφής ενός σημείου και στη συνέχεια περιγράφονται επιφάνειες πολλαπλής αφής. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στις επιφάνειες που υλοποιούνται με τη χρήση τεχνολογίας οπτικής αναγνώρισης και στις διάφορες τεχνικές που έχουν αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια. Αυτού του είδους οι τεχνικές επέτρεψαν την απλοποίηση των κατασκευών αυτών με συνέπεια την ευρεία διάδοση τους, αποκτώντας μεγάλο τεχνολογικό ενδιαφέρον σε ερευνητικό και ακαδημαϊκό επίπεδο. Παρόλα αυτά, τα βασικά στοιχεία τέτοιων υλοποιήσεων δεν έχουν αναλυθεί σε βάθος και λεπτομέρειες που αφορούν τα επιμέρους τμήματα τους παραμένουν απροσδιόριστες. Πρόσφατα, νέα ώθηση προς την κατεύθυνση αυτή σημείωσε η FTIR τεχνική (Frustrated Total Internal Reflection) που παρουσιάστηκε από τον Jeff Hann. Η τεχνική αυτή προκάλεσε ιδιαίτερο ενδιαφέρον και αποτέλεσε το έναυσμα δημιουργίας ερασιτεχνικών κοινοτήτων, οι οποίες σηματοδότησαν μία καινούρια εποχή, υιοθετώντας νέες τεχνικές και βελτιώνοντας τις ήδη υπάρχουσες. Η φύση, όμως, των κοινοτήτων αυτών παρουσιάζει δυσκολίες όσον αφορά τη μύηση καθώς και την εξοικείωση με τα ευρήματα τους. Λόγω αυτών των προβλημάτων, καθίσταται σημαντική η αναζήτηση και συγκέντρωση των στοιχείων αυτών, ώστε να παρουσιάζονται αναλυτικά οι λεπτομέρειες κάθε τεχνικής, δημιουργώντας μία ολοκληρωμένη βάση αναφοράς. Οι τεχνικές που αναφέρονται, βασίζονται στη χρήση των μεθόδων Computer Vision και οπτικών συστημάτων. Παρότι σε αυτές τις τεχνικές στηρίζεται ένα μεγάλο ποσοστό των μέχρι τώρα υλοποιήσεων, υπάρχουν κι άλλες τεχνικές αναγνώρισης που μπορούν να εφαρμοστούν στην κατασκευή συστημάτων πολλαπλής αφής. Μερικές από αυτές περιλαμβάνουν αισθητήρες εγγύτητας, κίνησης, προσανατολισμού, πίεσης, αντίστασης καθώς και χωρητικούς και ακουστικούς αισθητήρες. Κάποιες φορές, μάλιστα, συνδυάζονται οι τεχνικές αυτές ώστε να επιτευχθεί ένα πιο ανεπτυγμένο και ολοκληρωμένο σύστημα. Οι σημερινές δυνατότητες κατασκευής μεγάλων επιφανειών, το μικρό κόστος και η ευκολία εγκατάστασης και ρύθμισης των οπτικών τεχνικών είναι μερικοί από τους λόγους που τις έχουν καταστήσει ιδιαίτερα δημοφιλείς. Για το λόγο αυτό, αναλύονται τρεις συγκεκριμένες τεχνικές κατασκευής, η FTIR, η DI (Diffused Illumination) και DSI (Diffused Surface Illumination) 18

19 καθώς αυτές προσφέρουν δυνατότητα μεγαλύτερης εμβάθυνσης και κατανόησης των εσωτερικών τους τμημάτων. Με βάση την υπάρχουσα βιβλιογραφία, γίνεται εκτενέστερη αναφορά των χρησιμοποιηθέντων πηγών φωτισμού, των υλικών, του εφαρμοζόμενου hardware καθώς των δυνατών συνδυασμών υλικού και λογισμικού έτσι ώστε να καθοριστούν πιθανοί τρόποι κατασκευής τέτοιων επιφανειών και να καταγραφούν οι αντίστοιχες εφαρμογές τους. Τέλος, συγκρίνοντας τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα κάθε τεχνικής και έχοντας ως γνώμονα την ευκολία και το μικρότερο δυνατό κόστος, υλοποιείται ένα δοκιμαστικό μοντέλο κατασκευής με εφαρμογή της DI τεχνικής. Το δοκιμαστικό αυτό μοντέλο πληροί όλες τις απαραίτητες προϋποθέσεις που θα επιτρέψουν την περαιτέρω εξέλιξή του με χρήση ακόμη πιο ανεπτυγμένων τεχνικών. Στο παρόν πόνημα, λόγω του οικονομικού προϋπολογισμού που έπρεπε να τηρηθεί, πραγματοποιείται μόνο θεωρητική ανάλυση των επιπλέον βελτιώσεων και καταγράφεται η μεθοδολογία χωρίς να επιτευχθεί πρακτικά ένα πιο εξελιγμένο μοντέλο Ιστορική ανασκόπηση Οι ιδέες πάνω στις οποίες βασίστηκε η ανάπτυξη των τεχνολογιών αφής ενός ή πολλαπλών σημείων δεν αποτελούν καινοτομία, καθώς πρωτότυπα και υλοποιήσεις έχουν ήδη παρουσιαστεί σε διάφορες μορφές από το 1970 και υπάρχουν αρκετές τεκμηριωμένες έρευνες που παρουσιάζουν τις μεθοδολογίες κατασκευής τους. Κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας, όμως, παρουσιάστηκε εντονότερο ενδιαφέρον τόσο από την ακαδημαϊκή κοινότητα όσο και από την εμπορική με αποτέλεσμα να διαδοθούν ευρέως. Οι μέχρι τώρα μελέτες καταδεικνύουν και προβλέπουν ότι στο μέλλον η τεχνολογία αυτή θα αποτελεί μέρος της καθημερινότητας, επιτρέποντας την ακόμη πιο εύκολη αλληλεπίδραση των ανθρώπων με τους υπολογιστές, χρησιμοποιώντας μόνο τα δάχτυλα τους. Ακόμη και αν προβλέπεται εμπεριστατωμένα η συνεχής εξέλιξη της τεχνολογίας αυτής στο μέλλον, είναι απαραίτητη μια ανασκόπηση της ιστορίας της που θα επιτρέψει την εκτίμηση της μέχρι τώρα πορείας της. Η εμφάνιση των υπολογιστών στην ανθρώπινη καθημερινότητα πραγματοποιήθηκε στα μέσα της δεκαετίας του 1970, με τη χρήση κυρίως του προσωπικού υπολογιστή. Οι λόγοι που κατέστησαν τη γρήγορη διάδοσή τους ήταν η δυνατότητα εύκολης και άμεσης απόκτησης τους, η μαζική τους κατασκευή αλλά και τα πολλά πλεονεκτήματα που παρείχαν όσον αφορά στην πρόσβαση, στη διαχείριση και στην επεξεργασία ψηφιακών πληροφοριών. Παράλληλα, η χρήση των υπολογιστών δημιούργησε την ανάγκη καθιέρωσης συσκευών εισόδου των πληροφοριών, όπως το ποντίκι και το 19

20 πληκτρολόγιο. Αυτές οι συσκευές, όμως, θέτουν περιορισμούς στη διαχείριση των ψηφιακών πληροφοριών ιδιαίτερα σε συνθήκες συνεργασίας. Για να ξεπεραστούν οι δυσκολίες αυτές, σχεδιαστήκαν και αναπτύχθηκαν συστήματα που επιτρέπουν την φυσική και ταυτόχρονη αλληλεπίδραση των ανθρώπων με ψηφιακές πληροφορίες. Ένα τέτοιο σύγχρονο παράδειγμα αποτελεί η τεχνολογία αφής που εφαρμόζεται σε επίπεδα οριζόντια συστήματα και αναλύεται εκτενέστερα παρακάτω. Η ανάπτυξη συστημάτων πολλαπλής αφής ξεκίνησε πρακτικά το 1982 στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο από μία ερευνητική ομάδα η οποία παρουσίασε το πρώτο λειτουργικό σύστημα αφής. Το σύστημα αυτό αποτελούταν από ένα ειδικό, ημιδιαφανές γυαλί και μια κάμερα τοποθετημένη πίσω από αυτό. Η κάμερα αναγνώριζε μέσω ειδικών αλγορίθμων τα δάχτυλα που ερχόταν σε επαφή με την επιφάνεια, καθώς αυτά δημιουργούσαν «μαύρες περιοχές». Η δημιουργία του πρωτοτύπου αυτού αποτέλεσε τον εναρκτήριο σταθμό, προκαλώντας και εντείνοντας το ενδιαφέρον πολλών ερευνητικών ομάδων και εταιριών. Το 1983, τα εργαστήρια Bell δημοσίευσαν μια αναλυτική έρευνα που αφορούσε στις αλληλεπιδράσεις με διεπαφές πολλαπλής αφής και το 1984 κατασκεύασαν οθόνη που παρείχε τη δυνατότητα εναλλαγής εικόνων με περισσότερα από ένα χέρια. Μετά από την κατασκευή αυτή, τα εργαστήρια Bell έστρεψαν το ενδιαφέρον τους στην ανάπτυξη λογισμικού για τέτοιες επιφάνειες, παραμελώντας την κατασκευή άλλων τέτοιων συστημάτων. Το 1985, το Πανεπιστήμιο του Τορόντο με υπεύθυνο τον Bill Buxton ανέπτυξε μία ταμπλέτα πολλαπλής αφής εξελίσσοντας την πρώτη τους κατασκευή. Στη νέα αυτή υλοποίησή τους αντικατέστησαν την ενσωματωμένη κάμερα με αισθητήρες χωρητικότητας (capacitance). To 1990 διεξήχθη εκτενής ακαδημαϊκή έρευνα από τον Sears et al. πάνω στην αλληλεπίδραση ανθρώπου-υπολογιστή με χρήση απλής ή πολλαπλής αφής. Στη μελέτη αυτή, περιγράφηκαν οι κινήσεις που πραγματοποιούνται με τη χρήση ενός δαχτύλου όπως η περιστροφή ενός χειριστηρίου, η ενεργοποίηση διακοπτών με σύρσιμο και η πληκτρολόγηση σε εικονικό πληκτρολόγιο. Επίσης, καταγράφηκαν και οι κινήσεις πολλαπλής αφής όπως η επιλογή ενός τμήματος μια γραμμής, η ένωση αντικειμένων καθώς και η περιστροφή και η μεγέθυνση αντικειμένων. Μέχρι τις αρχές του 1990, παρά τις παραπάνω παρατηρήσεις, οι τεχνολογίες πολλαπλής αφής δεν ήταν ιδιαίτερα διαδεδομένες κυρίως λόγω της έλλειψης ουσιαστικών και καινοτόμων εφευρέσεων. Νέα ώθηση σε αυτό έδωσε ο Pierre Wellner, όταν το 1991 παρουσίασε την έρευνα του πάνω στο σύστημα Digital Desk το οποίο υποστήριζε τη χρήση πολλών δακτύλων και κινήσεων μεγέθυνσης. Η μελέτη του συμπεριλάμβανε, όμως, και την καταγραφή περιορισμών και δυσκολιών που 20

21 αφορούσαν διαδικασίες σάρωσης, εκτύπωσης και μετάφρασης χειρόγραφων εγγράφων. Ως εναλλακτική λύση πρότεινε τη χρήση ενός γραφείου στο οποίο θα ενσωματώνεται μια κάμερα, προσαρμοσμένη στην οροφή, και μια προβαλλόμενη οθόνη στην επιφάνεια του γραφείου που θα συνεργαζόταν με τον υπολογιστή του χρήστη. Εικόνα 1.1: Γραφική αναπαράσταση λειτουργίας του Digital Desk Εικόνα 1.2: Το Digital Desk σε λειτουργία 21

22 Η λειτουργία του συστήματος αυτού επέτρεπε στο χρήστη να «εμφανίσει» ένα έγγραφο στην κάμερα, δίνοντας της έτσι την εντολή να κάνει λήψη ενός στιγμιότυπου του περιεχομένου του εγγράφου. Αυτή η εικόνα υψηλής ανάλυσης επεξεργαζόταν από το σύστημα το οποίο τη μετέτρεπε σε ένα ψηφιακό έγγραφο που μπορούσε πλέον να διαχειριστεί ο υπολογιστής. Λόγω περιορισμών, όμως, στον αλγόριθμο παρακολούθησης της κίνησης του χρήστη αλλά και στον αλγόριθμο αναγνώρισης και μετατροπής κειμένου που χρησιμοποιούνταν, το σύστημα δε λειτούργησε αποτελεσματικά. Παρόλα αυτά, αποτέλεσε πηγή έμπνευσης για την ανάπτυξη συστημάτων που χρησιμοποιούν οπτική τεχνολογία και ενσωματώνονται στην καθημερινότητα, διευκολύνοντας με αυτό τον τρόπο την πραγματοποίηση δύσκολων διεργασιών. Το 2001 παρουσιάστηκε το InteracTable και αποτελεί ένα από τα πρώτα συστήματα που προσπάθησε να βρει λύσεις σε μερικά από τα προβλήματα συνεργασίας ομάδων γύρω από μια συσκευή πολλαπλής αφής. Σχεδιάστηκε έτσι, ώστε να δίνει τη δυνατότητα δημιουργίας, περιγραφής και επισήμανσης αντικειμένων και πληροφοριών για δύο έως έξι χρήστες. Λειτουργούσε με τη χρήση ενός προτζέκτορα LCD και υποστήριζε, εκτός από την επιλογή της αφής, τη χρήση πληκτρολογίου, ποντικιού καθώς και ενός ειδικού στυλό. Το ίδιο έτος παρουσιάστηκε και το σύστημα DiamondTouch από τους Deitz και Leigh της MERL. Το σύστημα αυτό αναγνώριζε σημεία αφής με τη χρήση χωρητικού αισθητήρα. Μέσω ενός ειδικού συστήματος μικροσκοπικών καλωδίων ενσωματωμένων στην οθόνη, έστελνε μοναδικά ηλεκτρικά σήματα στις διάφορες περιοχές της. Έτσι, όταν ένας χρήστης ακουμπούσε την επιφάνεια, το σήμα αυτό έρεε μέσω του χρήστη σε έναν δέκτη με τον οποίο ήταν συνδεδεμένος. Με αυτόν τον τρόπο μπορούσε να αναγνωρίσει πολλαπλά σημεία αφής και να προσδιορίσει την προέλευσή τους. Το γεγονός, όμως, ότι ο χρήστης έπρεπε να είναι συνδεδεμένος στον δέκτη θεωρείται ένα σημαντικό μειονέκτημα. Ένα ακόμη αρνητικό στοιχείο του συστήματος, λόγω της κατασκευής του, ήταν η προβολή της εικόνας, η οποία δεν μπορούσε να προβληθεί πίσω από το σύστημα αλλά προβαλλόταν από ένα προτζέκτορα τοποθετημένο από πάνω του. Όμως, παρά τα μειονεκτήματα του, το DiamondTouch αποτέλεσε ένα πρώιμο σχέδιο ενός συστήματος πολλαπλής αφής μεγάλης ακρίβειας. Για το λόγο αυτό, υιοθετήθηκε αργότερα από αρκετά εργαστήρια για τη διεξαγωγή ερευνών πάνω σε αλληλεπιδράσεις πολλών χρηστών και για την επίλυση προβλημάτων σε συστήματα παρόμοιας λογικής. 22

23 Εικόνα 1.3: Σχεδιάγραμμα του τρόπου λειτουργίας του DiamondTouch Εικόνα 1.4: Εφαρμογή του συστήματος DiamondTouch Παράλληλα με τα παραπάνω συστήματα που αναπτύχθηκαν κυρίως για ακαδημαϊκή χρήση, κάποιες εταιρίες όπως η Microsoft είχαν ξεκινήσει την έρευνα για την ανάπτυξη και διάθεση τέτοιων συστημάτων στην αγορά. Το 2001 ξεκίνησε η συνεργασία του Stevie Bathiche από την Microsoft Hardware και του Andy Wilson από την Microsoft Research για να συνδυάσουν τις γνώσεις και τις εμπειρίες των δύο αυτών διαφορετικών τομέων. Κατά τη διάρκεια αυτής της συνεργασίας, πραγματοποίησαν ερεύνα πάνω στις επιφάνειες πολλαπλής αφής με στόχο τη δημιουργία ενός διαδραστικού συστήματος που θα μπορούσε να αναγνωρίσει και 23

24 φυσικά αντικείμενα. Πιο συγκεκριμένα, στόχος των δύο αυτών ερευνητών ήταν η δημιουργία ενός προϊόντος κατά το οποίο η αλληλεπίδραση του χρήστη θα ήταν πιο πλούσια και διαισθητική, χωρίς να παραλείπεται η αναγκαιότητα για πρακτική χρήση του. Η διαδικασία ανάπτυξης ενός τέτοιου συστήματος διήρκησε από το 2001 έως το 2003 και κατά το χρονικό διάστημα αυτό κατασκευάστηκαν περισσότερα από 80 πρωτότυπα. Η προσπάθεια τους αυτή κατέληξε τελικά στη δημιουργία των προϊόντων PixelSense της Microsoft. Η πρώτη τους έκδοση ανακοινώθηκε το 2007 και έγινε εμπορικά διαθέσιμη σε περιορισμένους συνεργάτες της το Αυτά περιλάμβαναν ένα οπτικό σύστημα αναγνώρισης με χρήση υπερύθρων καμερών που μπορούσε να αναγνωρίσει ταυτόχρονα 52 σημεία αφής καθώς και ειδικά σχεδιασμένα barcodes. Η πρώτη έκδοση ήταν εμπορικά διαθέσιμη μέχρι το 2011 όπου και τελικά αντικαταστάθηκε από την δεύτερη έκδοση της στις αρχές του Για τη δημιουργία της δεύτερης αυτής έκδοσης αλλά και την τελειοποίηση της τεχνολογίας PixelSense, η εταιρία συνεργάστηκε με τη Samsung. Για το λόγο αυτό, η πρώτη και η δεύτερη έκδοση έχουν πολύ λίγες ομοιότητες. Εικόνα 1.5: Microsoft Surface

25 Εικόνα 1.6: Samsung SUR40 (PixelSense) Παρά τον σχετικά μεγάλο αριθμό των παραπάνω συστημάτων, η τεχνολογία αφής δεν είχε ακόμα διαδοθεί πέρα από τα ακαδημαϊκά ερευνητικά κέντρα, λόγω του αυξημένου κόστους που απαιτούνταν για την απόκτηση τέτοιων συστημάτων. Η αλλαγή αυτή επήλθε το 2006 με τη συμβολή του Jefferson Hahn, ο οποίος πραγματοποίησε την έρευνα Invalid source specified. του πάνω στις οπτικές τεχνολογίες πολλαπλής αφής με χρήση υλικών χαμηλού κόστους. Πιο συγκεκριμένα, η έρευνα του επικεντρωνόταν στην τεχνική FTIR. Το βίντεο της παρουσίασης της μελέτης του προωθήθηκε στο διαδίκτυο μετά από έξι μήνες, όπου διαδόθηκε ευρέως και οδήγησε πολλούς σε μια προσπάθεια αντιγραφής της τεχνικής του Hahn αλλά και ανάπτυξης τεχνικών παραπλήσιων με αυτήν. Ο Hahn αργότερα δημιούργησε την εταιρία PerceptivePixel για να προωθήσει τις οθόνες που κατασκεύαζε, βασιζόμενες στην τεχνολογία αυτή, σε μεγάλες εταιρίες και στον αμερικανικό στρατό. 25

26 1.3. Εναλλακτικές τεχνολογίες αφής Πριν την ανάλυση των τεχνολογιών οπτικής αναγνώρισης, αναφέρονται μερικές εναλλακτικές τεχνολογίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή επιφανειών αφής και είναι οι εξής: Resistance Based technology Capacitance Based technology Surface Wave Technology Το μειονέκτημα των παραπάνω τεχνολογιών για την εφαρμογή τους σε τέτοιες επιφάνειες είναι ότι απαιτούνται εγκαταστάσεις κατασκευής βιομηχανικού επιπέδου που σε συνδυασμό με το υψηλό κόστος τις καθιστούν απαγορευτικές σε ερευνητικό επίπεδο. Παρόλα αυτά, για μία πιο ολοκληρωμένη αντίληψη των τεχνολογιών αφής πραγματοποιείται μια σύντομη αναφορά στα βασικά στοιχεία της θεωρίας που τις απαρτίζουν Τεχνολογία βασιζόμενη στην αντίσταση Οι επιφάνειες που κατασκευάζονται με τη χρήση της τεχνολογίας αντίστασης (Resistance based technology) αποτελούνται συνήθως από δύο αγώγιμα στρώματα τα οποία διαχωρίζονται μέσω ενός μονωτή (μεμβράνη σιλικόνης). Το σημείο που έρχεται σε επαφή με το χρήστη κατασκευάζεται από μια ευλύγιστη μεμβράνη, ενώ το οπίσθιο στρώμα αποτελείται από γυαλί. Ένας ελεγκτής διαρρέει με ρεύμα το ένα αγώγιμο στρώμα, μετρώντας το ρεύμα που διαπερνά στο άλλο. Το ρεύμα εναλλάσσεται ανάμεσα στα δύο αυτά στρώματα. 26

27 Όταν ο χρήστης ακουμπά την επιφάνεια, οι δύο αγώγιμες επιφάνειες συνδέονται και επιτρέπουν στο ρεύμα να διαπεράσει από την μια πλευρά στην άλλη. Το ρεύμα αυτό μετράται στον οριζόντιο και στον κατακόρυφο άξονα και οι μετρήσεις αυτές χρησιμοποιούνται από τον ελεγκτή για τον ακριβή υπολογισμό της θέσης του σημείου αφής. Οι επιφάνειες αυτές παρουσιάζουν το πλεονέκτημα της πολύ χαμηλής κατανάλωσης κατά την λειτουργία τους. Για το λόγο αυτό, εφαρμόστηκαν στα πρώτα κινητά τηλέφωνα αφής. Από την άλλη πλευρά, όμως, μειώνουν τη διαύγεια της οθόνης στην οποία χρησιμοποιούνται καθώς εμφανίζουν μικρή διαπερατότητα (75%-85%) και δεν επιτρέπουν τη χρήση προστατευτικού περιβλήματος χωρίς να διαταράσσεται η ομαλή λειτουργία τους. Η τεχνολογία αυτή θεωρείται πλέον αρκετά ξεπερασμένη και στις περισσότερες περιπτώσεις έχει αντικατασταθεί με πιο εξελιγμένες και αποτελεσματικότερες τεχνολογίες Τεχνολογία βασιζόμενη στην χωρητικότητα Οι επιφάνειες που κατασκευάζονται με τεχνολογίες χωρητικότητας μπορούν να διαχωριστούν σε δύο κατηγορίες: Surface Capacitance (επιφανειακή χωρητικότητα) Projected Capacitance (προβαλλόμενη χωρητικότητα) Οι δύο αυτές τεχνικές αρχικά σχεδιαστήκαν για συστήματα ενός σημείου αφής, αργότερα όμως με τη χρήση νέων τεχνολογιών ελέγχου τους εφαρμόστηκαν και σε συστήματα πολλαπλής αφής. Ένα από τα πλεονεκτήματα των τεχνολογιών αυτών είναι η πολύ μεγάλη διαύγεια που εμφανίζουν, γεγονός που επιτρέπει τον αποτελεσματικό συνδυασμό τους με οθόνες. Επιπλέον, μπορούν να χρησιμοποιηθούν πέρα από την διαδικασία αφής με τα δάκτυλα, και σε λειτουργίες με άλλα αγώγιμα αντικείμενα. Αντιθέτως, όμως, παρουσιάζουν μεγάλο κόστος κατασκευής. Συμπερασματικά, όπως προαναφέρθηκε η τεχνολογία αυτή δύναται να χρησιμοποιηθεί για την αναγνώριση πολλών σημείων αφής. Ο αριθμός των ταυτόχρονων σημείων, όμως, θα πρέπει να είναι μικρός, λόγω μείωσης της ακρίβειας όταν υπάρχουν περισσότερα του ενός σημεία αφής. Επιφανειακή χωρητικότητα Η τεχνολογία αυτή βασίζεται στη χρήση ενός ομοιόμορφου στρώματος αγώγιμου υλικού πάνω σε μια γυάλινη επιφάνεια. Το υλικό αυτό είναι συνήθως ίδιο με αυτό που χρησιμοποιείται σε επιφάνειες με χρήση της τεχνολογίας αντίστασης. Το πάχος του είναι πολύ μικρότερο και με αυτό τον τρόπο προσφέρει μεγαλύτερη διαύγεια. Σε κάθε πλευρά της επιφάνειας, ο ελεγκτής διατηρεί έναν ακριβή αριθμό ηλεκτρονίων στον οριζόντιο και στον κατακόρυφο άξονα, δημιουργώντας ένα ομοιόμορφο 27

28 ηλεκτρικό πεδίο σε ολόκληρο το αγώγιμο υλικό. Πρέπει να σημειωθεί σε αυτό το σημείο ότι το ανθρώπινο δάκτυλο φέρει ηλεκτρικό φορτίο. Έτσι, όταν πλησιάζει την επιφάνεια, σχηματίζεται ηλεκτρικό πεδίο και μεταφέρονται ηλεκτρόνια από το ένα μέσο στο άλλο, διαταράσσοντας το ομοιόμορφο πεδίο της επιφάνειας. Εξαιτίας της διαταραχής αυτής, διαρρέει ρεύμα από τις γωνίες της επιφάνειας. Ο ελεγκτής μετρώντας το ρεύμα αυτό μπορεί να προσδιορίσει το σημείο αφής με πολύ μεγάλη ακρίβεια. Εικόνα 1.7: Επιφάνεια αφής με χρήση της επιφανειακής χωρητικότητας Προβαλλόμενη χωρητικότητα Από τις προαναφερθείσες τεχνολογίες αφής, η τεχνολογία προβαλλόμενης χωρητικότητας παρουσιάζει το μεγαλύτερο κόστος κατασκευής και η ακρίβεια της στις περισσότερες περιπτώσεις είναι μικρότερη. Σε αντίθεση με τις υπόλοιπες, όμως, εμφανίζει πολύ μεγάλη μηχανική αντοχή. Επιπρόσθετα, αυτές οι επιφάνειες μπορούν να καλυφθούν με επιπλέον προστατευτικό υλικό (μεγίστου πάχους 20mm), χωρίς να υπάρχει επίπτωση στην ακρίβεια τους. Αποτελείται από πάρα πολύ λεπτά καλώδια που δημιουργούν ένα πλέγμα, το οποίο στην συνέχεια τοποθετείται ανάμεσα σε δύο προστατευτικές επιφάνειες. Όταν ο χρήστης ακουμπά την οθόνη, η χωρητικότητα που αναπτύσσεται ανάμεσα στο δάχτυλο του και στο πλέγμα των καλωδίων διαταράσσει τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του πλέγματος. Έπειτα, αυτά καταγράφονται από τον ελεγκτή της επιφάνειας και προσδιορίζουν το σημείο επαφής. Η διαύγεια των επιφανειών αυτών είναι πολύ μεγάλη καθώς το πλέγμα των καλωδίων κατασκευάζεται με τέτοιο τρόπο που είναι σχεδόν αόρατο. Συμπεραίνοντας, η τεχνολογία αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά σε επιφάνειες πολλαπλής 28

29 αφής καθώς προσφέρει τη δυνατότητα ευκολότερου και γρηγορότερου υπολογισμού της ακριβής θέσης πολλών σημείων αφής ταυτόχρονα. Εικόνα 1.8 :Ένα πλέγμα καλωδίων ανάμεσα σε δύο προστατευτικές γυάλινες επιφάνειες. Η αλλαγή των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών του πλέγματος χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του σημείου αφής. Εικόνα 1.9: Τρόπος λειτουργίας της προβαλλόμενης τεχνολογίας αφής 29

30 Τεχνολογία επιφανειακών κυμάτων Η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιεί ειδικούς πιεζοηλεκτρικούς πομποδέκτες που εκπέμπουν και λαμβάνουν ακουστικά κύματα υπερήχων. Με τη μετατροπή των κυμάτων αυτών σε ηλεκτρικά σήματα, ο ελεγκτής της οθόνης ελέγχει τις μεταβολές αυτών, προσδιορίζοντας το σημείο αφής. Τα συστήματα αυτά μπορούν να υποστηρίξουν το πολύ δύο σημεία αφής. Εικόνα 1.10: Τρόπος λειτουργίας συστημάτων με τη χρήση της τεχνολογίας SAW (1-3) 30

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. Εισαγωγή στις oπτικές τεχνολογίες αφής Οι υλοποιήσεις που στηρίζονται στην οπτική αναγνώριση (Computer Vision) πρέπει να περιλαμβάνουν τρία βασικά στοιχεία (οπτικός αισθητήρας, πηγή υπέρυθρου φωτισμού, συσκευή εξόδου). Το πρώτο και απαραίτητο στοιχείο αποτελεί η χρήση ενός οπτικού αισθητήρα για την αναγνώριση των δεδομένων. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω μιας κάμερας ως η πιο ευρέως διαδεδομένη και ευκολόχρηστη οπτική συσκευή. Μέχρι σήμερα καταγράφεται πληθώρα μοντέλων αναγνώρισης των δεδομένων. Τα μοντέλα αυτά στηρίζουν την λειτουργία τους στη λήψη εικόνων και ανάλυσης αυτών, διαχωρίζοντας και αναγνωρίζοντας τα σημεία στα οποία αλληλεπιδρά ο χρήστης (συνήθως κινούμενα) σε σχέση με τα υπόλοιπα σταθερά στοιχεία της εικόνας. Κατά τη διαδικασία υλοποίησης τέτοιων μοντέλων εμφανίζονται δυσκολίες που πρέπει να προσπελαθούν όπως για παράδειγμα η μεγάλη υπολογιστική ισχύ που απαιτούν και η τελική τους απόδοση. Η αιτία του προβλήματος αυτό έγκειται στη δυσκολία διαχώριση των δύο αυτών στοιχείων με χρήση μόνο software. Λύση δίνεται με τη χρήση σωστού υλικού που διευκολύνει το ρόλο του λογισμικού. Έτσι, για την αναγνώριση των σημείων επαφής τοποθετείται ειδικό φίλτρο στην κάμερα που επιτρέπει την διέλευση συγκεκριμένου φάσματος υπερύθρων, αποκλείοντας το ορατό. H επιλογή της χρησιμοποιούμενης πηγής υπέρυθρου φωτισμού, που είναι απαραίτητη στο σύστημά μας, έγινε με βάση το εν λόγω φάσμα. Η πηγή αυτή μέσω των διάφορων τεχνικών έχει σαν στόχο να φωτίσει τα σημεία επαφής του χρήστη. Επίσης φυσικές πηγές υπέρυθρης ακτινοβολίας όπως ο ήλιος και οι λάμπες πυρακτώσεως μπορούν να ελεγχθούν σε ένα οριοθετημένο χώρο και παρουσιάζουν μικρότερη ένταση από την πηγή που χρησιμοποιείται από το σύστημα οπτικής αναγνώρισης της εκάστοτε κατασκευής. Έτσι, η τελική εικόνα που λαμβάνει κάθε κάμερα περιλαμβάνει μόνο τα φωτεινά σημεία επαφής. Παράλληλα, αποκόβεται μεγάλο ποσοστό θορύβου απλοποιώντας την επεξεργασία που πραγματοποιείται μέσω του λογισμικού. Τέλος, το τρίτο βασικό στοιχείο τέτοιων υλοποιήσεων αποτελεί η εμφάνιση των δεδομένων εξόδου στο χρήστη. Αυτό πραγματοποιείται συνήθως με χρήση ενός προβολέα είτε μιας οθόνης υγρών κρυστάλλων Ανάλυση αλληλεπίδραση χρήστη-συστήματος Η αλληλεπίδραση του χρήστη με κάθε ένα από τα στοιχεία αυτά γίνεται μέσω διακριτών βημάτων όπως παρουσιάζονται στην Εικόνα 2.1. Από την οπτική γωνία του χρήστη, το σύστημα μέσω της συσκευής εξόδου του παρουσιάζει τη σκηνή με την οποία θα αλληλεπιδράσει. Στη συνέχεια, ο χρήστης αλληλεπιδρά με το σύστημα χρησιμοποιώντας τα χέρια του και ακουμπώντας τη συσκευή. Ταυτόχρονα, όσον αφορά το υλικό, η πηγή φωτισμού φωτίζει τα χέρια του χρήστη με υπέρυθρο φως και η κάμερα λαμβάνει την εικόνα. Χρησιμοποιώντας έναν υπολογιστή με κατάλληλο 31

32 λογισμικό, αναλύεται η ληφθείσα εικόνα. Η εικόνα, συνήθως, αποτελείται και από κάποια σταθερά στοιχεία που ανήκουν στο περιβάλλον του χρήστη έξω από την συσκευή. Τα στοιχεία αυτά αφαιρούνται μέσω ειδικού αλγορίθμου και στη συνέχεια η εικόνα μετατρέπεται σε ασπρόμαυρη. Εφόσον ολοκληρωθεί αυτή η διαδικασία, εντοπίζονται τα σημεία εκείνα που είναι ουσιαστικά φωτεινά πάνω στο μαύρο φόντο. Μετά την αναγνώρισή τους, ορίζεται τελικά η θέση τους και καταγράφεται στην εφαρμογή που έχει επιλεχθεί. Στην συνέχεια, η εφαρμογή αυτή μετατρέπει το περιεχόμενο της οθόνης και παρουσιάζει τα αποτελέσματα αυτά ξανά στο χρήστη μέσω της συσκευής απεικόνισης. Ο χρήστης κατά τη διαδικασία αυτή αναμένει από το σύστημα να αντιδρά στο εκάστοτε δεδομένο εισόδου με μικρή απόκριση. Η απόδοση, όμως, ενός τέτοιου συστήματος εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τα στοιχεία που έχουν χρησιμοποιηθεί κατά την υλοποίησή του. Πιο συγκεκριμένα εξαρτάται από την ταχύτητα που η κάμερα λαμβάνει εικόνες, την ταχύτητα με την οποία τις επεξεργάζεται ο υπολογιστής και την ταχύτητα που παρουσιάζει τα αποτελέσματα η συσκευή απεικόνισης. Για την καλύτερη κατανόηση αυτού παρατίθεται το παρακάτω παράδειγμα: Χρησιμοποιώντας μια κάμερα η οποία λαμβάνει 30fps (frames per second-εικόνες το δευτερόλεπτο) χρειάζεται ένα σύστημα το οποίο να είναι ικανό να αναλύσει μια εικόνα σε του δευτερολέπτου. Όπως είναι αναμενόμενο, με τη χρήση ενός γρήγορου συστήματος βελτιώνεται τελικά και η ταχύτητα απόκρισης του συστήματος. Εικόνα 2.1. Σχηματικό διάγραμμα του κύκλου αλληλεπίδρασης του χρήστη με το σύστημα. 32

33 2.2. Ανάλυση βασικών στοιχείων Εν συνεχεία, αναλύονται σε βάθος τα τρία βασικά στοιχεία των τεχνολογιών οπτικής αναγνώρισης που αναφέρθηκαν παραπάνω. Επίσης, εξετάζονται οι προϋποθέσεις που πρέπει να πληροί το καθένα από αυτά ώστε να κριθεί κατάλληλο και να επιλεχθεί για την κατασκευή του δοκιμαστικού μοντέλου Υπέρυθρη ακτινοβολία Η υπέρυθρη ακτινοβολία (infrared) ανήκει στο φάσμα των ακτινοβολιών οι οποίες βρίσκονται πάνω από το ορατό. Η σχεδόν υπέρυθρη ακτινοβολία (Near infrared- NIR) ορίζεται στο κάτω όριο του φάσματος, συνορεύοντας με την ορατή. Το μήκος κύματος αυτής της ακτινοβολίας κυμαίνεται από 700nm έως 1000nm. Οι περισσότερες κάμερες με αισθητήρες (CCD) είναι ικανές να τις εντοπίσουν αλλά στην πλειονότητά τους χρησιμοποιούν φίλτρα υπερύθρων με αποτέλεσμα να τις αποκόβουν. Αφαιρώντας, λοιπόν, το φίλτρο υπερύθρων και αντικαθιστώντας το με ένα φίλτρο που δεν επιτρέπει το ορατό φάσμα, κατασκευάζεται μια κάμερα με εύρος αποκλειστικά και μόνο μήκη κύματος που αντιστοιχούν στην υπέρυθρη ακτινοβολία. Στα συστήματα πολλαπλής αφής τέτοιες κάμερες είναι ιδιαίτερα χρήσιμες καθώς διαχωρίζουν την εικόνα της συσκευής απεικόνισης με την εικόνα που προκύπτει από τα χέρια του χρήστη Υπέρυθρος φωτισμός Κατά κύριο λόγο τα συστήματα που χρειάζονται μια υπέρυθρη πηγή φωτός χρησιμοποιούν υπέρυθρα LEDs. Παρότι δεν είναι απαραίτητη η χρήση τους, πολλές φορές προτιμούνται καθώς αποτελούν οικονομικές και αποδοτικές συσκευές. Επιπλέον, εκτός από LEDs, μπορούν να χρησιμοποιηθούν υπέρυθρα λέιζερ ή υπέρυθρες λάμπες σαν πηγές φωτός. Δεν είναι, όμως, ιδιαίτερα δημοφιλή λόγω προβλημάτων και ιδιαιτεροτήτων που παρουσιάζουν. Τα LEDs μπορούν να έχουν διάφορες μορφές και χαρακτηριστικά προσφέροντας πολλές δυνατότητες ανάλογα με τη μέθοδο στην οποία θα χρησιμοποιηθούν. Οι μορφές στις οποίες εμφανίζονται στο εμπόριο είναι : Μεμονωμένα LEDs Τα μεμονωμένα LEDs μπορεί κανείς να τα προμηθευτεί σε καταστήματα ηλεκτρονικών ειδών. Αποτελούν πολύ οικονομικές συσκευές και επιτρέπουν την κατασκευή κορνιζών, όπως θα αναλυθεί και παρακάτω στην περιγραφή των διάφορων τεχνικών. Παρόλα αυτά, απαιτούνται βασικές γνώσεις ηλεκτρικών κατασκευών όπως η συγκόλληση και η καλωδίωση τέτοιων διατάξεων και γενικότερα ο τρόπος διασύνδεσης τέτοιων διόδων. 33

34 Λωρίδες LED Ένας πιο εύκολος τρόπος κατασκευής κορνιζών είναι η λωρίδες LED. Ουσιαστικά πρόκειται για πολύ λεπτά καλώδια στα οποία είναι ήδη ενσωματωμένα τα LED. Έτσι, ο χρήστης μπορεί γρήγορα και εύκολα να τα εγκαταστήσει γύρω από την οθόνη του. Όμως, λόγω αυτών των δυνατοτήτων που προσφέρουν, έχουν και μεγαλύτερο κόστος. Προβολείς LED Χρησιμοποιούνται σε υλοποιήσεις στις οποίες δεν χρειάζεται η κατασκευή κορνίζας. Στην πραγματικότητα πρόκειται για μεγάλες ομάδες LED τα οποία έχουν συγκολληθεί πολύ κοντά. Ο αριθμός των προβολέων που θα χρησιμοποιηθούν σε μία κατασκευή εξαρτάται αρχικά από τα επιθυμητά χαρακτηριστικά που θα προσδοθούν στην κατασκευή και είναι ανάλογος της έντασης και της επιφάνειας κάλυψης του καθενός. Ένα από τα μειονεκτήματα τους είναι ότι παρουσιάζουν μεγάλη ευαισθησία και απαιτούν πολύ προσεχτική τοποθέτηση και σωστό σχεδιασμό πριν την εγκατάστασή τους. Η λάθος τοποθέτησή τους μπορεί να οδηγήσει σε φαινόμενα όπου όλη η ακτινοβολία τους συγκεντρώνεται σε ένα σημείο και δεν εξαπλώνεται ομοιόμορφα στην επιφάνεια αφής. Έτσι, λοιπόν, η επιλογή και αγορά τέτοιων συστημάτων γίνεται με βάση τις επιθυμητές προδιαγραφές που θα πρέπει να πληρούν ανάλογα με τις ανάγκες και τα χαρακτηριστικά της κατασκευής. Μερικές από αυτές τις προδιαγραφές είναι: το μήκος κύματος Όπως αναφέραμε και προηγουμένως ανάλογα με την μέθοδο που θα επιλεχτεί Το μήκος κύματος των LEDs θα πρέπει να κυμαίνεται από 780nm έως 940nm. Ανάλογα με τη μέθοδο που επιλέγεται, καθορίζεται και η τιμή του μήκους κύματος που πρέπει να βρίσκεται μέσα στα όρια του παραπάνω εύρους. Συνήθως προτιμάται αυτό το φάσμα μηκών κύματος καθώς είναι ορατό από τις κάμερες του εμπορίου και γι αυτό υπάρχει πληθώρα διαθέσιμων φίλτρων που θα ικανοποιούν τα αναγκαία χαρακτηριστικά μιας συγκεκριμένης κατασκευής. Πρέπει να σημειωθεί ότι μήκη κύματος πλησίον του ορατού (780nm) αναγνωρίζονται καλύτερα από τις κάμερες σε σχέση με πιο απομακρυσμένα (~940nm). η ένταση ακτινοβολίας Το κατώτερο όριο της έντασης της ακτινοβολίας των LEDs καθορίζεται στα 80mW. Όσο μεγαλύτερη είναι η ένταση ακτινοβολίας τους, τόσο πιο άρτια μπορεί να λειτουργήσει ένα σύστημα. Συνήθως για να βελτιστοποιηθεί η λειτουργία του, επιλέγονται LEDs πολύ μεγαλύτερης ακτινοβολίας από την ελάχιστη τιμή. 34

35 η γωνία φωτισμού Για την κατασκευή κορνιζών πρέπει να χρησιμοποιούνται LEDs με γωνίες φωτισμού που κυμαίνονται από 48 έως 60. LEDs με γωνίες < των 48 δεν επαρκούν ενώ LEDs με γωνίες > των 60 δε λειτουργούν αποτελεσματικά. Αντίθετα, κατά την εφαρμογή προβολέων LEDs σε ένα σύστημα, η γωνία φωτισμού επιλέγεται να είναι > των 60 για καλύτερη και πιο ομοιόμορφη διάχυση του φωτός πάνω στην επιφάνεια Αναγνώριση δεδομένων εισόδου οπτικός αισθητήρας Οι κάμερες του εμπορίου που είναι εφοδιασμένες με οπτικό αισθητήρα CCD μπορούν να ανιχνεύσουν την υπέρυθρη ακτινοβολία. Η ευαισθησία τους ποικίλει και καθορίζεται από τον κατασκευαστή. Τέτοιες κάμερες χρησιμοποιούνται κυρίως σε απλές κατασκευές συστημάτων πολλαπλής αφής αφού πρωτίστως έχουν τροποποιηθεί κατάλληλα ώστε να έχουν τα απαραίτητα χαρακτηριστικά για τη λειτουργία τους. Η λειτουργία τους με βάση τα ήδη προϋπάρχοντα κατασκευαστικά στοιχεία επιτρέπει τη διέλευση μόνο του ορατού φάσματος αποτρέποντας το υπέρυθρο. Για την εφαρμογή τους, όμως, σε συστήματα πολλαπλής αφής είναι απαραίτητη η αντίθετη λειτουργία η οποία επιτυγχάνεται με αλλαγή του φίλτρου που διαθέτουν αντικαθιστώντας το με φίλτρο που αποκόβει την ορατή ακτινοβολία. Η πλειονότητα των καμερών, ακόμη και χωρίς κάποια τροποποίηση του φίλτρου τους, είναι σε θέση να αναγνωρίζουν άλλοτε σε μικρότερο βαθμό και άλλοτε σε μεγαλύτερο βαθμό τα προαναφερθέντα μήκη κύματος των LEDs. Κατά την ανίχνευση του υπέρυθρου φωτός, αυτό εμφανίζεται σαν μια λευκή (φωτεινή) περιοχή στη ληφθείσα εικόνα. Με την τροποποίηση που υφίσταται, μετατρέπονται σε πολύ πιο αποδοτικές και ακριβείς συσκευές εισόδου που αναγνωρίζουν ακόμη πιο αποτελεσματικά τις φωτεινές αυτές περιοχές. Η βελτίωση αυτή εξαρτάται κυρίως από την ποιότητα των υλικών που επιλέγονται κατά την τροποποίηση. Η επιλογή αυτών στηρίζεται στην εφαρμογή κάθε κάμερας στον τύπο της εκάστοτε κατασκευής, δηλαδή αν χρησιμοποιείται σε ένα μικρό δοκιμαστικό σύστημα ή σε ένα μεγάλο σύστημα επιδείξεων. Όπως οι πηγές υπέρυθρης ακτινοβολίας έτσι και οι κάμερες πρέπει να πληρούν κάποιες ελάχιστες προδιαγραφές πριν την αγορά τους και την εγκατάστασή τους στο σύστημα οι οποίες είναι: ανάλυση Η ανάλυση μιας κάμερας αποτελεί πολύ σημαντικό κριτήριο για την ανάπτυξη ενός συστήματος. Σε μικρές κατασκευές, κάμερες με ανάλυση 340 x 280 είναι επαρκείς. Αντίθετα, σε μεγαλύτερες κατασκευές συνήθως χρειάζονται κάμερες με ανάλυση 640 x 480 για καλύτερη ακρίβεια. Στο εμπόριο διατίθενται κάμερες με μεγαλύτερη ανάλυση αλλά το κόστους τους είναι 35

36 περιοριστικό και δεν προσφέρουν περισσότερη βελτίωση στην συνολική απόδοση του συστήματος. ταχύτητα λήψης εικόνας (Frame rate) Η ταχύτητα λήψης εικόνας είναι ο ρυθμός με τον οποίο δύναται η κάμερα να λαμβάνει εικόνες μέσα σε ένα δευτερόλεπτο. Όσο μεγαλύτερος είναι ο ρυθμός αυτός, τόσο μεγαλύτερο όγκο πληροφοριών είναι ικανό να λαμβάνει το σύστημα για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Για να καταφέρει, λοιπόν, ένα σύστημα να ανταπεξέλθει σε γρήγορες κινήσεις ενός χρήστη απαιτείται κάμερα με δυνατότητα λήψης τουλάχιστον 30 καρέ ανά δευτερόλεπτο. Όσο αυξάνεται ο αριθμός των εικόνων ανά δευτερόλεπτο τόσο το σύστημα είναι πιο ικανό για γρήγορη και ομαλή λήψη των δεδομένων. Τρόπος διασύνδεσης Δύο είναι οι δυνατοί τρόποι διασύνδεσης μιας κάμερας με το κύριο σύστημα. Ο πρώτος πραγματοποιείται μέσω ενός διαύλου USB ενώ ο δεύτερος μέσω διαύλου FIREWIRE. Συνήθως οι κάμερες που συνδέονται με το δεύτερο τρόπο έχουν καλύτερο χρόνο απόκρισής αλλά μεγαλύτερο κόστος. Πρέπει να σημειωθεί ότι στην επιλογή του διαύλου επικοινωνίας της κάμερας με το σύστημα καθοριστικό ρόλο παίζει και η ανάλυση της κάμερας καθώς και η ταχύτητα λήψης των εικόνων. Όσο μεγαλύτερη είναι η ανάλυση μιας κάμερας και όσο μεγαλύτερος είναι ο ρυθμός λήψης των εικόνων (Frame Rate), τόσο αυξάνεται ο όγκος των δεδομένων που πρέπει να διακινηθούν με αποτέλεσμα μερικές φορές να μην επαρκεί ο δίαυλος που έχει επιλεχθεί. Τύπος φακού Ανάλογα με τον τύπο της κάμερας υπάρχει μερικές φορές η δυνατότητα να τροποποιηθεί ο φακός της. Αυτό εξαρτάται από το γεγονός αν το φίλτρο υπερύθρων (που χρειάζεται να αφαιρεθεί) αποτελεί ξεχωριστό εξάρτημα ή είναι ενσωματωμένο στον ήδη υπάρχοντα φακό. Στην περίπτωση που είναι ενσωματωμένο πρέπει να αντικατασταθεί όλη η σύνθεση φακού-φίλτρου ώστε να είναι κατάλληλο σύμφωνα με τις επιθυμητές προδιαγραφές. Επιπλέον στοιχεία που πρέπει να ληφθούν υπόψη είναι το μέγεθος της επιθυμητής οθόνης του συστήματος καθώς και η δυνατή απόσταση στην οποία μπορεί να τοποθετηθεί η κάμερα σε σχέση με την οθόνη. Πολλοί κατασκευαστές φακών παρέχουν μαθηματικά εργαλεία με τα οποία ένας χρήστης μπορεί μεταβάλλοντας τα επιμέρους παραπάνω χαρακτηριστικά να επιλέξει τον κατάλληλο φακό σύμφωνα με τις ανάγκες του. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί σε φακούς οι οποίοι τοποθετούνται πολύ κοντά στην οθόνη καθώς έχουν πολύ μικρό εστιακό μήκος και προκαλούν αλλοιώσεις στην εικόνα (fisheye/barrel distortion) δυσχεραίνοντας έτσι τη διαδικασία ρύθμισης του προγράμματος ανίχνευσης δαχτύλων. 36

37 Κρίνεται επίσης απαραίτητος και ο έλεγχος του αισθητήρα μιας κάμερας από τα εγχειρίδια χρήστη αν και η πιθανότητα να μην είναι συμβατός είναι αρκετά μικρή. Ο έλεγχος που θα πραγματοποιηθεί πρέπει να περιλαμβάνει και την αντίστοιχη ευαισθησία του αισθητήρα στα διάφορα μήκη κύματος ανάλογα με την εφαρμογή της κάμερας. Συνήθως στα εγχειρίδια παρουσιάζονται γραφήματα που απεικονίζουν την ευαισθησία του αισθητήρα όπως φαίνεται παρακάτω για το μοντέλο της κάμερας Sony ICx098BQ CCD: Εικόνα 2.2. Ευαισθησία αισθητήρα σε διάφορα μήκη κύματος. Το γράφημα αυτό παρουσιάζει την ευαισθησία του αισθητήρα σε διάφορα μήκη κύματος. Όπως παρατηρείται ο συγκεκριμένος αισθητήρας είναι ευαίσθητος στα ζητούμενα μήκη κύματος που προαναφέρθηκαν τα οποία κυμαίνονται από 780nm έως 940nm. Μετά την αφαίρεση του φίλτρου της κάμερας μπορεί να ανιχνεύεται ολόκληρο το φάσμα και πιο συγκεκριμένα μήκη κύματος εύρους 400nm έως και 1000nm. Για να το περιοριστεί αυτό το εύρος χρησιμοποιούνται ειδικά φίλτρα τα οποία μπορεί να είναι είτε cut-off φίλτρα είτε band-pass και περιγράφονται παρακάτω. 37

38 Φίλτρα Όπως προαναφέρθηκαν δύο είναι τα είδη φίλτρων που μπορούν να τοποθετηθούν σε μία κάμερα για να αποκοπεί μέρος του συνολικού φάσματος και είναι τα: o φίλτρα cut-off o φίλτρα band-pass Τα φίλτρα cut-off απαγορεύουν τη διέλευση μήκων κύματος κάτω από ένα συγκεκριμένο όριο μήκους κύματος. Αντίθετα τα band-pass φίλτρα επιτρέπουν την έλευση μόνο μήκων κύματος γύρω από μια τυποποιημένη περιοχή που έχει καθοριστεί από τον κατασκευαστή. Τα band-pass φίλτρα κρίνονται καταλληλότερα για τη συγκεκριμένη εφαρμογή εφόσον προσφέρουν καλύτερο έλεγχο του επιθυμητού εύρους μηκών κύματος. Τα χαρακτηριστικά των φίλτρων αυτών δίνονται στην μορφή XXXDYY (πχ. 780D20) όπου ο αριθμός ΧΧΧ χαρακτηρίζει το βασικό μήκος κύματος που επιτρέπει να περάσει μέσα από το φίλτρο και ο αριθμός ΥΥ το εύρος των γειτονικών μηκών κύματος που το διαπερνούν. Εικόνα 2.3 Γράφημα διαπερατότητας φίλτρου 850D10 38

39 2.3. Ανάλυση διάφορων οπτικών τεχνολογιών FTIR Διαταραχή εσωτερικής ολικής ανάκλασης Η ανακάλυψη και η διάδοση της τεχνικής FTIR (Frustrated Total Internal Reflection) από τον Han το 2005 θεωρείται ένα κομβικό σημείο που έδωσε ώθηση στην δημιουργία επιφανειών πολλαπλής αφής βασισμένων σε οπτικές τεχνολογίες. Η ονομασία της τεχνολογίας αυτής βασίζεται στο φαινόμενο της οπτικής ολικής ανάκλασης TIR (Total Internal Reflection). Οπτικά κύματα μεταδίδονται σε ένα εσωτερικό μέσο και ανακλώνται εντός αυτού, εάν το μέσο αυτό έχει δείκτη διάθλασης μεγαλύτερο από το εξωτερικό μέσο και η γωνία πρόσπτωσης στα όρια τους είναι μικρότερη από μια κριτική γωνία που υπολογίζεται μέσω του νόμου του Snell. Όταν συμβαίνει αυτό, το οπτικό κύμα παραμένει εγκλωβισμένο εντός του μέσου. Εικόνα 2.4. Σχηματική αναπαράσταση λειτουργίας της τεχνικής FTIR Η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιεί σαν μέσο ένα διάφανο υλικό το οποίο είναι συνήθως Plexiglas και στο οποίο τοποθετούνται περιμετρικά υπέρυθρα Leds που το τροφοδοτούν με φως. Όταν ο χρήστης έρθει σε επαφή με την επιφάνεια, τότε το υπέρυθρο φώς ανακλάται στο σημείο επαφής λόγω του μεγαλύτερου δείκτη διάθλασης. Μια ειδικά διαμορφωμένη κάμερα τοποθετείται κάτω από το μέσω διάθλασης και είναι σε θέση να εντοπίσει αυτές τις ανακλάσεις. Ένα σύνολο από ειδικούς αλγόριθμους οπτικής αναγνώρισης χρησιμοποιεί την εικόνα από την κάμερα και εξάγει από αυτήν την ακριβή θέση των σημείων αυτών. Καθώς το μέσο που χρησιμοποιείται είναι διαφανές, ένας προτζέκτορας τοποθετημένος πίσω από το μέσο 39

40 μπορεί να προβάλλει εικόνα, δημιουργώντας ένα σύστημα πολλαπλής αφής οπίσθιας προβολής. Στη βασική μορφή ενός συστήματος FTIR, η απόδοση εξαρτάται από την «ύγρανση» των δάκτυλων του χρήστη καθώς έτσι επιτυγχάνεται καλύτερη επαφή με την επιφάνεια. Στεγνά δάκτυλα ή αντικείμενα που δεν κάνουν καλή επαφή με την επιφάνεια, δεν είναι ικανά να μεταβάλλουν το δείκτη διάθλασης του μέσου και συνεπώς δεν προκαλούν ανάκλαση του φωτός στο σημείο επαφής. Για να εξαλειφτεί το πρόβλημα αυτό, πολλά συστήματα χρησιμοποιούν μια ενδιάμεση, μαλακή επιφάνεια. Η επιφάνεια αυτή κατασκευάζεται από διαφανές υλικό και έχει δείκτη διάθλασης αντίστοιχο με το διαφανές μέσο. Έτσι, όταν ο χρήστης έρχεται σε επαφή με τη μαλακή επιφάνεια, αυτή πλέον παραμορφώνεται και αντανακλά εντονότερα το φως στο σημείο επαφής Μερικά από τα πλεονεκτήματα της χρήσης ενδιάμεσης μαλακής επιφάνειας είναι: Προστατεύει το βασικό μέσο για τη διάδοση των υπερύθρων (συνήθως Plexiglas) Εμποδίζει μεγάλο μέρος του περιβαλλοντικού φωτισμού Παρέχει ακριβή αποτελέσματα αφής, καθώς χωρίς αυτή η απόδοση του συστήματος δεν είναι σταθερή και εξαρτάται από τα δάχτυλα του χρήστη. Χρησιμοποιείται και για τον υπολογισμό της πίεσης από τα δάκτυλα του χρήστη στο σημείο αφής. Όσο πιο έντονα πιέζεται, τόσο μεγαλύτερη ανάκλαση υπέρυθρης ακτινοβολίας πραγματοποιείται. Εικόνα 2.5. Σημεία αφής χρήστη όπως φαίνονται στην τεχνολογία FTIR Ως επιφάνεια προβολής χρησιμοποιείται ένα ημιδιαφανές υλικό. Μεγάλο πλεονέκτημα αυτού είναι ότι αντικείμενα, που βρίσκονται σε μεγάλη απόσταση από 40

41 αυτό, εμφανίζονται θολά και ουσιαστικά δε γίνονται διακριτά από την κάμερα. Η λειτουργία του προφανώς πλησιάζει κατά πολύ αυτή του φίλτρου Diffused Illumination (DI) Διάχυτος φωτισμός Η τεχνική του διάχυτου φωτισμού περιλαμβάνει δύο μεθόδους: i. πρόσθιος διάχυτος φωτισμός ii. οπίσθιος διάχυτος φωτισμός Οι δύο τεχνικές αυτές βασίζονται ομοίως με τις προηγούμενες στις ίδιες βασικές αρχές οπτικής. Βασικό χαρακτηριστικό λειτουργίας της είναι ότι τα αντικείμενα που έρχονται σε επαφή με την επιφάνεια εμφανίζουν μεγαλύτερη αντίθεση σε σχέση με τα αντικείμενα που βρίσκονται μακριά της. Τα επιμέρους στοιχεία κάθε μίας εκ των δύο περιγράφονται και αναλύονται παρακάτω. Front-DI Πρόσθιος διάχυτος φωτισμός Εικόνα 2.6. Σχηματική αναπαράσταση λειτουργίας της τεχνικής FDI Στην τεχνική αυτή η πηγή φωτισμού του συστήματος βρίσκεται μπροστά από την επιφάνεια του χρήστη και συνήθως προέρχεται από φυσικές πηγές του περιβάλλοντος όπως οι λάμπες πυρακτώσεως, ο ήλιος κ.α. Όταν ο χρήστης ακουμπάει την επιφάνεια αφής, τότε δημιουργείται σκιά (σκοτεινό τμήμα) στο σημείο αυτό. Η σκιά αυτή αναγνωρίζεται από την κάμερα, επιτρέποντας έτσι τον προσδιορισμό του σημείου αυτού σαν το σημείο αφής. Επίσης, γίνεται χρήση ενός διαχυτή, ο οποίος λειτουργεί και σαν επιφάνεια προβολής. 41

42 Rear-DI Οπίσθιος διάχυτος φωτισμός Εικόνα 2.7. Σχηματική αναπαράσταση λειτουργίας της τεχνικής RDI Στην τεχνική αυτή ο υπέρυθρος φωτισμός του συστήματος προέρχεται από πηγές (προβολείς) τοποθετημένες πίσω από την επιφάνεια αφής. Ομοίως, και στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιείται ένας διαχυτής. Όταν ένα αντικείμενο έρθει σε επαφή με την επιφάνεια αφής ή βρίσκεται στο παρασκήνιο, τότε αντανακλά επιπλέον φως σε σχέση με το διαχυτή. Με αυτόν τον τρόπο το σημείο αυτό εμφανίζεται φωτεινότερο στην κάμερα και έτσι προσδιορίζεται η ακριβής του θέση, καταχωρώντας το ως σημείο αφής. Ανάλογα με το υλικό που θα χρησιμοποιηθεί σαν διαχύτης, μερικές φορές είναι δυνατό να αναγνωριστούν σαν σημεία αφής αντικείμενα ή δάχτυλα που είναι κοντά στην επιφάνεια, χωρίς να έρχονται σε επαφή με αυτή. Η ευκολία της τεχνικής αυτής έγκειται στη μικρότερη κατασκευαστική της πολυπλοκότητα. Τα βασικά της στοιχεία, όπως οι υπέρυθροι προβολείς, βρίσκονται ετοιμοπαράδοτα στην αγορά. Για το λόγο αυτό αποτελεί μία από τις πιο διαδεδομένες τεχνικές στην κατασκευή επιφανειών πολλαπλής αφής. Όμως, ανάλογα με το μέγεθος και τον τρόπο που έχουν τοποθετηθεί τα εξαρτήματα σε ένα σύστημα, μπορεί να υπάρξει δυσκολία επίτευξης ομοιόμορφου φωτισμού σε ολόκληρη την οθόνη. Με τον όρο ανομοιόμορφος φωτισμός εννοείται ότι κάποια σημεία με επαρκή φωτισμό αναγνωρίζουν τα αντικείμενα που έρχονται σε επαφή με μεγάλη ευκολία, ενώ άλλα σημεία πιο σκοτεινά παρουσιάζουν δυσκολία στην αναγνώριση των αντικειμένων. Για την επίλυση του προβλήματος αυτού, θα πρέπει αρχικά να γίνει όσο το δυνατόν καλύτερος σχεδιασμός του συστήματος και σωστή τοποθέτηση των προβολέων. Για 42

43 περαιτέρω βελτιστοποίηση μπορούν να εφαρμοστούν διορθωτικές κινήσεις μέσω λογισμικού. Εικόνα 2.8. Τα σημεία επαφής όπως αναγνωρίζονται από την κάμερα στις τεχνικές Rear-DI και Front-DI αντίστοιχα Diffused Surface Illumination (DSI) Διάχυτος φωτισμός επιφάνειας Εικόνα 2.9. Σχηματική αναπαράσταση λειτουργίας της τεχνικής DSI H τεχνική του διάχυτου φωτισμού αποτελεί συνδυασμό των δύο προηγούμενων τεχνικών (FTIR και DI). Ειδικότερα, αποτελείται από το ίδιο σύστημα φωτισμού της τεχνικής FTIR (περιμετρικός φωτισμός μέσου με υπέρυθρα LEDs) με τη διαφορά ότι χρησιμοποιείται ειδικό μέσο. Το μέσο αυτό είναι ένα ειδικό ακριλικό (acrylic) υλικό που ενσωματώνει μικροσκοπικά σωματίδια, λειτουργώντας σαν καθρέφτης. Έτσι, 43

44 όταν φωτίζεται περιμετρικά, το φως διαχέεται σε όλη την επιφάνεια φωτίζοντας την ομοιόμορφα. Το αποτέλεσμα είναι παρόμοιο με αυτό της τεχνικής DI. Επιτυγχάνεται, όμως, τελείως ομοιόμορφος φωτισμός. Το πρόβλημα που εμφανίζει η τεχνική αυτή είναι ότι η διάχυση του φωτός δεν περιορίζεται προς κάποιες κατευθύνσεις με αποτέλεσμα να διαχέεται και προς την κατεύθυνση της κάμερας. Αυτό έχει ως συνέπεια να δημιουργείται αρκετός θόρυβος και τα σημεία επαφής του χρήστη να εμφανίζουν μικρότερη αντίθεση. Τέλος, το χρησιμοποιηθέν υλικό έχει αυξημένο κόστος, τιμή που γενικά ξεπερνά το κόστος των υλικών των άλλων μεθόδων Άλλες λιγότερο διαδεδομένες μέθοδοι Laser Light Plane (Laser LP) Εικόνα Σχηματική αναπαράσταση λειτουργίας της τεχνικής LLP Η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιεί σαν πηγές υπέρυθρου φωτός laser που εκπέμπουν σε συγκεκριμένο μήκος κύματος (συνήθως 780nm). Εφαρμόζοντας ένα ειδικό οπτικό φακό επιτυγχάνεται η δημιουργία ενός επιπέδου φωτός. Στόχος αυτού είναι η παράλληλη τοποθέτησή του επίπεδο της επιφάνειας αφής. Με τον τρόπο αυτό, όταν ένα αντικείμενο έρθει σε επαφή με την επιφάνεια, φωτίζεται από το επίπεδο του φωτός και κατά συνέπεια αναγνωρίζεται από την κάμερα. Για την κάλυψη ολόκληρης της επιφάνειας συνήθως τοποθετούνται στις γωνίες δύο έως τέσσερα laser. Η κατασκευή τέτοιων επιφανειών είναι αρκετά απλή και οικονομική αλλά ταυτόχρονα και μη ασφαλής. Η επικινδυνότητα αυτή έγκειται στη χρήση των laser. 44

45 Παρά το γεγονός ότι τα laser που επιλέγονται σε τέτοιες κατασκευές έχουν πολύ μικρή ισχύ (5mW-25mW), μπορούν να προκαλέσουν βλάβες στο ανθρώπινο μάτι. Επομένως, σε τέτοιες κατασκευές είναι πάντα απαραίτητη η χρήση ειδικών προστατευτικών γυαλιών, τα οποία πρέπει να αντιστοιχούν στο μήκος κύματος εκπομπής των laser. Led Light Plane (Led LP) Εικόνα Σχηματική αναπαράσταση λειτουργίας της τεχνικής LED-LP Παρομοίως με την τεχνολογία Laser-LP, η τεχνολογία Led-LP παράγει ένα επίπεδο φωτός επάνω από την επιφάνεια αφής και φωτίζει τα αντικείμενα που πλησιάζουν. Αντί για laser χρησιμοποιούνται υπέρυθρα Leds όπως και στις τεχνολογίες FTIR και DSI αλλά χωρίς στέρεο μέσο διάδοσης. Εφόσον δεν υπάρχει στέρεο μέσο που να κατευθύνει τη διάδοση του φωτός, αυτό διαχέεται σε κωνικό σχήμα και έτσι δημιουργείται το πρόβλημα του φωτισμού των αντικειμένων πριν αυτά έρθουν σε επαφή με την επιφάνεια. Το πρόβλημα αυτό, όπως φαίνεται και στην εικόνα, είναι εντονότερο όσο πλησιάζουμε το κέντρο της επιφάνειας. Παρόλα αυτά, αυτό αντισταθμίζεται σε μεγάλο βαθμό μέσω κατάλληλων ρυθμίσεων λογισμικού. Η μέθοδος αυτή ενδείκνυται σε επιφάνειες που χρησιμοποιούν σαν συσκευή εξόδου οθόνες LCD καθώς σε αυτή την περίπτωση δεν μπορούν να εφαρμοστούν κάποιες από τις προηγούμενες μεθόδους όπως η Rear DI. 45

46 2.4. Σύγκριση και επιλογή κατάλληλης τεχνολογίας Κάθε μία από τις τεχνικές που αναπτύχθηκαν, παρουσιάζει θετικές και αρνητικές επιδράσεις. Συνεπώς, δεν είναι ξεκάθαρο ποια αποτελεί τη βέλτιστη επιλογή, καθώς η επιλογή αυτή εξαρτάται από τις απαιτήσεις και τους περιορισμούς που έχει κάθε σύστημα. Για την επιλογή κάποιας τεχνικής στο σημείο αυτό, παρατίθενται ένας αναλυτικός πίνακας με λεπτομερή ανάλυση των πλεονεκτημάτων και των μειονεκτημάτων τους. FTIR Πλεονεκτήματα Δεν απαιτεί κλειστή κατασκευή Τα σημεία επαφής έχουν μεγάλη αντίθεση Επιτρέπουν την αναγνώριση της πίεσης αφής Σε συνδυασμό με μια βοηθητική επιφάνεια, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και με μικρά αντικείμενα όπως ένα στυλό Μειονεκτήματα Απαιτεί την κατασκευή του περιμετρικού φωτισμού Απαιτεί τη χρήση βοηθητικής επιφάνειας για την επίτευξη σταθερών αποτελεσμάτων Δεν μπορεί να αναγνωρίσει αντικείμενα και fiducials Rear-DI Πλεονεκτήματα Δεν απαιτεί βοηθητική επιφάνεια Μπορεί να κατασκευαστεί με οποιοδήποτε διαφανές υλικό, όχι μόνο με plexiglass Δεν απαιτεί την κατασκευή περιμετρικού φωτισμού Ευκολία κατασκευής Μπορεί να αναγνωρίσει αντικείμενα, δάκτυλα και fiducials. Μειονεκτήματα Δυσκολία στην επίτευξη ομοιόμορφου φωτισμού Τα σημεία επαφής έχουν μικρή αντίθεση και συνεπώς είναι πιο δύσκολη η αναγνώριση τους από το λογισμικό Πιθανότητα αναγνώρισης λανθασμένων σημείων αφής Απαιτεί κλειστή κατασκευή 46

47 Front-DI Πλεονεκτήματα Δεν απαιτεί βοηθητική επιφάνεια Μπορεί να κατασκευαστεί με οποιοδήποτε διαφανές υλικό, όχι μόνο με plexiglass Δεν απαιτεί την κατασκευή περιμετρικού φωτισμού Ευκολία κατασκευής Δεν απαιτεί κλειστή κατασκευή Μπορεί να εντοπίσει δάκτυλα Η πιο απλή κατασκευή σαν σύνολο Μειονεκτήματα Δυσκολία στην επίτευξη ομοιόμορφου φωτισμού Τα σημεία επαφής έχουν μικρή αντίθεση και συνεπώς είναι πιο δύσκολη η αναγνώριση τους από το λογισμικό Πιθανότητα αναγνώρισης λανθασμένων σημείων αφής Όχι αξιόπιστη καθώς εξαρτάται από τις περιβαλλοντικές συνθήκες φωτισμού Δεν μπορεί να αναγνωρίσει αντικείμενα και fiducials DSI Πλεονεκτήματα Δεν απαιτεί βοηθητική επιφάνεια Μπορεί να μετατραπεί εύκολα σε FTIR Ομοιόμορφος φωτισμός επιφάνειας Αναγνώριση πίεσης σημείου αφής Μπορεί να αναγνωρίσει αντικείμενα, δάκτυλα και fiducials. Μειονεκτήματα Απαιτεί ειδικό μέσο (Endlighten Acrylic) Μεγάλο κόστος και δυσκολία απόκτησης ειδικού μέσου Πιθανός περιορισμός στις διαστάσεις λόγω ιδιοτήτων ειδικού μέσου Τα σημεία επαφής έχουν μικρή αντίθεση και συνεπώς είναι πιο δύσκολη η αναγνώριση τους από το λογισμικό 47

48 Laser-LP Πλεονεκτήματα Δεν απαιτεί βοηθητική επιφάνεια Μπορεί να κατασκευαστεί με οποιοδήποτε διαφανές υλικό, όχι μόνο με plexiglass Δεν απαιτεί την κατασκευή περιμετρικού φωτισμού Ευκολία κατασκευής Δεν απαιτεί κλειστή κατασκευή Χαμηλό κόστος Μειονεκτήματα Δεν μπορεί να αναγνωρίσει αντικείμενα και fiducials Δυσκολία στον εντοπισμό δακτύλων αν χρησιμοποιηθούν λιγότερα από 2 laser Led-LP Πλεονεκτήματα Δεν απαιτεί βοηθητική επιφάνεια Μπορεί να κατασκευαστεί με οποιοδήποτε διαφανές υλικό, όχι μόνο με plexiglass Δεν απαιτεί την κατασκευή περιμετρικού φωτισμού Δεν απαιτεί κλειστή κατασκευή Χαμηλό κόστος Μειονεκτήματα Πιθανότητα εντοπισμού δακτύλων πριν έρθουν σε επαφή με την επιφάνεια Απαιτεί την κατασκευή περιμετρικού φωτισμού Για καλύτερα αποτελέσματα χρειάζεται ειδικά Leds με μικρή γωνία εκπομπής Δεν μπορεί να αναγνωρίσει αντικείμενα και fiducials 48

49 2.5. Τεχνικές προβολής δεδομένων Προβολείς Για την προβολή των δεδομένων στην επιφάνεια (οπτική ανάδραση) επιλέγεται η χρήση προβολέων. Όλες οι συσκευές προβολής θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε τέτοιες υλοποιήσεις εξαιτίας κάποιων ιδιαίτερων χαρακτηριστικών τους. Αποτελεί την πιο εύκολη και διαδεδομένη επιλογή σε αυτού του είδους τις κατασκευές. Υπάρχουν δύο διαφορετικών ειδών προβολείς: οι DLP και οι LCD. Τα βασικά χαρακτηριστικά των δύο αυτών τεχνολογιών είναι τα εξής: Οι προβολείς με τεχνολογία LCD χρησιμοποιούν μια συστοιχία από pixels που ανάβουν και σβήνουν κατ επιλογή. Αυτοί χρησιμοποιούν ουσιαστικά την ίδια τεχνολογία που χρησιμοποιούν και οι τηλεοράσεις, παράγοντας ευκρινείς εικόνες με ζωντανά χρώματα. Εμφανίζουν προβλήματα, όμως, λόγω του screen door effect και μετά από λίγα χρόνια τα χρώματα τους αρχίζουν να ξεθωριάζουν. Οι DLP προβολείς σε αντίθεση με τους LCD προβολείς χρησιμοποιούν μια συστοιχία από μικροσκοπικούς καθρέπτες και κινούνται μπροστά και πίσω, αντανακλώντας τα χρώματα που προβάλλονται πάνω τους. Τα χρώματα αυτά παράγονται συνήθως με τη χρήση μιας λευκής πηγής φωτός και ενός περιστρεφόμενου τροχού χρωμάτων. Η επιλογή ενός προβολέα για χρήση σε επιφάνειες πολλαπλής αφής είναι μια περίπλοκη διαδικασία. Αυτό συμβαίνει εξαιτίας του μεγάλου αριθμού των παραμέτρων που πρέπει να ληφθούν υπόψη ώστε να καθοριστούν οι ακριβείς διαστάσεις της κατασκευής. Στις περισσότερες περιπτώσεις οι απλοί προβολείς γραφείων δε μπορούν να χρησιμοποιηθούν λόγω της μεγάλης απόστασης που θα πρέπει να τοποθετηθούν από την επιφάνεια προβολής (throw distance). Η τοποθέτηση τους σε μικρότερη απόσταση παράγει θολές και μικρές εικόνες. Συνεπώς, για να ξεπεραστεί αυτός ο περιορισμός πρέπει να χρησιμοποιηθούν προβολείς με μικρή απόσταση προβολής (throw distance). Για παράδειγμα, για να επιτευχθεί με τη χρήση ενός απλού προβολέα εικόνα διαγωνίου 50 inch απαιτείται απόσταση >1m. Προβολείς με μικρή απόσταση προβολής πετυχαίνουν εικόνες τέτοιας διαγωνίου σε αποστάσεις < 80 cm. Αρκετές φορές προσφέρεται η δυνατότητα ακόμα μεγαλύτερης μείωσης αυτής της απόστασης με τη χρήση καθρεφτών. Αυτό κρίνεται απαραίτητο αν η επιφάνεια πρέπει να κατασκευαστεί σε περιορισμένες διαστάσεις, όπως ένα τραπέζι. Αντιθέτως, στην περίπτωση κατασκευής πίνακα με δεδομένη την ευχέρεια χώρου η χρήση καθρέφτη κρίνεται περιττή διαδικασία. 49

50 Από την άλλη πλευρά, η χρήση καθρέφτη αυξάνει σημαντικά το βαθμό δυσκολίας της κατασκευής καθώς ο καθρέπτης που θα χρησιμοποιηθεί πρέπει να είναι ειδικού τύπου (front surface mirror). Επιπλέον, κατά τη χρήση απλών καθρεπτών προκαλείται το φαινόμενο της διπλής προβολής, όπου -εκτός από την ανάκλαση που προκαλείται από την κύρια ανακλαστική επιφάνεια του καθρέφτη- υπάρχει μια δεύτερη ανάκλαση από το γυαλί που βρίσκεται μπροστά από αυτήν. Σημαντικό ρόλο σε ολόκληρη τη διαδικασία παίζει η φωτεινότητα του προβολέα (μονάδα μέτρησης: ANSI). Όταν ο προβολέας χρησιμοποιείται υπό κανονικές συνθήκες, όσο μεγαλύτερη είναι η φωτεινότητα του, τόσο φωτεινότερο μπορεί να είναι και το δωμάτιο στο οποίο προβάλλει την εικόνα. Όταν, όμως, χρησιμοποιείται για επιφάνειες πολλαπλής αφής πρέπει να τοποθετηθεί σε πολύ μικρή απόσταση από την επιφάνεια προβολής μικρών διαστάσεων. Με αυτό τον τρόπο το κέντρο της επιφάνειας είναι ιδιαίτερα φωτεινό, θαμπώνοντας το χρήστη και προκαλώντας του ζαλάδα μετά από λίγη ώρα. Η τοποθέτηση του προβολέα σε σχέση με την επιφάνεια προβολής είναι μία εξίσου σημαντική απόφαση. Στην περίπτωση που δεν χρησιμοποιείται καθρέφτης, απαιτείται μόνο η σωστή στήριξη του προβολέα. Στην δεύτερη περίπτωση που χρησιμοποιείται καθρέφτης χρειάζεται να κατασκευαστεί υποστηρικτική υποδομή με τοποθέτηση του προβολέα και του καθρέφτη σε συγκεκριμένες γωνίες σε σχέση με την επιφάνεια. Μια τέτοια κατασκευή παρουσιάζεται σε επόμενο κεφάλαιο Επιφάνειες προβολής Χρησιμοποιώντας έναν προβολέα είναι απαραίτητη και η χρήση μιας επιφάνειας προβολής πάνω στην οποία θα προβάλλεται η εικόνα. Αυτή η επιφάνεια αποτελείται από ένα ημιδιαφανές υλικό το οποίο επιτρέπει στον υπέρυθρο φωτισμό που επιλέγεται να το διαπεράσει σε ικανοποιητικό βαθμό. Συνήθως αποτελούνται είτε από φύλλα τα οποία εφαρμόζονται πάνω σε διαφανείς υποστηρικτικές επιφάνειες είτε είναι τα ίδια στερεά υλικά. Παράδειγμα τέτοιων επιφανειών σε μορφή φύλλων είναι τα ROSCO GREY ενώ σε μορφή στερεών υλικών είναι τα Plexiglas (Evonik, 7006D) ακόμη και απλά γυαλιά τα οποία μετά από ειδική επεξεργασία αποκτούν ένα ειδικό ημιδιάφανο στρώμα (frosted glass) Οθόνες υγρών κρυστάλλων Παρόλο που οι κατασκευές με χρήση προβολέα είναι ευρέως διαδεδομένες, άλλη μία εναλλακτική λύση αποτελούν οι οθόνες υγρών κρυστάλλων. Παρουσιάζουν εικόνες μεγαλύτερης ανάλυσης σε σχέση με τους προβολείς και το κόστος τους είναι μικρότερο σε σχέση με τους προβολείς. Επιπλέον, οι οθόνες έχουν μικρό πάχος, γεγονός που τις καθιστά ιδανικές επιλογές για κατασκευές με περιορισμένες 50

51 διαστάσεις. Τέλος, σε αντίθεση με τους προβολείς δεν απαιτούν ιδιαίτερη προσοχή κατά τη διαδικασία τοποθέτησης τους. Υπάρχουν παρόλα αυτά και στοιχεία που δυσχεραίνουν τη χρήση τους. Για την κατανόηση αυτών των δυσκολιών πρέπει να γίνει συνοπτική ανάλυση του τρόπου λειτουργίας τους. Γενικά, οι οθόνες υγρών κρυστάλλων αποτελούνται από μια διάφανη συστοιχία pixel που περιλαμβάνουν δύο πολωμένα φίλτρα. Τα φίλτρα αυτά αποκόβουν την ορατή ακτινοβολία και επιτρέπουν τη διέλευση του υπέρυθρου φωτός, βελτιώνοντας την εικόνα. Τα φίλτρα εμφανίζουν μεγάλη ποικιλία μεταξύ των κατασκευαστών και ένα από αυτά αποκόβει την υπέρυθρη ακτινοβολία. Όπως είναι λογικό, το φίλτρο αυτό πρέπει να αφαιρεθεί. Για τη λειτουργία της οθόνης πέρα από την πηγή τροφοδοσίας της, απαραίτητο στοιχείο είναι και το κύκλωμα οδήγησης της. Το κύκλωμα αυτό είναι συνδεδεμένο με την εκάστοτε οθόνη, μέσω πολύ λεπτών καλωδίων τα οποία είναι ιδιαίτερα εύθραυστα. Συνεπώς, για να μπορέσει να χρησιμοποιηθεί θα πρέπει το καλώδιο αυτό να έχει ικανοποιητικό μήκος ώστε να επιτρέπει στο κύκλωμα αυτό να τοποθετηθεί μακριά από την οθόνη. Το βασικό πρόβλημα που παρουσιάζεται, λοιπόν, είναι ότι για τη χρήση μιας τέτοιας οθόνης σαν συσκευή προβολής δεδομένων σε μια επιφάνεια πολλαπλής αφής, απαιτείται αποσυναρμολόγηση, διατηρώντας μόνα τα χρήσιμα στοιχεία της. Το γεγονός ότι δεν υπάρχει κάποιος τυποποιημένος τρόπος κατασκευής τους αναγκάζει το χρήστη να προχωρήσει στην αποσυναρμολόγηση της, με πιθανότητα μόνιμης καταστροφής κάποιου τμήματός της και σαν συνέπεια αυτού ολόκληρης της οθόνης. Συμπερασματικά, οι οθόνες υγρών κρυστάλλων μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε επιφάνειες πολλαπλής αφής, επιτρέποντας στο υπέρυθρο φώς να τις διαπερνά ενώ παράλληλα προβάλλουν εικόνα ισάξια της ποιότητας εικόνας προβολής όταν βρίσκονται στην αρχική τους κατάσταση Ανάλυση λογισμικού και ανάπτυξης εφαρμογών Εισαγωγή στην ανάπτυξη λογισμικού πολλαπλής αφής Ο προγραμματισμός και γενικότερα η ανάπτυξη εφαρμογών για επιφάνειες πολλαπλής αφής παρουσιάζουν ενδιαφέροντα στοιχεία, συγκρίνοντας το με το λογισμικό για εφαρμογές που αναπτύσσονται για συσκευές κατάδειξης και επιλογής. Αυτές οι διαφορές αποτελούνται από συγκεκριμένα πρωτόκολλα επικοινωνίας, μεθόδους και τυποποιήσεις που έχουν αναπτυχθεί από τις κοινότητες. Οι ίδιες κοινότητες έχουν αναπτύξει και διάφορα frameworks πολλαπλής αφής για τις πιο 51

52 δημοφιλείς γλώσσες προγραμματισμού όπως η ActionScript3, η Python, C, C++, C# και Java. Ο προγραμματισμός εφαρμογών πολλαπλής αφής αποτελείται από δύο σκέλη. Το πρώτο σκέλος περιλαμβάνει τη λήψη και την αναγνώριση των σημείων επαφής με την οθόνη, μέσω των καμερών ή οποιασδήποτε άλλης συσκευής εισόδου δεδομένων. Στην συνέχεια, οι πληροφορίες κάθε σημείου, όπως οι συντεταγμένες του, μεταφέρονται μέσω προκαθορισμένων πρωτοκόλλων στο ανάλογο framework. Στο σημείο αυτό τα μη επεξεργασμένα δεδομένα εισόδου μετατρέπονται σε χειρονομίες και γεγονότα που μπορούν μέσω γλωσσών υψηλού επιπέδου να αλληλεπιδράσουν με την υπό ανάπτυξη εφαρμογή. Το πρωτόκολλο TUIO (Tangible User Interface Protocol) έχει εξελιχθεί στη πάγια χρησιμοποιούμενη τυποποίηση για την αναγνώριση και μετάδοση των σημείων επαφής. Στα παρακάτω κεφάλαια αναλύονται οι δύο πτυχές των εφαρμογών πολλαπλής αφής: η αναγνώριση χειρονομιών ο τρόπος με τον οποίο χρησιμοποιούνται τα δεδομένα αυτά Εντοπισμός για πολλαπλή αφή Ο εντοπισμός παίζει καθοριστικό ρόλο στις τεχνολογίες πολλαπλής αφής. Είναι το στοιχείο που επιτρέπει πολλαπλά δάχτυλα να εκτελούν διάφορες ενέργειες χωρίς να διακόπτουν το ένα το άλλο. Μέσω αυτού αναγνωρίζονται οι κινήσεις καθώς η τροχιά κίνησης κάθε δαχτύλου, κάτι που θα ήταν ανέφικτο χωρίς τον εντοπισμό. Το υλικό πολλαπλής αφής που είναι διαθέσιμο σήμερα απλοποιεί σε μεγάλο βαθμό τον εντοπισμό ενός αντικειμένου, τόσο ώστε ακόμη και το πιο απλό φίλτρο Kalman να καθίσταται περιττό. Πράγματι, ένα μεγάλο μέρος της καθυστέρησης απόδοσης των συστημάτων εντοπισμού τείνει να προέλθει από την δημιουργία και την διατήρηση ενός μοντέλου του παρασκηνίου. Το υπολογιστικό κόστος αυτών των συστημάτων περιορίζει σε μεγάλο βαθμό τη χρήση της CPU, όχι όμως εάν εφαρμοστούν έξυπνα κόλπα. Πάραυτα, με τις τρέχουσες προσεγγίσεις υπερύθρων (IR) στο υλικό πολλαπλής αφής (π.χ. FTIR ή DI) ένα προσαρμοστικό μοντέλο παρασκηνίου αποδεικνύεται να είναι υπερβολικό. Λόγω του γεγονότος ότι οι ληφθείσες εικόνες φιλτράρουν το (μη-υπέρυθρο) φως, ένα μεγάλο μέρος του φόντου απομακρύνεται από το υλικό. Δεδομένου αυτών των υπέρυθρων εικόνων, είναι πολλές φορές επαρκές να συλλάβουμε απλά μία στατική εικόνα φόντου προκειμένου να αφαιρέσουμε σχεδόν όλο το περιβάλλον φως που αποτελεί τον θόρυβο. Η εν λόγω εικόνα φόντου στη συνέχεια αφαιρείται από όλα τα επόμενα πλαίσια, που προκύπτουν και στα οποία στη συνέχεια εφαρμόζεται ένα κατωδιαβατό φίλτρο έντασης. Οι εικόνες που μας απομένουν εμπεριέχουν blobs 52

53 αντικείμενα που βρίσκονται πάνω στην επιφάνεια (δάχτυλα ή αντικείμενα που ζητείται να εντοπιστούν). Περαιτέρω, δεδομένης της φύσης του, το πρόβλημα εντοπισμού είναι ακόμη πιο απλό. Σε αντίθεση με τις γενικευμένες λύσεις περί τον εντοπισμό, γνωρίζουμε ότι από ένα καρέ βίντεο σε ένα άλλο (~33ms για τον σταθερό ρυθμό ανανέωσης της κλίμακας των 30Hz), ένα ανθρώπινο δάχτυλο θα διανύσει πάρα μόνο μια περιορισμένη απόσταση. Δεδομένης αυτής της προβλεψιμότητας, μπορούμε να αποφύγουμε τη δημιουργία δυναμικών μοντέλων και απλώς να πραγματοποιήσουμε έναν συσχετισμό δεδομένων ερευνώντας την πλησιέστερη αντιστοίχηση μεταξύ δύο καρέ χρησιμοποιώντας την προσέγγιση k-nearest Neighbors (k-nn). Το συνηθισμένο ΝΝ συγκρίνει εξαντλητικά σημεία δεδομένων από τη μία σειρά στην άλλη ώστε να δημιουργήσει αντιστοιχίες μεταξύ των πλησιέστερων σημείων, τα οποία υπολογίζονται συχνά με Ευκλείδειες αποστάσεις. Με το k-nn, ένα σημείο δεδομένων συγκρίνεται με την πλησιέστερη σε αυτό σειρά από σημεία-k και ψηφίζουν για την ετικέτα που θα τοποθετηθεί στο σημείο. Με την χρήση της προσέγγισης αυτής, είμαστε σε θέση να εντοπίσουμε με αξιοπιστία τα blobs που αναγνωρίζονται στις εικόνες για υψηλότερου επιπέδου υλοποιήσεις. Είναι συχνά αναγκαίο να εφαρμοστεί μια ευρετική προσέγγιση προκειμένου να αντιμετωπιστεί μια κατάσταση όπου προκύπτει ασάφεια, όπως για παράδειγμα, όταν ένα αντικείμενο πλησιάζει ένα άλλο. Το CCV (Community Core Vision) αποτελεί παράδειγμα τέτοιων ανιχνευτών. Με τη χρήση του OpenCV, μιας open-source Computer-Vision βιβλιοθήκης που καθιστά δυνατό τον εύκολο χειρισμό εικόνων και βίντεο, το CCV ανιχνεύει τα εντοπισμένα blobs σε πραγματικό χρόνο με υψηλή βεβαιότητα. Οι πληροφορίες σχετικά με τα εντοπισμένα blobs (θέση, ID, περιοχή κτλ) μπορούν να μεταβιβαστούν ως γεγονότα που επιτρέπουν την αναγνώριση του εντοπισμού ενός καινούργιου blob, ενός blobs που «πεθάνει», και ενός blobs που μετακινείται. Οι προγραμματιστές στο σημείο αυτό χρησιμοποιούν αυτή την πληροφορία δημιουργώντας εξωτερικές εφαρμογές οι οποίες ακούν τα γεγονότα blob και επενεργούν σε αυτά. Αναγνώριση χειρονομιών Η πρόκληση στη κατασκευή φυσικών διεπαφών χρήστη: Το απλό είναι και δύσκολο. Το εύκολο είναι δυσκολότερο. Το αόρατο είναι το πιο δύσκολο. - Jean-Louis Gassee Μετάβαση από GUIs σε χειρονομίες Το μέλλον της αλληλεπίδρασης μεταξύ Ανθρώπου-Υπολογιστή είναι η φυσική Διεπαφή Χρήστη. Με την πρόοδο στην ανάπτυξη φτηνών μεν, αξιόπιστων δε υλικών πολλαπλής αφής, δεν θα αργήσει πολύ η εποχή που θα δούμε οθόνες πολλαπλής αφής όχι μόνο σε πανεπιστημιακά εργαστήρια αλλά και σε χώρους μελέτης, σαλόνια ακόμη και σε κουζίνες. 53

54 Το ποντίκι και η διεπαφή GUI έχει αποτελέσει έναν από τους βασικούς λόγους για την τεράστια εισβολή των υπολογιστών στην κοινωνία. Παρόλα αυτά, η διακρατική τεχνική είναι έμμεση και βασίζεται στην αναγνώριση. Η Φυσική Διεπαφή Χρήστη με τις οθόνες πολλαπλής αφής είναι διαισθητική, συνάγεται από τα συμφραζόμενα και είναι υποβλητική. Η αλλαγή από GUI σε διεπαφή που βασίζεται στις χειρονομίες θα καταστήσει περαιτέρω τους υπολογιστές ένα αναπόσπαστο μεν αλλά διακριτικό δε μέρος του τρόπου ζωής μας. Με την ευρύτερη έννοια του όρου, «η έννοια της χειρονομίας είναι να συμπεριλάβει όλα τα είδη των περιπτώσεων όπου ένα άτομο προβαίνει σε κινήσεις των οποίων η επικοινωνιακή πρόθεση είναι υψίστης σημασίας, πρόδηλη και αναγνωρίσιμη». Η επικοινωνία με χειρονομίες υπήρξε μία από τις παλαιότερες μορφές αλληλεπίδρασης στον ανθρώπινο πολιτισμό για διάφορους ψυχολογικούς λόγους που, όμως, είναι πέρα από το πεδίο εφαρμογής της παρούσας συζήτησης. Τα συστήματα GUI αξιοποιούν προηγούμενη εμπειρία και εξοικείωση με την εφαρμογή, ενώ η διεπαφή NUI αξιοποιεί ανθρώπινες υποθέσεις και λογικά συμπεράσματα ώστε να παρουσιάσει μια διαισθητική και συναγόμενη διεπαφή η οποία βασίζεται στις χειρονομίες. Έτσι, μια διεπαφή η οποία βασίζεται στις χειρονομίες είναι ένας τέλειος υποψήφιος για την κοινωνική και συνεργατική εργασία καθώς και για εφαρμογές που εμπεριέχουν μια καλλιτεχνική πινελιά. Η διεπαφή είναι σωματική, πιο ορατή και με άμεσο χειρισμό. Ωστόσο, μόνο προκαταρκτικές χειρονομίες χρησιμοποιούνται σήμερα σε stand-alone εφαρμογές πάνω σε multi-touch υλικό το οποίο δίνει πολλά περιθώρια για τους επικριτές του. Η διεπαφή πολλαπλής αφής απαιτεί μια νέα προσέγγιση και όχι την εκ νέου παράλληλη εφαρμογή μεθόδων GUI και WIMP. Η μορφή των χειρονομιών καθορίζει εάν το είδος της αλληλεπίδρασης είναι πράγματι πολλαπλής αφής ή ενός μόνο αγγίγματος από πολλούς χρήστες. Θα συζητήσουμε το είδος των απαιτούμενων νέων χειρονομιών, την ανάπτυξη των δομικών στοιχείων για την αναγνώριση χειρονομιών και το πλαίσιο υποστήριξης για την πλήρη εκμετάλλευση της χρησιμότητας του υλικού πολλαπλής αφής και την ανάπτυξη προσαρμόσιμων, εύκολων στη χρήση πολύπλοκων εφαρμογών πολλαπλής αφής. Βιβλιοθήκες χειρονομιών Η πολλαπλή επαφή που βασίζεται σε κατασκευές NUI παρέχει ένα ισχυρό κίνητρο και μια πλατφόρμα για μια διεπαφή χειρονομιών καθώς είναι βασισμένη σε αντικείμενα (σε αντίθεση με το WIMP) και συνεπώς αφαιρεί το κενό μεταξύ του πραγματικού κόσμου και της εφαρμογής. Ο στόχος της διεπαφής θα πρέπει να είναι η πραγματοποίηση της άμεσης χειραγώγησης αντικειμένων, αλλά με ανοχή προς τη μικρότερη ακρίβεια που συνήθως παρέχει μια τέτοια διεπαφή. Οι δημοφιλείς χειρονομίες για κλιμάκωση, περιστροφή και μετάφραση εικόνων με τα δύο δάχτυλα, 54

55 που συνήθως αναφέρονται ως χειρονομίες χειραγώγησης,, είναι χαρακτηριστικά παραδείγματα φυσικών χειρονομιών [Εικόνα 2.12]. Εικόνα Βασικές χειρονομίες χειραγώγησης αντικειμένων Απαιτείται η κατασκευή νέων τύπων χειρονομιών ώστε να επιτευχθεί η πλήρης εφαρμογή της έννοιας του άμεσου χειρισμού με τα αντικείμενα (τα πάντα αποτελούν ένα αντικείμενο στο NUI με το οποίο ο χρήστης μπορεί να αλληλεπιδράσει) προκειμένου να επιτευχθεί ένα υποβλητικό και συναγόμενο από τα συμφραζόμενα περιβάλλον και όχι απλά μια προσπάθεια μίμησης του κλικ του ποντικιού με χειρονομίες. Οι βιβλιοθήκες χειρονομιών πρέπει να σχεδιαστούν με δημιουργική σκέψη, με προϋποθέσεις για κατάλληλη χρήση, έχοντας υπόψη το περιεχόμενο της εφαρμογής και το υποκείμενο περιβάλλον. Αυτές οι βιβλιοθήκες μπορούν στη συνέχεια να επεκταθούν από τον προγραμματιστή της εφαρμογής για το σχεδιασμό πολύπλοκων εφαρμογών. Θα πρέπει επίσης να υποστηρίζουν προσαρμοσμένες χειρονομίες οι οποίες θα ορίζονται από το χρήστη. Αναγνώριση χειρονομιών Ο πρωταρχικός στόχος της έρευνας για την αναγνώριση χειρονομιών είναι η δημιουργία ενός συστήματος το οποίο μπορεί να αναγνωρίσει συγκεκριμένες ανθρώπινες χειρονομίες και να τις χρησιμοποιήσει προκειμένου να μεταβιβάσει πληροφορίες ή για το χειρισμό συσκευών. Προκειμένου να εξασφαλίζεται η ακριβής αναγνώριση χειρονομιών και μια διαισθητική διεπαφή, μια σειρά περιορισμών εφαρμόζονται στο μοντέλο. Η κατασκευή πολλαπλής αφής θα πρέπει να παρέχει τη δυνατότητα σε περισσότερους από ένα χρήστη να αλληλεπιδρούν με αυτήν, δουλεύοντας σε ανεξάρτητες (αλλά ίσως συνεργατικές) εφαρμογές ταυτόχρονα. Οι χειρονομίες ορίζονται από το αρχικό σημείο εντός των ορίων ενός πλαισίου δεδομένου κάποιου σεναρίου αλληλεπίδρασης, του σημείου τέλους και τη δυναμική κίνηση μεταξύ των αρχικών και των τελικών σημείων. Πρέπει επίσης να είναι σε 55

56 θέση να αναγνωρίζει την έννοια του συνδυασμού των χειρονομιών που διαχωρίζονται στο χώρο ή το χρόνο. Η διαδικασία αναγνώρισης χειρονομιών μπορεί να κατηγοριοποιηθεί σε τρεις διαδοχικές διαδικασίες: Ανίχνευση Πρόθεσης: Οι χειρονομίες θα πρέπει να ερμηνεύονται μόνο όταν πραγματοποιούνται στο πεδίο του παραθύρου της εφαρμογής. Τμηματοποίηση χειρονομιών: Η ίδια ακολουθία χειρονομιών στην ίδια εφαρμογή μπορεί να αντιστοιχεί σε πολλές σημασίες, ανάλογα με το περιεχόμενο των συμβάντων αφής. Έτσι, τα συμβάντα αφής θα πρέπει και πάλι να διαμορφωθούν σε τμήματα ανάλογα με το αντικείμενο της πρόθεσης. Αυτά τα διαμορφωμένα δεδομένα θα αποσταλούν στη μονάδα αναγνώρισης χειρονομιών. Ταξινόμηση χειρονομιών: Η μονάδα αναγνώρισης χειρονομιών θα λειτουργήσει πάνω στα διαμορφωμένα δεδομένα για να χαρτογραφήσει τη σωστή εντολή. Υπάρχουν διάφορες τεχνικές για την αναγνώριση χειρονομιών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε μόνες τους είτε συνδυαστικά, όπως η τεχνική Hiden Markov Models, Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα, Finite State Machine κλπ. Μία από τις πιο σημαντικές τεχνικές είναι Hidden Markov Models (ΗΜΜ). Η τεχνική HMM είναι ένα στατιστικό μοντέλο, όπου τα διανεμημένα αρχικά στοιχεία λειτουργούν καλά και οι κατανομές εξόδου αυτόματα αφομοιώνονται από την εκπαιδευτική διαδικασία. Είναι ικανή να προσομοιώσει χώρο-χρονικές σειρές όπου η ίδια χειρονομία μπορεί να διαφέρει σε σχήμα και διάρκεια. Ένα τεχνητό νευρωνικό δίκτυο (ΤΝΔ), που συχνά αποκαλείται απλά ένα "νευρωνικό δίκτυο" (NΔ), είναι ένα υπολογιστικό μοντέλο που βασίζεται σε βιολογικά νευρωνικά δίκτυα. Είναι πολύ εύκαμπτο σε μεταβαλλόμενα περιβάλλοντα. Μια καινοτομική προσέγγιση μπορεί να βασίζεται στην χρήση ενός σετ από υβριδικούς αναγνωριστές με τη χρήση τόσο HMM όσο και ενός εν μέρει επαναλαμβανόμενου ANN. Η μονάδα αναγνώρισης χειρονομιών θα πρέπει επίσης να παρέχει λειτουργικότητα για την αναγνώριση τόσο σε εντός όσο και εκτός σύνδεσης αναγνώριση καθώς επίσης και σε στιγμιαίες και προοδευτικές χειρονομίες. Ένα μοντέλο με βάση τη παρούσα συζήτηση μπορεί να εμφανίζεται σχηματικά ως εξής: Ο διαχωρισμός της μονάδας αναγνώρισης χειρονομιών από την κύρια αρχιτεκτονική του πελάτη, η οποία από μόνη της μπορεί να είναι μια αρχιτεκτονική MVC, βοηθά στην χρήση μιας μονάδας αναγνώρισης χειρονομιών όπου είναι απαραίτητη, όπως π.χ. όταν στο μέλλον δεδομένα ομιλίας ή δεδομένα από άλλες εισόδους είναι διαθέσιμα στη μονάδα αναγνώρισης χειρονομιών, τότε αυτή μπορεί να τα 56

57 χαρτογραφήσει στην κατάλληλη εντολή για τον ελεγκτή της διεπαφής (Controller) και μετέπειτα να γίνει η ενημέρωση της προβολής (View) του μοντέλου. Εικόνα Γενικό σχεδιάγραμμα ανίχνευσης σημείων αφής και μετατροπής τους σε χειρονομίες Προγραμματισμός εφαρμογών πολλαπλής αφής Ο προγραμματισμός εφαρμογών και αλληλεπιδράσεων για συσκευές πολλαπλής αφής διαφέρει κατά πολύ από την ανάπτυξη κλασικών εφαρμογών που προορίζονται για χρήση με ποντίκι. Στη προηγούμενη υποενότητα έγινε μια αναφορά σε μερικούς από τους λόγους που οι διεπαφές NUI είναι εγγενώς διαφορετικές από τις κλασσικές GUI που βασίζονται στο WIMP (windows, icons, menus, pointer). Η βασική διαφορά έγκειται στην χρήση και διαχείριση πολλαπλών ταυτόχρονων σημείων επαφής. Η ικανότητα αυτή παρότι επεκτείνει σε πολύ μεγάλο βαθμό τις δυνατότητες για πιθανές αλληλεπιδράσεις και καινοτόμες διεπαφές, προσθέτει ένα επίπεδο πολυπλοκότητας όσον αφορά τον προγραμματισμό αλλά και τις υπολογιστικές απαιτήσεις που σε καμία περίπτωση δεν μπορεί να θεωρηθεί ασήμαντο. Ο τρόπος με τον οποίο το πρωτόκολλο TUIO, καθώς και τα περισσότερα πρωτόκολλα πολλαπλής αφής, διαχειρίζεται τη διαδικασία λήψης πληροφοριών συμβάντων σχετικών με τα σημεία επαφής προσδιορίζει τρεις τύπους βασικών μηνυμάτων τα οποία δίνουν πληροφορίες για ένα νέο σημείο επαφής (new touch event), την μετακίνηση ενός υπάρχοντος σημείου επαφής (movement) ή την αφαίρεση ενός σημείου από την επιφάνεια (removal of touch). Τα μηνύματα αυτά συνοδεύονται από ένα στοιχείο ταυτοποίησης (touch ID) το οποίο τα συνδέει με ένα συγκεκριμένο σημείο. Με την χρήση του αναγνωριστικού αυτού η εφαρμογή καθώς 57

58 και οι συναρτήσεις της μπορούν να χειριστούν το συγκεκριμένο συμβάν (touch event) συναρτήσει του περιεχομένου στο οποίο χρησιμοποιείται καθώς και συναρτήσει προηγούμενων συμβάντων. Στα περισσότερα framework γλωσσών προγραμματισμού που χρησιμοποιούνται για εφαρμογές πολλαπλής αφής τα συμβάντα εμφανίζονται στην ακόλουθη μορφή : On_touch_down(touches, touchid, x, y) On_touch_move(touches, touchid, x, y) On_touch_up(touches, touchid, x, y) Η συγκεκριμένη μορφή ανήκει στο PyMT framework που βασίζεται στην ευρέως διαδεδομένη γλώσσα προγραμματισμού Python. Καθένα από τα παραπάνω συμβάντα εκτός από το αναγνωριστικό του φέρει και τη θέση (x, y) σε συντεταγμένες pixel στην οποία έλαβε χώρα συναρτήσει του παραθύρου στο οποίο εμπεριέχεται. Επίσης παρέχεται στον προγραμματιστή ένα λεξικό με τα αναγνωριστικά όλων των «ζωντανών» σημείων επαφής δίνοντας του τη δυνατότητα να ελέγχει όλα τα σημεία και τις θέσεις τους ανά πάσα στιγμή. Πολλά frameworks που υποστηρίζουν και την χρήση fiducial αντικειμένων έχουν αντίστοιχα συμβάντα της μορφής on_object_*. Από την πολυπλοκότητα των παραπάνω, γίνεται γρήγορα σαφές ότι η ανάλυση πολλαπλών σημείων αφής και συμβάντων είναι πιο περίπλοκη από την χρήση ενός και μόνο σημείου κατάδειξης, όπως το ποντίκι. Το περιεχόμενο της διεπαφής του χρήστη μπορεί να αλλάξει ριζικά με κάθε άγγιγμα και οι μετέπειτα χειριστές συμβάντων πρέπει να είναι ενήμεροι για όλες τις αλληλεπιδράσεις που συμβαίνουν πριν τη λήψη μιας απόφασης σχετικά με τη διαχείριση ενός νέου συμβάντος αφής. Στη σύντομη σχετικά πορεία που έχουν μέχρι τώρα οι γλώσσες ανάπτυξης εφαρμογών πολλαπλής αφής υπάρχουν μερικές προγραμματιστικές τεχνικές που έχουν αποδειχθεί χρήσιμες σε διάφορες περιπτώσεις. Για παράδειγμα η έννοια της κυριότητας ενός συγκεκριμένου σημείου αφής από κάποιο στοιχείο (widget) είναι ιδιαίτερα βολική καθώς όταν χρησιμοποιείται αυτή η τεχνική τα υπόλοιπα στοιχεία (widgets) αγνοόυν τα μετέπειτα touch_move και touch_up συμβάντα και μόνο το στοιχείο που έχει την κυριότητα τους τα χειρίζεται. Επίσης η χρήση των λεξικών (dictionaries όπως ονομάζονται στην Python) μπορεί να βοηθήσει σημαντικά στην παρακολούθηση των διάφορων καταστάσεων. Επιπλέον μπορεί να χρησιμοποιηθούν πιο αποτελεσματικά όταν πολλαπλά λεξικά χρησιμοποιούνται για να διαχωρίσουν σημεία αφής σε ορισμένες ομάδες υπεύθυνες για ένα μέρος της αλληλεπίδρασης ή για ένα στοιχείο. Τελικά, οι δυνατότητες για νέες αλληλεπιδράσεις και τρόπους ερμηνείας πολλαπλών σημείων αφής περιορίζεται μόνο από την δημιουργικότητα και τη φαντασία του 58

59 εκάστοτε προγραμματιστή καθώς το πλήθος των διάφορων συνθέσεων, ρυθμίσεων και καταστάσεων οι οποίες μπορούν να σχεδιαστούν σε μια επιφάνεια πολλαπλής αφής ανά πάσα στιγμή είναι τεράστιο. Αυτό επιτρέπει την ανάπτυξη μερικών πολύ φυσικών και διαισθητικών αλληλεπιδράσεων που μπορούν να προγραμματιστούν, έχοντας πάντα σαν αντίκτυπο την αύξηση της λογικής αλλά και της αλγοριθμικής πολυπλοκότητας που γίνετε όλο και πιο δύσκολο να αντιμετωπιστεί Optical Tracker (οπτικός ιχνηλάτης) Για την ανάλυση της εικόνας που λαμβάνετε μέσω της κάμερας και εξαγωγή των απαραίτητων πληροφοριών (άγγιγμα επιφάνειας, συντεταγμένες αγγίγματος) πρέπει να χρησιμοποιηθεί κατάλληλο λογισμικό. Στην παρούσα εργασία γίνετε χρήση του CCV (Community Core Vision), ενός open source tracker που χρησιμοποιείται σε εφαρμογές computer vision. Λειτουργεί παίρνοντας σαν είσοδο την εικόνα και εξάγει από αυτή δεδομένα παρακολούθησης (συντεταγμένης και μέγεθος σημείου επαφής) και γεγονότα (επαφή, μετακίνηση και απελευθέρωση σημείων επαφής χρήστη) που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε multitouch εφαρμογές. Το CCV μπορεί να ανακτήσει εικόνες από μια πληθώρα καμερών καθώς και να συνδεθεί σε εφαρμογές που δέχονται δεδομένα μέσω πολλών πρωτοκόλλων (TUIO/OSC/XML). Επίσης μπορεί να ρυθμιστεί με τη χρήση ειδικών φίλτρων (Highpass, Smooth, Amplify) ώστε να υποστηρίζει τις περισσότερες από τις διαδεδομένες τεχνικές φωτισμού όπως τις τεχνικές FTIR, DI, DSI και LLP. Κάποια από τα κύρια χαρακτηριστικά του είναι τα εξής : Απλό περιβάλλον χειρισμού πού είναι εύκολο και κατανοητό στη χρήση Υποστήριξη ενσωματωμένων φίλτρων (dynamic background subtraction, highpass, amplify/scaler, threshold) που επιτρέπουν τη χρήση του σε πληθώρα κατασκευών (FTIR, DI, LLP, DSI). Επίσης μπορούν να προστεθούν επιπλέον φίλτρα από το χρήστη. Αυτόματη επιλογή και ρύθμιση καμερών. Επιλογή Εισόδου που επιτρέπει την επιλογή ανάμεσα σε real time εικόνα από τις κάμερες ή ενός προεγγεγραμμένου βίντεο για γρήγορο έλεγχο των ρυθμίσεων. Dynamic Mesh Calibration που επιτρέπει τη ρύθμιση και τη βαθμονόμηση των καμερών, ώστε να διορθωθούν οι παραμορφώσεις που δημιουργούνται από τους φακούς. Η βαθμονόμηση αυτή γίνεται με τη χρήση ενός δυναμικού πλέγματος ανάλογα με το μέγεθος της οθόνης. Ανάκλαση και περιστροφή της εικόνας σε περίπτωση που οι κάμερες έχουν τοποθετηθεί ανάποδα. Μετάδοση δεδομένων μέσω δικτύου με τη χρήση του πρωτοκόλλου OSC TUIO. Framerate των καμερών και της εφαρμογής για έλεγχο της ταχύτητας απόκρισης του συστήματος. 59

60 Λειτουργία GPU όπου γίνεται χρήση της κάρτας γραφικών για επιτάχυνση της λειτουργίας του tracker Στην τελική του έκδοση ο CCV έχει κάποιες επιπλέον δυνατότητες που αξίζει να αναφερθούν όπως : Αυτόματη Ανίχνευση καμερών Ανά Κάμερα-βαθμονόμηση, λειτουργία προεπισκόπησης και διάλογοι ρυθμίσεων που βοηθάνε την ανάπτυξη συστημάτων που χρησιμοποιούν μεγάλο αριθμό καμερών. Βελτιστοποιημένοι αλγόριθμοι tracking και συνένωσης εικόνων από πολλαπλές κάμερες που χρησιμοποιούν πιο αποτελεσματικά mmulticore επεξεργαστές. Αναγνώριση Fiducials Επιτρέπει χρήση διαφορετικού τύπου καμερών ταυτόχρονα Βασικές επιλογές ρυθμίσεις Για να λειτουργήσει σωστά μια επιφάνεια πολλαπλής αφής θα πρέπει ο οπτικός ιχνηλάτης που χρησιμοποιείται να έχει ρυθμιστεί ανάλογα πάντα με την χρησιμοποιούμενη τεχνική φωτισμού. Παρακάτω παρουσιάζονται οι ρυθμίσεις που επιτρέπει ο CCV. Σχεδόν όλοι οι οπτικοί ιχνηλάτες έχουν αντίστοιχες ρυθμίσεις οπότε δεν κρίνεται απαραίτητη η αναφορά στους υπόλοιπους. 60 Εικόνα 2.14 Περιγραφή οπτικού ιχνηλάτη

61 1. Source image (Πηγή εικόνας) Εμφανίζει τη πηγαία εικόνα όπως αυτή λαμβάνεται είτε από την κάμερα είτε από κάποιο αρχείο. 2. Use Camera Toggle (Επιλογή/Εναλλαγήή καμερών) Επιλέγει την κάμερα που θα λαμβάνει δεδομένα σε περίπτωση ύπαρξης περισσότερων καμερών. 3. Use Video Toggle (Επιλογή/Εναλλαγήή βίντεο) Επιλέγει το αρχείο βίντεο από το οποίο θα λαμβάνει δεδομένα. 4. Previous Camera Button (Επιλογή προηγούμενης κάμερας) Επιλέγει την προηγούμενη κάμερα εάν υπάρχουν περισσότερες από μια συνδεδεμένες στο σύστημα. 5. Next Camera Button (Επιλογή επόμενης κάμερας) Επιλέγει την επόμενη κάμερα εάν υπάρχουν περισσότερες από μια συνδεδεμένες στο σύστημα. 6. Tracked Image (Ανιχνεύσιμη εικόνα) Εμφανίζει την τελική εικόνα μετά την εφαρμογή των φίλτρων που χρησιμοποιείται για την αναγνώριση σημείων επαφής. 7. Inverse (Αναστροφή φίλτρου) Αναγνώριση σκοτεινών σημείων στην εικόνα αντί φωτεινών (χρησιμοποιείται σε μερικές τεχνικές φωτισμού όπως η Rear-DI). 8. Threshold Slider (Ρυθμιστής κατωφλίου) Ρυθμίζει το επίπεδο φωτεινότητας που πρέπει να έχει ένα εικονοστοιχείο ώστε να γίνει δεκτό σαν σημείο επαφής. 9. Movement filtering (φίλτρο κίνησης) Ρυθμίζει το επίπεδο που πρέπει να μετακινηθεί ένα εικονοστοιχείο ώστε να γίνει δεκτό σαν σημείο επαφής. Όσο πιο υψηλό επιλεχτεί το επίπεδο αυτό, τόσο μεγαλύτερη θα πρέπει να είναι η απόσταση που θα μετακινήσει ο χρήστης το σημείο επαφής ώστε ο CCV να το αναγνωρίσει σαν σημείο επαφής. 10. Min Blob Size (ελάχιστό μέγεθος σημείου επαφής) Ρυθμίζει το ελάχιστο μέγεθος που πρέπει να έχει το σημείο επαφής ώστε να γίνει δεκτό σαν σημείο επαφής. 11. Max Blob Size (Μέγιστο μέγεθος σημείου επαφής) Ρυθμίζει το μέγιστο μέγεθος που πρέπει να έχει το σημείο επαφής. 12. Remove Background Button (Κουμπί αναίρεσης φόντου) Λήψη ενός στιγμιότυπου που χρησιμοποιείται ως φόντο και αφαιρείται από την εικόνα πριν γίνει η αναγνώριση των σημείων επαφής. 13. Dynamic Subtract Toggle (Διακόπτης ενεργοποίησης δυναμικής αναίρεσης φόντου) Δυναμική επιλογή του φόντου. Ενεργοποιείται σε περιβάλλοντα όπου το φόντο αλλάζει συχνά, προκαλώντας τη λανθασμένη αναγνώριση σημείων επαφής. Μέσω του ρυθμιστή επιλέγεται η ταχύτητα με την οποία θα ανανεώνεται το φόντο. 14. Smooth Slider (ρυθμιστής λείανσης) Λειαίνει την εικόνα και αφαιρεί τον θόρυβο που προκαλείται από τον αισθητήρα της κάμερας. 61

62 15. Highpass Blur Slider (ρυθμιστής υψιπερατού φίλτρου αποκοπής θαμπών σημείων) Αφαιρεί τα θαμπά σημεία της εικόνας αφήνοντας μόνο τα έντονα. 16. Highpass Noise (ρυθμιστής υψιπερατού φίλτρου θορύβου) Φίλτρο που αφαιρεί το θόρυβο της εικόνας αφού έχει φιλτραριστεί μέσω του φίλτρου Highpass Blur. 17. Amplify Slider (ρυθμιστής ενίσχυσης) Ενισχύει (φωτίζει) τα ασθενή εικονοστοιχεία. Εάν τα σημεία επαφής έχουν μικρή αντίθεση, γίνονται πιο έντονα μέσω αυτής της επιλογής. 18. On/Off Toggle (Διακόπτης On/Off) Επιλογή σε όλα τα φίλτρα που τα ενεργοποιεί ή τα απενεργοποιεί αντίστοιχα. 19. Camera Settings Button (Κουμπί ρύθμισης επιλογών κάμερας) Μέσω αυτού του κουμπιού ανοίγει ένα παράθυρο που επιτρέπει την αλλαγή των ρυθμίσεων του αισθητήρα της κάμερας. 20. Flip Vertical Toggle (Κατακόρυφη Ανάκλαση εικόνας) Ανάκλαση εικόνας στον κατακόρυφο άξονα. 21. Flip Horizontal Toggle (Οριζόντια Ανάκλαση εικόνας) Ανάκλαση εικόνας στον οριζόντιο άξονα. 22. GPU Mode Toggle (διακόπτης λειτουργίας κάρτας γραφικών) Ενεργοποιεί την επιτάχυνση μέσω του υλικού της κάρτας γραφικών (hardware acceleration). Αποτελεί δοκιμαστική εφαρμογή και είναι προτιμότερο, εάν χρησιμοποιηθεί αυτό, να γίνει σε καινούρια μοντέλα καρτών γραφικών. 23. Send UDP Toggle (Διακόπτης αποστολής UDP) Ενεργοποιεί την αποστολή πακέτων μέσω του πρωτοκόλλου μηνυμάτων TUIO. 24. Flash XML Ενεργοποιεί την αποστολή μηνυμάτων XMLσε εφαρμογές Flash. 25. Binary TCP Ενεργοποιεί την αποστολή πακέτων συντεταγμένων μέσω του πρωτοκόλλου TCP. 26. Enter Calibration (Βαθμονόμηση) Λειτουργία βαθμονόμησης. 27. Save Settings (Αποθήκευση ρυθμίσεων) Αποθηκεύει όλες τις ρυθμίσεις σε ένα αρχείο μορφής XML. Ο CCV παρότι αναπτύσσεται μέσω διαδικτυακών ομάδων και είναι ουσιαστικά μια ερασιτεχνική προσπάθεια έχει καταφέρει να είναι ο πλέον χρησιμοποιούμενος tracker κυρίως λόγω των επιλογών και δυνατοτήτων που προσφέρει. Η διανομή του γίνετε με βάση την άδεια LGPL (Lesser General Public License) που επιτρέπει την χρήση σε ερασιτεχνικές κατασκευές αλλά και σε κλειστά ιδιόκτητα συστήματα (proprietary). 62

63 Εικόνα Αρχική εικόνα της τελευταίας έκδοσης του CCV 8 Εικόνα Μενού επιλογής κάμερας και ρυθμίσεων Πρωτόκολλο TUIO Το TUIO είναι ένα ανοικτό πλαίσιο που προσδιορίζει ένα κοινό πρωτόκολλο και ένα κοινό API για απτές επιφάνειες πολλαπλής αφής. Το πρωτόκολλο αυτό επιτρέπει την μετάδοση συγκεκριμένων πληροφοριών που αφορούν τις επιδράσεις χρηστών με τέτοιου είδους επιφάνειες όπως γεγονότα αφής ή καταστάσεις φυσικών αντικειμένων επάνω στην επιφάνεια. Η πληροφορίες αυτές κωδικοποιούνται από την εφαρμογή που χρησιμοποιείται σαν tracker και αποστέλλεται σε όποιες εφαρμογές-πελάτες είναι 63

64 ικανές να της αποκωδικοποιήσουν. Υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός tracker που υποστηρίζουν το πρωτόκολλο αυτό καθώς επίσης και μεγάλος αριθμός βιβλιοθηκών που επιτρέπουν την ανάπτυξη εφαρμογών σε διάφορες γλώσσες. Η αυξημένη διάδοση του πρωτοκόλλου TUIO και ο συνδυασμός των ιχνηλατών και των εφαρμογών που το υποστηρίζουν επιτρέπουν την εύκολη χρήση τους σε κατασκευές επιφανειών πολλαπλής αφής. Από την αρχική έκδοση των τεχνικών χαρακτηριστικών του πρωτοκόλλου και την πρώτη του υλοποίηση στα πλαίσια ανάπτυξης του reactivision, το πρωτόκολλο έχει υιοθετηθεί σε πολλά πρότζεκτ που σχετίζονται με διαδράσεις με αντικείμενα ή επιφάνειες πολλαπλής αφής. Λόγω της αυξημένης διάδοσης του, το πρωτόκολλο αλλά και το API του θεωρούνται πλέον ως πρότυπα στην ανάπτυξη τέτοιου είδους κατασκευών. Εικόνα Διάγραμμα που περιγράφει τη χρήση του πρωτοκόλλου για επικοινωνία του ιχνηλάτη με τις εφαρμογές που το υποστηρίζουν. 64

65 2.8. Fiducials Τα fiducials είναι γραφικά σύμβολα τα οποία είναι γνωστά εξαρχής στο σύστημα που χρησιμοποιείται για την οπτική ανίχνευση και συνεπώς η δουλειά του είναι να αναγνωρίσει και να εντοπίσει χωρικά τα σύμβολα αυτά στην εικόνα. Πρακτικά τα σύμβολα fiducial είναι αυτοκόλλητα που μπορούν να τοποθετηθούν επάνω σε φυσικά αντικείμενα ώστε αυτά να εντοπίζονται από το σύστημα. Η ανάπτυξη τους έγινε από την ίδια ομάδα που ανέπτυξε το πρωτόκολλο TUIO και χρησιμοποιούνται και αυτά στο σύστημα reactivion. Αρχικά και για τις ανάγκες του συστήματος αναπτύχθηκε ένα σύνολο από 180 τέτοια σύμβολα που μπορούσαν να αναγνωριστούν από το σύστημα επιστρέφοντας τον μοναδικό αριθμό (ID) την ακριβή θέση και τη γωνία κάθε fiducial που βρισκόταν στο οπτικό πεδίο του. Για τη χρήση τους απαιτείτε μια τεχνική που να χρησιμοποιεί οπίσθιο φωτισμό και ικανοποιητική ανάλυση από το οπτικό σύστημα. Ως ιδέα τα σύμβολα αυτά βασίζονται στο σύστημα d-touch που αναπτύχθηκε από τον Enrico Costanza και χρησιμοποιήθηκαν στο αρχικό πρωτότυπο του reactable. Στη συνέχεια το σύστημα αυτό βελτιώθηκε από τον Ross Bencina ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν και να ικανοποιούν καλύτερα τις απαιτήσεις real time συστημάτων. Η τελική βελτιωμένη έκδοση των συμβόλων αυτών περιλαμβάνει βελτιώσεις όσον αφορά την ακρίβεια εντοπισμού και τη γωνία τους όπως επίσης και μείωση τις επιφάνειας του κάθε συμβόλου. Πέρα από τα 180 αρχικά σύμβολα αναπτύχθηκε μια εφαρμογή που να είναι σε θέση να παράγει νέα σύμβολα. Η εφαρμογή αυτή είναι βασισμένη στις αρχές που χρησιμοποιήθηκαν στην κατασκευή των αρχικών συμβόλων αλλά δίνει την δυνατότητα παραμετροποίησης τους από το χρήστη. Μια αναλυτική περιγραφή των αρχών και τις διαδικασίας κατασκευής των συμβόλων αυτών γίνεται στην εργασία με τίτλο Εικόνα (a) ένα fiducial του reactivision (b) σταθμισμένο κέντρο μαύρων και λευκών σημείων (c) σταθμισμένο κέντρο μαύρων σημείων και (d) και το διάνυσμα που προκύπτει από αυτά και χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της γωνίας. 65

66 66 Εικόνα Αναγνώριση fiducial από το CCV

67 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3. Σχεδίαση και θεωρητικές προδιαγραφές 3.1. Βασικές προϋποθέσεις σχεδιασμού Οι βασικές αρχές σχεδιασμού της υλοποίησης σχετίζονται τόσο με το software όσο και με το hardware που θα χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή του πρωτοτύπου. Στο σημείο αυτό χρησιμοποιήθηκε η ήδη υπάρχουσα τεχνογνωσία που φιλοξενείται είτε σε πανεπιστήμια του εξωτερικού είτε σε κατασκευές που έχουν πραγματοποιηθεί από μέλη διαδικτυακών ομάδων. Όσον αφορά τις τεχνολογίες αφής, είναι αναγκαία η συμβατότητα ανάμεσα στο υλικό και στο λογισμικό καθώς οι απαιτήσεις του ενός συμπληρώνουν το άλλο. Τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των επιμέρους τμημάτων της κατασκευής, όπως οι διαστάσεις της οθόνης, η ανάλυση της κάμερας και του προτζέκτορα, καθώς και ο τρόπος τοποθέτησης του υλικού θέτουν περιορισμούς, βάσει των οποίων γίνεται η μελέτη σχεδιασμού της κατασκευής και αποδίδεται η τελική μορφή. Οι λόγοι για τους οποίους πραγματοποιήθηκε η μελέτη και η κατασκευή του συστήματος εξ αρχής παρατίθενται παρακάτω: Εργονομία: Πρωταρχικός ρόλος ενός συστήματος πολλαπλής αφής είναι να προσφέρει άνεση και ευκολία στο χρήστη σε βαθμό τέτοιο που να παρομοιάζεται με ένα απλό γραφείο συνεδριάσεων πολλαπλών, όμως, δυνατοτήτων. Μεγάλη επιφάνεια αλληλεπίδρασης: Η συνεργασία ομάδων και η διεξαγωγή συγκεντρώσεων γύρω από την κατασκευή εξορισμού απαιτεί μεγάλη επιφάνεια. Πέραν αυτού, είναι απαραίτητο να υπάρχει και επιπλέον χώρος ώστε να μπορεί ο εκάστοτε χρήστης να χρησιμοποιήσει περιφερειακά βοηθήματα (εξωτερικές συσκευές κατάδειξης, πληκτρολόγια κ.α.) που σε ορισμένες περιπτώσεις προσφέρουν γρηγορότερη εισαγωγή δεδομένων. Δυνατότητα διόρθωσης και βελτίωσης: Σήμερα, μεγάλες κατασκευαστικές εταιρίες όπως η Microsoft προσφέρουν πληθώρα λύσεων και επιλογών που τις περισσότερες φορές αποτελούνται από κλειστά ιδιόκτητα συστήματα. Με αυτόν τον όρο εννοείται ότι δεν προσφέρουν ικανότητα αλλαγής του υλικού τους ώστε να μπορούν να προσαρμοστούν στις εκάστοτε ανάγκες του κάθε χρήστη. Γι αυτό το λόγο, σε αυτή τη διπλωματική εργασία παρέχονται λεπτομερώς όλες οι απαραίτητες πληροφορίες για κάθε τμήμα του υλικού της κατασκευής. Με αυτό τον τρόπο, ακόμη και οποιοσδήποτε ανειδίκευτος θα μπορεί να είναι σε θέση να επιδιορθώσει μια βλάβη ή να αναβαθμίσει τμήματα αυτής. 67

68 3.2. Γενικές οδηγίες για το σχεδιασμό επιφανειών συνεργασίας Στη συνέχεια παρουσιάζονται αναλυτικά οι προδιαγραφές που πρέπει να έχει μία ιδανική επιφάνεια συνεργασίας και πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά τη διάρκεια σχεδιασμού της. Οι βασικοί κανόνες για τα συστήματα αυτά καταγράφηκαν από τον Scott et al. του εργαστηρίου CHI τα οποία πρέπει να υποστηρίζουν: 1. φυσικές διαπροσωπικές αλληλεπιδράσεις 2. μετάβαση μεταξύ δραστηριοτήτων 3. μετάβαση μεταξύ ατομικής και ομαδικής χρήσης του συστήματος, 4. μετάβαση μεταξύ συνεργασίας στην επιφάνεια αλλά και συνεργασία χωρίς αυτή 5. τη χρήση φυσικών αντικειμένων 6. την πρόσβαση σε κοινά φυσικά και ψηφιακά αντικείμενα 7. την ευέλικτη τοποθέτηση των χρηστών γύρω από το σύστημα 8. την ταυτόχρονή χρήση του συστήματος Η μελέτη και εξέλιξη των συστημάτων αυτών μέχρι σήμερα δεν έχει δώσει ακόμη ξεκάθαρες απαντήσεις για την ιδανική μορφή ενός τέτοιου συστήματος (διαστάσεις) όσων αφορά στη χρήση από μικρές ομάδες τεσσάρων έως έξι ατόμων. Εκτός από τη μορφή και τις διαστάσεις του συστήματος πρέπει να ληφθούν υπόψη και διάφοροι άλλοι παράγοντες όπως: το περιβάλλον χρήσης αυτού (κοινωνικό και πολιτισμικό) το είδος τις δραστηριότητας (οικολογικό και υποκινητικό υπόβαθρο) Οι δύο αυτοί παράγοντες επηρεάζουν το λογισμικό, το υλικό και την ολοκληρωτική μορφή της κατασκευής. Με βάση, λοιπόν, όλους τους παραπάνω κανόνες πραγματοποιείται ο σχεδιασμός της κατασκευής με στόχο να ικανοποιηθεί η πλειονότητα αυτών Διαστάσεις Κατασκευής Οι διαστάσεις της κατασκευής πρέπει να είναι τέτοιες ώστε να διευκολύνουν τη συνεργασία χρηστών (σύμφωνα με τον 1 ο κανόνα) υιοθετώντας έναν εργονομικό σχεδιασμό. Η επιφάνεια επιλέγεται να βρίσκεται σε ύψος 75cm επιτρέποντας την συνεργασία όρθιων αλλά και καθισμένων χρηστών. Για τη διευκόλυνση των δεύτερων χρηστών δημιουργείται εσοχή στο κάτω μέρος της κατασκευής που καταλαμβάνει μικρότερη επιφάνεια σε σχέση με το πάνω μέρος όπως παρατηρείται στο παρακάτω σχέδιο. Επίσης, δίνεται η δυνατότητα για χρήση φυσικών 68

69 αντικειμένων (πληκτρολόγιο, ποντίκι κ.α.) καθώς η άνω επιφάνεια σχεδιάζεται με περιθώριο 8cm περίπου σε κάθε της πλευρά. Εικόνα 3.1. Τελικό σχέδιο εξωτερικής δομής της κατασκευής με δοθείσες τις διαστάσεις Έρευνες που έχουν πραγματοποιηθεί σε χώρους εργασίας αποδεικνύουν την αναγκαιότητα τέτοιων περιβαλλόντων (γραφεία) καθώς αποτελούν το βασικό μέρος που λαμβάνουν χώρα συγκεντρώσεις και συνεδριάσεις χρησιμοποιώντας πληθώρα φυσικών αντικειμένων. Συνήθως, καταλαμβάνεται ολόκληρη η οριζόντια επιφάνεια που διατίθενται προς χρήση έτσι ώστε να επιτρέπεται η εξέλιξη μιας διαδικασίας σε δημοκρατική βάση με μεγαλύτερο εύρος δραστηριοτήτων. Οι οριζόντιες αυτές επιφάνειες κρίνονται καταλληλότερες για μεγαλύτερης διάρκειας διαδικασίες σε σχέση με τις κάθετες (πίνακες), οι οποίες φαίνεται να είναι πιο αποτελεσματικές για βραχείας διάρκειας και συγκεκριμένης θεματικής ενότητας διαδικασίες (παρουσιάσεις). Τα αποτελέσματα αυτών των ερευνών συνεπάγονται την ύπαρξη και των οριζόντιων αλλά και των κάθετων επιφανειών σε ένα χώρο εργασίας που θα εξυπηρετεί παράλληλα ανάλογα με τις εκάστοτε ανάγκες χρήστες καθισμένους και όρθιους, αντίστοιχα. Η παρούσα υλοποίηση αφορά σε μία οριζόντια επιφάνεια, προσφέροντας ένα αρκετά μεγάλο εύρος δραστηριοτήτων. Αποτελεί ιδανικό, πειραματικό εργαλείο στη διεξαγωγή μελλοντικών ερευνών και πιθανότητα καταγραφή ομαδικών δραστηριοτήτων ή μη, όπως τα πειράματα Card-Sorting. 69

70 3.3. Εργονομία και Πρακτικοί προβληματισμοί Κατά τη διαδικασία κατασκευής προτύπων θεωρούνται δεδομένες οι διαστάσεις τους. Τις περισσότερες φορές, όμως, οι διαστάσεις προκύπτουν με βάση τεχνολογικούς περιορισμούς παρά εργονομικούς. Με βάση την υπάρχουσα βιβλιογραφία σημειώνεται ότι τα συστήματα αυτά περιλαμβάνουν συνήθως ογκώδη εξαρτήματα κάτω από την επιφάνεια τους, όπως προβολείς και καθρέπτες για συστήματα που προβάλουν από κάτω προς τα πάνω την εικόνα. Γι αυτό το λόγο, πολλά από τα συστήματα αυτά αναγκάζουν τον χρήστη να στέκεται όρθιος ή να κάθεται μπροστά από αυτά σε άβολες στάσεις για εκτεταμένα χρονικά διαστήματα. Ο περιορισμός αυτός επηρεάζει τα επίπεδα άνεσης των χρηστών αλλά και τη φυσικότητα με τη οποία αλληλεπιδρούν με το σύστημα αλλά και μεταξύ τους. Συγκεκριμένα, συστήματα τα οποία αποτελούνται από στιβαρές γεωμετρικές κατασκευές δεν επιτρέπουν στους χρήστες να κάθονται και δε προσφέρουν χώρο για τα πόδια ακόμη και σε όρθιους χρήστες. Αυτό επιφέρει κούραση και γρήγορη δυσανασχέτηση στους χρήστες, αναγκάζοντας τους να στηριχτούν με τα χέρια τους στο πάνω μέρος της κατασκευής. Έτσι, όμως, προκαλούν φθορές στο σύστημα, ιδιαίτερα όσο περισσότερο χρησιμοποιείται. Αυτοί οι περιορισμοί χαρακτηρίζουν τις υλοποιήσεις αυτές ως συστήματα με τα οποία οι χρήστες αλληλεπιδρούν για πολύ μικρά χρονικά διαστήματα και όχι σαν συστήματα ενσωματωμένα στους χώρους εργασίας τους. 70

71 Εικόνα 3.2 Σύστημα αποτελούμενο από στιβαρή γεωμετρική κατασκευή που δεν επιτρέπει στους χρήστες να κάθονται Χαρακτηριστικό παράδειγμα τέτοιας γεωμετρικής κατασκευής αποτελεί το Microsoft Surface, το οποίο χρησιμοποιεί πέντε υπέρυθρες κάμερες και έναν προβολέα. Για την προστασία και ασφάλειά του είναι εξοπλισμένο με ένα τετραγωνικό περίβλημα που επιτρέπει στα εσωτερικά του εξαρτήματα να λειτουργούν κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες. Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του συστήματος αυτού είναι το χαμηλό ύψος που παρουσιάζει, μια κατασκευαστική επιλογή που επιτρέπει τη χρήση του από άτομα όλων των ηλικιών Συμπληρωματικές προδιαγραφές Έχοντας αναλύσει τις βασικές θεωρητικές προδιαγραφές καθώς και τα εργονομικά προβλήματα που τίθενται κατά τη διαδικασία σχεδιασμού τέτοιων συστημάτων, καλύπτονται σε ένα μεγάλο εύρος οι αποφάσεις που πρέπει να ληφθούν στη φάση αυτή. Επιπρόσθετα, κρίνεται απαραίτητο να εισάχθουν και κάποιες δευτερεύουσες προδιαγραφές που σε πολλές περιπτώσεις βοηθούν περαιτέρω τη διαδικασία σχεδιασμού και είναι οι εξής: Συγκεκριμένος αριθμός ατόμων Κατά τον προσδιορισμό των βασικών προϋποθέσεων σχεδιασμού γίνεται αναφορά για χρήση τέτοιων συστημάτων σε ομάδες εργασίας 4-6 ατόμων. Για την απλοποίηση της κατασκευής και εξαιτίας του χωρικού περιορισμού, το σύστημα σχεδιάζεται έτσι ώστε να υποστηρίζει τέσσερις χρηστές. Επιπλέον άτομα μπορούν να χρησιμοποιήσουν το σύστημα με μέγιστο αριθμό 6 χρηστών, γεγονός όμως που περιορίζει τον επιμέρους ατομικό χώρο. 71

72 Βασική προϋπόθεση γύρω από την οποία πραγματοποιείται η κατασκευή του συστήματος είναι η κάλυψη του μεγαλύτερου μέρους του απαραίτητου λογισμικού από OPEN SOURCE υλοποιήσεις. Η ανάπτυξη του κώδικα αυτού σε ατομικό επίπεδο θα αποτελούσε χρονοβόρα διαδικασία. Παρόμοια, η αγορά ενός ανεπτυγμένου κώδικα από εταιρίες που εξειδικεύονται στον τομέα αυτό θα ήταν αντιοικονομική λύση. Ως εναλλακτική διέξοδος προς αυτή τη κατεύθυνση επιλέχθηκε το λογισμικό για επιφάνειες πολλαπλής αφής, που έχει αναπτυχθεί σε μεγάλο βαθμό από την OPEN source κοινότητα, σημειώνοντας μερικές ιδιαίτερα αξιόλογες υλοποιήσεις. Τελική αλλά πολύ σημαντική προϋπόθεση της κατασκευής είναι η όσο το δυνατόν οικονομικότερη υλοποίησή της. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της εκτεταμένης αναζήτησης και χρήσης προϊόντων που είναι προσιτά στο ευρύ κοινό, αποτελώντας οικονομικότερη επιλογή σε σχέση με κατά παραγγελία εξαρτήματα. Εξίσου σημαντική και καθοριστική παράμετρος αποτελεί η απόδοση και η καλή λειτουργία του συστήματος. Πέρα από την θεωρητική ανάλυση αυτών και μετά τη λεπτομερή περιγραφή της κατασκευής ακολουθεί στα επόμενα κεφάλαια πειραματική προσέγγιση και αξιολόγηση του συστήματος με διεξαγωγή μετρήσεων από πραγματικούς χρήστες. Με αυτό τον τρόπο περιορίζονται πρακτικά τα περιθώρια βελτίωσης της κατασκευής καθώς απαιτείται εξ αρχής πολύς χρόνος και επιπλέον εξαρτήματα. Οι μελλοντικές βελτιώσεις καταγράφονται στο τελευταίο κεφάλαιο για μετέπειτα αναβάθμιση της κατασκευής. 72

73 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4. Επιλογή και τροποποίηση hardware Στα προηγούμενα κεφάλαια αναλύθηκαν οι γενικές προδιαγραφές που πρέπει να έχει μία ιδανική επιφάνεια πολλαπλής αφής και επεξηγήθηκαν τα κοινά στοιχείων που παρουσιάζουν όλες οι υλοποιήσεις αυτές όπως και τα συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, ιδιαιτερότητες και πλεονεκτήματα κάθε οπτικής τεχνολογίας (FTIR, DI, DSI). Στη συνέχεια, περιγράφηκαν οι βασικές αρχές προγραμματισμού και ανάπτυξης των εφαρμογών πολλαπλής αφής. Σε αυτό το κεφάλαιο θα πραγματοποιηθεί ακριβής προσδιορισμός και επιλογή όλων των στοιχείων που θα χρησιμοποιηθούν σε αυτή την υλοποίηση. Η επιλογή αυτή θα γίνει με στόχο να ικανοποιούνται όσο το δυνατόν περισσότερες από τις αρχικές προδιαγραφές. Παρουσιάζεται και αιτιολογείται κάθε επιλογή όπως η τεχνολογία που θα εφαρμοστεί, οι κάμερες, ο συνδυασμός software κ.α. Τέλος, γίνεται μια προσπάθεια βελτίωσης της λειτουργίας της συσκευής μας με ακριβή ρύθμιση κάθε στοιχείου της Βασικές επιλογές Στο σημείο αυτό πρέπει να υπογραμμιστούν κάποιες από τις πιο σημαντικές προδιαγραφές που θα πρέπει να ικανοποιεί η κατασκευή. Η βασικότερη αυτών είναι να εφαρμοστούν στο σύστημα εξαρτήματα μαζικής παραγωγής ώστε να υπάρχει διαθεσιμότητα σε οποιοδήποτε κατάστημα ηλεκτρονικών και ηλεκτρικών ειδών. Επίσης, η επιλογή υλικού και λογισμικού καθώς και τεχνικών υλοποίησης της κατασκευής βασίζεται σε προϋπάρχουσες μελέτες και κατασκευές με απώτερο σκοπό την επέκταση αυτών. Ειδικότερα, η υλοποίηση στηρίζεται σε οπτική τεχνολογία πολλαπλής αφής, την DI (διάχυτη φώτιση) ώστε να απλοποιηθεί η διαδικασία της κατασκευής. Λόγω αυτής της πιο απλοποιημένης μεθόδου, επιτρέπεται η μετατροπή, εξέλιξη και αναβάθμιση αυτής σε άλλες πιο περίπλοκες τεχνολογίες τροποποιώντας την επιφάνεια προβολής συνοδευόμενη από πολύ μικρές αλλαγές στα επιμέρους τμήματά της Συσκευές εισόδου δεδομένων Επιλογή Κάμερας Ως συσκευή εισόδου δεδομένων επιλέχτηκε η κάμερα της Sony και συγκεκριμένα η PlayStation Eye 1 του PS3. Η συγκεκριμένη κάμερα αποτελεί μια τετριμμένη επιλογή στην κατασκευή πρωτοτύπων και μερικές φορές και τελικών προϊόντων λόγω

74 ιδανικών χαρακτηριστικών στοιχείων που συγκεντρώνει και της ιδιαίτερα χαμηλής τιμής της (30 ). Το κύριο χαρακτηριστικό της στοιχείο που την καθιστά ως τη βέλτιστη επιλογή αφορά στο frame rate που φτάνει έως τα 125 frames per second ανάλογα βέβαια με την ανάλυση που επιλέγεται. Στη συνέχεια, παρατίθενται πίνακας στον οποίο καταγράφονται οι αναλύσεις που υποστηρίζει η κάμερα αυτή και το αντίστοιχο μέγιστο frame rate της για κάθε ανάλυση. Ανάλυση 320 x fps 640 x fps Μέγιστο Frame rate Πίνακας 4.1. Υποστηριζόμενες αναλύσεις καμερών Οι παραπάνω τιμές των frame rates ικανοποιούν την βασική προϋπόθεση που πρέπει να τηρείται σε τέτοια συστήματα καθώς πρέπει να είναι ίσες ή μεγαλύτερες από 30fps για να καθίσταται άνετη και ομαλή η χρήση της επιφάνειας. Το πραγματικό, όμως, frame rate ολόκληρου του συστήματος εξαρτάται παράλληλα και από την ικανότητά του να επεξεργάζεται γρήγορα τις εικόνες και ενδεχομένως να είναι χαμηλότερο. Η κάμερα συνδέεται μέσω θύρας USB η οποία θεωρητικά μπορεί να προκαλέσει μια μικρή καθυστέρηση στην απόκριση του συστήματος μας. Πρακτικά, όμως, είναι ανεπαίσθητη. Ο σχεδιασμός της κάμερας αυτής δεν επιτρέπει τη χρήση της σε τέτοιου είδους κατασκευές, γεγονός που επιβεβαιώνεται και από την εξ ολοκλήρου εφαρμογή της στο PS3. Εξαιτίας αυτού, τίθενται περιορισμοί και δημιουργούνται προβλήματα που πρέπει να ξεπεραστούν για να εφαρμοστεί στο συγκεκριμένο σύστημα. Η μη επιτρεπόμενη χρήση της λόγω του σχεδιασμού της σε υπολογιστές συνεπάγεται την έλλειψη και των αντίστοιχων οδηγών χρήσης (drivers). Η δυσκολία αυτή άρθηκε με την ανάπτυξη απαραίτητων οδηγών αρχικά μέσω διαδικτυακών κοινοτήτων και αργότερα μέσω της εταιρίας Code Laboratories 2. Στη βασική τους έκδοση οι οδηγοί αυτοί επιτρέπουν την ταυτόχρονη χρήση έως και δύο καμερών και παρέχονται δωρεάν. Για χρήση, όμως, περισσότερων καμερών απαιτείται αγορά άδειας ανάλογα με τον επιθυμητό αριθμό που θα χρησιμοποιηθεί. Επιπλέον, η δυνατότητά της για επιτρεπόμενη λήψη μόνο στο ορατό φάσμα με χρήση ειδικών φίλτρων αποτρέπει την εφαρμογή της σε άλλα μήκη κύματος. Το γεγονός αυτό καθιστά απαραίτητη την τροποποίηση της και τη μεταβολή των χαρακτηριστικών της, όπως θα αναλυθεί στην επόμενη παράγραφο

75 α) β) Εικόνα 4.1 α) Κάμερα PlayStation Eye του PS3 στην αρχική της κατάσταση β)τροποιημένη κάμερα Τροποποίηση Καμερών Επιλογή φακού Ο φακός που επιλέχθηκε για το σύστημα είναι μεταβαλλόμενης εστιακής απόστασης (2,6-6 mm) ο οποίος μπορεί να τοποθετηθεί σε βάση τύπου m12 (S-mount). Η βάση αυτή αποτελεί την πιο διαδεδομένη βάση σε απλές κάμερες αλλά και σε κάμερες που χρησιμοποιούνται από κλειστά κυκλώματα τηλεοράσεων. Ο φακός παρέχει τη δυνατότητα χειροκίνητης μεταβολής της εστιακής απόστασης επιτρέποντας την καλύτερη δυνατή ρύθμιση με βάση τα απαιτούμενα χαρακτηριστικά του συστήματος. Εικόνα 4.2. Φακός μεταβαλλόμενης εστιακής απόστασης 75

76 Focal length mm Aperture (F) 1.4 Horizontal Field of View Minimum Object Distance 0.1 meter Format 1/3 inch m12 (board) mount Manual Iris Πίνακας 4.2. Χαρακτηριστικά φακού Όπως έχει προαναφερθεί, φακοί με μικρή εστιακή απόσταση παραμορφώνουν την τελική εικόνα. Όσο μικρότερη είναι η εστιακή απόσταση, τόσο μεγαλύτερη είναι η παραμόρφωση του αποτελέσματος. Λόγω του γεγονότος ότι ο χρησιμοποιηθείς φακός είναι μεταβλητής εστιακής απόστασης, η παραμόρφωση δεν είναι σταθερή και μεταβάλλεται ανάλογα με την επιλεγμένη ρύθμιση. Εικόνα 4.3. Παραμορφώσεις εικόνας ανάλογα με τον φακό Τροποποίηση κάμερας Για την τροποποίηση της κάμερας ακολουθούνται τα παρακάτω βήματα: Άνοιγμα και εμφάνιση της πλακέτας 2. Αφαίρεση εργοστασιακού φακού 3. Συναρμολόγηση και τοποθέτηση διάταξης βάσης νέου φακού 4. Κλείσιμο και τοποθέτηση νέου φακού Η διαδικασία αυτή παρουσιάζεται αναλυτικά στις εικόνες που ακολουθούν. Αρχικά γίνεται άνοιγμα του περιβλήματος της κάμερας ώστε να εμφανιστεί η εσωτερική της πλακέτα. Το περίβλημα ανοίγει απλά, ξεβιδώνοντας τις βίδες στο οπίσθιο μέρος της συσκευής και ασκώντας λίγη πίεση στα δύο κομμάτια από τα οποία αποτελείται.

77 Εικόνα 4.4: Μπροστινή και πίσω όψη του περιβλήματος. Αφού αφαιρεθεί με προσοχή το περίβλημα, εξάγουμε την πλακέτα στην οποία είναι ενσωματωμένα μια συστοιχία μικρόφωνων και η διάταξη του εργοστασιακού φακού. Η αφαίρεση της διάταξης του φακού επιτυγχάνεται με το ξεβίδωμα δύο βιδών εκατέρωθεν. Εικόνα 4.5 Οι δύο όψεις της κάμερας Από τη στιγμή αφαίρεσης της διάταξης του φακού χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή στη μεταχείριση των υλικών καθώς αποκτάται πρόσβαση στα οπτικά συστήματα της κάμερας και συγκεκριμένα στον ακάλυπτο πλέον αισθητήρα καθώς και στο υπέρυθρο οπτικό φίλτρο (bandpass φίλτρο τύπου 780D20) που θα τοποθετηθεί. Επίσης, για τον λόγο αυτό κρίνεται απαραίτητο η τροποποίηση αυτή να πραγματοποιηθεί σε ένα όσο το δυνατόν καθαρό περιβάλλον ώστε να αποφευχθεί η εναπόθεση σκόνης και λοιπών ρύπων στις επιφάνειες τους. 77

78 Εικόνα 4.6. Το ειδικό φίλτρο και ο αισθητήρας της κάμερας Η νέα διάταξη φακού που θα χρησημοποιηθεί αποτελείται από τη βάση του φακού που θα βιδωθεί μόνιμα στην πλακέτα, το φίλτρο υπερύθρων 780D20 και τον φακό. Επιλέγεται η χρήση βάσης τύπου m12x05 ώστε να παρέχεται η δυνατότητα χρήσης οποιουδήποτε φακού με αυτές τις προδιαγραφές. Αυτό παρέχει τη δυνατότητα αλλαγής του επιλεγμένου φακού σε περίπτωση που κάτι τέτοιο κριθεί αναγκαίο. Τέλος, πριν την τοποθέτηση του φίλτρου στη βάση της καινούργιας διάταξης απαιτείται διεξοδικός καθαρισμός του από τυχόν ρύπους που έχουν συσσωρευτεί στην επιφάνεια του με χρήση αλκοολούχου διαλύματος. 78 Εικόνα 4.7. Η βάση φακού τύπου m12x05

79 Αφού ολοκληρωθεί η συναρμολόγηση της βάσης και του φίλτρου, αυτή τοποθετείται στην πλακέτα και στη συνέχεια μπορεί η κάμερα να τοποθετηθεί στο εξωτερικό περίβλημα της. Εικόνα 4.8. To τελικό στάδιο μετατροπής της κάμερας Σε κάθε βήμα της διαδικασίας αυτής, λόγω της άμεσης πρόσβασης στον ευαίσθητο αισθητήρα της κάμερας, υπάρχει κίνδυνος καταστροφής του με συνέπεια να κατασταθεί η κάμερα μη λειτουργηκή. Για να εξακριβωθεί ότι η κάμερα παραμένει λειτουργική, πρέπει κατά τη τροποποίηση της να συνδέεται στο σύστημα, όσο αυτό είναι εφικτό, και να ελέγχεται η σωστή λειτουργία της με χρήση ενός δοκιμαστικού προγράμματος. Σε περίπτωση καταστροφής του αισθητήρα θα πρέπει να αντικατασταθεί η κάμερα με μια καινούρια. Εικόνα 4.9. Οι δύο κάμερες αφού έχουν μετατραπεί και είναι έτοιμες για χρήση 79

80 4.3. Υπέρυθρος φωτισμός Ο υπέρυθρος φωτισμός που είναι απαραίτητος στη συγκεκριμένη τεχνική προμηθεύτηκε από την εταιρία Environmental Lights 3. Η εταιρία αυτή ειδικεύεται στη χρήση Led για φωτισμό και διακόσμηση χώρων. Τα τελευταία χρόνια, σε συνεργασία με τις διαδικτυακές ομάδες ενασχόλησης με εξαρτήματα για χρήση σε οθόνες πολλαπλής αφής αναπτύχθηκαν και παρήχθησαν ειδικά εξαρτήματα για υλοποιήσεις οθονών πολλαπλής αφής όπως φαίνεται παρακάτω. Εικόνα 4.10 Multi touch screen kit της εταιρίας Environmental Lights Το πακέτο των εξαρτημάτων αυτών περιλαμβάνει τέσσερις ειδικούς προβολείς υπερύθρων που εκπέμπουν σε μήκος κύματος 850nm. Το μήκος αυτό ταυτίζεται με το επιτρεπόμενο μήκος κύματος του φίλτρου που επιλέγεται να τοποθετηθεί στην κάμερα. Κάθε προβολέας έχει μήκος 30cm και περιέχει δώδεκα ειδικά LEDs μεγάλης ισχύος (593mW ροή ακτινοβολίας). Οι προβολείς αυτοί λειτουργούν σε τάση 12V. Εκτός των προβολέων, το πακέτο αυτό περιέχει επίσης ένα τροφοδοτικό 12V, ειδικά καλώδια για τη σύνδεση των προβολέων και ειδικά εξαρτήματα στήριξής τους ώστε να επιτρέπεται η εφαρμογή των προβολέων στην εκάστοτε επιθυμητή γωνία και θέση. Στην κατασκευή αυτή, όπως παρουσιάζεται στην συγκεκριμένη διπλωματική, οι προβολείς αυτοί τοποθετούνται σε ζευγάρια και στις δύο πλευρές

81 Εικόνα 4.11 Διάγραμμα απεικόνισης του επιτρεπτού μήκους κύματος της κάμερας σε σχέση με το μήκος κύματος των προβολέων (IR12-850) Στην συνέχεια, παρατίθενται σε πίνακα τα βασικά στοιχεία των LEDs bars που χρησιμοποιήθηκαν. Light Color Infra Red 850 nm Lens Flat Beam Angle 110 Brightness 593 mw Power (Watts) 3.2 Input Voltage 12 DC Number of LEDs 12 LED Spacing 25 mm (Metric) Length (Metric) 300 mm Width (Metric) 19.6 mm Height (Metric) 12.2 mm Πίνακας 4.3 Βασικά χαρακτηριστικά των LED bars 81

82 Συσκευή Εξόδου δεδομένων Προτζέκτορας O ελεύθερος χώρος που υπάρχει μέσα στην κατασκευή είναι αρκετά περιορισμένος με αποτέλεσμα η απόσταση ανάμεσα στον προβολέα και στην επιφάνεια προβολής να είναι και αυτή πολύ μικρή. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιήθηκε ένας καθρέφτης ώστε να μειωθεί η απόσταση αυτή. Η τοποθέτηση καθρέφτη απαιτεί πέρα από στοχευόμενες κινήσεις και μεγάλη ακρίβεια στη κλίση του ώστε να μην παραμορφώνεται η τελική εικόνα. Λόγω αυτών των δυσκολιών, καθίσταται πρακτικά αδύνατη η χρήση περισσότερων καθρεφτών. Έχοντας ως στόχο την κατασκευή ενός απλοποιημένου μοντέλου τέτοιων υλοποιήσεων, επιλέγεται προβολέας με ειδικό φακό μικρής απόστασης προβολής που σε συνδυασμό με τον καθρέφτη προβάλλει την εικόνα περίπου 50inches (από απόσταση 70cm). Επιπρόσθετα, η χρήση ακόμα και ενός μόνο καθρέφτη αποδείχτηκε αρκετά πολύπλοκη και χρειάστηκε σχεδιασμός και κατασκευή δύο διαφορετικών βάσεων για να επιτευχθεί το επιθυμητό αποτέλεσμα. Στην υλοποίηση αυτή επιλέχθηκε Toshiba TDP-EW25 προβολέας που αποτελεί μία από τις πιο βέλτιστες επιλογές, με βάση άλλες προϋπάρχουσες σχεδιάσεις. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά αυτού του προβολέα είναι: o ανάλυση 1280 x 800 pixels με αναλογία ύψους-πλάτους 16:10 o χαμηλός χρόνος απόκρισης (περίπου 16ms) o προβαλλόμενη εικόνα διαστάσεων 105 x 64cm στην επιφάνεια προβολής Επιπλέον, σε τέτοιου είδους κατασκευές δύναται να χρησιμοποιείται ειδικός καθρέφτης μπροστινής επιφάνειας ανάκλασης. Λόγω περιορισμένου οικονομικού κόστους, δεν ήταν δυνατή η προμήθεια ενός τέτοιου καθρέφτη. Έτσι, τοποθετήθηκε ένας απλός καθρέφτης με το μικρότερο πάχος προστατευτικής επιφάνειας ώστε να μειωθούν όσο το δυνατόν περισσότερο οι ανακλάσεις λόγω διπλής προβολής. 82 Εικόνα 4.12 Προβολέας TDP-EW25

83 Resolution WXGA 1280x800 Projection Format 16:10 Projection screen size inches Projection distance m Dimensions (WxHxD) 337 x 118 x 265 mm Brightness 2600 ANSI-lumens Contrast 2000:1 Weihgt 4.2 kg Power Supply AC V m 50/60 Hz Πίνακας 4.4 Τεχνικά χαρακτηριστικά προβολέα TDP-EW Συσκευές ψύξης Κατά τη λειτουργία τους, μερικές συσκευές που χρησιμοποιήθηκαν στο σύστημα όπως ο προτζέκτορας, ο υπολογιστής και οι προβολείς αναπτύσσουν μεγάλες θερμοκρασίες. Η κλειστή κατασκευή στην οποία τοποθετούνται δεν επιτρέπει τον επαρκή εξαερισμό τους με αποτέλεσμα την πιθανότητα μεγάλης αύξησης της θερμοκρασίας και συνεπώς τη φθορά ή και την καταστροφή τους. Για το λόγο αυτό, σχεδιάστηκε σύστημα ψύξης ικανό να διακινεί ικανοποιητικές ποσότητες αέρα ώστε να επιτυγχάνει το επιθυμητό αποτέλεσμα. Παράλληλα, δόθηκε μεγάλη προσοχή στην επιλογή των υλικών που χρησιμοποιήθηκαν στην κατασκευή ώστε να επιτευχθεί χαμηλό επίπεδο θορύβου κατά τη λειτουργία του. Εικόνα Σύστημα ψύξης Το συνολικό σύστημα αποτελείται από δύο συστοιχίες τεσσάρων ανεμιστήρων η καθεμία, τοποθετημένες έτσι ώστε η μία να προκαλεί την εισαγωγή του αέρα στην κλειστή κατασκευή και η άλλη την εξαγωγή του αέρα. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η δημιουργία ενός ρεύματος κρύου αέρα από το περιβάλλον που ψύχει τα συστήματα καθώς διέρχεται μέσα στην κατασκευή. Για τη μείωση του θορύβου 83

84 κατά την τοποθέτηση των ανεμιστήρων προστέθηκε ειδική πλαστική ταινία απορρόφησης κραδασμών. Για τον ίδιο λόγο επιλέχθηκαν ανεμιστήρες μεγάλης διαμέτρου και χαμηλού αριθμού στροφών. Η ταινία απορρόφησης κραδασμών τοποθετήθηκε και κατά την εγκατάσταση του συστήματος ψύξης στα τοιχώματα της κατασκευής. Για την ομαλή και σωστή λειτουργία του συστήματος επιλέχθηκε ανεξάρτητη τροφοδότηση του συστήματος ψύξης με τροφοδοτικό 12V. Η επιλογή του τροφοδοτικού βασίστηκε στα χαρακτηριστικά λειτουργίας των ανεμιστήρων (Πίνακας 4.5 Χαρακτηριστικά λειτουργίας ανεμιστήρων) καθώς και στην συνολική προβλεπόμενη ισχύ που θα καταναλώνει το σύστημα, αυξημένη κατά ένα ποσοστό 30% για λόγους ασφαλείας. Εικόνα 4.14 Ανεμιστήρας του συστήματος ψύξης Διαστάσεις Τάση Ρεύμα Ισχύς Ταχύτητα Ροή αέρα Θόρυβος 140x140x25 mm 12 VDC 0.18 A 2.16 W 1000 RPM 42 CFM 12.8 db Πίνακας 4.5 Χαρακτηριστικά λειτουργίας ανεμιστήρων 84

85 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5. Υλοποίηση και υποστηρικτικές Κατασκευές 5.1. Διαδικασία σχεδιασμού Η διαδικασία σχεδιασμού διακρίνεται σε δύο φάσεις. Στην πρώτη φάση ορίστηκαν οι αναγκαίες γενικές προδιαγραφές. Ακολούθησε η δεύτερη κύρια φάση του σχεδιασμού της όλης κατασκευής στη τελική της μορφή. Η επιτυχία της φάσης αυτής βασίστηκε ουσιαστικά στη μοντελοποίηση όλων των βασικών εξαρτημάτων και υποσυστημάτων τα οποία την αποτελούν (κάμερες, προτζέκτορας, καθρέφτης) καθώς και των τεχνικών χαρακτηριστικών τους (γωνίες οπτικού πεδίου καμερών, γωνίες προβολής προτζέκτορα, ανάκλαση καθρέφτη). Ακολούθησαν λεπτομερείς έλεγχοι και ακριβείς μετρήσεις προκειμένου να προσδιοριστεί μια βέλτιστη θέση για καθένα από αυτά μέσα στην κατασκευή και να επιτευχθεί το επιθυμητό αποτέλεσμα (μέγεθος οθόνης προβολής χωρίς παραμορφώσεις, την καλύτερη δυνατή κάλυψη επιφάνειας αφής από κάμερες). Η ιδανική θέση των βασικών εξαρτημάτων ορίστηκε με βάση τον εγκάρσιο, διαμήκη και κατακόρυφου άξονα του κιβωτίου της όλης κατασκευής αλλά και τις γωνίες ως προς τον οριζόντιο και κατακόρυφο επίπεδο. Με βάση όλες τις παραπάνω μετρήσεις πραγματοποιήθηκε στη συνέχεια και ο σχεδιασμός των υποστηρικτικών υποσυστημάτων. Για τα υποσυστήματα που χρειάστηκε να κατασκευαστούν εξ αρχής υπήρξε ανάγκη προσεκτικού σχεδιασμού και αναγκαίων ρυθμίσεων ώστε να είναι δυνατή η αρμονική και η απρόσκοπτη συνεργασία με βασικά εξαρτήματα-υποσυστήματα της κατασκευής. Για την επίτευξη αυτού του στόχου ακολουθήθηκε μια συγκεκριμένη διαδικασία πριν την τελική κατασκευή τους, τα στάδια της οποίας παρουσιάζονται παρακάτω. Αρχικά τα υποσυστήματα αυτά σχεδιάστηκαν στο λογισμικό SketchUp 4 με βάση τις θεωρητικές τους προδιαγραφές και πραγματοποιήθηκαν όποιες διορθώσεις κρίθηκαν απαραίτητες με βάση το σχέδιο. Η κατασκευή κάποιων εξαρτημάτων δεν ήταν δυνατή στο εργαστήριο οπότε ήταν αναγκαία η προμήθεια τους από εξωτερικές πηγές. Η ανάθεση σε εξωτερικούς κατασκευαστές έγινε διότι ορισμένα από αυτά, λόγω της πολυπλοκότητας τους, δεν θα είχαν το επιθυμητό αισθητικό αποτέλεσμα. Επιπλέον, εξαιτίας του μεγάλου κόστους των εξαρτημάτων αυτών, έπρεπε να διασφαλιστεί η καταλληλότητά τους και ο σωστός σχεδιασμός τους. Για τον λόγο αυτό, έγινε κατασκευή ενός πρόχειρου μοντέλου για περαιτέρω έλεγχο της σωστής λειτουργίας τους. Μετά το πέρας αυτού του σταδίου, ακολούθησε η τελική παραγγελία τους από τους εκάστοτε προμηθευτές. 4 έκδοση λογισμικού: 8 85

86 5.2. Θεωρητικό Μοντέλο Στη φάση του σχεδιασμού ενός πλήρους μοντέλου του συστήματος υπολογίστηκαν οι ακριβείς διαστάσεις του ώστε να ικανοποιούνται δύο συγκεκριμένες απαιτήσεις. Αυτές αφορούσαν στο μέγεθος της οθόνης και στο μέγιστο ύψος της κατασκευής ώστε να περικλείονται όλα τα επιμέρους υποσυστήματα και εξαρτήματα. Πιο συγκεκριμένα το μοντέλο έπρεπε να πληροί τις εξής προδιαγραφές: Μέγεθος Οθόνης Ύψος Κατασκευής 55 inches cm Πίνακας 5.1 Προδιαγραφές συστήματος Κάθε υποσύστημα και εξάρτημα που χρησιμοποιήθηκε εξαρτάται είτε άμεσα είτε έμμεσα και από τις δυο παραπάνω προδιαγραφές. Επομένως, ο σχεδιασμός έπρεπε να πραγματοποιηθεί με τέτοιο τρόπο ώστε όλα τα υποσυστήματα και τα επιμέρους εξαρτήματα να λειτουργούν εντός των κατασκευαστικών περιορισμών τους. Το μέγεθος της οθόνης εξαρτάται άμεσα από την απόσταση που θα έχει ο προτζέκτορας από την επιφάνεια προβολής. Η απόσταση αυτή με τη σειρά της καθορίζει το ύψος της κατασκευής. Αντίστοιχα, παρόμοια διαδικασία ακολουθήθηκε για την επίλυση του προβλήματος των δύο καμερών. Ανάλογα με τις αποστάσεις αυτές, μεταβάλλεται και η θέση στην οποία πρέπει να τοποθετηθούν τα εν λόγω υποσυστήματα. Είναι, λοιπόν, εμφανές ότι η επιλογή των διαστάσεων που ικανοποιούν όλους τους παραπάνω περιορισμούς είναι μια πολύ απαιτητική και χρονοβόρα διαδικασία η οποία προϋποθέτει επανάληψη και επιδιόρθωση των σχεδίων έως ότου καταλήξει στο βέλτιστο δυνατό αποτέλεσμα. Όμως, πριν την τελική έκβαση των σχεδίων πρέπει να μελετηθούν οι δυνατότητες των βασικών συστημάτων (προτζέκτρορας, καθρέφτης και κάμερες) ώστε να ληφθεί σταδιακά η καλύτερη επιλογή για το καθένα από αυτά Τοποθέτηση προτζέκτορα Ελέγχοντας τα τεχνικά χαρακτηριστικά του προτζέκτορα σε συνδυασμό με τις προδιαγραφές που αναφέρθηκαν παραπάνω προσδιορίστηκαν τα βασικά στοιχεία για την επακριβή τοποθέτηση του μέσα στην κατασκευή. Γνωρίζοντας, λοιπόν, τη σχέση που περιγράφει την απόσταση του προτζέκτορα από την επιθυμητή επιφάνεια προβολής και σε σχέση με το λόγο προβολής του και το μέγεθος της οθόνηςεπιφάνειας παρατίθενται πίνακας με τις πιθανές τιμές του μεγέθους της συναρτήσει της απόστασης. 86

87 [projection size (inches)] [projection size (inches)] Πίνακας 5.2 Τύπος υπολογισμού απόστασης προτζέκτορα X (mm) Y (mm) Diag. (mm) Diag. (inches) Projector-Screen Distance , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,5 1344, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,5 1391, , , Πίνακας 5.3 Πιθανές τιμές μεγέθους οθόνης και απόστασης Παρατηρώντας την τελευταία στήλη του πίνακα είναι εμφανές ότι η διαθέσιμη απόσταση του προτζέκτορα από την οθόνη είναι πολύ μικρή εάν πρέπει να μην υπερβεί το μέγιστο ύψος κατασκευής ή να μειωθούν οι διαστάσεις της. Για να διατηρηθεί, λοιπόν, το ύψος της κατασκευής και οι διαστάσεις της οθόνης θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένας καθρέφτης ώστε να μεγιστοποιηθεί η απόσταση προτζέκτορα-οθόνης. Η χρήση καθρέφτη αυξάνει σε μεγάλο βαθμό τη δυσκολία σχεδιασμού και κατασκευής καθώς απαιτούνται ακριβείς υπολογισμοί και τοποθέτηση-στερέωση του καθρέφτη στη θέση του, ώστε να ληφθεί η τελική προβαλλόμενη εικόνα απαλλαγμένη από παραμορφώσεις. Όπως είναι ευνόητο, η δυσκολία αυτή αυξάνεται κατακόρυφα με κάθε επιπλέον καθρέφτη που προστίθεται. Παρά το γεγονός ότι υπάρχουν και υλοποιήσεις αποτελούμενες από τρεις καθρέφτες, στη συγκεκριμένη κατασκευή δε χρειάστηκαν περισσότεροι του ενός. Ο γενικός τρόπος χρήσης καθρέφτη για ανάκλαση της εικόνας και μεγιστοποίηση της απόστασής του προτζέκτορα αποτυπώνεται στις παρακάτω εικόνες. 87

88 Εικόνα 5.1 Πιθανές διαμορφώσεις προτζέκτορα-καθρέφτη Με χρήση κάποιων αρχικών σχεδίων έγινε εμφανές ότι επιτυγχάνονται αποστάσεις που κυμαίνονται ανάμεσα στις επιλεγμένες (κίτρινου και κόκκινου χρώματος) τιμές του πίνακα της εικόνας ΧΧ. Συνεπώς, αποφασίστηκε να επιλεχθεί μια απόσταση ανάμεσα στις δύο αυτές τιμές. Με αυτά τα δεδομένα τελικά επιλέχθηκε να σχεδιαστεί μια οθόνη με διαστάσεις 115 Χ 71,9 cm και απόσταση προτζέκτρορα-οθόνης 65,86 cm. Η επιλογή αυτή είναι αρκετά οριακή και έγινε γνωρίζοντας ότι υπήρχε κίνδυνος να μη καταστεί δυνατή η υλοποίησή της λόγω κατασκευαστικών ατελειών. Θα ήταν μάλλον πιο συνετό να επιλεχθεί εξ αρχής μια μικρότερη τιμή. Δεδομένου του προβλήματος αυτού, αποφασίστηκε να σχεδιαστεί το μοντέλο με τις ανωτέρω διαστάσεις προσβλέποντας σε απουσία κατασκευαστικών ατελειών ώστε να προβάλλεται η εικόνα σε ολόκληρη την οθόνη. Σε περίπτωση, όμως, εμφάνισης προβλήματος λόγω ατελειών, δικλείδα ασφαλείας αποτελούσε η προσαρμογή και ειδικότερα η μείωση των διαστάσεων της προβαλλόμενης εικόνας. Αυτό θα είχε σαν επίπτωση την αχρήστευση ενός μέρους της φυσικής κατασκευής. Αργότερα, ενώ συνεχιζόταν η μελέτη του προβλήματος και ενώ είχε ήδη παραγγελθεί από εξωτερική πηγή η τελική κατασκευή, πιο λεπτομερή σχέδια έδειξαν ότι εικόνα σε οθόνη τέτοιων διαστάσεων θα ήταν τελικά δύσκολο να επιτευχθεί. Έτσι σχεδιάστηκε ένα σύστημα που θα προβάλλει εικόνα μικρότερη από την επιθυμητή. Για να επιτευχθεί ο σχεδιασμός πιο λεπτομερών σχεδίων ήταν αναγκαίος ο υπολογισμός των δυνατών γωνιών που θα μπορούσαν να τοποθετηθούν τα δύο αυτά υποσυστήματα. Αντίστοιχα, έπρεπε να επεκταθεί ο πίνακας με τις πιθανές τιμές μεγέθους οθόνης και απόστασης προτζέκτορα-οθόνης, ώστε πλέον να περιλαμβάνει μικρότερες τιμές. 88

89 Projector angle (deg) Mirror angle (deg) , , , , , , , , , , Πίνακας 5.4 Πιθανές γωνίες προτζέκτορα καθρέφτη X (mm) Y (mm) Diag. (mm) Diag. (inches) Projector-Screen Distance , , , , , , , , , , , , , , , ,5 1202, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,5 1250, , , Πίνακας 5.5 Πιθανές τιμές μεγέθους οθόνης και απόστασης Για να βρεθεί λοιπόν μια ικανοποιητική επιλογή έπρεπε να επιλεχθεί ένα ζεύγος γωνιών από τον πίνακα γωνιών και στη συνέχεια να υλοποιηθεί ο σχεδιασμός αυτού. 89

90 Από το σχέδιο αυτό υπολογίστηκε η μέγιστη απόσταση του προτζέκτορα με την οθόνη και από το δεύτερο πίνακα μας υπολογίστηκαν οι διαστάσεις της οθόνης. Έτσι προκύπτει ότι η βέλτιστη τοποθέτηση του προτζέκτορα και του καθρέφτη σε σχέση με την επιφάνεια προβολής είναι αυτή που αποτυπώνεται στην εικόνα χχ. Εικόνα 5.2 Πλάγια όψη που παρουσιάζει την ακριβή τοποθέτηση του συστήματος προτζέκτορα καθρέφτη σε σχέση με το υπόλοιπο σύστημα Το σχέδιο αυτό εκτός από τις γωνίες στις οποίες πρέπει να τοποθετηθεί το σύστημα προτζέκτορα καθρέφτη παρέχει επιπρόσθετες πληροφορίες όπως η ακριβής του θέση μέσα στην κατασκευή. Όπως φαίνεται στο σχέδιο, επιλέχθηκε γωνία προτζέκτορα 26 ο και γωνία καθρέφτη 58 ο. Σχεδιάζοντας τα συστήματα αυτά στις συγκεκριμένες γωνίες και τοποθετώντας τα σε διάφορες θέσεις προκύπτει ότι η μέγιστη συνολική απόσταση είναι 444,5+151,2=595,7mm. Συνεπώς, η οθόνη έχει διαστάσεις περίπου 1040x650mm. Οι διαστάσεις αυτές χρησιμοποιούνται και στο επόμενο βήμα όπου θα πρέπει να προσδιοριστεί ο τρόπος τοποθέτησης των καμερών με στόχο να καλύπτεται ολόκληρη η επιφάνεια της οθόνης. 90

91 Εικόνα 5.3 Εικόνα για την οποία είχε σχεδιαστεί το σύστημα αρχικά (Screen A) και εικόνα που τελικά επετεύχθη με το σύστημα προτζέκτορα-καθρέφτη (Screen B) Τοποθέτηση και αριθμός καμερών Η κάμερα πρέπει να τοποθετημένη κάθετα στην επιφάνεια αφής και να βρίσκεται σε θέση τέτοια που να επιτρέπει την ολοκληρωτική κάλυψη της επιφάνειας. Αυτή η δυνατότητα της κάμερας εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του αισθητήρα και του φακού της. Ο συνδυασμός αυτών των δύο τεχνικών χαρακτηριστικών της κάμερας καθορίζει την ελάχιστη απόσταση στην οποία μπορεί να τοποθετηθεί. Στην ιδανική περίπτωση η κάμερα τοποθετείται ακριβώς κάτω από το γεωμετρικό κέντρο της επιφάνειας, σε απόσταση μεγαλύτερη από την ελάχιστη που απαιτείται για να καλύψει ολόκληρη την επιφάνεια. Όπως παρατηρείται από την εικόνα ΧΧ, ο διαθέσιμος χώρος μέσα στην κατασκευή είναι περίπου 496mm. Ανατρέχοντας στον πίνακα ΧΧ του παραρτήματος και ελέγχοντας τις τιμές που δίνονται για τη χρήση μιας κάμερας (Single Cam Setup) παρατηρείται ότι για να επιτευχθεί η απόσταση αυτή θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν φακοί με πολύ μικρό εστιακό μήκος (<2.1mm). Οι φακοί αυτοί ονομάζονται ευρυγώνιοι (wide angle lens). Το πρόβλημα με τους φακούς αυτής της κατηγορίας είναι ότι όσο πιο ευρυγώνιοι είναι, τόσο τείνουν να παραμορφώνουν την εικόνα που προβάλουν στην κάμερα. Συγκεκριμένα, στην περίπτωση αυτή ο χρησιμοποιηθείς φακός θα προκαλούσε τόσο μεγάλη παραμόρφωση που η τελική εικόνα δεν θα μπορούσε να αναλυθεί. Να σημειωθεί ότι υπάρχουν ευρυγώνιοι φακοί που είναι ειδικά σχεδιασμένοι ώστε να μην προκαλούν παραμορφώσεις στην εικόνα που λαμβάνουν αλλά οι τιμές τους (>450$) είναι απαγορευτικές για την κατασκευή. 91

92 Επομένως, με αυτά τα δεδομένα ανακύπτει το πρόβλημα της πολύ μικρής διαθέσιμης απόστασης της κάμερας από την οθόνη, λόγω του χαμηλού ύψους της κατασκευής. Ύστερα από αυτή τη διαπίστωση προκύπτει ότι μόνο μια κάμερα δεν αρκεί για να καλύψει ολόκληρη την επιφάνεια αφής. Η λύση στο πρόβλημα αυτό συνίσταται στη χρήση δύο καμερών για να καλυφθεί ολόκληρη η επιφάνεια διεπαφής με το χρήστη. Η χρήση δύο καμερών απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή στον προσδιορισμό στη θέση στήριξης μέσα στο διαθέσιμο χώρο της κατασκευής καθώς και στη ρύθμιση του λογισμικού που θα αναλύει την εικόνα. Η ρύθμιση του λογισμικού επιβάλλεται στην περίπτωση διαχείρισης δύο καμερών διότι πρέπει πρώτα να δέχεται κάθε εικόνα από κάθε κάμερα ξεχωριστά και να τις ενσωματώνει σε μια ενιαία εικόνα πριν προχωρήσει στο επόμενο στάδιο ανάλυσης. Η ενσωμάτωση αυτή είναι μια ιδιαίτερα δύσκολη διαδικασία καθώς απαιτεί μεγάλη υπολογιστική ισχύ και ακρίβεια. Η ακρίβεια αυτή δε πρέπει να εξαρτάται μόνο από τη τοποθέτηση των καμερών αλλά θα πρέπει να ρυθμίζεται ως κάποιο βαθμό μέσω του λογισμικού. Η διαδικασία αυτή, όπως θα αναλυθεί σε επόμενα κεφάλαια, έχει αυτοματοποιηθεί με τη βαθμονόμηση της επιφάνειας (Calibration). Πρέπει να τονιστεί, όμως, ότι η χρήση δυο καμερών παρουσιάζει ένα σημαντικό πλεονέκτημα, καθώς ο συνδυασμός των εικόνων από δυο κάμερες προσφέρει στη τελική εικόνα τη διπλάσια ανάλυση. Η αύξηση της ανάλυσης αυτής συνεισφέρει κατά πολύ σε ορισμένες εφαρμογές όπως στην αναγνώριση fiducials. Εφόσον χρησιμοποιήθηκαν δυο κάμερες, είναι φανερό ότι η οθόνη διαιρείται σε δύο ίσα τμήματα και κάθε μία από αυτές καλύπτει το μισό κομμάτι της οθόνης που της αναλογεί. 92

93 Εικόνα 5.4 Σχέδιο τμήματος που δύναται να καλύψει η αριστερή κάμερα Το παραπάνω σχήμα περιέχει μια ανακρίβεια που είναι αποτέλεσμα της ιδιαιτερότητας του λόγου προβολής του προτζέκτορα και του λόγου του οπτικού πεδίου της κάμερας. Οι λόγοι αυτοί είναι 16:10 και 4:3 αντίστοιχα. Η κάθε κάμερα καλύπτει το μισό της επιφάνειας, άρα ο λόγος γίνεται 8:10. Για να είναι σε θέση να δει αυτό το τμήμα πιο αποτελεσματικά χρειάζεται να περιστραφεί κατά 90 ο ώστε να μετατραπεί ο λόγος του οπτικού της πεδίου σε 3:4. Ανατρέχοντας στον πίνακα του παραρτήματος (Dual Cam Setup) επιλέγεται η μικρότερη διάσταση. Παρατηρώντας τους παραπάνω λόγους, αν η κάμερα είναι σε θέση να καλύπτει την μικρότερη διάσταση, τότε θα καλύπτει και την μεγαλύτερη. Επιστρέφοντας, λοιπόν, στο σχέδιο επιλέγεται για την κάμερα μια περιοχή λίγο μεγαλύτερη από το μισό της οθόνης. Με αυτό τον τρόπο διασφαλίζεται ότι δεν θα προκύψει κάποιο πρόβλημα λόγω είτε σχεδιαστικών ατελειών είτε παραμορφώσεων του φακού. Επίσης, εφόσον χρησιμοποιήθηκαν δύο κάμερες και τοποθετήθηκαν σε διαφορετική θέση (εκατέρωθεν του προτζέκτορα) από ότι θα τοποθετούταν η μια κάμερα (πάνω από τον προτζέκτορα) γίνεται εκμετάλλευση ολόκληρου σχεδόν του ύψους της κατασκευής (~ mm). Ανατρέχοντας, λοιπόν, στον πίνακα του παραρτήματος και ελέγχοντας τις αποστάσεις για επιφάνειες πλάτους 580mm συμπεραίνεται ότι είναι δυνατή η τοποθέτηση οποιαδήποτε κάμερας με χρήση φακού εστιακού μήκους έως και 3.5mm. 93

94 Ολοκληρωμένο μοντέλο Συνδυάζοντας τα στοιχεία που παρατέθηκαν παραπάνω, πραγματοποιήθηκε η κατασκευή ενός ολοκληρωμένου μοντέλου το οποίο θα αποτελέσει τη βάση σχεδιασμού οποιουδήποτε επιπρόσθετου υποσυστήματος όπως η βάση του προτζέκτορα και των καμερών. Τα υποσυστήματα που θα χρειαστεί να σχεδιαστούν είναι στην πλειονότητα τους παθητικά. Έτσι, δεν είναι αναγκαίος ο υπολογισμός των ακριβών διαστάσεων των υποσυστημάτων αυτών με βάση τις ιδιότητες τους, αρκεί απλά να σχεδιαστούν πάνω στο μοντέλο ώστε να υποστηρίζουν τα βασικά υποσυστήματα. Στη συνέχεια, από τα σχέδια αυτά εξάγονται οι ακριβείς τους διαστάσεις ώστε να υλοποιηθεί η κατασκευή τους. 94

95 Εικόνα 5.5 Αναλυτικό σχέδιο του ολοκληρωμένου μοντέλου (ακριβείς διαστάσεις) 95

96 5.3. Δοκιμαστική ανοιχτή κατασκευή Καθώς η κατασκευή μιας ολοκληρωμένης επιφάνειας πολλαπλής αφής αποτελείται από πολλά υποσυστήματα παρουσιάζει και ένα μεγάλο βαθμό δυσκολίας και πολυπλοκότητας στον εναρμονισμό όλων τους. Έπρεπε λοιπόν να υιοθετηθεί μια διαδικασία «βήμα-βήμα» ολοκλήρωσης της κατασκευής με στόχο τη μεγαλύτερη δυνατή απλούστευση της. Έτσι με τη χρήση του θεωρητικού μοντέλου και με βάση τις διαστάσεις της τελικής κλειστής κατασκευής σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε μια δοκιμαστική ανοιχτή κατασκευή που είχε ακριβώς τα ίδια χαρακτηριστικά αλλά επέτρεπε την άμεση πρόσβαση σε οποιοδήποτε υποσύστημα ανά πάσα στιγμή και ενώ το σύστημα βρισκόταν σε λειτουργία και δοκιμαζόταν. Με τον τρόπο αυτό δόθηκε η δυνατότητα πραγματοποίησης μικρών αλλαγών και διορθώσεων σε όποιο υποσύστημα παρουσίαζε συμπεριφορά εκτός προδιαγραφών. Η διόρθωση αυτή επέτρεπε τον άμεσο έλεγχο-δοκιμή και ανάλογα με το αποτέλεσμα-διαπίστωση είτε αυτό κρατείτο σαν τελική ρύθμιση ή γινόταν νέα διόρθωση. Η επιλογή της δοκιμαστικής ανοιχτής κατασκευής βοηθούσε ουσιαστικά το έργο γιατί σε αντίθετη περίπτωση, κάθε φορά που ένα υποσύστημα παρουσίαζε περίεργη συμπεριφορά θα έπρεπε να τερματίζεται η λειτουργία όλων των υποσυστημάτων, να ανοίγεται ολόκληρη η κλειστή κατασκευή από επάνω ώστε να επιτρέπεται η πρόσβαση, αφού πραγματοποιηθούν οι διορθώσεις, να κλείνεται εκ νέου η κατασκευή με την επανατοποθέτηση του επάνω μέρους της και να ενεργοποιείται ξανά ώστε να διαπιστωθεί αν η διόρθωση είχε το επιθυμητό αποτέλεσμα. Αντιλαμβάνεται εύκολα κανείς τη μεγάλη δυσκολία στην πραγματοποίηση οποιασδήποτε διόρθωσης και πόσο ιδιαίτερα χρονοβόρα θα ήταν η όλη διαδικασία. Μια άλλη επιλογή που αποσκοπούσε στην απλούστευση της διαδικασίας κατασκευής του συστήματος ήταν η ομαδοποίηση των υποσυστημάτων που δοκιμάζονταν στην ανοιχτή κατασκευή. Με την ομαδοποίηση αυτή, δεν ήταν απαραίτητη πλέον η μεταφορά κάθε εξαρτήματος ξεχωριστά στην τελική κατασκευή κάτι που ενδεχομένως θα προκαλούσε και αλλοίωση των προσεκτικά επιλεγμένων ρυθμίσεων του. Συγκεκριμένα δημιουργήθηκαν δύο ομάδες υποσυστημάτων (ομάδα των οπτικών υποσυστημάτων και ομάδα των υπολογιστικών υποσυστημάτων) οι οποίες όταν έφτασαν στην τελική τους μορφή μεταφέρθηκαν με μεγάλη ευκολία στη τελική κατασκευή. Να σημειωθεί ότι υπήρχαν και λιγότερο ευαίσθητα εξαρτήματα που δεν χρειάστηκε να δοκιμαστούν εκτενώς στην ανοιχτή κατασκευή ή να ομαδοποιηθούν με τα περισσότερο ευαίσθητα και απλά μεταφέρθηκαν ξεχωριστά. 96

97 Εικόνα 5.6 Ακριβές σχέδιο ανοιχτής δοκιμαστικής κατασκευής Με βάση λοιπόν το σχέδιο πραγματοποιήθηκε η παραγγελία των υλικών που ήταν απαραίτητα για την κατασκευή. Τα υλικά αυτά αποτελούνταν από απλές ξύλινες δοκούς, συνδέσμους τύπου L και βίδες. Κατά τη διαδικασία κατασκευής δόθηκε πολύ προσοχή ώστε το τελικό αποτέλεσμα να είναι πολύ κοντά στα θεωρητικά σχέδια. Επίσης, μελετήθηκε διεξοδικά να είναι η κατασκευή όσο το δυνατόν πιο στιβαρή. Εικόνα 5.7 Επιμέρους υλικά και τρόπος κατασκευής Εικόνα 5.8 Επόμενο στάδιο κατασκευής 97

98 Εικόνα 5.9 Ολοκλήρωση τελικής κατασκευής 5.4. Βασική Κατασκευή Η βασική κατασκευή είναι ουσιαστικά η τελική κλειστή κατασκευή. Έχοντας σαν βάση όλες τις επιλογές που πραγματοποιήθηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια (σχεδιαστικές προδιαγραφές, εργονομικές προδιαγραφές) και τις τελικές διαστάσεις έγινε σχεδιασμός κάποιων δοκιμαστικών βάσεων. Σύμφωνα με τα σχέδια, έπρεπε να επιλεχθεί ένα μοντέλο το οποίο να συνδυάζει το καλύτερο οπτικό αποτέλεσμα και την σχετικά πιο εύκολη κατασκευή. Εικόνα 5.10 Δοκιμαστικά σχέδια κατασκευής με χρήση κεκλιμένων επιφανειών στο κάτω επίπεδο 98

99 Εικόνα 5.11 Δοκιμαστικά σχέδια κατασκευής με γνώμονα αυξημένη εργονομία Από τα τέσσερα παραπάνω σχέδια επιλέχθηκε τελικά σαν πρότυπο το σχήμα (δ). Αν και παρουσιάζει λίγο μεγαλύτερη δυσκολία στην κατασκευή προσφέρει τον καλύτερο συνδυασμό οπτικού αποτελέσματος και εργονομίας. Εφόσον η γενική μορφή της κατασκευής έχει επιλεχθεί πρέπει πλέον να υπολογισθούν και οι διαστάσεις της. Τα δεδομένα σε αυτό το σημείο προέρχονται από το θεωρητικό μοντέλο και καθορίζουν τις εσωτερικές διαστάσεις. Για το κάτω μέρος της κατασκευής δεν χρειάζεται περαιτέρω υπολογισμός καθώς αποτελείται από μια απλή ορθογώνια παραλληλεπίπεδη βάση. Για το πάνω μέρος οι εξωτερικές διαστάσεις προσδιορίστηκαν με βάση τις εργονομικές προδιαγραφές που αναφέρθηκαν σε προηγούμενο κεφάλαιο. Εικόνα 5.12 Λεπτομέρεια εσοχής για την επιφάνεια αφής Στην παραπάνω εικόνα παρατηρείται μια σχεδιαστική λεπτομέρεια του πάνω μέρους της κατασκευής. Η εσοχή που παρατηρείται έχει δημιουργηθεί για να ενσωματώνεται η επιφάνεια προβολής στην κατασκευή και να παραμένει σταθερή. 99

100 Εικόνα 5.13 Σχέδιο της τελικής κατασκευής με ακριβείς διαστάσεις Παρατηρώντας τις διαστάσεις προκύπτει ότι η κατασκευή έχει αρκετά μεγάλο όγκο, ο οποίος θα ήταν δυνατό να δημιουργήσει πρόβλημα στην μετακίνηση της αφενός λόγω βάρους και αφετέρου λόγω πιθανών δυσκολιών ή και αδυναμίας μεταφοράς της μέσω στενών περασμάτων θυρών. Χαρακτηριστικά παρατηρείται ότι το ανώτερο τμήμα της έχει εξωτερικές διαστάσεις 146x99x25cm (ΜxΠxΥ). Μια τυπική πόρτα έχει άνοιγμα που κυμαίνεται από 70 έως 90 cm περίπου. Ως λύση στο πρόβλημα της μετακίνησης μέσω πορτών επιλέχθηκε η διαίρεση της κατασκευής σε δύο διακριτά τμήματα (πάνω/κάτω τμήμα) ώστε να τοποθετούνται το ένα πάνω στο άλλο με χρήση μιας εσοχής και να παραμένουν στη θέση τους λόγω του βάρους τους. Εικόνα 5.14 Διαχωρισμός τελικής κατασκευής σε άνω και κάτω τμήμα 100

101 Για την αντιμετώπιση της δυσκολίας που πιθανότατα δημιουργείται κατά τη μεταφορά της κατασκευής λόγω του σημαντικού βάρους της επιλέχθηκε να τοποθετηθούν τέσσερις τροχίσκοι στη βάση της ώστε να είναι διευκολύνεται η μεταφορά της ακόμα και από ένα μόνο άτομο. Οι ενσωματωμένοι στη βάση της κατασκευής τροχίσκοι διαθέτουν σύστημα πέδης (φρένο) ώστε η επιφάνεια να παραμένει σταθερή και να μην μετακινείται κατά τη διάρκεια της χρήσης της. Για να αντιμετωπιστούν οι αυξημένες δυσκολίες κατασκευής αλλά και για να επιτευχθεί το καλύτερο δυνατό αισθητικό αποτέλεσμα, επιλέχθηκε να μην κατασκευαστεί στο εργαστήριο αλλά να παραγγελθεί από κατάστημα που ειδικεύεται σε τέτοιου είδους κατασκευές. Ύστερα από επικοινωνία με τον εν λόγω κατασκευαστή και κατόπιν εκτενούς συνεργασίας και συζητήσεως για τα διαθέσιμα υλικά που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στην ολοκλήρωση της κατασκευής επιλέχθηκε η χρήση ξύλου και οι εξωτερικές επιφάνειες να λαμιναριστούν. Το τελικό λαμινάρισμα έδωσε μια εξωτερικά εντυπωσιακή όψη και βοήθησε στο να διατηρείται η κατασκευή καθαρή. Εικόνα 5.15 Ολοκλήρωση τελικής κατασκευής στο χώρο του εργαστηρίου 101

102 Εικόνα 5.16 Λεπτομέρειες τελικής κατασκευής 5.5. Βάση προτζέκτορα Όπως αναλύθηκε στην εισαγωγή και στο προηγούμενο κεφάλαιο (κατασκευή θεωρητικού μοντέλου) είναι απαραίτητη η τοποθέτηση του προτζέκτορα και ενός καθρέφτη στο εσωτερικό της κατασκευής. Η ακριβής θέση του έχει ήδη καθοριστεί στην κατασκευή του θεωρητικού μοντέλου οπότε και η βάση πάνω στην οποία θα τοποθετηθούν τα δύο αυτά υποσυστήματα θα σχεδιαστεί επιτόπου επάνω στο μοντέλο. Εικόνα 5.17 Σχέδιο τελικής βάσης Επειδή η κατασκευή αυτή θα αποτελέσει τη βάση δύο πολύ ευαίσθητων οπτικών υποσυστημάτων θα χρειαστεί ιδιαίτερη προσοχή στην ακρίβεια με την οποία θα κατασκευαστεί. Ακόμα και πολύ μικρές αποκλίσεις από το θεωρητικό μοντέλο δημιουργούν μια εμφανή παραμόρφωση στην τελική εικόνα που προβάλλεται πάνω στην επιφάνεια. Έτσι, λοιπόν, οι διαστάσεις αλλά και η τοποθέτηση όλων των υλικών που θα χρησιμοποιηθούν πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο ακριβείς ώστε το τελικό 102

103 αποτέλεσμα να παρουσιάζει τη μικρότερη δυνατή απόκλιση από το σχέδιο. Για το λόγο αυτό και αποφασίστηκε η κατασκευή να γίνει στο εργαστήριο ώστε να υπάρχει ο μεγαλύτερος δυνατός έλεγχος στη διαδικασία από την αρχή μέχρι το τέλος. Παρόλα αυτά επειδή η υλοποίηση δεν μπορεί να είναι τέλεια (αυτό θα απαιτούσε ακρίβεια μικρότερη του χιλιοστού) προστέθηκαν στην πορεία και κάποια στοιχεία που να επιτρέπουν κάποιες αλλαγές στις ιδιότητες της βάσης. Πιο συγκεκριμένα με τη χρήση κινούμενων βιδωτών στηριγμάτων επιτρέπεται η αλλαγή στη θέση του προτζέκτορα, ενώ με τη χρήση απλών βιδών επιτρέπεται και η παραμικρή αλλαγή στην γωνία του καθρέφτη. Εικόνα 5.18 Λεπτομέρεια βάσης από άλλη οπτική γωνία Βάση Α Εικόνα Πρώτη προσπάθεια κατασκευής της βάσης και δοκιμή της Η πρώτη βάση παρότι σωστή σχεδιαστικά όσον αφορά τις διαστάσεις της δεν κατασκευάστηκε με τα σωστά υλικά και οι χρησιμοποιούμενες τεχνικές δε βοήθησαν στην επίτευξη του επιθυμητού αποτελέσματος. Η βάση τελικά δεν παρουσίαζε τις 103

104 ίδιες ιδιότητες με το μοντέλο και δεν ήταν ιδιαίτερα σταθερή με αποτέλεσμα να μην μπορεί να συγκρατήσει το βάρος του προτζέκτορα Βάση Β Στην κατασκευή της δεύτερης εκδοχής της βάσης δόθηκε προσοχή ώστε αυτή να είναι πιο στιβαρή και πιο απλή στην κατασκευή της. Έτσι το αναθεωρημένο αυτό μοντέλο μπορούσε να κατασκευαστεί με χρήση έξι μόνο βασικών στοιχείων σε αντίθεση με την πρώτη προσπάθεια που ήταν αρκετά πιο περίπλοκη. Εικόνα 5.20 Βασικά στοιχεία για την κατασκευή της βάσης 104 Εικόνα 5.21 Διαδικασία κατασκευής της βάσης προβολέα

105 Το υλικό που χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή ήταν απλή μοριοσανίδα (mdf) και η ένωση των τμημάτων έγινε με ξυλόκολλα. Σε κάθε στάδιο της κατασκευής γινόταν έλεγχός ώστε όλες οι επιφάνειες να είναι σωστά τοποθετημένες και κάθετες με βασική επιδίωξη να μην υπάρχει καμία παραμόρφωση στο τελικό αποτέλεσμα. Εικόνα Η κατασκευή της βάσης του προβολέα βίντεο Εικόνα5.23 Δοκιμή των βάσεων του προτζέκτορα στη δοκιμαστική κατασκευή και προσπάθεια ευθυγράμμισης της εικόνας 105

106 5.6. Βάσεις και στήριξη των LED bars Για την στήριξη των LED bars χρησιμοποιείται ειδικό κλιπάκι που παρέχεται από τον προμηθευτή τους. Τα κλιπάκια αυτά επιτρέπουν την βιδωτή τοποθέτηση τους ανά δύο και δίνουν τη δυνατότητα τοποθέτησης μιας μπάρας σε κάποιες προκαθορισμένες κλίσεις. Εικόνα Οι προβολείς υπέρυθρου φωτισμού Led και η βάση στήριξης τους Στην υλοποίηση επιλέχθηκε να τοποθετηθούν οι τέσσερις προβολείς περιμετρικά της κατασκευής στην κορυφή του κατώτερου μέρους της. Για την καλύτερη και όσο το δυνατόν πιο ομοιόμορφη κάλυψη της επιφάνειας μας οι προβολείς τοποθετήθηκαν στις κατάλληλες θέσεις και σε ίσες αποστάσεις μεταξύ τους με γνώμονα τις γωνίες προβολής των LED, τη γωνία τοποθέτησης των μπαρών και τις διαστάσεις της οθόνης. Εικόνα Γωνία προβολής των υπέρυθρων LED 106

107 Εικόνα Βάση στήριξης υπέρυθρων προβολέων Εικόνα Τελική τοποθέτηση των υπέρυθρων προβολέων 5.7. Τοποθέτηση Υπολογιστή Δεδομένου ότι η κατασκευή δεν αποτελεί απλά μια οθόνη αλλά ένα αυτόνομο σύστημα πρέπει να έχει ενσωματωμένο στο εσωτερικό της τον υπολογιστή που θα είναι υπεύθυνος για την σωστή λειτουργία όλων των υποσυστημάτων αλλά και για τη αλληλεπίδραση και την εμφάνιση περιεχομένου στο χρήστη. Ο υπολογιστής που επιλέχθηκε λοιπόν πρέπει να τοποθετηθεί σε ειδική βάση και όχι σε ένα κοινό κουτί υπολογιστή καθώς έτσι θα πιάνει λιγότερο χώρο με αποτέλεσμα να χωράει στην κατασκευή. Επίσης, όπως προαναφέρθηκε, το σύστημα θα πρέπει να επιτρέπει την εύκολη πρόσβαση και τροποποίηση ή διόρθωση σε οποιοδήποτε από τα υποσυστήματα του. Για τον παραπάνω λόγο επιλέχθηκε ο σχεδιασμός μιας συρταρωτής βάσης που είναι σε θέση να εξέρχεται εύκολα από το σύστημα, ικανοποιώντας τις προαναφερθείσες προϋποθέσεις. 107

108 Εικόνα Σχέδιο τοποθέτησης υποσυστημάτων του υπολογιστικού συστήματος Τα βασικά υλικά που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή της βάσης προήλθαν από χρησιμοποιημένα κουτιά υπολογιστών, εκτός από ένα κομμάτι κόντρα πλακέ διαστάσεων 63x47 cm. Εικόνα Δοκιμαστική τοποθέτηση βάσης υπολογιστικού συστήματος Αφού έγινε η αρχική τοποθέτηση των επιμέρους βάσεων (βάση μητρικής, σκληρών δίσκων και τροφοδοτικό) στην κεντρική βάση, καθορίστηκε ο τρόπος που θα επέτρεπε να είναι συρταρωτή η βάση. Επιλέχθηκε τελικά η χρήση δύο καναλιών U τα οποία με μικρές τροποποιήσεις θα τοποθετούνταν στο εσωτερικό τοίχωμα του κουτιού και θα δημιουργούσαν τις απαιτούμενες εσοχές για τη βάση. 108

109 Εικόνα Τροποποιημένο κανάλι αλουμινίου U Εικόνα Κατασκευή και εγκατάσταση υπολογιστικού συστήματος Αφού ολοκληρώθηκε η τοποθέτηση των εσοχών έγινε η τελική συναρμολόγηση της βάσης τοποθετώντας πλέον όλα τα συστήματα του υπολογιστή και ελέγχοντας ότι το τελικό αποτέλεσμα είναι λειτουργικό. Αρχικά ελέγχθηκε ότι ο υπολογιστής ξεκινούσε κανονικά και ύστερα ότι μπορούσε να τρέξει κάποιο λειτουργικό σύστημα (στην περίπτωση μας μιας έκδοση του λειτουργικού UBUNTU). 109

110 Εικόνα Υπολογιστικό σύστημα 5.8. Βάσεις Ανεμιστήρων Σε τέτοιου είδους συστήματα είναι αναγκαία η ψύξη τους λόγω σημαντικών ποσοτήτων θερμότητας που εκλύουν ορισμένα επιμέρους υποσυστήματα (κεντρική μονάδα υπολογιστή, προτζέκτορας). Η αύξηση της θερμοκρασίας στα υποσυστήματα αυτά λόγω της κλειστής κατασκευής θα οδηγούσε σε γενικότερη αύξηση της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του συστήματος καταπονώντας έτσι και τα υπόλοιπα υποσυστήματα. Αυτό θα είχε σαν αποτέλεσμα τη μη σωστή λειτουργία τους αλλά και τη πιθανή καταστροφή τους. Επίσης, στην κατασκευή τέτοιων συστημάτων πρέπει να δίνεται προσοχή στο θόρυβο που θα παράγουν τα επιμέρους υποσυστήματα ώστε ο συνολικά παραγόμενος θόρυβος από το τελικό σύστημα να μην είναι έντονος και ενοχλητικός κατά τη χρήση του. Για τη ψύξη του συστήματος επιλέχθηκαν οχτώ ανεμιστήρες διαμέτρου 12 cm, χαμηλής ταχύτητας περιστροφής που είναι ειδικά κατασκευασμένοι ώστε να ικανοποιούν την απαίτηση που έχει τεθεί για τα χαμηλά επίπεδα θορύβου. Για περαιτέρω μείωση του θορύβου που θα μπορούσε να προκληθεί από τη λειτουργία των ανεμιστήρων τοποθετήθηκε ειδική ταινία απορρόφησης κραδασμών μεταξύ των ανεμιστήρων και της βάσης. Λόγω της απλότητας των βάσεων δεν χρειάστηκε ακριβής σχεδιασμός τους στον υπολογιστή. Έτσι με ένα απλό μοντέλο που σχεδιάστηκε λαμβάνοντας υπόψη τις διαστάσεις κάθε ανεμιστήρα ξεχωριστά και του διαθέσιμου χώρου μέσα στο σύστημα στη συνέχεια κατασκευάστηκαν. Για την τοποθέτηση τους στο εσωτερικό του 110

111 συστήματος έχει προβλεφθεί κατά τη φάση του σχεδιασμού του ειδικός χώρος με ανοίγματα για εξαερισμό (Εικόνα 5.16). Εικόνα Διαδικασία κατασκευής Εικόνα Κατασκευή συστήματος ψύξης 5.9. Καλωδίωση και Τροφοδοσία υποσυστημάτων Εφόσον ολοκληρώθηκε η διαδικασία σχεδιασμού και υλοποίησης όλων των υποσυστημάτων ακολούθησε μελέτη για την τροφοδοσία και τη μεταξύ τους διασύνδεση. Στο σημείο αυτό σημειώνεται ότι πολλά από τα υποσυστήματα είναι δυνατόν να συνδεθούν με ένα μόνο τρόπο ενώ κάποια άλλα προσφέρουν περισσότερες επιλογές διασύνδεσης. Ανάλογα λοιπόν με το πώς θα γίνει η σύνδεση των υποσυστημάτων θα επηρεαστεί και η λειτουργία του συστήματος και συγκεκριμένα θα καθοριστεί η αλληλουχία έναρξης και τερματισμού του. Στην 111

112 προσπάθεια καθορισμού της διασύνδεσης βασική προϋπόθεση είναι το σύστημα μας να είναι απλό στην χρήση του ακόμα και από μη έμπειρους χρήστες. Για να είναι λοιπόν το σύστημα έτοιμο προς χρήση αναλύονται πια υποσυστήματα και με τι σειρά πρέπει να ενεργοποιηθούν. Έναρξη υπολογιστή Έναρξη προτζέκτορα Τροφοδοσία λαμπτήρων υπέρυθρου φωτισμού Τροφοδοσία Ανεμιστήρων Ψύξης Εικόνα5.35 Σειρά ενεργοποίησης υποσυστημάτων Τα τρία βασικά υποσυστήματα της Εικόνα5.35 είναι λοιπόν και αυτά που ανάλογα με τις ιδιότητες τους καθορίζουν την αλληλουχία έναρξης. Από την πλευρά του χρήστη στην ιδανική περίπτωση θα πρέπει το όλο σύστημα να ενεργοποιείτε και να απενεργοποιείται με το πάτημα ενός διακόπτη. Επειδή όμως κάτι τέτοιο θα ήταν έξω από τα πλαίσια αυτής της μελέτης και θα απαιτούσε επιπλέον υλικά, στην πράξη έγιναν κάποιοι συμβιβασμοί χωρίς όμως να επηρεάζουν σημαντικά την ευκολία χρήσης Ενεργοποίηση και Απενεργοποίηση του συστήματος Συγκεκριμένα για να ενεργοποιηθεί το σύστημα το μόνο που χρειάζεται είναι η μεταφορά του διακόπτη On/Off από τη θέση Off στη θέση On. Με αυτό τον τρόπο τροφοδοτούνται οι λαμπτήρες IR, οι ανεμιστήρες, ο προτζέκτορας και ο υπολογιστής. Οι λαμπτήρες και οι ανεμιστήρες λόγω της φύσης τους ενεργοποιούνται άμεσα. Προκειμένου να ενεργοποιηθούν ο υπολογιστής και ο προτζέκτορας έχουν γίνει ρυθμίσεις μέσω ειδικών επιλογών έτσι ώστε αυτό να συμβαίνει αμέσως μόλις τροφοδοτηθούν. Έτσι ακούγεται ο χαρακτηριστικός ήχος εκκίνησης και ξεκινάει το σύστημα. Στο σημείο αυτό δεν υπάρχει ακόμα εικόνα καθώς ο προτζέκτορας απαιτεί κάποιο μικρό χρονικό διάστημα από την ενεργοποίηση του μέχρι να είναι πλήρως λειτουργικός. Ο χρόνος που απαιτείται ώστε το σύστημα να είναι έτοιμο προς χρήση φτάνει περίπου στο ένα λεπτό. Για την απενεργοποίηση του συστήματος απαιτείτε μεγαλύτερη προσοχή καθώς λόγω συνδεσμολογίας δεν πρέπει ο διακόπτης On/Off να κλείσει ενώ το σύστημα μας λειτουργεί. Κάτι τέτοιο θα μπορούσε να προκαλέσει την καταστροφή του προτζέκτορα καθώς αυτός πρέπει πρώτα να απενεργοποιηθεί και να ψυχθεί προτού διακοπεί η τροφοδοσία του. 112

113 Η σωστή διαδικασία απενεργοποίησης του συστήματος απαιτεί την απενεργοποίηση του μέσω του λειτουργικού των Windows όπως ένας κοινός υπολογιστής (Shutdown). Στην συνέχεια και ενώ έχει σβήσει η εικόνα θα πρέπει το σύστημα να παραμένει έτσι για 5 περίπου λεπτά ώστε να ψυχθούν ομαλά όλα τα υποσυστήματα και συγκεκριμένα ο προτζέκτορας. Μετά από 5 λεπτά πρέπει ο διακόπτης On/Off να κλείνει διακόπτοντας την τροφοδοσία όλων των υποσυστημάτων. Στο χρονικό διάστημα από το κλείσιμο του υπολογιστή μέσα από τα Windows και μέχρι την διακοπή της τροφοδοσίας έχει αυτοματοποιηθεί η απενεργοποίηση του προτζέκτορα από τον υπολογιστή μέσω ενός ειδικού δικτυακού πρωτοκόλλου (PJLINK) όπως αναλύεται στο κεφάλαιο Έλεγχος προτζέκτορα από Υπολογιστή. Ενεργοποίηση : μεταφορά του διακόπτη On/Off από τη θέση Off στη θέση On. Απενεργοποίηση : απενεργοποίηση μέσω του λειτουργικού των Windows όπως στους κοινούς υπολογιστές (Shutdown). Στην συνέχεια και ενώ έχει σβήσει η εικόνα θα πρέπει το σύστημα να παραμείνει έτσι για 5 περίπου λεπτά ώστε να ψυχθούν ομαλά όλα τα υποσυστήματα και συγκεκριμένα ο προτζέκτορας. Μετά από 5 λεπτά πρέπει ο διακόπτη On/Off να κλείνει στη θέση Off διακόπτοντας την τροφοδοσία όλων των υποσυστημάτων Διάγραμμα διασύνδεσης συστημάτων Εικόνα Διάγραμμα τροφοδοσίας των συστημάτων 113

114 Στο διάγραμμα παρουσιάζεται ο τρόπος που επιλέχθηκε για τη σύνδεση των συστημάτων στην τροφοδοσία. Η παραπάνω σύνδεση σε συνδυασμό με τις ρυθμίσεις των συστημάτων αυτών δίνει στο σύστημα την αυτοματοποίηση που απαιτείται ώστε να είναι εύκολο στην χρήση του αλλά και στις διαδικασίες εκκίνησης και τερματισμού. Όλες οι συνδέσεις που βρίσκονται υπό τάση 220V έχουν πραγματοποιηθεί με χρήση καλωδίου ρεύματος τύπου 3x1.5mm ενώ οι συνδέσεις που βρίσκονται υπό τάση 12V έχουν πραγματοποιηθεί με καλώδιο τροφοδοσίας 2x0.75mm. Εικόνα Διάγραμμα σύνδεσης των περιφερειακών συστημάτων. Στο παραπάνω διάγραμμα παρουσιάζεται ο τρόπος με τον οποίο έχει γίνει η σύνδεση όλων των περιφερειακών εξαρτημάτων. Ο προτζέκτορας εκτός της σύνδεσης του με καλώδιο VGA για την μεταφορά εικόνας έχει συνδεθεί και με ένα καλώδιο δικτύου Cat5 ώστε να ελέγχεται μέσω του υπολογιστή (PJLIΝK 5 ). Ο εξωτερικός πίνακας όπως περιγράφεται στο επόμενο κεφάλαιο (Πίνακας ελέγχου panel) εκτός από τα χειριστήρια του συστήματος (κουμπί On/Off) περιλαμβάνει και συνδέσεις εξωτερικών περιφερειακών, όπως εξωτερικής οθόνης σε περίπτωση βλάβης ή μη εκκίνησης του προτζέκτορα, εξωτερικών συσκευών ήχου (εισόδου/εξόδου) καθώς και εξωτερικών συσκευών USB Πίνακας ελέγχου panel Για τον έλεγχο του συστήματος όπως περιγράφηκε παραπάνω πρέπει να κατασκευαστεί ένας πίνακας ελέγχου που να επιτρέπει στο χρήστη να συνδέει την τροφοδοσία και να ενεργοποιεί το σύστημα. Πέρα από αυτά στον πίνακα ελέγχου που κατασκευάστηκε φιλοξενούνται και διάφορες θύρες που επιτρέπουν την σύνδεση

115 εξωτερικών περιφερειακών όπως πληκτρολόγια ή μνήμες USB καθώς και την δυνατότητα σύνδεσης εξωτερικής οθόνης μέσω καλωδίου DVI. Τέλος δίνετε η δυνατότητα σύνδεσης του συστήματος στο internet μέσω καλωδίου LAN στην περίπτωση που απαιτούνται μεγαλύτερες ταχύτητες σύνδεσης ή παρουσιάσει πρόβλημα ο ενσωματωμένος προσαρμογέας δικτύου Wi-Fi. Για την κατασκευή έγινε επιλογή των διακοπτών και των θυρών που θα χρησιμοποιηθούν και λήφθηκαν υπ όψη οι διαστάσεις τους. Στη συνέχεια σχεδιάστηκε το σχέδιο της Εικόνα Σχέδιο πίνακα ελέγχου όπου φαίνεται ο τρόπος που θα φιλοξενηθούν τα παραπάνω στοιχεία. Εικόνα Σχέδιο πίνακα ελέγχου 115

116 Αφού έγινε εξαγωγή του σχεδίου σε αρχείο μορφής dxf κατασκευάστηκε σε ειδικό αυτοματοποιημένο μηχάνημα κοπής (CNC) με βασικό υλικό αλουμίνιο πάχους 2 mm. Εικόνα Υλοποίηση πίνακα ελέγχου Για την τοποθέτηση στο σύστημα επειδή δεν είχε προβλεφθεί χώρος κατά τη φάση σχεδιασμού πρέπει να δημιουργηθούν οι κατάλληλες υποδοχές ώστε να συνδεθούν τα καλώδια με το πίνακα και με το εσωτερικό του κουτιού στον υπολογιστή. Η δημιουργία των υποδοχών αυτών έγινε με τη χρήση τριών τρυπανιών μεγάλης διαμέτρου (9cm,8cm και 6 cm) στα κατάλληλα σημεία όπως φαίνονται στη παρακάτω εικόνα Εικόνα Σχέδιο σημείων διάτρησης 116

117 Εικόνα Τελική τοποθέτηση πίνακα Ρύθμιση Software Εφόσον το υλικό ήταν έτοιμο πλέον με βάση τις προδιαγραφές που έχουν ορισθεί σε προηγούμενο κεφάλαιο σειρά έχει η ρύθμιση του συστήματος ώστε να λειτουργεί όσο το δυνατόν καλύτερα, να είναι φιλικό και εύκολο στη χρήση του. Η διαδικασία αυτή αποτελείτε από διάφορα τμήματα τα οποία πρέπει να εναρμονιστούν μεταξύ τους ώστε να επιτευχθεί ο ανωτέρω στόχος. Επιγραμματικά πρέπει να ληφθούν αποφάσεις σχετικά με το λειτουργικό σύστημα του υπολογιστή της κατασκευής, τις ρυθμίσεις που θα χρησιμοποιηθούν από τον οπτικό ιχνηλάτη ώστε να συμβαδίζουν με το υλικό μας, την ενσωμάτωση του στο λειτουργικό σύστημα στο βαθμό που κάτι τέτοιο είναι εφικτό καθώς και λοιπά προγράμματα που θα εξασφαλίζουν την ομαλή λειτουργία του συστήματος Λειτουργικό Σύστημα της κατασκευής Η επιλογή λειτουργικού συστήματος ήταν σχετικά εύκολη διαδικασία καθώς ο αριθμός των δυνατών επιλογών είναι μικρός. Η επιλογές αυτές ήταν δύο και περιελάμβαναν το λειτουργικό σύστημα Linux (κατά προτίμηση τη διανομή Ubuntu) και το λειτουργικό σύστημα των Windows. Παρότι εκ πρώτης όψεως η χρήση του λειτουργικού Linux φαντάζει αρκετά δελεαστική καθώς αποτελεί μια open-source λύση στην πράξη δεν είναι τόσο καλή για μερικούς αρκετά σοβαρούς λόγους. Βασικότερος λόγος είναι ότι τα προγράμματα που έχουν αναπτυχθεί από τις κοινότητες έχουν σαν βασικό στόχο τα Windows. Τα περισσότερα από αυτά υποτίθεται ότι είναι ικανά να τρέξουν και σε λειτουργικό Linux, απαιτούν όμως τις περισσότερες φόρες περίεργες ρυθμίσεις και διαδικασίες που δεν είναι ιδιαίτερα φιλικές και εύκολες στον χρήστη. Συνεπώς η χρήση του λειτουργικού Windows και συγκεκριμένα τα Windows 7 αποτελούν την καλύτερη δυνατή επιλογή (ιδιαίτερα σε ακαδημαϊκό επίπεδο όπου παρέχονται δωρεάν από την Microsoft). Στα θετικά της επιλογής των Windows 7 συγκαταλέγεται και η δυνατότητα τους να είναι το πρώτο λειτουργικό της Microsoft που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συσκευές με λειτουργίες πολλαπλής αφής. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της χρήσης νέων χειρονομιών όπως την 117

118 μεγέθυνση με τη χρήση δύο δακτύλων αλλά και με λειτουργικές και αισθητικές παρεμβολές όπου αυτό είναι απαραίτητο Οδηγός λειτουργίας Καμερών (driver) Αρχικά και πριν την εγκατάσταση του οπτικού ιχνηλάτη είναι απαραίτητη η εγκατάσταση των οδηγών λειτουργίας (drivers) των καμερών που χρησιμοποιούνται. Ο οδηγός αυτός ονομάζεται CL-Eye driver 6 και είναι διαθέσιμος από την εταιρία Code-laboratories. Παρέχεται δωρεάν για χρήση με έως δύο κάμερες ταυτόχρονα σε ένα σύστημα ενώ για μεγαλύτερο αριθμό καμερών πρέπει να αγορασθεί και η ανάλογη άδεια. Στο σύστημα μας γίνετε χρήση δύο μόνο καμερών οπότε δεν ήταν απαραίτητο κάτι τέτοιο Optical Tracker Στο κεφάλαιο ΧΧ έγινε περιγραφή του οπτικού ιχνηλάτη που θα χρησιμοποιηθεί και των ρυθμίσεων που προσφέρει. Εφόσον έχουν γίνει όλες οι απαιτούμενες ενέργειες πριν την εγκατάσταση του, αυτή εξελίσσεται ομαλά και εγκαθιστά τα απαραίτητα στοιχεία του ιχνηλάτη στο σύστημα. Κατά την διαδικασία εγκατάστασης το μοναδικό σημείο που επεμβαίνει ο χρήστης είναι για να επιλέξει αν θα χρησιμοποιήσει την δωρεάν έκδοση του CL-Eye driver ώστε να εγκατασταθούν κάποια επιπλέον στοιχεία. Για την ομαλή και αξιόπιστη λειτουργία του δεν υπάρχει κάποιος συγκεκριμένος τρόπος ρύθμισης και στην πράξη είναι μια διαδικασία πειραματισμού. Υπάρχουν πολλά σετ ρυθμίσεων που δοκιμάστηκαν στην κατασκευή μας με σκοπό την εύρεση των καλύτερων δυνατών ρυθμίσεων. Πριν την πραγματοποίηση οποιονδήποτε ρυθμίσεων πρέπει να γίνει αφαίρεση φόντου. Αυτό γίνετε αυτόματα όταν ξεκινά η εφαρμογή, δίνεται όμως και η δυνατότητα χειροκίνητης εκτέλεσης της εντολής σε περίπτωση που κάτι δεν έγινε σωστά. Να αναφερθεί ότι το πρόγραμμα δίνει την δυνατότητα και δυναμικής αφαίρεσης φόντου που προσαρμόζεται αυτόματα σε νέα στοιχεία που εισέρχονται στο παρασκήνιο. Βασικές επιλογές και ρυθμίσεις Οι βασικές επιλογές της εφαρμογής έχουν να κάνουν με την ρύθμιση των χρησιμοποιηθέντων καμερών. Στην τελευταία του έκδοση ο οπτικός ιχνηλάτης που έχει επιλεχθεί για το σύστημα προσφέρει ένα ειδικό μενού (setup/track) που ενεργοποιείτε με την χρήση του πλήκτρου TAB και δίνει την δυνατότητα να επιλεχθεί ο τρόπος με τον οποίο είναι τοποθετημένες οι κάμερες στο σύστημα (1x2, 2x1, 1x3, 2x2 ). Επίσης δίνεται η δυνατότητα ρύθμισης της αντίθεσης (contrast) και

119 της φωτεινότητας (brightness) της κάθε κάμερας ώστε να παρουσιάζουν όλες παρόμοια χαρακτηριστικά. Κάποιες πιο προχωρημένες επιλογές όπως η ανάλυση της κάθε κάμερας, η τελική ανάλυση της συνδυασμένης εικόνας αλλά και ο ρυθμός ανανέωσης τους (FPS) μπορούν να γίνει με τροποποίηση των αρχείων ρυθμίσεων που βρίσκονται στο φάκελο εγκατάστασης του ιχνηλάτη. Τα αρχεία αυτά βρίσκονται στο φάκελο /data/xml και αυτά που μας ενδιαφέρουν είναι το app_settings.xml και το camera_settings.xml. Το περιεχόμενο των αρχείων αυτών και μερικές απλές τροποποιήσεις παρουσιάζονται στο παράρτημα. Στη συνέχεια οι βασικές ρυθμίσεις γίνονται μέσα από το παράθυρο του ιχνηλάτη προσαρμόζοντας τα βασικά του φίλτρα. Σε αρχικό επίπεδο αυτά είναι τα φίλτρα Smooth, Highpass και Amplify. Οταν έχουμε ένα ικανοποιτικό αποτέλεσμα προσαρμόζουμε τα δευτερεύοντα φίλτρα όπως το φίλτρο Threshold, Min blob size και Max blob size. Στην περίπτωση μας τα φίλτρα έχουν ρυθμιστεί στις τιμές που παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα. Smooth 2 Highpass Blur Highpass Noise Amplify 250 Threshold 70 Min blob size Max blob size Dynamic Threshold On Εικόνα Τιμές φίλτρων CCV 119

120 Εικόνα 5.43 Τα βασικά φίλτρα του οπτικού ιχνηλάτη κατά τη διάρκεια μιας δοκιμαστικής ρύθμισης Εικόνα 5.44 Το αποτέλεσμα της ανίχνευσης μετά την επεξεργασία της εικόνας από τα φίλτρα Calibration και Fine Tuning Σκοπός του σταδίου αυτού είναι η βαθμονόμηση της επιφάνειας αφής ώστε τα σημεία επαφής να αντιστοιχούν στο σωστό κομμάτι της εικόνας. Πριν το στάδιο αυτό είναι απαραίτητο οι βασικές ρυθμίσεις να έχουν γίνει και να δίνουν καθαρά και ευδιάκριτα αποτελέσματα ανίχνευσης όπως στην Εικόνα Η διαδικασία της βαθμονόμησης επιτρέπει την διόρθωση των παραμορφώσεων των καμερών καθώς και την συνένωση δύο ή και περισσότερων καμερών αυτών. Ενεργοποιείται με την χρήση του πλήκτρου c μέσα από το περιβάλλον του ιχνηλάτη και εμφανίζει μια μαύρη εικόνα η οποία περιλαμβάνει πράσινους σταυρούς. Ο αριθμός των σταυρών αυτών ρυθμίζεται από τον χρήστη δίνοντας του τη δυνατότητα εμφάνισης περισσότερων σημείων σε περιπτώσεις έντονων παραμορφώσεων. Οι πράσινοι αυτοί σταυροί εμφανίζονται σε ομάδες για κάθε κάμερα και στην πράξη αποτελούν σημεία τα οποία θα κληθεί ο χρήστης να ακουμπήσει ένα ένα ύστερα από προτροπή του συστήματος μόλις ενεργοποιηθεί η διαδικασία. Ένας κόκκινος κύκλος θα εμφανισθεί πάνω από το 120

121 τρέχον σημείο αφής που χρησιμοποιείται στην βαθμονόμηση. Ένα συμβεί κάποιο λάθος κατά τη διάρκεια της διαδικασίας αυτής ο χρήστης μπορεί να επιστρέψει στο προηγούμενο σημείο με την χρήση του πλήκτρου r. Όταν όλοι οι κύκλοι έχουν ολοκληρωθεί τότε τελειώνει η διαδικασία βαθμονόμησης και συνένωσης των καμερών και δύνεται η δυνατότητα στο χρήστη να ελέγξει το αποτέλεσμα αυτό. Σε περίπτωση που το αποτέλεσμα δεν είναι ικανοποιητικό τότε μπορεί να αλλάξει τις ρυθμίσεις και να επαναλάβει την διαδικασία πιο προσεκτικά. Εικόνα 5.45 Οθόνη βαθμονόμησης πριν την ενεργοποίηση της διαδικασίας Ενσωμάτωση στο λειτουργικό σύστημα Για την ενσωμάτωση του ιχνηλάτη και των δεδομένων αναγνώρισης στο λειτουργικό σύστημα έγινε εγκατάσταση ενός ειδικού προγράμματος (Multi Touch Vista 7 ) το οποίο λειτουργεί σαν γέφυρα ανάμεσα τους. Το πρόγραμμα αυτό περιλαμβάνει ένα επίπεδο διαχείρισης δεδομένων εισόδου το οποίο λαμβάνει τα μηνύματα TUIO του ιχνηλάτη και τα μετατρέπει σε μηνύματα κατανοητά από τα windows. Αυτό συμβαίνει διότι το πρόγραμμα εμφανίζεται στο λειτουργικό σύστημα σας ένας HID driver (Human Interface Device) Έλεγχος προτζέκτορα από Υπολογιστή Ένα σημαντικό και δύσκολο στοιχείο στην διάρκεια της ανάπτυξης του συστήματος ήταν η ανάπτυξη μιας τεχνικής που να επιτρέπει την διαχείριση του προτζέκτορα όπως το άνοιγμα και το κλείσιμο του όποτε αυτό κρινόταν απαραίτητο. Το αρχικό άνοιγμα του προτζέκτορα γίνετε αυτόματα μέσω των ρυθμίσεων του όταν αυτός

122 τροφοδοτείτε με ρεύμα. Οπότε αρκεί να αναπτυχθεί μια διαδικασία που να μπορεί να τον απενεργοποιεί. Αρχικά έγινε μια προσπάθεια ελέγχου του με τη χρήση ενός σειριακού καλωδίου συνδεδεμένο στην πόρτα ελέγχου του προτζέκτορα. Δυστυχώς η τεχνική αυτή δεν οδήγησε σε κάποιο αποτέλεσμα. Σαν εναλλακτική επιλογή αναπτύχθηκε μια εφαρμογή η οποία χρησιμοποιεί την δικτυακή θύρα του προτζέκτορα και το ειδικό πρωτόκολλο που αυτός υποστηρίζει για τέτοιου είδους απομακρυσμένη διαχείριση (PJLINK 8 ). Έτσι ο προτζέκτορας συνδέθηκε στον υπολογιστή με τη χρήση ενός καλωδίου δικτύου και μιας δεύτερης κάρτας δικτύου PCI. Για την επικοινωνία των δύο αυτών συστημάτων έγιναν κάποιες επιπλέον ρυθμίσεις. Έτσι και ο προτζέκτορας και η κάρτα δικτύου του υπολογιστή ρυθμίστηκαν να έχουν στατικές διευθύνσεις ip και ίδιο subnet mask. Τέλος τους δόθηκαν αυθαίρετα 2 συνεχόμενες διευθύνσεις. Η εφαρμογή που αναπτύχθηκε ονομάστηκε procon (σύντμηση των λέξεων projector controller) και μπορεί να χρησιμοποιηθεί μέσω του Command Line. Δέχεται σαν arguments την ip του προτζέκτορα καθώς και μια από τις εντολές on off. Συνεπώς για την απενεργοποίηση ενός προτζέκτορα που έχει σαν ip την αρκεί να δώσουμε την παρακάτω εντολή : procon off Τελικό στάδιο (ρυθμίσεις λειτουργικού συστήματος) Για να λειτουργήσει ομαλά το σύστημα πρέπει να υπάρχει ένας βαθμός αυτοματοποίησης των παραπάνω ώστε να απαιτείτε σχετικά μικρή παρέμβαση από τον χρήστη για να το φέρει σε μια λειτουργική κατάσταση. Αυτό επιτεύχθηκε με τη σωστή ρύθμιση του λειτουργικού συστήματος. Συγκεκριμένα μέσω του προγράμματος ρύθμισης πολιτικών ομάδων (Group policy editor μέσω του MMC Microsoft Management Control) έγιναν οι απαραίτητες ρυθμίσεις ώστε το πρόγραμμα procon να τρέχει με τις σωστές επιλογές (ip και off) κατά την διαδικασία της εξόδου του χρήστη από το λειτουργικό ώστε να απενεργοποιείται ο προτζέκτορας. Καθαρά σαν μέτρο ασφαλείας το ίδιο έγινε και για την διαδικασία εισόδου του χρήστη στο λειτουργικό (με τις αντίστοιχες επιλογές ip και on) ώστε σε περίπτωση που δεν ξεκινήσει αυτόματα ο προτζέκτορας τότε να ενεργοποιηθεί από τον υπολογιστή. Επίσης αυτοματοποιήθηκε η εκκίνηση του ειδικού προγράμματος Multitouch Vista με την εγκατάσταση του σαν υπηρεσία (service) των Windows. Αυτό επίσης

123 επιτρέπει την λειτουργία του προγράμματος χωρίς αυτό να γίνεται αντιληπτό από τον χρήστη. Για τον ιχνηλάτη επειδή δεν προσφέρει ακόμα την δυνατότητα εγκατάστασης του σαν υπηρεσία των Window ρυθμίστηκε να ξεκινάει όταν το λειτουργικό ενεργοποιείτε με την τοποθέτηση μιας συντόμευσης του στον φάκελο Startup (εκκίνησης) του λειτουργικού. Τέλος το ίδιο το λειτουργικό όταν ξεκινάει έχει ρυθμιστεί να μην σταματάει στην οθόνη εισαγωγής των στοιχείων του χρήστη και να προχωρεί αυτόματα στην επιφάνεια εργασίας. Από εκεί και πέρα το σύστημα μπορεί να παραμετροποιηθεί πλήρως δίνοντας την δυνατότητα στο χρήστη να τρέχει είτε αυτόματα είτε χειροκίνητα οποιαδήποτε εφαρμογή επιθυμεί ή απλά να χρησιμοποιήσει το λειτουργικό αυτούσιο και το οποίο είναι πλέον ενεργοποιημένο να δέχεται δεδομένα πολλαπλής αφής. 123

124 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6. Αξιολόγηση 6.1. Σκοπός του πειράματος Σκοπός του πειράματος που θα περιγραφεί είναι ο έλεγχος της απόδοσης του multitouch συστήματος στη διεξαγωγή ορισμένων εργασιών σε σχέση με τη χρήση του πληκτρολογίου και του ποντικιού. Πιο συγκεκριμένα, ο σύνθετος χειρισμός αντικειμένων που περιλαμβάνει ταυτόχρονα τη μετακίνηση, τη μεγέθυνση και την περιστροφή τους, αποτελεί και το πιο πιθανό σενάριο χρήσης ενός τέτοιου συστήματος. Εργασίες όπως η απλή κατάδειξη ενός σημείου ή η πληκτρολόγηση ενός κειμένου δεν αποτελούν πιθανά σενάρια χρήσης του συστήματος, διότι εκτελούνται παραδοσιακά πιο αποτελεσματικά και γρήγορα στις ήδη υπάρχουσες υλοποιήσεις του πληκτρολογίου και του ποντικιού Πειραματική διαδικασία Για τον έλεγχο του σεναρίου σχεδιάστηκε ένα πείραμα που προσομοίωνε τους σύνθετους χειρισμούς που περιγράφηκαν στην προηγούμενη παράγραφο. Το ίδιο πείραμα πραγματοποιήθηκε αρχικά στο multi-touch σύστημα, όπου ο χρήστης χρησιμοποιούσε τα χέρια του και ειδικές χειρονομίες για την εκτέλεση του και μετά σε ένα κοινό υπολογιστή, όπου χρησιμοποιούσε το πληκτρολόγιο και το ποντίκι. Στο πρώτο στάδιο του πειράματος αυτού εμφανιζόταν στο χρήστη ένα πράσινο παραλληλόγραμμο στόχος και στη δεύτερη φάση ένα κόκκινο παραλληλόγραμμο, τα οποία είχαν ίδιο λόγο πλευρών αλλά διαφορετικές διαστάσεις και διαφορετική γωνία. Ο χρήστης έπρεπε να μετακινήσει το κόκκινο παραλληλόγραμμο και να το τοποθετήσει στο πράσινο. Παράλληλα, έπρεπε να το περιστρέψει και να το μεγεθύνει ώστε να έχει τις ίδιες ακριβώς διαστάσεις. Στο multi-touch σύστημα οι διαδικασίες της περιστροφής και της μεγέθυνσης επιτυγχάνονταν μέσω φυσικών χειρονομιών με τη χρήση δύο σημείων επαφής. Αντίθετα, στον υπολογιστή οι δύο αυτές ενέργειες πραγματοποιούνταν με τη χρήση του πληκτρολογίου και συγκεκριμένα με τα τέσσερα κατευθυντήρια βέλη. Μέσω των βελών πάνω και κάτω, ο χρήστης άλλαζε το μέγεθος ενώ με τα βέλη δεξιά και αριστερά τη γωνία του κόκκινου παραλληλογράμμου. Η μετακίνηση γινόταν και στα δύο συστήματα με τρόπο ανάλογο της τεχνική drag-ndrop και ενός σημείου επαφής ή του ποντικιού. 124

125 6.3. Εφαρμογή Για την υλοποίηση του παραπάνω πειράματος σχεδιάστηκε μια εφαρμογή με χρήση των γλωσσών προγραμματισμού Python και Kivy. Στην πρώτη οθόνη της εφαρμογής εμφανίζεται ένα αρχικό μενού πλοήγησης με βασικές επιλογές όπως το username του χρήστη και ο αριθμός των επαναλήψεων του πειράματος ( Test Type ). Από αυτή την οθόνη ο χρήστης μπορεί να ξεκινήσει το πείραμα ( Begin Test ), να δει πληροφορίες σχετικά με αυτό και οδηγίες για την εκτέλεση του ( Test Info ). Τέλος, δίνεται η δυνατότητα εξόδου από την εφαρμογή ( Exit ). Εικόνα 6.1. Αρχική οθόνη επιλογών της εφαρμογής του πειράματος Αφού ξεκινήσει το πείραμα, εμφανίζονται στον χρήστη δύο επιλογές, είτε να προχωρήσει στο επόμενο στάδιο ή να επιστρέψει στην αρχική οθόνη ( Back ). Για να προχωρήσει στο επόμενο στάδιο ο χρήστης πρέπει να πατήσει στο αριστερό κουμπί με το σύμβολο + ώστε να εμφανιστεί στην οθόνη σε τυχαία θέση και μέγεθος το πράσινο παραλληλόγραμμο- στόχος.. Με την εμφάνιση του πράσινου παραλληλογράμμου το κουμπί + μετατρέπεται σε X. 125

126 Εικόνα 6.2. Αρχική οθόνη του πειράματος Όταν πατηθεί το κουμπί Χ εμφανίζεται πάλι σε τυχαία θέση αλλά με ανάλογο μέγεθος το κόκκινο παραλληλόγραμμο. Σε αυτή τη φάση το παραλληλόγραμμο αυτό έχει σκούρο κόκκινο χρώμα και είναι ακόμα κλειδωμένο ώστε να μην μπορεί να το μετακινήσει ο χρήστης με κανένα από τους δύο διαθέσιμους τρόπους. Ταυτόχρονα αποκρύπτεται το κουμπί Χ και εμφανίζονται δεξιά και αριστερά του οι επιλογές ΟΚ και RESET. Στην περίπτωση που υπάρχει κάποιο πρόβλημα με τη θέση των παραλληλογράμμων (εκτός σκηνής), ο χρήστης πατώντας το κουμπί RESET μπορεί να ξεκινήσει από την αρχή τη διαδικασία. Εικόνα 6.3 Δεύτερο στάδιο του πειράματος Όταν ο χρήστης έχει δει τη σκηνή, επιλέγοντας το κουμπί ΟΚ, ξεκινάει το πείραμα. Από το σημείο αυτό το κόκκινο παραλληλόγραμμο ξεκλειδώνεται, γίνεται ανοιχτό κόκκινο και ξεκινάει να μετράει ο χρόνος που χρειάζεται ο χρήστης να τοποθετήσει το κόκκινο παραλληλόγραμμο μέσα στο αντίστοιχο πράσινο. 126

127 Εικόνα 6.4 Τρίτο στάδιο του πειράματος Ο χρόνος σταματάει να μετράει όταν ο χρήστης τοποθετήσει με ακρίβεια το κόκκινο παραλληλόγραμμο στην ίδια θέση και μέγεθος με το πράσινο, οπότε και ξεκινάει από την αρχή ένα νέο πείραμα μέχρι να ολοκληρωθούν όλες οι προσπάθειες. Η επιλογή της εμφάνισης των κουμπιών ΟΚ και RESET σε διαφορετικές θέσεις από το αρχικό κουμπί επιτρέπει την αποφυγή λανθασμένης εκκίνησης του πειράματος, πατώντας κατά λάθος ή εκ παραδρομής μία από τις επιλογές αυτές Στατιστική ανάλυση πειράματος Πραγματοποιώντας το πείραμα, συλλέχθηκε ένας ικανοποιητικός αριθμός δειγμάτων με χρήση της οθόνης multi-touch και με χρήση του υπολογιστή. Πρέπει να σημειωθεί ότι ο αριθμός των δειγμάτων που αφορούσε την οθόνη ανερχόταν στα 131 και στον υπολογιστή στα 56. Παρά τη διαφορά στο μέγεθος των δειγμάτων, η στατιστική ανάλυση που θα ακολουθήσει είναι ανεξάρτητη του μεγέθους του δείγματος και δεν επηρεάζει τα τελικά αποτελέσματα. Για τη διεξαγωγή της στατιστικής ανάλυσης χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα SPSS Statistics 9 της IBM και το πρόγραμμα ανοιχτού λογισμικού PAST

128 Student s t test Για να εξακριβωθεί η διαφορά των δυο αυτών συσκευών όσον αφορά το χρόνο διεξαγωγής του πειράματος, ο πιο διαδεδομένος τρόπος είναι η σύγκριση της μέσης τιμής των δύο συνόλων των δειγμάτων με χρήση του Student s t test. Για να πραγματοποιηθεί το t test θα πρέπει οι δύο πληθυσμοί να ικανοποιούν τις παρακάτω βασικές προϋποθέσεις : να είναι ανεξάρτητοι μεταξύ τους να ακολουθούν την κανονική κατανομή να έχουν ίδια διακύμανση Η πρώτη προϋπόθεση ικανοποιείται βάση του σχεδιασμού του πειράματος καθώς κάθε άτομο εκτέλεσε την πειραματική διαδικασία είτε στην οθόνη πολλαπλής αφής είτε στον υπολογιστή μέσω του πληκτρολογίου και του ποντικιού. Πριν τον έλεγχο της κανονικότητας των πληθυσμών παραθέτονται τα βασικά τους στατιστικά χαρακτηριστικά. Multi-touch Keyboard/mouse N Min 2,29 6,21 Max 84,16 70,54 Sum ,98 Mean 10, ,44607 Std. error 0, , Variance 106, ,6307 Stand. dev 10, ,70657 Median 7,17 18, prcntil 4,93 13, prcntil 12,54 24,8075 Skewness 3, , Kurtosis 20, , Geom. mean 8, ,30536 Coeff. var 96, ,36494 Πίνακας 6.1 Κύρια στατιστικά χαρακτηριστικά των δύο συνόλων 128

129 Frequency Frequency Από τα παραπάνω παρατηρείται ότι η τιμή της ασυμμετρίας ( Skewness ) και της κύρτωσης ( Kurtosis ) είναι μεγάλη, γεγονός που οδηγεί στην υπόθεση ότι οι κατανομές δεν είναι κανονικές. Η παραπάνω υπόθεση επαληθεύεται μέσω των ιστογραμμάτων των πληθυσμών multi-touch Εικόνα 6.5. Ιστόγραμμα πληθυσμού οθόνης multi-touch keyboard/mouse Εικόνα Ιστόγραμμα πληθυσμού πληκτρολογίου/ποντικιού 129

130 Frequency Frequency Εφόσον για την διεξαγωγή του t test απαιτούνται κανονικές κατανομές και οι κατανομές των δύο πληθυσμών δεν είναι κανονικές, θα πρέπει να μετασχηματιστούν. Η μορφή της κατανομής του πληθυσμού της οθόνης multi-touch παρουσιάζει αρκετές ομοιότητες με την κατανομή Weibull. Η κατανομή αυτή μετατρέπεται συνήθως σε κανονική με χρήση του λογαριθμικού μετασχηματισμού (log). Στην συνέχεια, παρουσιάζονται τα διαγράμματα των δύο μετασχηματισμένων κατανομών ,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 3,0 multi-touch ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Keyboard/mouse Εικόνα 6.7. Μετασχηματισμένες (log) κατανομές Multi-touch Keyboard/mouse N Shapiro-Wilk W 0,9603 0,9871 p(normal) 0, ,8126 Jarque-Bera JB 10,26 0,3201 p(normal) 0, ,8521 p(monte Carlo) 0,0156 0,8404 Chi^2 3,8092 0,71429 p(normal) 0, ,39802 Chi^2 OK (N>20) YES YES Anderson-Darling A 1,516 0,2267 p(normal) 0, ,8075 Πίνακας 6.2 Tests κανονικότητας του προγράμματος Past 130

131 Frequency Frequency Από τις παραπάνω κατανομές παρατηρείται ότι μετά το μετασχηματισμό τους τείνουν σε κανονική κατανομή. Ύστερα από εξακρίβωση με τη βοήθεια στατιστικών τεστ στους πληθυσμούς αυτούς, τα οποία αναφέρονται στον παραπάνω πίνακα, παρατηρείται ότι ενώ ο μετασχηματισμένος πληθυσμός της κατανομής της οθόνης multi-touch εμφανίζεται να ακολουθεί κανονική κατανομή στην πράξη το κριτήριο Shapiro-Wilk δίνει p<0.05 και συνεπώς απορρίπτεται η μηδενική υπόθεση πως η κατανομή του πληθυσμού είναι κανονική. Ο παραπάνω μετασχηματισμός που πραγματοποιήθηκε και για τα δύο σύνολα δεν οδήγησε σε κανονικές κατανομές. Εξαιτίας αυτού και των αρκετών διαφορών που παρουσιάζουν επιλέγεται ένας κοινός μετασχηματισμός που ονομάζεται Box-Cox μετασχηματισμός δύναμης. Παρακάτω, λοιπόν, εφαρμόζεται ο μετασχηματισμός αυτός με συντελεστή λ= ,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 3,0 multi-touch ,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 3,0 3,3 3,6 3,9 keyboard/mouse Εικόνα 6.8. Μετασχηματισμένες (Box-Cox) κατανομές Για τις κατανομές που προέκυψαν όπως εμφανίζονται στα παραπάνω ιστογράμματα, οι οποίες τείνουν κατά πολύ σε κανονικές κατανομές, πραγματοποιούνται τα τεστ κανονικότητας. 131

132 Sample values Sample values Μulti-touch Κeyboard/mouse N Shapiro-Wilk W 0,9864 0,9882 p(normal) 0,2183 0,8593 Jarque-Bera JB 2,774 0,07563 p(normal) 0,2499 0,9629 p(monte Carlo) 0,1776 0,9603 Chi^2 2,8321 0,42857 p(normal) 0,0924 0,51269 Chi^2 OK (N>20) YES YES Anderson-Darling A 0,655 0,2415 p(normal) 0, ,7611 Εικόνα 6.9. Tests κανονικότητας του προγράμματος Past Με βάση αυτά τα τεστ κανονικότητας παρατηρείται ότι και οι δύο κατανομές εμφανίζουν p>0.05 όποτε προκύπτει ότι οι μετασχηματισμένες κατανομές είναι κανονικές. Το ίδιο αποτέλεσμα παρατηρείται και μέσω γραφικών παραστάσεων κανονικής πιθανότητας οι οποίες αποτελούν επίσης ένα οπτικό κριτήριο κανονικότητας. 3,0 2,7 2,4 2,1 1,6 1,5 1,4 1,8 1,5 1,2 0,9 0,6 0,3 0,0-3,0-2,4-1,8-1,2-0,6 0,0 0,6 1,2 1,8 2,4 Normal order statistic medians 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8-3,0-2,4-1,8-1,2-0,6 0,0 0,6 1,2 1,8 2,4 Normal order statistic medians Εικόνα Γραφική παράσταση κανονικής πιθανότητας Διαπιστώνεται, λοιπόν, γραφικά μέσω των ιστογραμμάτων αλλά και μέσω των παραπάνω κριτηρίων ότι και οι δύο κατανομές είναι κανονικές. Έτσι, πλέον μπορεί να διεξαχθεί το t test ώστε να γίνει σύγκριση της μέσης τιμής των δύο κατανομών. 132

133 SAMPLES multi-touch keyboard/mouse N: 131 N: 56 Mean: 1,3611 Mean: 2, %: (1,3136 1,4085) 95%: (2,4902 2,6894) Var.: 0, Var.: 0, % conf. for difference between (1,1321 1,3253) means: Bootstrapped: (1,1201 1,3357) TESTS Levene s Test for equality of Variences F: 1,8362 p(same): 0, Student s t test for equality of Means t: -25,099 p(same): 1,80E-61 Uneq. var t -22,271 p(same): 1,87E-36 Permutation t p(same): 0,0001 test (N=9999): Πίνακας 6.3. Student's t test Όπως έχει προαναφερθεί, η τελευταία προϋπόθεση ενός t test είναι η ισότητα των δύο διακυμάνσεων. Στον παραπάνω πίνακα εκτός από το t test έχει προηγηθεί και το τεστ του Levene όπου επιτρέπει τον έλεγχο της ισότητας των διακυμάνσεων. Στην περίπτωση αυτή έχουμε p<0.05 όποτε απορρίπτεται η μηδενική υπόθεση ότι τα δείγματα δεν έχουν διαφορά στις διακυμάνσεις τους. Παρόλο που τελικά δεν υπάρχει ίση διακύμανση στα δύο δείγματα υπάρχει ειδικός τύπος του t test που δεν προϋποθέτει ίσες διακυμάνσεις. Το τεστ αυτό φαίνεται στη σειρά Uneq.var t. Το τεστ αυτό παρέχει p<0.05 με αποτέλεσμα να γίνεται αποδεκτή η εναλλακτική υπόθεση. Συνεπώς τα δείγματα παρουσιάζουν σημαντική στατιστική διαφορά μέσων τιμών. Πρακτικά αυτό σημαίνει ότι δεδομένων των συνθηκών διεξαγωγής του πειράματος ο μέσος χρόνος ολοκλήρωσης στην επιφάνεια πολλαπλής αφής είναι σημαντικά μικρότερος (10,72s) σε σχέση με τον χρόνο που απαιτείται με τη χρήση πληκτρολογίου/ποντικιού (20.44s) κατά περίπου 10s (t=-22,271s, p<0.05). 133

134 Mann-Whitney Ένας δεύτερος τρόπος ελέγχου της στατιστικής διαφοράς των δύο δειγμάτων χωρίς τις αυστηρές προϋποθέσεις του Student s t test είναι το Mann-Whitney U test. Οι προϋποθέσεις του U test είναι οι εξής: Η εξαρτημένη μεταβλητή πρέπει να μετρά διάρκεια Η ανεξάρτητη μεταβλητή πρέπει να περιέχει δύο ανεξάρτητες κατηγορίες Πρέπει κάθε κατηγορία να περιέχει ανεξάρτητες παρατηρήσεις Οι δύο κατανομές να έχουν ίδια μορφή Οι τρεις πρώτες παράμετροι ικανοποιούνται με βάση το σχεδιασμό του πειράματος. Η εξαρτημένη μεταβλητή μετράει το χρόνο που χρειάζεται ο χρήστης ώστε να ολοκληρώσει τη πειραματική διαδικασία. Στην πρώτη περίπτωση η ανεξάρτητη μεταβλητή είναι το πείραμα στην οθόνη πολλαπλής αφής (multi-touch) και στη δεύτερη περίπτωση στον υπολογιστή με χρήση πληκτρολογίου και ποντικιού. Τέλος, οι χρήστες που έλαβαν μέρος στο πείραμα, συμμετείχαν είτε στη διαδικασία με την οθόνη είτε στη διαδικασία με τον υπολογιστή. Η μορφή των κατανομών αυτών φαίνεται στην Εικόνα 6.5. Ιστόγραμμα πληθυσμού οθόνης multi-touch και Εικόνα Ιστόγραμμα πληθυσμού πληκτρολογίου/ποντικιού. όπου είναι ευδιάκριτες οι διαφορές τους. Για το λόγο αυτό, όπως και στις προηγούμενες παραγράφους πρέπει να μετασχηματιστούν. Για το μετασχηματισμό τους χρησιμοποιείται ο λογαριθμικός μετασχηματισμός και οι κατανομές που προκύπτουν (Εικόνα 6.7. Μετασχηματισμένες (log) κατανομές) έχουν ίδια μορφή. Εφόσον ικανοποιούνται όλες οι προϋποθέσεις μπορεί πλέον να εφαρμοστεί το Mann- Whitney U test. A (N=131) vs. B(N=56) Mean ranks: A(52,77) B(41,23) T=Ub: 1222 z: -7,15 p(same): 5,39E-13 Monte Carlo p: 0,0001 Πίνακας 6.4. Mann-Whitney U test 134

135 Οι δύο πληθυσμοί χαρακτηρίζονται με διάμεσο 7,17sec και 18,695sec αντίστοιχα. Μέσω του Mann-Whitney test συμπεραίνεται ότι οι δυο πληθυσμοί διαφέρουν σημαντικά. Πιο συγκεκριμένα, η βαθμολογία των διάμεσων των δυο πληθυσμών είναι 52,77 και 41,23 αντίστοιχα (U=1222, Z=-7,11, p<0.05). Το Mann-Whitney test καταλήγει σε αντίστοιχο συμπέρασμα που προέκυψε από το Student s t test, επαληθεύοντας το αποτέλεσμα. 135

136 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7. Συμπεράσματα Κατά την εκπόνησης αυτής της διπλωματικής εργασίας, πραγματοποιήθηκε σε πρώτο στάδιο μελέτη και αξιολόγηση των τεχνολογιών κατασκευής διαδραστικών συστημάτων πολλαπλής αφής και συγκεκριμένα των οπτικών τεχνολογιών. Με την εξ ολοκλήρου κατασκευή του διαδραστικού συστήματος από απλά εξαρτήματα, βασιζόμενη στις οπτικές τεχνολογίες πολλαπλής αφής, αποδείχθηκε ότι τα συστήματα αυτά είναι πλέον εύκολα υλοποιήσιμα, χωρίς να παρουσιάζουν απαγορευτικό κόστος. Κατά την κατασκευή του συστήματος διαπιστώθηκε από τα αρχικά κιόλας στάδια ότι η ακρίβεια, η αξιοπιστία και η δυνατότητα ανταπόκρισης του εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τα εξαρτήματα και την τεχνική που χρησιμοποιείται. Λόγω, λοιπόν, της χρήσης της τεχνολογίας Diffused Illumination, το σύστημα είναι σε μικρό βαθμό ευαίσθητο στον περιβάλλοντα φωτισμό. Επιπρόσθετα, εμφανίζει δυσκολία στην αναγνώριση των σημείων επαφής του χρήστη σε μερικές δύσκολες περιοχές, όπως στη μέση της επιφάνειας όπου ενώνονται τα οπτικά πεδία των καμερών. Μια άλλη τέτοια περιοχή είναι οι άκρες του συστήματος, όπου λόγω της γωνίας τους σε σχέση με την θέση της κάμερας εμφανίζονται να έχουν μικρότερη ένταση και συνεπώς αναγνωρίζονται δυσκολότερα. Με την ανάλυση της διαδικασίας αναγνώρισης σημείων αφής, της ανάπτυξης λογισμικού, την παρουσίαση των χαρακτηριστικών χειρονομιών και τα πιθανά σενάρια χρήσης αναδείχθηκαν οι μεγάλες δυνατότητες που παρουσιάζουν τέτοια συστήματα. Σε σύγκριση με τις εφαρμογές επιτραπέζιων υπολογιστών, οι χρήστες έχουν τη δυνατότητα να χειριστούν αντικείμενα με φυσικό τρόπο μέσω της αφής. Αυτό παρατηρήθηκε κατά τη διαδικασία δοκιμής του συστήματος με έτοιμες εφαρμογές-παιχνίδια αλλά και κατά τη διάρκεια πειραμάτων. Πρέπει να σημειωθεί ότι με απλό τρόπο είναι δυνατόν να αναβαθμιστούν ήδη υπάρχουσες εφαρμογές και να ενσωματώσουν ειδικές χειρονομίες και χειρισμούς. Τέλος, αξιολογήθηκε η απόδοση του συστήματος μέσω εκτέλεσης μιας πειραματικής διαδικασίας με διάφορους χρήστες. Με την ολοκλήρωση του πειράματος έγινε καταγραφή μεγάλου αριθμού μεταβλητών από όλα τα πειραματικά στάδια. Στην παρούσα διπλωματική έγινε εκτενής στατιστική ανάλυση που αφορούσε μόνο το χρόνο ολοκλήρωσης του πειράματος κάθε χρήστη ανάμεσα στην επιφάνεια multitouch και σε έναν επιτραπέζιο υπολογιστή. Παρότι η ανάλυση έδειξε ότι η συγκεκριμένη διαδικασία εκτελείται πιο γρήγορα στην επιφάνεια multi-touch, στην πράξη παρατηρήθηκε ότι όσο μεγαλύτερη ήταν η επιθυμητή ακρίβεια τόσο μειωνόταν το πλεονέκτημα αυτό. Αυτό, όμως, δεν εξετάστηκε πειραματικά. 136

137 7.1. Μελλοντικές βελτιώσεις Προοπτικές Παρότι το τελικό αποτέλεσμα είναι ολοκληρωμένο και λειτουργικό, υπάρχουν αρκετά περιθώρια βελτίωσης αλλά και έρευνας είτε στο λογισμικό είτε στο υλικό. Μερικά στοιχεία που μπορούν να βελτιωθούν είναι: Η δυσκολία αναγνώρισης των σημείων αφής στις δύσκολες περιοχές. Ένας τρόπος βελτίωσης του προβλήματος αυτού είναι η χρήση περισσότερων καμερών καθώς και η βελτίωση του υπέρυθρου φωτισμού. Η βελτίωση των φίλτρων του ιχνηλάτη. Τα υπάρχοντα φίλτρα εφαρμόζονται με την ίδια ένταση σε ολόκληρη την εικόνα που λαμβάνεται από τις κάμερες. Τα φίλτρα αυτά μπορούν να τροποποιηθούν ώστε να εφαρμόζονται με διαφορετική ένταση μέσω ενός επιπλέον βήματος βαθμονόμησης της επιφάνειας. Η αποτελεσματικότητα του οπτικού ιχνηλάτη. Παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον η υλοποίηση ενός νέου ιχνηλάτη και η αντικατάσταση του υπάρχοντος. Με τον τρόπο αυτό μπορεί να διορθωθεί η καθυστέρηση που παρουσιάζει ο υπάρχον ιχνηλάτης κατά την εκκίνηση νέων εφαρμογών. Επίσης μερικά σημεία που παρουσιάζουν μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον είναι: Η περαιτέρω ανάλυση των στοιχείων που συγκεντρώθηκαν κατά την πειραματική δοκιμασία. Τα στοιχεία αυτά περιλαμβάνουν μεταβλητές όπως οι αρχικές θέσεις, τα μεγέθη και οι γωνίες των παραλληλογράμμων καθώς και το όνομα του χρήστη κάθε πειράματος. Μπορεί να πραγματοποιηθεί ανάλυση και κατηγοριοποίηση των μετρήσεων αυτών με υπολογισμό ενός δείκτη δυσκολίας κάθε περίπτωσης και σύγκριση των δύο συστημάτων με βάση την κατηγοριοποίηση αυτή. Η αλλαγή των στοιχείων του πειράματος και συγκεκριμένα η μεταβολή της επιθυμητής ακρίβειας. Με αυτόν τον τρόπο μπορεί να αποδειχθεί και στατιστικά η παρατήρηση ότι όσο αυξάνεται η επιθυμητή ακρίβεια, αυξάνεται σημαντικά ο χρόνος ολοκλήρωσης του πειράματος στην επιφάνεια πολλαπλής αφής. Η εκτέλεση πειράματος που να στοχεύει στον καθορισμό της βελτίωσης του χρόνου ολοκλήρωσης μιας διαδικασίας σε περίπτωση συνεργασίας χρηστών. Η δυνατότητα αυτή αποτέλεσε βασική σχεδιαστική προϋπόθεση. Η εκτέλεση πειραμάτων προσαρμοσμένων σε επιφάνειες αφής όπως το Fits test σε μια και δυο διαστάσεις. 137

138 Η δοκιμή διαφορετικής οπτικής τεχνολογίας. Αυτή η μετατροπή υποστηρίζεται και είναι αρκετά εύκολη καθώς αποτέλεσε βασικό στόχο στην διαδικασία σχεδιασμού και κατασκευής. Οι τεχνολογίες Frustrated Total Internal Reflection και Diffused Surface Illumination μπορούν να εφαρμοστούν με ελάχιστες τροποποιήσεις στο υπάρχον σύστημα. Η χρήση QR Codes για τη μεταφορά πληροφοριών στο χρήστη μέσω κινητών συσκευών. 138

139 Βιβλιογραφία Buxton, W. Fitzmaurice,G. Balakrishnan, R. & Kurtenbach,G. Large Displays in Automotive Design IEEE Computer Graphics and Applications 20, 68_75, Hartmann, B. Morris, M.R., Benko, H. and Wilson, A. Pictionaire Supporting Collaborative Design Work by Integrating Physical and Digital Artifacts ACM Conference on Computer Supported Cooperative Work, Savannah, GA, Hunter, Seth Maes, Pattie, Wordplay A Tabletop System for Brainstorming and Decision Making IEEE Tabletop Conference, Kaltenbrunner, Martin. Bovermann, Till. Bencina, Ross. Costanza, Enrico TUIO: A protocol for Table-Top Tangible User Interfaces, Müller-Tomfelde, Christian, Anja Wessels and Claudia Schremmer Tilted Tabletops: In Between Horizontal and Vertical Workspaces CSIRO Information and Communication Technologies Centre Cnr Pembroke & Vimiera Roads Marsfield NSW 2122, Australia. Scott Elrod, Richard Bruce, Rich Gold, David Goldberg, Frank Halasz, William Janssen, David Lee, Kim McCall, Elin Pedersen, Ken Pier, John Tang, Brent Welch, Liveboard: A large interactive display supporting group meetings, presentations, and remote collaboration, Proceedings of the SIGCHI conference on Human factors in computing systems, p , Monterey, California, United States, May 03-07,1992. Wigdor, Daniel Gerald Penn2, Kathy Ryall1, Alan Esenther, Chia Shen, Living with a Tabletop: Analysis and Observations of Long Term Office Use of a Multi-Touch Table, EEEE Tabletop, 60_67, Ross Bencina and Martin Kaltenbrunner. The design and evolution of fiducials for the reactivision system Proceedings of the 3rd International Conference on Generative Systems in the Electronic Arts, Melbourne, Australia, William Buxton, Ralph Hill and Peter Rowley. Issues and techniques in touchsensitive tablet input SIGGRAPH '85: Proceedings of the 12th annual conference on Computer graphics and interactive techniques, 215,New York, USA,

140 Clifton Forlines, Daniel Wigdor, Chia Shen and Ravin Balakrishnan. Direct touch vs. mouse input for tabletop displays CHI '07: Proceedings of the SIGCHI conference on Human factors in computing systems, pages 647, New York, USA, Laurence Muller. Building a multi-touchscreen (based on FTIR), URL: Yves Guiard Abigail Sellen William Buxton, Mark Billinghurst and Shumin Zhai. Human input to computer systems: Theories, techniques and technology, URL: Paul Dietz and Darren Leigh. Diamondtouch: a multi-user touch technology UIST '01: Proceedings of the 14th annual ACM symposium on User interface software and technology, 219, New York, USA, Andrew D. Wilson. Playanywhere: a compact interactive tabletop projectionvision system UIST '05: Proceedings of the 18th annual ACM symposium on User interface software and technology, 83,New York, USA, Nobuyuki Matsushita and Jun Rekimoto. Holowall Designing a finger, hand, body, and object sensitive wall UIST '97: Proceedings of the 10th annual ACM symposium on User interface software and technology, 209, New York, USA, Smith, D., Building a Multi-Touch Sensitive Table, 2007 URL: Table N. Strietz, RoomWare, P. Tandler, S. Konomi και Muller-Tomfelde, Towards the Next Generation of Human-Computer Interaction based on an Intergrated Design of Real and Virtual Worlds Human-Computer Interaction in the New Millennium, 553_578, P. Wellner, Interacting with paper on the Digital Desk Communications of the ACM, 36 (7), 87_96, July Sears, C. Plaisant and B. Shneiderman, A new era for high-precision touchscreens Advances in Human-Computer Interaction,1_33, Nakatani and J. A. Rohrlich, Soft Machines: A Philosophy of User-Computer Interface Design Proceedings of the ACM conference on Human Factors in Computing Systems (CHI 83). Scott, Grant, Mandryk System Guidelines for Co-Located, Collaborative Work on a Tabletop Display, Chapter 3,

141 Παράρτημα 141

142 7.1. Κόστος κατασκευής ΕΙΔΟΣ ΠΟΣΟ ( ) Environmental Lights Com Υπέρυθροι προβολείς 749,22 Environmental Lights Com Λοιπά εξαρτήματα 225,39 Ξύλινη κατασκευή 740,00 2 Τεμ. Playstation 3Eye Camera 56,00 Εξαρτήματα μετατροπής καμερών 95 Υπολογιστικό Σύστημα 665,00 Projector Toshiba 1335,00 Περιφερειακά 115,00 Λοιπά έξοδα 250 Σύνολο 4230,61 142

143 CAMERA LENS CALCULATOR ( FOR SINGLE CAM SETUP ) screen LENS 1,3 1,7 2,1 2,5 2,8 2,9 3 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3, ,67 368,33 455,00 541,67 606,67 628,33 650,00 671,67 693,33 715,00 736,67 758,33 780, ,08 375,42 463,75 552,08 618,33 640,42 662,50 684,58 706,67 728,75 750,83 772,92 795, ,50 382,50 472,50 562,50 630,00 652,50 675,00 697,50 720,00 742,50 765,00 787,50 810, ,92 389,58 481,25 572,92 641,67 664,58 687,50 710,42 733,33 756,25 779,17 802,08 825, ,33 396,67 490,00 583,33 653,33 676,67 700,00 723,33 746,67 770,00 793,33 816,67 840, ,75 403,75 498,75 593,75 665,00 688,75 712,50 736,25 760,00 783,75 807,50 831,25 855, ,17 410,83 507,50 604,17 676,67 700,83 725,00 749,17 773,33 797,50 821,67 845,83 870,00 CAMERA LENS CALCULATOR ( FOR DUAL CAM SETUP ) screen LENS 1,3 1,7 2,1 2,5 2,8 2,9 3 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3, , ,37 327,41 404,44 481,48 539,26 558,52 577,78 597,04 616,30 635,56 654,81 674,07 693, ,78 330,56 408,33 486,11 544,44 563,89 583,33 602,78 622,22 641,67 661,11 680,56 700, , ,19 333,70 412,22 490,74 549,63 569,26 588,89 608,52 628,15 647,78 667,41 687,04 706, , ,59 336,85 416,11 495,37 554,81 574,63 594,44 614,26 634,07 653,89 673,70 693,52 713, ,00 340,00 420,00 500,00 560,00 580,00 600,00 620,00 640,00 660,00 680,00 700,00 720, , ,41 343,15 423,89 504,63 565,19 585,37 605,56 625,74 645,93 666,11 686,30 706,48 726, , ,81 346,30 427,78 509,26 570,37 590,74 611,11 631,48 651,85 672,22 692,59 712,96 733, ,22 349,44 431,67 513,89 575,56 596,11 616,67 637,22 657,78 678,33 698,89 719,44 740, , ,63 352,59 435,56 518,52 580,74 601,48 622,22 642,96 663,70 684,44 705,19 725,93 746, , ,04 355,74 439,44 523,15 585,93 606,85 627,78 648,70 669,63 690,56 711,48 732,41 753, ,44 358,89 443,33 527,78 591,11 612,22 633,33 654,44 675,56 696,67 717,78 738,89 760, , ,85 362,04 447,22 532,41 596,30 617,59 638,89 660,19 681,48 702,78 724,07 745,37 766, , ,26 365,19 451,11 537,04 601,48 622,96 644,44 665,93 687,41 708,89 730,37 751,85 773,33 Πίνακας 0.1. Υπολογισμός απόστασης κάμερας-επιφάνειας 7.2. Πίνακας αποστάσεων καμερών οθόνης 143

144 7.3. Fiducials Copyright 2009 Reactable Systems S.L. Fiducial symbols for free use in conjunction with the reactivision software only. All other rights reserved 144