ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ : Η & Υ : Ε Ε Π & Α Π Δ Ε

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ : Η & Υ : Ε Ε Π & Α Π Δ Ε του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Κ Γ : Θέμα Ανάπτυξη συστήματος προσομοίωσης οδήγησης με φυσική και απτική αλληλεπίδραση σε περιβάλλοντα εικονικής πραγματικότητας Επιβλέπων Αναπληρωτής Καθηγητής Κωνσταντίνος Μουστάκας Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Ιούλιος 2017

2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα Ανάπτυξη συστήματος προσομοίωσης οδήγησης με φυσική και απτική αλληλεπίδραση σε περιβάλλοντα εικονικής πραγματικότητας του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Κωνσταντίνος Γαρδέλης (Α.Μ.: ) παρουσιάτηκε δημόσια και εξετάστηκε στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις / / Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Κωνσταντίνος Μουστάκας Αναπληρωτής Καθηγητής Νίκος Φακωτάκης Καθηγητής

4

5 Π Περίληψη που η εικονική και επαυξημένη πραγματικότητα μετρούν αρκετά χρόνια ζωής, τα τελευταία χρόνια, έχουν αρχίσει να υποστηρίζουν, αλλά και να αναδιαμορφώνουν δυναμικά, τις καθημερινές μας δραστηριότητες. Αντιπροσωπεύουν μια ολοκληρωτικά καινούρια εμπειρία χρήσης πληροφοριακών συστημάτων, λόγω του πιο φυσικού τρόπου αλληλεπίδρασης αλλά και του συνεχώς αυξανόμενου βαθμού εμβύθισης, που επιτυχγάνεται. Στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία μελετήσαμε την σχεδίαση και υλοποίηση ενός τέτοιου συστήματος εικονικής πραγματικότητας, που θα υποστηρίζει μια καθημερινή ανθρώπινη δραστηριότητα, αυτή της οδήγησης. Στόχος του υπό σχεδίαση συστήματος, είναι να χρησιμοποιηθεί για ερευνητικούς σκοπούς, ώστε να απαντηθούν ερωτήματα που αφορούν στην χρήση εφαρμογών επαυξημένης πραγματικότητας, κατά την διάρκεια της οδήγησης στον φυσικό κόσμο, εξασφαλίζοντας την ασφάλεια οδηγών και περαστικών. Μέσα από έρευνα, οδηγηθήκαμε στην υλοποίηση του συστήματος που αποτελεί ένα από τα πρώτα βήματα προς την χρήση εφαρμογών επαυξημένης πραγματικότητας στην οδηγήση, που αποτελεί ένα τομέα, ακόμα, ανεξερεύνητο. Η ανάπτυξη ενός συστήματος με το οποίο επιτυγχάνεται η μελέτη της οδήγησης με χρήση εφαρμογών επαυξημένης πραγματικότητας μέσω ενός προσομοιωτή θα οδηγήσει σύντομα στην ανάπτυξη σχεδιαστικών προδιαγραφών που θα εξασφαλίζουν την ασφάλεια οδηγών και πεζών στο εικονικό περιβάλλον, και που σταδιακά θα μπορέσουν να μεταφραστούν κατάλληλα και για τον φυσικό κόσμο. Τα επόμενα χρόνια αναμένουμε οι εφαρμογές επαυξημένης πραγματικότητας να μπορούν να υποστηρίξουν την δραστηριότητα της οδήγησης, όπως σήμερα υποστηρίζουν τα παιχνίδια ή την εκπαίδευση. v

6

7 E Abstract ven if virtual and augmented reality have been around for several years by now, it was not long since they have begun to dynamically reshape our day-to-day activities. They represent a totally new experience in the use of information systems, due to the more natural way of interaction and the ever-increasing degree of immersion that is being achieved. This diploma thesis dealt with the design and implementation of such a virtual reality system, which will support a daily human activity, the car driving. The aim of the system is to be used for research purposes to answer questions about the use of augmented reality applications while driving in the physical world, ensuring the safety of car drivers and pedestrians. Through research, we have led to the implementation of a system, which is one of the first steps towards the use of augmented reality applications in the field of driving, an area that is still unexplored. The opportunity of developing a system for testing the car driving, using augmented reality applications through a simulator will soon enough lead us to have the specifications that will ensure the driver and pedestrians safety in the virtual environment, which will gradually be channeled appropriately to the real world. In the coming years, we expect augmented reality applications to be able to support car driving, as they currently support games and education. vii

8

9 Α Ευχαριστίες θέλω να ευχαριστήσω τον υπεύθυνο καθηγητή μου, κ. Μουστάκα, για τις ευκαιρίες, τις συμβουλές και την καθοδήγησή του σε όλη την διάρκεια την συνεργασία μας καθώς επίσης και τα εργαλεία που μου διέθεσε ώστε να ολοκληρωθεί επιτυχώς η παρούσα διπλωματική εργασία. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαιτέρως την αδελφή μου, Άννα, που πάντα είναι εκεί για μένα, με στηρίζει, με συμβουλεύει και με βοηθάει σε ότι χρειαστώ. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια μου, τον φίλο μου Πάνο, που με ανέχθηκε το τελευταίο αυτό κρίσιμο διάστημα, καθώς και όλους αυτούς που συνέβαλαν σε αυτό που είμαι σήμερα και με βοήθησαν ο καθένας με τον τρόπο του για να φτάσω ως εδώ. ix

10

11 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Κατάλογος σχημάτων xiii 1 Εισαγωγή Εισαγωγικό σημείωμα Διατύπωση του προβλήματος - Σκοπός της εργασίας Δομή της εργασίας Προσομοιωτής οδήγησης Κατηγοριοποίηση προσομοιωτών οδήγησης Προσομοιωτές χαμηλού επιπέδου Προσομοιωτές μεσαίου επιπέδου Προσομοιωτές υψηλού επιπέδου Έρευνα Σύνδρομο προσαρμογής προσομοιωτή Από την πραγματικότητα στην εικονικότητα Μεικτή πραγματικότητα (Mixed Reality) Ιστορική αναδρομή Εικονική πραγματικότητα (Virtual Reality) Ναυτία σε εικονικά περιβάλλοντα (Cybersickness) Ναυτία κίνησης και εικονικού περιβάλλοντος (Motion sickness και Cybersickness) Αιθουσαίο σύστημα και οπτική αντίληψη Θεωρίες αιτιών πρόκλησης Τρόποι αντιμετώπισης Εφαρμογές xi

12 xii 3.4 Επαυξημένη πραγματικότητα ( Augmented Reality) Εφαρμογές Εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν στην υλοποίηση Εξαρτήματα (Hardware) Oculus Τι είναι; Μοντέλα που έχουν κυκλοφορήσει Τρόπος λειτουργίας Leap Motion Logitech G29 Steering Wheel Atomic Α3 Motion System Σταθμός εργασίας Λογισμικό (Software) Unity Game Engine Oculus App Leap Motion App Home Logitech Gaming Software AMS Simphynity Σχεδιασμός & υλοποίηση εφαρμογής Εισαγωγή Διεπαφή χρήστη Προσομοίωση περιβάλλοντος Προσομοίωση επαύξησης Χειρισμός Πειραματική Εγκατάσταση Σύστημα πλοήγησης Ανάδραση τιμονιού Βαθμονόμηση τιμονιού και λεβιέ ταχυτήτων Ανίχνευση επαφής χεριών του χρήστη με το τιμόνι Υλοποίηση εικονικού περιβάλλοντος Υλοποίηση προσομοίωσης επαύξησης Υλοποίηση διεπαφής Συμπεράσματα Μελλοντικές επεκτάσεις Αʹ Οδηγίες χρήσης 63 Βιβλιογραφία 65

13 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ 2.1 Σύστημα προσομοίωσης οδήγησης του Missouri University [3] Εθνικός Προχωρημένος Προσομοιωτής Οδήγησης (NADS) [5] Συνεχές πραγματικότητας - εικονικότητας [8] Sensorama [11] Το πρώτο HMD The Sword of Damocles [12] Tο πρώτο κυβικό, βυθιζόμενο δωμάτιο ( The Cave ) [17] Tο πρώτο mobile AR game, ARQuake [19] Τα τρία βασικά στοιχεία των συστημάτων εικονικής πραγματικότητας Το αιθουσαίο σύστημα Το κοινωνικό δίκτυο σε περιβάλλον εικονικής πραγματικότητας [33] Το HMD της Microsoft, Hololens [43] Εφαρμογή AR σε φορητή συσκευή[44] Χρήση AR για προβολή δεδομένων σε αγώνα κολύμβησης[45] Το παιχνίδι επαυξημένης πραγματικότητας Pokemon GO για φορητές συσκευές[46] Συσκευή προβολής υποδόριων φλεβών, VeinViewer [53] Συσκευή Oculus Rift Developer Kit 1 [55] Συσκευή Oculus Rift Developer Kit 2 [56] Συσκευή Oculus Rift Consumer Version 1 [57] Εξωτερικός ανιχνευτής Oculus Rift Consumer Version 1 [58] Ο αισθητήρας Leap motion [64] xiii

14 xiv ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ 4.6 Η τιμονιέρα Logitech G29 μαζί με πεντάλ και λεβιέ ταχυτήτων [66] Σύστημα προσομοίωσης κίνησης Atomic A3 [68] Το λογότυπο της μηχανής παιχνιδιών Unity 5 [69] Το περιβάλλον ανάπτυξης της Unity Το λογισμικό της Oculus Το λογισμικό της Leap motion Το λογισμικό της Logitech Το λογισμικό της Atomic [72] Ο αισθητήρας Leap motion τοποθετημένος πάνω στο Oculus Rift CV Ολόκληρη η πειραματική εγκατάσταση Δυνάμεις επαναφοράς προς την αρχική κατάσταση που ασκούνται στο τιμόνι Διάγραμμα ροής σταθερών δυνάμεων που ασκούνται στο τιμόνι Παράδειγμα του bounding box ενός 3D μοντέλου [73] Διάγραμμα ροής δυνάμεων ανισόπεδου οδοστώματος Διάγραμμα ροής βαθμονόμησης τιμονιού και λεβιέ ταχυτήτων Απενεργοποιημένη χειρονομία κατεύθυνσης παλάμης Ενεργοποιημένη χειρονομία κατεύθυνσης παλάμης Τοποθέτηση χεριών για την βαθμονόμηση του τιμονιού (πρώτη οπτική) Τοποθέτηση χεριών για την βαθμονόμηση του τιμονιού (δεύτερη οπτική) Τοποθέτηση δεξιού χεριού για την βαθμονόμηση του λεβιέ ταχυτήτων Εικονικά χέρια που βρίσκονται τοποθετημένα πάνω στο τιμόνι Απενεργοποιημένο σημείο ελέγχου Ενεργοποιημένο σημείο ελέγχου Η θέση των τριών σημείων ελέγχου στην πίστα Τα AR γυαλιά με σκιαγραμμισμένο το παράθυρο προβολής Τα AR γυαλιά με τα δεδομένα όπως προβάλλονται στον χρήστη Τα δεδομένα που υπάρχουν στον ανεμοθώρακα αλλά δεν σχεδιάζονται στην σκηνή Όλα τα δεδομένα που προβάλλονται στον ανεμοθώρακα του οχήματος

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Εισαγωγικό σημείωμα Ε γεγονός, ότι το δεύτερο μισό του περασμένου αιώνα σημαδεύτηκε από τη ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας και ειδικότερα από την τρομακτική ανάπτυξη της επιστήμης των υπολογιστών. Η νέα αυτή επιστήμη, της οποίας τα προϊόντα χρησιμοποιούνταν αρχικά αποκλειστικά για πολύπλοκους υπολογισμούς και αποτελούσε ουσιαστικά είδος πολυτελείας, που το συναντούσε κανείς κυρίως, αν όχι αποκλειστικά, σε πανεπιστήμια, έχει μπει σήμερα για τα καλά στη ζωή μας. Οι υπολογιστές χρησιμοποιούνται πλέον σε κάθε πτυχή της καθημερινότητας μας για την ψυχαγωγία, την επικοινωνία, την εκπαίδευση, την τέχνη, την ιατρική κ.λπ.. Με την ενσωμάτωση της τεχνολογίας σε κάθε είδους καθημερινής δραστηριότητας, δημιουργήθηκε ανάγκη για νέους τρόπους χρήσης και αλληλεπίδρασης. Πιο φυσικές κινήσεις για τον χειρισμό των πιο σύγχρονων υπολογιστικών συστημάτων, πιο εντυπωσιακά και αληθοφανή γραφικά, με αποτέλεσμα το περιβάλλον να γίνεται πιο εύχρηστο, φιλικό και ελκυστικό. Τα τελευταία χρόνια, λοιπόν, δεν έχουν αναπτυχθεί μόνο οι υπολογιστικές δυνατότητες των τεχνολογικών μέσων, αλλά ολόκληρη η εμπειρία χρήσης. Η εικονική και επαυξημένη πραγματικότητα είναι τα δυο κύρια παραδείγματα αυτής της νέας εμπειρίας χρήσης, που δίνουν την δυνατότητα για καινούριες εφαρμογές, που αξιοποιούν την κίνηση του σώματος, την αίσθηση της φυσικής παρουσίας σε ένα μη πραγματικό περιβάλλον κ.α.. Παρά τη μεγάλη πρόοδο που σημειώνει τα τελευταία χρόνια, συνεχίζει να ανοίγει νέους δρόμους στην έρευνα. 1

16 2 Εισαγωγή 1.2 Διατύπωση του προβλήματος - Σκοπός της εργασίας Σ της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί η σχεδίαση και υλοποίηση ενός συστήματος προσομοίωσης οδήγησης, με την χρήση εικονικής πραγματικότητας. Το, υπό σχεδίαση, σύστημα στοχεύει στην εκπαίδευση (training) οδηγών στην χρήση εφαρμογής επαυξημένης πραγματικότητας, κατά την οδήγηση, ώστε να χρησιμοποιηθεί σε αξιολόγηση που θα απαντήσει σε ερευνητικά ερωτήματα σχετικά με την ευχρηστία, την αποδοτικότητα και τους πιθανούς κινδύνους της εφαρμογής ενός συστήματος επαυξημένης πραγματικότητας, κατά την οδήγηση με πραγματικό όχημα. Ουσιαστικά αναφερόμαστε στην σχεδίαση δυο ξεχωριστών εφαρμογών, μια εικονικής πραγματικότητας, που αφορά στην προσομοίωση, και μια επαυξημένης που θα υλοποιηθεί μέσα στο μη- πραγματικό κόσμο της πρώτης, για ερευνητικούς σκοπούς. Η εφαρμογή της επαυξημένης πραγματικότητας στοχεύει στην βελτίωση της οδηγικής συμπεριφοράς των χρηστών, δηλαδή μείωση της κατανάλωσης καυσίμου και της καταπόνησης της ατμόσφαιρας από ρύπους. Η απευθείας χρήση της εφαρμογής επαυξημένης πραγματικότητας κατά την διάρκεια της οδήγησης πραγματικού οχήματος, χωρίς να έχει προηγηθεί κατάλληλη μελέτη και αξιολόγηση με πραγματικούς χρήστες, μπορεί να επιφέρει ατυχήματα ή ακόμα και δυστυχήματα. Κατά τη διαδικασία της οδήγησης, ο αποπροσανατολισμός της προσοχής του οδηγού ή η μείωση της ορατότητας, με προβολή ψηφιακών στοιχείων ή ήχων, μπορεί να αποβεί πολύ επικίνδυνος. Η κακή σχεδίαση της διεπαφής μια τέτοιας εφαρμογής είναι πολύ πιθανόν να αποφέρει αυτά τα αποτελέσματα. Για την αποφυγή τέτοιων ανεπιθύμητων συνεπειών, καθώς και την εξασφάλιση της ασφάλειας οδηγών και περαστικών, προτείνεται ένα σύστημα προσομοίωσης που θα ευνοεί την αξιολόγηση τέτοιων συστημάτων, με μηδενικές επιπτώσεις. Με την χρήση τον απαραίτητων εργαλείων και μέσων, ο οδηγός βρίσκεται σε ένα αυτοκίνητο μέσα σε ένα εικονικό περιβάλλον στο οποίο προσομοιώνεται η χρήση επαυξημένης πραγματικότητας, καθώς ψηφιακάδεδομένα προβάλλονται στον ανεμοθώρακα του οχήματος. 1.3 Δομή της εργασίας H εργασία αποτελείται από έξι κεφάλαια. Τα τρία πρώτα συνθέτουν το θεωρητικό πλαίσιο, πάνω στο οποίο βασίστηκε το προτεινόμενο σύστημα, αντικείμενο της συγκεκριμένης εργασίας. Αφορούν στην κατανόηση της ανάγκης και χρήσης συστημάτων προσομοίωσης, την παρουσίαση και ανάλυση της εικονικής και επαυξημένης πραγματικότητας, καθώς

17 Δομή της εργασίας 3 και εφαρμογές των δυο τεχνολογικών μέσων, στην σύγχρονη κοινωνία. Πιο συγκεκριμένα, το δεύτερο κεφάλαιο αποτελεί εισαγωγή στα συστήματα προσομοίωσης οδήγησης, την κατηγοριοποίηση τους με βάση το κόστος, περιγραφή ορισμένων συστημάτων που παρουσιάζουν ενδιαφέρον, καθώς και πολλαπλούς τομείς της καθημερινότητας και της επιστήμης που βρίσκουν εφαρμογή. Στο τρίτο κεφάλαιο, ορίζονται η εικονική και επαυξημένη πραγματικότητα, περιγράφεται η εξέλιξη τους στο χρόνο και αναλύονται τα βασικά χαρακτηριστικά των εφαρμογών τους. Ιδιαίτερης σημασίας, για την καλύτερη κατανόηση του θεωρητικού πλαισίου, είναι το μοντέλο συνεχούς πραγματικότητας -εικονικότητας, το οποίο συμπληρώνει και ενισχύει τους ορισμούς. Επίσης, θίγεται το βασικότερο πρόβλημα και ανασταλτικός παράγοντας, που συναντούν τέτοιου είδους εφαρμογές στην χρήση τους, η ναυτία που προκαλείται, κατά την εμβύθιση σε ένα εικονικό περιβάλλον. Το τέταρτο κεφάλαιο επικεντρώνεται στα εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη του προετεινόμενου συστήματος προσομοίωσης οδήγησης, υλικά και λογισμικά, όπως το σύστημα προβολής εικονικής πραγματικότητας, ο αισθητήρας ανίχνευσης χεριών, το τιμόνι και η πλατφόρμα κίνησης, καθώς και τα λογισμικά που απαιτούνται για να χρησιμοποιηθούν τα εργαλεία και να επικοινωνήσουν με τον κεντρικό σταθμό εργασίας, ώστε να συνδυαστούν, κάτω από ένα κοινό σύστημα. Στο πέμπτο κεφάλαιο, περιγράφεται λεπτομερώς η σχεδίαση, η μεθοδολογία και οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν με στόχο την υλοποίηση ενός συστήματος προσομοίωσης οδήγησης. Παρουσιάζεται η πειραματική εγκατάσταση και ο τρόπος αντιμετώπισης των επιμέρους προβλημάτων, με σκοπό την επίτευξη ενός λειτουργικού, ρεαλιστικού και εύχρηστου συστήματος. Στο τελευταίο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η αξιολόγηση και τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τους αλγορίθμους και την εφαρμογή που αναπτύχθηκαν. Επιπλέον, προτείνονται μελλοντικές επεκτάσεις και βελτίωσεις του συστήματος, αλλά και γενικότερα ερευνητικά ερωτήματα που χρήζουν περαιτέρω έρευνα.

18

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΤΗΣ ΟΔΗΓΗΣΗΣ Η συνδυασμένη εκπαίδευση σε πραγματικές συνθήκες και σε προσομοιωτή χρησιμοποιείται εδώ και δεκαετίες στην αεροπορία, ενώ πλέον αρχίζει να διαδίδεται και η χρήση προσομοιωτών οδήγησης. O προσομοιωτής αξιοποιεί την τεχνολογία της εικονικής πραγματικότητας τόσο για ψυχαγωγία, αλλά και για ερευνητικούς και εκπαιδευτικούς σκοπούς. Προσφέρει την δυνατότητα εκμάθησης και εξάσκησης σε ένα ασφαλές και αναπαραγόμενο περιβάλλον. Τους συναντάμε, επίσης, σε επιστημονικές μελέτες στον τομέα της ιατρικής, για την παρακολούθηση της συμπεριφοράς των οδηγών, των επιδόσεων και της προσοχής. Καθώς, και στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας για την εργονομία, τον σχεδιασμό και την αξιολόγηση νέων οχημάτων ή νέων προηγμένων συστημάτων υποστήριξης του οδηγού. Προσομοιώνοντας την κίνηση του οχήματος ανάλογα με τον χειρισμό του οδηγού σε πραγματικό χρόνο, παράλληλα με την παροχή κατάλληλου οπτικού, κινητικού και ακουστικού υλικού, ένας προσομοιωτής οδήγησης μπορεί να δημιουργήσει την αίσθηση πραγματικής εμπειρίας οδήγησης. Μπορεί με ασφάλεια να αξιολογήσει τις αντιδράσεις σε επικίνδυνες, ακόμη και απειλητικές για τη ζωή, καταστάσεις, που δεν υπάρχει η δυνατότητα να αξιολογηθούν στον πραγματικό κόσμο.[1] Οι προσομοιωτές οδήγησης χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για την εκπαίδευση οδηγών, σε όλο τον κόσμο. Έρευνες έχουν αποδείξει ότι οι προσομοιωτές οδήγησης είναι εξαιρετικά πρακτικά και αποτελεσματικά εκπαιδευτικά εργαλεία για να προσφέρουν ασφαλείς συνθήκες εκπαίδευσης, για όλους τους οδηγούς. Υπάρχουν διάφοροι τύποι προσομοιωτών οδήγησης που χρησιμοποιούνται όπως προσομοιωτές τρένων, λεωφορείων, αυτοκινήτων, φορτηγών κ.α.. 5

20 6 Προσομοιωτής οδήγησης 2.1 Κατηγοριοποίηση προσομοιωτών οδήγησης Έ πραγματοποιηθεί αρκετές μελέτες πάνω στον τομέα, με αποτέλεσμα να έχει επιτευχθεί μια ικανοποιητική κατηγοριοποίηση των προσομοιωτών οδήγησης. Ο Dennis Saluaar (2000), ερευνητής της Volvo Technological Development, ταξινόμησε τους προσομοιωτές οδήγησης σε τρεις κατηγορίες: χαμηλού, μεσαίου ή υψηλού επιπέδου. Οι προσομοιωτές χαμηλού επιπέδου είναι απλοί υπολογιστές εξοπλισμένοι με τιμόνι και πεντάλ. Ενώ, οι προσομοιωτές υψηλού επιπέδου, συνήθως, διαθέτουν τεράστια συστήματα βάσης κίνησης. Οι προσομοιωτές με ενδιάμεσες δυνατότητες και υλικό εξοπλισμό, ονομάζονται μεσαίου επίπεδου. Ας τους δούμε αναλυτικότερα Προσομοιωτές χαμηλού επιπέδου Σ βασίζονται σε υπολογιστικά συστήματα χαμηλού κόστους. Έχουν μόνο μία οθόνη και εάν διαθέτουν κάποιο σύστημα κίνησης, είναι πολύ περιορισμένο. Γενικά, η προσομοίωση είναι αποκλειστικά οπτικοακουστική. Είναι σχεδιασμένοι για μεμονωμένους χρήστες οικιακού υπολογιστή και παρέχουν στον χρήστη μια τυπική εμπειρία εικονικής πραγματικότητας. Λόγω του χαμηλού κόστους και της ευκολίας χρήσης τους, οι προσομοιωτές χαμηλού επιπέδου είναι τα πιο ευρέως διαδεδομένα συστήματα για οικιακή χρήση Προσομοιωτές μεσαίου επιπέδου Σχήμα 2.1: Σύστημα προσομοίωσης οδήγησης του Missouri University [3] Ο προσομοιωτές αυτού του επιπέδου διαφέρουν σημαντικά, από άποψη

21 Έρευνα 7 απόδοσης και κόστους. Είναι πιο προηγμένοι τεχνολογικά, συνεπώς ακριβότεροι από τους προσομοιωτές χαμηλού επιπέδου. Διαθέτουν συνήθως πολλές οθόνες, ωστόσο τα υποσυστήματα τους, ιδιαίτερα το σύστημα κίνησης, είναι πιο περιορισμένα από των προσομοιωτών υψηλού επιπέδου. Ο προσομοιωτής οδήγησης του Missouri University of Science and Technology (Σχήμα 2.1) [2], που χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη της ασφάλειας σε ζώνες εργασίας με την χρήση εναλλακτικής σήμανσης, είναι ένα καλό παράδειγμα προσομοιωτή οδήγησης μεσαίου επιπέδου. Πρόκειται για προσομοιωτή οδήγησης σταθερής βάσης, που αποτελείται από ένα επιβατικό αυτοκίνητο, τρεις προβολείς και τρεις υπολογιστές που επικοινωνούν μεταξύ τους, μέσω δικτύου Προσομοιωτές υψηλού επιπέδου Ο προσομοιωτές υψηλού επιπέδου είναι οι πιο προηγμένοι τεχνολογικά, επομένως οι πιο ακριβοί. Το κόστος ανάπτυξης ανέρχεται σε μερικά εκατομμύρια δολάρια και παρέχουν μια υψηλής ποιότητας εικονική εμπειρία. Πολλοί προσφέρουν προηγμένες λειτουργίες, όπως υδραυλικά συστήματα κίνησης και μεγάλες οθόνες υψηλής ανάλυσης. Ο Εθνικός Προχωρημένος Προσομοιωτής Οδήγησης (NADS) (Σχήμα 2.2) [4] είναι ο πιο προηγμένος προσομοιωτής που διατίθεται σήμερα. Ένας τέτοιος προσομοιωτής κοστίζει τουλάχιστον 54 εκατομμύρια δολάρια. Διαθέτει κίνηση σε έξι άξονες και θόλο προσομοίωσης, διαμέτρου 7.5 μέτρων, που περιβάλλει τις εναλλάξιμες καμπίνες αυτοκινήτων, στο εσωτερικό του θόλου. Ο θόλος έχει ένα σύστημα γραφικών 15 καναλιών, που καλύπτει ολόκληρο το οπτικό πεδίο, των 360 μοιρών. Αυτοί οι προσομοιωτές έχουν χρησιμοποιηθεί για να μελετήσουν την ασφάλεια της κυκλοφορίας, την αποφυγή συγκρούσεων και τις τεχνολογίες ελέγχου, εντός του οχήματος. 2.2 Έρευνα Ο προσομοιωτές οδήγησης χρησιμοποιούνται σε ερευνητικές εγκαταστάσεις, σε πολλές περιπτώσεις. Χρησιμοποιούνται από κατασκευαστές οχημάτων, αλλά και σε Πανεπιστήμια, για ερευνητικούς σκοπούς. Εκτός από τη μελέτη του συστήματος ως εργαλείο εκπαίδευσης για οδηγούς, οι προσομοιωτές οδήγησης επιτρέπουν στους ερευνητές να μελετήσουν τη συμπεριφορά των οδηγών. Εδώ, η εικονική πραγματικότητα έχει σημαντική συνεισφορά, αφού οι οδηγοί/χρήστες μπορούν να δοκιμαστούν σε συνθήκες, που πιθανόν να είναι παράνομες ή ανήθικες στην πραγματικότητα, καθώς μπορεί να βάζουν τους ίδιους ή άλλους οδηγούς σε κίνδυνο. Για παράδειγμα, μελέτες που αφορούν την απόσπαση προσοχής θα ήταν ιδιαίτερα επικίνδυνες σε έναν πραγματικό δρόμο με πραγματικό όχημα, όπου θα κυκλοφορούσαν και άλλοι οδηγοί, που δεν θα είναι μέρος του

22 8 Προσομοιωτής οδήγησης Σχήμα 2.2: Εθνικός Προχωρημένος Προσομοιωτής Οδήγησης (NADS) [5] πειράματος. Οι σύγχρονοι οδηγοί, όλο και περισσότερο χρησιμοποιούν διάφορες φορητές συσκευές κατά την διάρκεια της οδήγησης, όπως συστήματα πλοήγησης, κινητά τηλέφωνα κ.α., με αποτέλεσμα να αποσπάται η προσοχή τους. Οι προσομοιωτές προσφέρουν σημαντική υποστήριξη στην αξιολόγηση της ασφάλειας της οδήγησης, παράλληλα με την χρήση τέτοιων συσκευών. Επίσης, οι προσομοιωτές χρησιμοποιούνται σε ψυχομετρικές δοκιμές, χαρτογράφηση συμπεριφοράς οδηγού και ανάλυση μοντέλων οδήγησης για την ανάπτυξη αυτοκινήτων με αυτόματο πιλότο. Παρά τις πολυάριθμες έρευνες, που συναντάμε στη βιβλιογραφία μέχρι σήμερα, δεν έχει αποδειχθεί η εγκυρότητα των αποτελεσμάτων, που λαμβάνονται από έναν προσομοιωτή οδήγησης, και σε ποιο βαθμό είναι εφαρμόσιμα στην οδήγηση στον πραγματικό κόσμο. Δεδομένης της αδυναμίας αναπαραγωγής ορισμένων μελετών προσομοίωσης, είναι πιθανόν να παραμείνει αναπάντητο ερώτημα για καιρό ακόμα. Ορισμένες ερευνητικές ομάδες χρησιμοποιούν αυτοματοποιημένα οχήματα για να αναδημιουργήσουν μελέτες προσομοιωτών σε δοκιμαστικά πλαίσια, επιτρέποντας μια πιο άμεση σύγκριση μεταξύ της μελέτης προσομοιωτή και του πραγματικού κόσμου. [6]

23 Σύνδρομο προσαρμογής προσομοιωτή Σύνδρομο προσαρμογής προσομοιωτή Σ προσαρμογής προσομοιωτή (Simulator Adaptation Syndrome - SAS), ονομάζεται ένα πρόβλημα, το οποίο αντιμετωπίζουμε με όλους τους προσομοιωτές, όχι αποκλειστικά με προσομοιωτές οδήγησης. Η κύρια αιτία του συνδρόμου είναι οι καθυστερήσεις του συστήματος μεταξύ της εντολής του οδηγού και της απόκρισης του συστήματος. Στην πραγματικότητα, ο εγκέφαλος, αναφερόμενος στην οδήγηση ενός πραγματικού οχήματος, αναμένει ότι η απόκριση του προσομοιωτή θα είναι η ίδια με ένα αυτοκίνητο. Με αποτέλεσμα, όσο μεγαλύτερη είναι η απόκλιση, τόσο μεγαλύτερη είναι η δυσκολία προσαρμογής. Εάν η απόκλιση είναι μεγάλη, ο οδηγός ενδέχεται να παρουσιάσει συμπτώματα πονοκεφάλων, δυσκολία στην ακρίβεια της κίνησης, αποπροσανατολισμού κ.α.. Η ένταση αυτών των συμπτωμάτων εξαρτάται από την ευαισθησία του οδηγού σε τέτοιες καταστάσεις. Χαρακτηριστικό παράδειγμα απόρροια του συγκεκριμένου συνδρόμου συναντάμε στην εκπάιδευση των πιλότων. Όπως έχει προαναφερθεί, προσομοιωτές οδήγησης χρησιμοποιούνται για εκπαίδευση πιλότων παράλληλα με την συμβατική εκπαίδευση. Μετά την χρήση του προσομοιωτή, οι πιλότοι δεν επιτρέπεται να πετάξουν με πραγματικό αεροπλάνο για διάστημα μιας εβδομάδας, προκειμένου να μπορέσει ο εγκέφαλος να επανέλθει από τον αποσυντονισμό. Ο βασικότερος λόγος για το τόσο υψηλό κόστος (54 εκατομμυρίαδολαρία) του NADS, που προαναφέρθηκε, είναι γιατί σημαντικό ποσοστό διατέθηκε στην έρευνα και προσπάθεια επίτευξης της ελαχιστοποίησης των συμπτωμάτων του SAS.

24

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΑΠΟ ΤΗΝ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ ΣΤΗΝ ΕΙΚΟΝΙΚΟΤΗΤΑ Ξ να μιλάμε για εικονική πραγματικότητα οφείλουμε να παρατηρήσουμε πως ο ίδιος ο τίτλος της περιοχής είναι αντιφατικός, καθώς αυτό που ονομάζουμε πραγματικότητα είναι ο φυσικός κόσμος που αντιλαμβανόμαστε με τις αισθήσεις μας. Πως μπορεί η πραγματικότητα να είναι εικονική, μια λέξη που εξ ορισμού μας παραπέμπει σε κάτι ψεύτικο ή ιδεατό; Η αλήθεια είναι ότι, ενώ υπάρχει αυτή η εγγενής αντίφαση στην ονομασία, οι λέξεις καταφέρνουν να συμπυκνώσουν τον πραγματικό στόχο: να δημιουργήσουμε τεχνητά περιβάλλοντα τα οποία παρουσιάζονται τόσο πειστικά στον χρήστη που τα αντιλαμβάνεται σαν να είναι η πραγματικότητα. Για να κατανοηθεί η θέση της πραγματικότητας σε σχέση με την εικονική πραγματικότητα, αλλά και όλες τις πιθανές παραλλαγές και συνθέσεις πραγματικών και εικονικών αντικειμένων οι Paul Milgram et al. [7] παρουσίασαν το συνεχές πραγματικότητας - εικονικότητας ( reality virtuality continuum). Το συνεχές πραγματικότητας - εικονικότητας είναι ένα φάσμα (Σχήμα 3.1) με το ένα άκρο την πραγματικότητα και το άλλο, τον εικονικό κόσμο. Ξεκινώντας από το πραγματικό περιβάλλον, στο αριστερό άκρο, που δεν περιλαμβάνει καμία εικονική πληροφορία, καταλήγει, στο δεξί άκρο, σε ένα πλήρως συνθετικό περιβάλλον, αυτό της εικονικής πραγματικότητας, στο οποίο δεν υπάρχει καμία πληροφορία από τον φυσικό κόσμο. Ότι υπάρχει στο ενδιάμεσο του φάσματος έχει χαρακτηριστεί ως «Μεικτή Πραγματικότητα» (Mixed Reality). 11

26 12 Από την πραγματικότητα στην εικονικότητα Σχήμα 3.1: Συνεχές πραγματικότητας - εικονικότητας [8] 3.1 Μεικτή πραγματικότητα (Mixed Reality) H μεικτή πραγματικότητα, είναι η συνένωση του πραγματικού με το ψηφιακό, για την παραγωγή νέων περιβαλλόντων και απεικονίσεων, όπου φυσικά και ψηφιακά αντικείμενα συνυπάρχουν και αλληλεπιδρούν σε πραγματικό χρόνο. Η μεικτή πραγματικότητα λαμβάνει χώρα όχι μόνο στον φυσικό ή στον εικονικό κόσμο [9], αλλά είναι ένα μείγμα πραγματικότητας και εικονικής πραγματικότητας. Η επαυξημένη πραγματικότητα (Augmented Reality), καθώς και η επαυξημένη εικονικότητα (Augmented Virtuality) [10] συμπεριλαμβάνονται σε αυτόν τον γενικότερο όρο της μεικτής πραγματικότητας, καθώς αφορούν την ανάμειξη και αλληλεπίδραση φυσικών και εικονικών στοιχείων. Στην πρώτη, ψηφιακά αντικείμενα προστίθενται και επαυξάνουν τον φυσικό κόσμο, ενώ στην δεύτερη, τα φυσικά αντικείμενα είναι αυτά που προστίθενται στον εικονικό κόσμο. 3.2 Ιστορική αναδρομή Ό παράδοξο και αν ακούγεται, η εικονική πραγματικότητα έχει μεγαλύτερη ιστορία από άλλες τεχνολογίες, που όμως έχουν ενσωματωθεί καλύτερα στην καθημερινότητα μας, όπως το Internet ή τα τρισδιάστατα παιχνίδια που τα συναντάμε αργότερα.

27 Ιστορική αναδρομή 13 Ιστορικά, συναντάμε πρώτη φορά την εικονική πραγματικότητα την δεκαετία του 1960, με το όραμα του Μorton Heilig να δημιουργήσει ένα ψυχαγωγικό σύστημα που ονόμασε «κινηματογράφο του μέλλοντος». Η ιδέα πίσω απ το όραμα του Heilig ήταν να κατασκευάσει ένα σύστημα πλήρους βύθισης ώστε ο θεατής παρακολουθώντας μια ταινία να μην προσλαμβάνει μόνο εικόνα και ήχο, αλλά να βιώνει μια εμπειρία πιο ολοκληρωμένη, ενεργοποιώντας και άλλες αισθήσεις, εκτός της όρασης και της ακοής. Έτσι, δημιούργησε έναν προσομοιωτή με όνομα Sensorama. (Σχήμα 3.2) Ο προσομοιωτής μπορούσε να παράγει ερεθίσματα στον χρήστη, όπως μυρωδιές, δονήσεις και άνεμο. Το περιβάλλον δεν παραγόταν από υπολογιστή και δεν υπήρχε κανενός είδους αλληλεπίδρασης με αυτό, όμως για πρώτη φορά έγινε μια προσπάθεια αξιοποίησης πολλαπλών αισθήσεων για την παροχή μιας πιο πλούσιας εμπειρίας χρήστη και την εμβύθισή του σε μια εναλλακτική πραγματικότητα. Οι επενδυτές δεν μπορούσαν να ασπασθούν το όραμα του, με αποτέλεσμα να μην λάβει χρηματοδότηση και το έργο να μην ολοκληρωθεί ποτέ. Ωστόσο, ο Heilig χαρακτηρίστηκε ως πατέρας της VR. Σχήμα 3.2: Sensorama [11] Ο Ivan Sutherland, το 1965, δημοσιεύει ένα άρθρο με τίτλο The ultimate display ( Η απόλυτη απεικόνιση ) που προέβλεπε πως μια μέρα οι υπολογιστές θα παρέχουν «ένα παράθυρο σε εικονικούς κόσμους». Αργότερα, μαζί με τον συνάδελφό του David Evans, ιδρύει την Evans and Sutherland Computer Corp., μέσα από την οποία πραγματοποίησαν τα

28 14 Από την πραγματικότητα στην εικονικότητα πρώτα πειράματα με μια συσκευή που αποτελείται από δύο οθόνες, μια για το κάθε μάτι, και τοποθετείται στο κεφάλι του χρήστη. Μέχρι το 1968 είχαν ολοκληρώσει την υλοποίηση του συστήματος που ονομάστηκε The Sword of Damocles και θεωρείται το πρώτο HMD (Head Mounted Display) εικονικής πραγματικότητας. (Σχήμα 3.3) Σχήμα 3.3: Το πρώτο HMD The Sword of Damocles [12] Η συσκευή αυτή, της οποίας οι μετεξελίξεις αποτελούν μέχρι και σήμερα βασικό τμήμα των συστημάτων εικονικής πραγματικότητας, χρησιμοποιεί τη στερεοσκοπία και την ανίχνευση κίνησης. Εκμεταλλεύεται, δηλαδή το γεγονός πως ο ανθρώπινος εγκέφαλος συνδυάζει τις ελαφρώς διαφορετικές εικόνες από τα δύο μάτια για να αντιληφθεί το βάθος. Το χαρακτηριστικό αυτό ονομάζεται στερεοσκοπική όραση. Ενώ με την ανίχνευση κίνησης δίνει πληροφορίες στο σύστημα σχετικά με τη θέση και τον προσανατολισμό του χρήστη. Τον μηχανισμό αυτόν εκμεταλλεύονται

29 Ιστορική αναδρομή 15 τα συστήματα εικονικής πραγματικότητας ώστε να αναπροσαρμόσουν την άποψη του περιβάλλοντος σε σχέση με τη νέα οπτική του χρήστη, δίνοντας έτσι την αίσθηση ότι τα «εικονικά» αντικείμενα υπάρχουν γύρω του και παραμένουν στη θέση τους ανεξάρτητα από τις δικές του κινήσεις. Έπειτα, με την εξέλιξη του υλικού και των συστημάτων εμφανίστηκαν τα πρώτα γάντια εικονικής πραγματικότητας ή «γάντια δεδομένων» (Data Gloves), τα οποία μπορούν να ανιχνεύσουν τη θέση και κίνηση του χεριού και των δακτύλων του χρήστη σε πραγματικό χρόνο. Με αποτέλεσμα, ο χρήστης να μπορεί να αλληλεπιδράσει πλέον με το εικονικό περιβάλλον με φυσικές κινήσεις και να δημιουργείται η αίσθηση ότι μπορεί να πιάσει ή να σπρώξει κάποιο ψηφιακό αντικείμενο. Λίγα χρόνια αργότερα, το 1975, ο Myron Krueger ίδρυσε το εργαστήριο Videoplace το οποίο επέτρεπε στους χρήστες, για πρώτη φορά, να αλληλεπιδράσουν με εικονικά αντικείμενα. Το εργαστήριο χρησιμοποιούσε προβολείς και βιντεοκάμερες, σε συνδυασμό με ειδικό hardware, ώστε να προβάλει την μορφή του χρήστη σε ένα ψηφιακό διαδραστικό περιβάλλον, όπου μπορούσε να αλληλεπιδρά με την κίνηση του με εικονικά αντικείμενα. Επιπλέον, υπήρχε η δυνατότητα σύγχρονης απομακρυσμένης συνεργασίας, δηλαδή οι χρήστες μπορούσαν να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους, από διαφορετικά δωμάτια. Μέχρι τότε δεν υπήρχε επίσημη ορολογία για όλα αυτά τα τεχνολογικά συστήματα και διεπαφές. Το 1989 ήταν το έτος που ο Jaron Lanier εισήγαγε τον όρο Virtual Reality (VR), ενώ ένα χρόνο αργότερα, το 1990, ο Tom Caudell εμπνεύστηκε τον όρο Augmented Reality (AR). Σχήμα 3.4: Tο πρώτο κυβικό, βυθιζόμενο δωμάτιο ( The Cave ) [17] Το 1991, οι Carolina Cruz-Neira, Daniel J. Sandin και Thomas A. DeFanti από το Electronic Visualization Laboratory δημιούργησαν το πρώτο κυβικό, βυθιζόμενο δωμάτιο ( The Cave ). Αναπτύχθηκε ως διδακτορική διατριβή του Cruz-Neira και περιλαμβάνει ένα περιβάλλον πολλαπλών προβολών που επιτρέπει στους ανθρώπους να δουν το σώμα τους

30 16 Από την πραγματικότητα στην εικονικότητα σε σχέση με τους άλλους στην αίθουσα. [13] [14] (Σχήμα 3.4) Την ίδια χρονιά, η Sega[15] ανακοίνωσε το Sega VR για arcade παιχνίδια και την κονσόλα Mega Drive. Χρησιμοποίησε οθόνες LCD στην οροφή, στερεοφωνικά ακουστικά και αισθητήρες κίνησης που επέτρεψαν στο σύστημα να παρακολουθεί και να αντιδρά στις κινήσεις του κεφαλιού του χρήστη. [16] Το 1992, συναντάμε ένα από τα πρώτα λειτουργικά AR συστήματα, από τον Ο L. B. Rosenberg στο U.S. Air Force Researh Laboratory - Armstrong. Ενώ το 1994, ο Julie Martin ανέβασε την πρώτη AR θεατρική παράσταση, Χορεύοντας στον κυβερνοχώρο (Dancing In Cyberspace), όπου χορευτές και ακροβάτες χειρίζονταν εικονικά αντικείμενα, σε μέγεθος ανθρωπίνου σώματος, σε πραγματικό χρόνο. Τέλος, το 2000, δημιουργήθηκε από τον Bruce H. Thomas το ARQuake, το πρώτο mobile AR game για εξωτερικούς χώρους.[18] (Σχήμα 3.5) Σχήμα 3.5: Tο πρώτο mobile AR game, ARQuake [19] Με την αλλαγή της χιλιετίας η δημοτικότητα της εικονικής και επαυξημένης πραγματικότητας αυξάνεται με εκθετικούς ρυθμούς με αυτές να αποκτούν υπεράριθμες εφαρμογές σε κάθε πτυχή της καθημερινότητας και της επιστήμης. Σήμερα, είναι διαθέσιμο ένα μεγάλο εύρος κατηγοριών υλικού και λογισμικού για την ανάπτυξη συστημάτων εικονικής και επαυξημένης πραγματικότητας. Ισχυρά υπολογιστικά συστήματα, μηχανισμοί ανίχνευσης κίνησης διάφορων τεχνολογιών (οπτικοί, μηχανικοί, ηλεκτρομαγνητικοί, ηχητικοί), συσκευές εισόδου, όπως γάντια δεδομένων και τρισδιάστατα ποντίκια, μηχανισμοί απτικής ανάδρασης, προβολικά συστήματα σε μία ή περισσότερες επιφάνειες, στερεοσκοπικά γυαλιά, κράνη εικονικής πραγματικότητας και πολλά άλλα [20]. Αντίστοιχα, σε επίπεδο λογισμικού προσφέρονται εργαλεία τρισδιάστατης μοντελοποίησης, «μηχανές» τρισδιάστατων γραφικών και φυσικής, ανοιχτές βιβλιοθήκες λογισμικού με εξειδικευμένες λειτουργίες (π.χ. φυσική, γραφικά, χειρισμός συσκευών κ.λπ.) κ.α..

31 Εικονική πραγματικότητα (Virtual Reality) Εικονική πραγματικότητα (Virtual Reality) Σ σύγχρονη βιβλιογραφία εκτός από τον όρο «Εικονική Πραγματικότητα» (Virtual Reality) χρησιμοποιείται και ο όρος «Εικονικά Περιβάλλοντα» (Virtual Environments). Οι έννοιες είναι σχεδόν ταυτόσημες, όμως ο πρώτος τείνει να αποδίδεται περισσότερο στην εμπειρία συνολικά και ο δεύτερος στον ψηφιακά κατασκευασμένο κόσμο. Έχουν δοθεί πολλοί ορισμοί για τον όρο εικονική πραγματικότητα. Ας δούμε κάποιους από αυτούς. Οι Loffler και Anderson (1994)[21] ορίζουν την εικονική πραγματικότητα ως «ένα τρισδιάστατο περιβάλλον προσομοίωσης σε υπολογιστή του οποίου η απεικόνιση γίνεται σε πραγματικό χρόνο και εξαρτάται από τη συμπεριφορά του χρήστη» Ο Ellis (1993)[22] παρέχει έναν πιο λεπτομερή ορισμό: «Ένα εικονικό περιβάλλον αποτελείται από περιεχόμενο (αντικείμενα και δράστες (actors)), γεωμετρία και δυναμική, με ένα εγωκεντρικό πλαίσιο αναφοράς, που περιλαμβάνει την αντίληψη των αντικειμένων σε βάθος και που εγείρει διάφορες αισθήσεις ταυτόχρονα» Τέλος, ο Gigante (1993)[23] ορίζει την εμπειρία της αλληλεπίδρασης με ένα εικονικό περιβάλλον: «Η εικονική πραγματικότητα είναι μια εμβυθισμένη, πολυ-αισθητική εμπειρία. Χαρακτηρίζεται από την ψευδαίσθηση της συμμετοχής σε ένα συνθετικό περιβάλλον και όχι απλώς από την εξωτερική παρατήρηση ενός τέτοιου περιβάλλοντος». Σχήμα 3.6: Τα τρία βασικά στοιχεία των συστημάτων εικονικής πραγματικότητας

32 18 Από την πραγματικότητα στην εικονικότητα Σύμφωνα με τους Burdea και Coiffet (1994) [24], τα συστήματα εικονικής πραγματικότητας ενοποιούν τρία βασικά στοιχεία: την εμβύθιση (Immersion), την αλληλεπίδραση (Interaction) και τη φαντασία (Imagination) (Σχήμα 3.6). Τα στοιχεία αυτά είναι γνωστά και ως τα τρία I της εικονικής πραγματικότητας (Immersion, Interaction, Imagination) και αποτελούν τους βασικούς άξονες βάσει των οποίων αξιολογείται η ποιότητα ενός συστήματος εικονικής πραγματικότητας. Με τον όρο εμβύθιση περιγράφουμε τον βαθμό στον οποίο το οπτικό πεδίο του χρήστη καλύπτεται, ώστε να μην αποσπάται από το πραγματικό περιβάλλον με αποτέλεσμα να νιώθει πως το εικόνικό περιβάλλον είναι η πραγματικότητα. Αυτό εξαρτάται από τον αριθμό των αισθητηρίων καναλιών του χρήστη, που τροφοδοτούνται με δεδομένα από τον εικονικό κόσμο και με την ποιότητα των δεδομένων αυτών. Τα συστήματα που σήμερα ονομάζονται «εμβυθισμένα» (immersive) καλύπτουν πλήρως το οπτικό πεδίο του χρήστη μέσω ειδικής συσκευής (π.χ. κράνος), την ακοή του μέσω ακουστικών και μέρος της αφής του (συνήθως το ένα χέρι μέσω ειδικού γαντιού). Η αλληλεπίδραση αφορά τον βαθμό στον οποίο ο χρήστης μπορεί να επενεργήσει στο περιβάλλον και με τη φυσικότητα των κινήσεων με τις οποίες μπορεί να το κάνει. Όσο μεγαλύτερη η φυσικότητα των κινήσεων, δηλαδή όσο πιο όμοιες είναι οι κινήσεις που κάνει σε αντίστοιχες δραστηριότητες στον πραγματικό κόσμο, τόσο υψηλότερη η ποιότητα της αλληλεπίδρασης. Για παράδειγμα, καλής ποιότητας αλληλεπίδραση θα ήταν αν ένας χρήστης μπορούσε να κοιτάξει γύρω του στο εικονικό περιβάλλον απλά κινώντας το κεφάλι του, όπως θα έκανε στην πραγματικότητα (κάτι που είναι εφικτό με τις σημερινές τεχνολογίες). Τέλος, η φαντασία είναι ο πιο υποκειμενικός παράγοντας, αλλά επηρεάζεται από την ποιότητα της απεικόνισης, την ομαλότητα της κίνησης και γενικότερα απ το κατά πόσο ο κόσμος αλλά και η αλληλεπίδραση μαζί του είναι αληθοφανείς (believability). Αυτός ο άξονας, λοιπόν, αφορά τον βαθμό στον οποίο ο χρήστης μπορεί να αντιληφθεί τον εικονικό κόσμο και τα εικονικά αντικείμενα ως «πραγματικά». Τα συστήματα εικονικής πραγματικότητας, όπως αναφέρθηκε και στην ιστορική αναδρομή, έχουν μακρά ιστορία. Η διαθεσιμότητα τους όμως στο ευρύ κοινό και η ενσωμάτωσή τους σε καθημερινές δραστηριότητες παρέμενε χαμηλή, όπως και η χρήση της σε παιχνίδια και προσομοιωτές. Τα ακριβότερα συστήματα VR αρχικά κατασκευάστηκαν και χρησιμοποιήθηκαν για στρατιωτική εκπαίδευση. Οι λόγοι που συντέλεσαν σε αυτό ήταν αρκετοί, όπως το υψηλό κόστος κατασκευής και η ανώριμη ακόμα τεχνολογία. Ένας άλλος σημαντικός λόγος που συντέλεσε σε αυτό, είναι η ναυτία που προκαλούσε η χρήση των συσκευών HMDs.[25]

33 Εικονική πραγματικότητα (Virtual Reality) Ναυτία σε εικονικά περιβάλλοντα (Cybersickness) Κ τη διάρκεια της εξέλιξης, ο άνθρωπος έχει αναπτύξει συστήματα αντίληψης ώστε να προσλαμβάνει και να επεξεργάζεται πληροφορίες απαραίτητες για τον προσανατολισμό του και τη κίνηση στο χώρο γύρω του. Αυτά τα σύστηματα, τους τελευταίους αιώνες, έχουν έρθει αντιμέτωπα με σοβαρές προκλήσεις, οι οποίες προέρχονται από την χρήση των σύγχρονων μέσων μεταφοράς, όπως τα πλοία και τα αυτοκίνητα. Η ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίας δημιούργησε μια ακόμα, μεγαλύτερη πρόκληση, τα Εικονικά Περιβάλλοντα (Virtual Environments). Η ψευδαίσθηση της κίνησης μέσα σε ένα Εικονικό Περιβάλλον είναι μια εντυπωσιακή εμπειρία, αλλά δυστυχώς πολλοί χρήστες εμφανίζουν συμπτώματα ναυτίας. Έτσι, γεννήθηκε ένας καινούριος όρος, ο όρος cybersickness.[26] Στην συνέχεια, θα αναλυθούν οι όροι motion sickness και cybersickness, καθώς και τα δύο βασικά εξαρτήματα, αιθουσαίο σύστημα και οπτική αντίληψη, που αποτελούν το σύστημα αντίληψης του ανθρώπου. Επιπλέον, θα παρουσιαστούν οι θεωρίες για τις αιτίες πρόκλησης της ναυτίας σε εικονικά περιβάλλοντα καθώς και προτεινόμενοι τρόποι μείωσης αυτής.[27] Ναυτία κίνησης και εικονικού περιβάλλοντος (Motion sickness και Cybersickness) Μ τον όρο motion sickness αναφερόμαστε στα συμπτώματα ναυτίας που προκαλούνται όταν ένα άτομο εκτίθεται παρατεταμένα σε περιοδική κίνηση. Τέτοιου είδους ναυτία μπορούν να προκαλέσουν τα αυτοκίνητα, τα πλοία καθώς και τα αεροπλάνα. Τα συμπτώματα που εμφανίζονται από την ναυτία είτε κίνησης (motion sickness) είτε εικονικού περιβάλλοντος (cybersickness) είναι κοινά και περιλαμβάνουν: Καταπόνηση των ματιών Πονοκέφαλο Ωχρότητα Εφίδρωση Ξηρότητα του στόματος Αίσθημα πληρότητας του στομάχου Αποπροσανατολισμό Ίλιγγο Αταξία Ναυτία Έμετο Παρόλο που και οι δύο μορφές ναυτίας έχουν κοινά συμπτώματα, οι παράγοντες που τα προκαλούν δεν είναι αναγκαία οι ίδιοι. [27]

34 20 Από την πραγματικότητα στην εικονικότητα Αιθουσαίο σύστημα και οπτική αντίληψη Τ αιθουσαίο σύστημα [όπως φαίνεται στην εικόνα], αποτελεί ένα από τα αισθητηριακά συστήματα του ανθρώπινου οργανισμού, και παρέχει πληροφορίες σχετικά με την κίνηση και τον προσανατολισμό του κεφαλιού στον χώρο. Βρίσκεται στο εσωτερικό του αυτιού και αποτελείται από το μη ακουστικό τμήμα του. Για την ανίχνευση της γωνιακής επιτάχυνσης χρησιμοποιούνται τρεις ημικύκλιοι σωλήνες (Semicircular Canals) καθώς για την ανίχνευση γραμμικής επιτάχυνσης χρησιμοποιούνται το ελλειπτικό κυστίδιο (Utricle) και το ασκίδιο (Saccule). Κάθε ένας από τα τρείς ημικύκλιους σωλήνες αντιστοιχεί σε μια από τις διαστάσεις στις οποίες μπορεί να κινηθεί ο άνθρωπος.[27] Το αιθουσαίο σύστημα (Σχήμα 3.7) σταθεροποιεί το οπτικό πεδίο προσαρμόζοντας τη θέση των ματιών καθώς το κεφάλι και ο αυχένας κινούνται. Έτσι τα μάτια μπορούν να κοιτούν σταθερά κάτι μπροστά ενώ κινούμαστε. Η ικανότητα οπτικής εστίασης και γρήγορης οπτικής σάρωσης (όπως για παράδειγμα όταν διαβάζουμε) συνδέεται άμεσα με την ωρίμανση του αιθουσαίου συστήματος. Συχνά παιδιά με δυσκολίες στην ανάγνωση παρουσιάζουν ελλιπή αιθουσαία επεξεργασία. Σχήμα 3.7: Το αιθουσαίο σύστημα Η οπτική αντίληψη, που είναι η ικανότητα του εγκεφάλου να κατανοεί και να ερμηνεύει αυτά που προσλαμβάνουμε μέσα από τα μάτια μας, μπορεί να προκαλέσει την ψευδαίσθηση της κίνησης. Για παράδειγμα, όταν ένα άτομο κάθεται σε ένα ακίνητο όχημα και ένα άλλο κοντινό όχημα αρχίσει να κινείται, το άτομο μπορεί να έχει την ψευδαίσθηση ότι κινεί-

35 Εικονική πραγματικότητα (Virtual Reality) 21 ται το όχημα στο οποίο βρίσκεται. Αυτή η ψευδής εντύπωση ονομάζεται Vection. Κατά την διάρκεια κανονικής κίνησης αυτά τα δύο εξαρτήματα δουλεύουν σε αρμονία, όμως όταν υπάρχει ψευδαίσθηση της κίνησης το αιθουσαίο σύστημα επηρεάζεται από την οπτική αντίληψη και παρέχει λανθασμένη πληροφορία ή δεν παρέχει πληροφορία κίνησης, διότι δεν υπάρχει κίνηση. Τέλος, σημαντικό ρόλο στην ψευδαίσθηση κίνησης παίζει το πεδίο θέασης. Με μεγαλύτερο πεδίο θέασης υπάρχει μεγαλύτερη διέγερση του αμφιβληστροειδούς.[27] Θεωρίες αιτιών πρόκλησης Ι σημαντικό ρόλο για την βαθύτερη κατανόηση της ναυτίας στα Εικονικά Περιβάλλοντα κατέχουν οι αιτίες πρόκλησης. Οι τρεις επικρατέστερες θεωρίες περιγράφουν τους εξής τύπους ναυτίας: των συγκρουόμενων αισθήσεων (Sensory Conflict Theory), της δηλητηρίασης (Poison Theory) και της αστάθειας στάσης (Postural Instability Theory). Θεωρία συγκρουόμενων αισθήσεων: Eίναι η παλιότερη και η πιο διαδεδομένη θεωρία αιτιών πρόκλησης ναυτίας. Ουσιαστικά, τα ερεθίσματα από το αιθουσαίο σύστημα έρχονται σε σύγκρουση με τα ερεθίσματα από το σύστημα της οπτικής αντίληψης, με απόρροια την λανθασμένη διαχείριση της κατάστασης από το ανθρώπινο σώμα. Θεωρία της δηλητηρίασης: Η συγκεκριμένη θεωρία προτείνει ότι η αδυναμία για σωστή αντίληψη του περιβάλλοντος από τον άνθρωπο εμφανίζεται και κατά την δηλητηρίαση. Επομένως το σώμα, πιστεύοντας ότι έχει δηλητηριαστεί και διατρέχει κίνδυνο, ενεργοποιεί έναν μηχανισμό άμυνας για προειδοποίηση. Αυτός ο μηχανισμός άμυνας είναι τα συμπτώματα της ναυτίας. Θεωρία αστάθειας στάσης: Ένας βασικός μηχανισμός του ανθρώπινου σώματος είναι η διατήρηση της ισορροπίας. Κατά την περιπλάνηση ενός ατόμου σε ένα εικονικό περιβάλλον μπορεί το σώμα να βρίσκεται σε αστάθεια, λόγω των «ψευδών» σημάτων που δέχεται. Κατά την συνεχή αποτυχημένη προσπάθεια, του συγκεκριμένου μηχανισμού, να επαναφέρει το σώμα σε ισορροπία προκαλούνται συμπτώματα ναυτίας. Άλλοι παράγοντες: Πέρα από τις θεωρίες που προαναφέρθηκαν, υπάρχουν και άλλοι παράγοντες που σχετίζονται με την πρόκληση ναυτίας. Ένας από αυτούς είναι το επίπεδο των τεχνολογικών μέσων που χρησιμοποιούμε, τα σφάλματα στην ανίχνευση της θέσης του ατόμου στο εικονικό περιβάλλον, η καθυστέρηση μετάδοσης της εικόνας καθώς και ο ρυθμός

36 22 Από την πραγματικότητα στην εικονικότητα ανανέωσης αυτής. Με την εξέλιξη της τεχνολογίας αυτοί οι παράγοντες έχουν αντιμετωπιστεί σε ικανοποιητικό επίπεδο. Τέλος, άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν είναι το φύλο, η ηλικία, η υγεία και η θέση του ατόμου στον προσομοιωτή του εικονικού περιβάλλοντος Τρόποι αντιμετώπισης Η ναυτία στα εικονικά περιβάλλοντα είναι ένα σοβαρό πρόβλημα που εμποδίζει την ευρύτερη διάδοση της Εικονικής Πραγματικότητας. Στην συνέχεια θα αναφερθούν μερικοί από τους πιο σημαντικούς τρόπους αντιμετώπισης. Πλατφόρμα κίνησης: Ένας από τους πιο διαδεδομένους τρόπους αντιμετώπισης είναι η χρήση πλατφόρμας για την προσομοίωση της κίνησης. Η πλατφόρμα δέχεται ως είσοδο την κίνηση που κάνει ο άνθρωπος στο εικονικό περιβάλλον και προσπαθεί να την προσομοιώσει στον κανονικό κόσμο. Με αυτόν τον τρόπο μειώνεται αισθητά η σύγκρουση των σημάτων που λαμβάνει ο χρήστης. Αξίζει να αναφερθεί ότι η μη ακριβής προσομοίωση μπορεί να εντείνει τα συμπτώματα ναυτίας. Αυτός είναι ο τρόπος που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία, όχι μόνο για την βέλτιστη αντιμετώπιση των συμπτωμάτων ναυτίας, αλλά και για την επίτευξη ενός ρεαλιστικότερου προσομοιωτή. Προσαρμογή: Εξίσου διαδεδομένη τεχνική είναι η σταδιακή προσαρμογή. Βάζοντας τον χρήστη να αυξάνει σταδιακά τον χρόνο που περνάει στο Εικονικό Περιβάλλον σιγά σιγά προσαρμόζεται σε αυτό. Δυστυχώς, αυτή η μέθοδος δεν βοηθάει στην αναπροσαρμογή του χρήστη στο πραγματικό περιβάλλον με συνέπεια την αίσθηση ότι βρίσκεται ακόμα στο Εικονικό Περιβάλλον. Άμεση προσομοίωση σημάτων του αιθουσαίου συστήματος (Direct Vestibular Stimulator): Αποτελεσματικότερο τρόπο αντιμετώπισης θα αποτελούσε η απευθείας παρέμβαση στο αιθουσαίο σύστημα, ώστε να στέλνονται τεχνητά τα σωστά σήματα στον εγκέφαλο κατευθείαν από το Εικονικό Περιβάλλον. Αυτή η τεχνική δεν έχει αναπτυχθεί σε ικανοποιητικό επίπεδο και για αυτό δεν έχει δοκιμαστεί. Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με την ναυτία στα Εικονικά Περιβάλλοντα μπορείτε να αναφερθείτε στις πηγές [28][29][30][26][27].

37 Εικονική πραγματικότητα (Virtual Reality) Εφαρμογές Σ, με την ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας, υπάρχει πλέον η προαπαιτούμενη υπολογιστική ισχύς για την επίλυση των τεχνικών προβλημάτων που συναντούσε η δημιουργία εμπορικών HMDs (π.χ. Oculus, HTC Vive, Gear VR, PlayStation VR, κ.α.). Με τον ερχομό των HMDs στην αγορά υπήρξε άνθιση στα παιχνίδια και τις εφαρμογές εικονικής πραγματικότητας. Μεγάλες επιχειρήσεις όπως η Fox Searchlight Pictures και Skybound έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούν VR κάμερες για να παράγουν διαδραστικές VR ταινίες και σειρές. Ιδιαίτερης σημασίας αποδείχτηκε η χρήση της εικονικής πραγματικότητας στον τομέα της υγείας. VR εφαρμογές έχουν χρησιμοποιηθεί για αποκατάσταση από ψυχικές διαταραχές, όπως του PTSD ( post-traumatic stress disorder) από την δεκαετία του 90, κυρίως σε ομάδες στρατιωτών και βετεράνων πολέμου. Η εφαρμογή Bravemind, αναπτύχθηκε σε συνεργασία με την Virtually Better, η οποία πωλεί το προϊόν σε ιδρύματα σε όλο τον κόσμο.[31] Το σύστημα εκτός από το εικονικό περιβάλλον, το οποίο είναι ελεγχόμενο και προσαρμόσιμο, αποτελείται από μια vibrotactile πλατφόρμα που βοηθάει στην αναπαράσταση εκρήξεων και πυρκαγιών. Επιπλέον, υπάρχει σύστημα εκπομπής οσμών που χρησιμοποιείται για μυρωδιές όπως ντίζελ, σκουπίδια και πυρίτιδα ανά τακτά διαστήματα κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης για να αυξηθεί η εμβύθιση. Μια πρόσφατα δημοσιευμένη μελέτη [32] διαπίστωσε ότι η θεραπεία με VR, ως αποκλειστική θεραπεία, ήταν αντίστοιχα αποτελεσματική όσο ένας συνδυασμός φαρμακευτικής θεραπείας και θεραπείας VR. Στην πραγματικότητα, ένα από τα φάρμακα που μελετήθηκαν οδήγησε σε χειρότερη έκβαση για τους ασθενείς. Πέρα από το PTSD, η θεραπεία με VR έχει χρησιμοποιηθεί για πολλά χρόνια σε κλινικές για τη θεραπεία φοβιών και άλλων διαταραχών άγχους. Οι διαταραχές άγχους επηρεάζουν ένα μεγάλο μέρος του πληθυσμού και η χρήση θεραπείας VR ως καθιερωμένη μέθοδος θεραπείας μπορεί να μειώσει σημαντικά τις δαπάνες. Ακόμη και αν ένα άτομο δεν πάσχει από μια συγκεκριμένη διαγνωσμένη ψυχική ασθένεια, οι περισσότεροι από εμάς βιώνουν ποικίλα επίπεδα στρες και άγχους κατά τη διάρκεια της ζωής μας. Ο διαλογισμός είναι ένας πολύ καλός τρόπος για να βελτιώσει κανείς τη διάθεσή του και να προκαλέσει μια κατάσταση χαλάρωσης. Ενώ ο διαλογισμός και η χαλάρωση μπορεί να μην είναι επαρκής θεραπεία για οποιαδήποτε ψυχική πάθηση, τα οφέλη για την υγεία θεωρούνται θετικά για όλους. Για αυτόν τον λόγο οι εταιρίες Psious και VirtualRet πέρα από τις λύσεις τους για τις διαγνωσμένες ασθένειες, έχουν υλοποιήσει και εφαρμογές για την αντιμετώπιση του άγχους. Στον τομέα της επικοινωνίας, σήμερα, βρισκόμαστε σε μια μεταβατική περίοδο, καθώς η Facebook, η θυγατρική εταιρία της Oculus, ετοιμάζεται να κυκλοφορήσει το Facebook Spaces, ένα κοινωνικό δίκτυο σε περιβάλλον εικονικής πραγματικότητας. Σε αυτό το νέο κοινωνικό δίκτυο,

38 24 Από την πραγματικότητα στην εικονικότητα ο καθένας θα έχει το δικό του προσωπικό εικονικό χαρακτήρα (avatar) με τον οποίο θα έχει την δυνατότητα να βρεθεί σε κοινό εικονικό περιβάλλον με τους φίλους του. Ένας νέος τρόπος επικοινωνίας που έρχεται να αλλάξει τα μέχρι τώρα δεδομένα. (Σχήμα 3.8) Σχήμα 3.8: Το κοινωνικό δίκτυο σε περιβάλλον εικονικής πραγματικότητας [33] Στον τομέα της εκπαίδευσης, οι μαθητές επωφελούνται από εφαρμογές εικονικής πραγματικότητας καθώς μπορούν να βελτιώσουν τις δεξιότητες τους χωρίς τον φόβο των επιπτώσεων που φέρνει η αποτυχία. Μια από τις πρώτες εφαρμογές ήταν ένας προσομοιωτής πτήσης ( Visually Coupled Airborne Systems Simulator - VCASS) για στρατιωτική εκπαίδευση το Έπειτα, ξεκίνησε να χρησιμοποιεί και η NASA VR τεχνολογία για την εκπαίδευση των αστροναυτών, όσο αυτοί βρίσκονται ακόμα στην Γή. Τέτοιες εφαρμογές VR προσομοιώσεων περιλαμβάνουν έκθεση σε περιβάλλοντα εργασίας μηδενικής βαρύτητας και εκπαίδευση για το πώς να περπατούν στο διάστημα. [34][35] Οι αστροναύτες μπορούν επίσης να εκπαιδευτούν στην χρήση εργαλείων στο διάστημα, μέσα σε εικονικούς κόσμους, ενώ στην πραγματικότητα κρατάνε τυπωμένες 3D μακέτες εργαλείων χαμηλού κόστους. [36] Στον ιατρικό τομέα η VR τεχνολογία επιτρέπει στους χειρουργούς να ασκούν τις τεχνικές τους δεξιότητες χωρίς κανένα κίνδυνο για τους ασθενείς. Πολλές μελέτες έχουν δείξει ότι οι γιατροί που λαμβάνουν χειρουργική κατάρτιση μέσω προσομοιώσεων VR βελτιώνουν σημαντικά την επιδεξιότητα και την απόδοση τους στο χειρουργείο. [37][38][39] Τέλος, όπως αναφέραμε εκτεταμένα στο προηγούμενο κεφάλαιο, η VR τεχνολογία έχει εφαρμογές και στην εκπαίδευση οδηγών με την χρήση προσομοιωτή, τόσο για συμβατικά αυτοκίνητα αλλά και για ειδικά οχήματα (πυροσβεστικά, τανκς, κ.α. )[40] [41] 3.4 Επαυξημένη πραγματικότητα ( Augmented Reality) Η επαυξημένη πραγματικότητα (augmented reality) περιγράφεται από τους Milgram et. al (1994) ως το πιθανό αποτέλεσμα της ανάμειξης αντικειμένων του πραγματικού και του εικονικού κόσμου σε κοινή

39 Επαυξημένη πραγματικότητα ( Augmented Reality) 25 απεικόνιση. Τα τρία βασικά χαρακτηριστικά που έχουν διατυπωθεί για να περιγράψουν την επαυξημένη πραγματικότητα είναι πως συνδυάζει τον πραγματικό με τον εικονικό κόσμο, η αλληλεπίδραση γίνεται σε πραγματικό χρόνο και απεικονίζει εικονικά και φυσικά αντικείμενα σε 3D (Azuma, 1997). Σύμφωνα με τον ορισμό που έδωσε ο Ronald Azuma το 1997 [42], η επαυξημένη πραγματικότητα είναι μια παραλλαγή της εικονικής πραγματικότητας, αλλά δε θα πρέπει να συγχέεται με την τελευταία, διότι συμπληρώνει τον πραγματικό κόσμο και δεν τον υποκαθιστά. Η «ενίσχυση» της πραγματικότητας, όπως προαναφέρθηκε, γίνεται τυπικά (αλλά όχι απαραίτητα) σε πραγματικό χρόνο. Με την χρήση υπολογιστικής όρασης, αναγνωρίζονται αντικείμενα, πρότυπα και χρώματα τα οποία στην συνέχεια ενισχύονται και προστίθενται σε αυτά δυνατότητα διάδρασης με τον χρήστη. Η επαυξημένη πραγματικότητα χρησιμοποιεί ειδικές συσκευές, όπως και η εικονική πραγματικότητα. Έτσι και εδώ, υπάρχουν Head Mounted Displays (HMDs). (Σχήμα 3.9) Όμως ένα σύστημα επαυξημένης πραγματικότητας δεν έχει αυξημένες απαιτήσεις υπολογιστικής ισχύος καθώς απεικονίζει μόνο μερικά αντικείμενα στον χώρο, σε αντίθεση με ένα σύστημα εικονικής πραγματικότητας που χρειάζεται να κατασκευαστεί ολόκληρη η σκηνή. Αυτό, σε συνδυασμό με τις συνεχώς αυξανόμενες δυνατότητες της φορητής τεχνολογίας, δίνει την δυνατότητα ανάπτυξης τέτοιων συστημάτων για φορητές συσκευές, όπως κινητά ή tablet.(σχήμα 3.10) Σχήμα 3.9: Το HMD της Microsoft, Hololens [43] Σχήμα 3.10: Εφαρμογή AR σε φορητή συσκευή[44] Εφαρμογές Σ καθημερινότητα μας μπορεί να χρησιμοποιούμε ή να γινόμαστε μάρτυρες της χρήσης πολλών εφαρμογών επαυξημένης πραγματικότητας, χωρίς να το αντιλαμβανόμαστε. Για παράδειγμα, οι ενδείξεις της κατάταξης που εμφανίζονται πάνω στην πισίνα σε έναν αγώνα κολύμβησης (Σχήμα 3.11), μια εικονική γραμμή για να δείξει αν είναι offside ένας

40 26 Από την πραγματικότητα στην εικονικότητα παίχτης στο ποδόσφαιρο ή το σκορ και ο υπολειπόμενος χρόνος σε ένα παιχνίδι μπάσκετ. Όλες αυτές οι πληροφορίες που εμφανίζονται στις οθόνες μας είναι μια μορφή επαυξημένης πραγματικότητας, σε δεύτερο χρόνο. Σημείο σταθμός για την διάδοση της επαυξημένης πραγματικότητας σε πραγματικό χρόνο ήταν το παιχνίδι Pokemon Go, μια εφαρμογή επαυξημένης πραγματικότητας για φορητές συσκευές, στην οποία ο χρήστης έπρεπε να βγει έξω και να κυνηγήσει τα αγαπημένα του Pokemon.(Σχήμα 3.12) Σχήμα 3.11: Χρήση AR για προβολή δεδομένων σε αγώνα κολύμβησης[45] Σχήμα 3.12: Το παιχνίδι επαυξημένης πραγματικότητας Pokemon GO για φορητές συσκευές[46] Πέρα από την ψυχαγωγία, η επαυξημένη πραγματικότητα έχει εφαρμογές τόσο για την υγεία όσο και για την εκπαίδευση. Από το 2005, κυκλοφορεί μια συσκευή που αναγνωρίζει, με την χρήση υπέρυθρης ακτινοβολίας, τις υποδόριες φλέβες, τις επεξεργάζεται και προβάλλει την εικόνα των φλεβών στο δέρμα ώστε οι γιατροί να γνωρίζουν την ακριβή θέση τους. (Σχήμα 3.13) Προσπάθειες έχουν γίνει και για την προβολή δεδομένων ενός ασθενή που ετοιμάζεται για χειρουργείο. Σε εκπαιδευτικά περιβάλλοντα, η AR έχει χρησιμοποιηθεί για να εμπλουτίσει το περιεχόμενο μαθημάτων. Τα βιβλία και το συμπληρωματικό εκπαιδευτικό υλικό, μπορεί να περιέχει ενσωματωμένους markers, τους οποίους σάρωνεις με μια συσκευή AR για να παράγουν συμπληρωματικές πληροφορίες για τον μαθητή, σε μορφή πολυμέσων. [47][48][49] Με αυτόν τον τρόπο, οι μαθητές θα μπορούν να συμμετέχουν διαδραστικά. Οι προσομοιώσεις των ιστορικών γεγονότων, η διερεύνηση και η εκμάθηση λεπτομερειών για κάθε σημαντική περιοχή του χώρου που αυτό το γεγονός έχει συμβεί, θα μπορούσαν να το ζωντανέψουν μπροστά στα μάτια τους. [50] Παρόμοιες εφαρμογές υπάρχουν και για την τριτοβάθμια εκπαίδευση. Το Construct3D επέτρεψε στους μαθητές να μάθουν έννοιες μηχανικής, μαθηματικών και γεωμετρίας. [51] Οι εφαρμογές στον τομέα της χημείας επέτρεψαν στους μαθητές να οπτικοποιήσουν και να αλληλεπιδράσουν με τη χωρική δομή ενός μορίου χρησιμοποιώντας έναν marker. [52] Τέλος, οι σπουδαστές της ανατομίας θα μπορούσαν να αξιοποιήσουν την απεικονίση διάφορων συστήματων του ανθρώπινου σώματος σε τρεις διαστάσεις.

41 Σχήμα 3.13: Συσκευή προβολής υποδόριων φλεβών, VeinViewer [53]

42

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΕΡΓΑΛΕΙΑ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΗΚΑΝ ΣΤΗΝ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ 4.1 Εξαρτήματα (Hardware) Oculus Τι είναι; Η εταιρία Oculus [54] μετράει λίγα χρόνια από την δημιουργία της, καθώς ιδρύθηκε τον Ιούνιο του Σε αυτά τα λίγα χρόνια, όμως, κατάφερε να κερδίσει το ενδιαφέρον και να αγοραστεί από την Facebook, για 2.3 δισεκατομμύρια δολάρια το Η εταιρία εξειδικεύεται στην κατασκευή hardware και software για εφαρμογές εικονικής πραγματικότητας. Μέχρι σήμερα, η εταιρία έχει κυκλοφορήσει τρία HMDs. Τα δύο πρώτα ήταν δοκιμαστικά μοντέλα (Rift DK1 και Rift DK2), για αυτό και δεν έγιναν διαθέσιμα στο ευρύ κοινό, παρά μόνο για χρήση σε ερευνητικές εφαρμογές. Τα δύο αυτά μοντέλα, μέσα από αξιολογήσεις και συμπεράσματα που βγήκαν από την χρήση τους, οδήγησαν στην κατασκευή ενός ολοκληρωμένου προιόντος, το τρίτο μοντέλο της εταιρίας (Rift CV1). Το Rift CV1 είναι πλέον διαθέσιμο στην αγορά. Ας δούμε αναλυτικότερα, τα τεχνικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά των μοντέλων της Oculus. 29

44 30 Εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν στην υλοποίηση Μοντέλα που έχουν κυκλοφορήσει Rift DK1 (Σχήμα 4.1): Λίγους μήνες μετά την ίδρυση της (29 Μαρτίου 2013), η εταιρία κυκλοφόρησε το πρώτο της πρωτότυπο, το οποίο ονομάστηκε Oculus Rift Development Kit 1 (DK1). Το DK1 χρησιμοποιούσε μια οθόνη 7-ιντσών, ρυθμού ανανέωσης 60Hz και συνολικής ανάλυσης 1280x800, που σημαίνει 640x800, ανά μάτι. Επιπλέον περιλάμβανε το νέο Adjacent Reality Tracker (1000Hz) της εταιρίας, με την δυνατότητα να μειωθεί σημαντικά η καθυστέρηση στην παρακολούθηση των κινήσεων του κεφαλιού, από ό,τι σχεδόν οποιοσδήποτε άλλος ανιχνευτής των ανταγωνιστών. Για να επιτευχθεί αυτό, ο ανιχνευτής αξιοποιεί ένα συνδυασμό από γυροσκόπια, επιταχυνσιόμετρα και μαγνητόμετρα τριών αξόνων, τα οποία τον καθιστούν ικανό για παρακολούθηση προσανατολισμού του κεφαλιού (σε σχέση με τη γη), χωρίς προσθετικό σφάλμα. Όμως το βασικό πλεονέκτημα της συγκεκριμένης συσκευής ήταν το οπτικό πεδίο (field of view -FOV), που προσέφερε. Με περισσότερες από 90 μοίρες στον οριζόντιο άξονα και 110 μοίρες στον διαγώνιο, διέθετε πάνω από το διπλάσιο οπτικό πεδίο από αυτό που συναντούσαμε μέχρι τότε σε προηγούμενες VR συσκευές άλλων εταιριών. Σχήμα 4.1: Συσκευή Oculus Rift Developer Kit 1 [55] Rift DK2 (Σχήμα 4.2): Τον Ιούλιο του 2014, το Oculus Rift Development Kit 2 (DK2) έγινε διαθέσιμο στην αγορά. Τα βελτιωμένα χαρακτηριστικά του νέου μοντέλου, έναντι του DK1, αφορούν μεγαλύτερη ανάλυση στην οθόνη, ώστε να αντιστοιχούν 960x1080 pixel ανά μάτι, καθώς επίσης άλλαξε και ο τύπος της, από LCD σε OLED. Αυξήθηκε, επίσης, ο ρυθμός ανανέωσης της οθόνης, από τα 60Hz στα 75Hz, με αποτέλεσμα να μειωθεί αισθητά το cybersickness. Rift CV1 (Σχήμα 4.3): Στις 6 Μαΐου του 2015, ανακοινώθηκε η είσοδος στην αγορά του μοντέλου που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία, Oculus Rift Consumer Version 1 (CV1). Σε αντίθεση με τα προηγούμενα

45 Εξαρτήματα (Hardware) 31 Σχήμα 4.2: Συσκευή Oculus Rift Developer Kit 2 [56] μοντέλα, το CV1 περιέχει δύο οθόνες (μια για το κάθε μάτι) με ανάλυση 1200x1080 ανά μάτι, ακόμη υψηλότερο ρυθμό ανανέωσης στα 90Hz και οπτικό πεδίο 94 μοίρες στον οριζόντιο άξονα και 93 μοίρες στον διαγώνιο. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε βελτιωμένο σύστημα ανίχνευσης κίνησης, τόσο σε ακρίβεια όσο και σε χωρική έκταση, με χρήση ξεχωριστού ανιχνευτή (Σχήμα 4.4). Σχήμα 4.3: Συσκευή Oculus Rift Consumer Version 1 [57] Σχήμα 4.4: Εξωτερικός ανιχνευτής Oculus Rift Consumer Version 1 [58] Καθώς, το CV1, είναι ένα προϊόν που είναι διαθέσιμο στην αγορά για το ευρύ κοινό, προκύπτει η ανάγκη για βελτίωση της εργονομίας και της αισθητικής της συσκευής σε σύγκριση με τις προγενέστερες. Τέλος, προστέθηκε μικρόφωνο καθώς και, υψηλών προδιαγραφών, ζευγάρι ακουστικών, ικανό να αναπαράγει 3D ήχο Τρόπος λειτουργίας Ό προαναφέρθηκε, τα HMD περιέχουν δύο οθόνες ή μια οθόνη χωρισμένη σε δύο ίσα μέρη, ώστε να προβάλουν ελαφρώς μετατοπισμένη την σκηνή του εικονικού περιβάλλοντος σε κάθε μάτι. Με αυτόν τον τρόπο ο χρήστης αντιλαμβάνεται το βάθος στον χώρο. Για να αντιμε-

46 32 Εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν στην υλοποίηση τωπιστεί το πρόβλημα της επίπεδης οθόνης και να δοθεί μια πιο φυσική αίσθηση στον χρήστη, χρησιμοποιούνται ειδικοί φακοί για την στρέβλωση της εικόνας ώστε να φαίνεται πιο σφαιρική. Καθώς μιλάμε για εικονικό περιβάλλον, είναι λογικό κάποιος με την κίνηση του κεφαλιού να περιμένει και την αντίστοιχη αλλαγή στην σκηνή. Για να αναγνωριστούν οι κινήσεις και ο προσανατολισμός του κεφαλιού χρησιμοποιείται ένα σύστημα που αποτελείται από γυροσκόπια, επιταχυνσιόμετρα και μαγνητόμετρα. Για καλύτερη βύθιση στο εικονικό περιβάλλον δίνεται η δυνατότητα στον χρήστη να κινηθεί μέσα σε αυτό. Η ανίχνευση της κίνησης σε αυτήν την περίπτωση γίνεται από συνδυασμό πληροφοριών που λαμβάνονται από τον εξωτερικό ανιχνευτή καθώς και το HMD. Το HMD είναι καλυμμένο στην εξωτερική του επιφάνεια από λυχνίες υπέρυθρου φωτός, το οποίο αναγνωρίζει ο εξωτερικός ανιχνευτής και, με τους κατάλληλους μαθηματικούς υπολογισμούς, μπορεί να αναγνωρίσει την θέση του χρήστη στο εικονικό περιβάλλον. Είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί παραπάνω από ένας εξωτερικός ανιχνευτής, ώστε να καλύπτεται μεγαλύτερος χώρος μέσα στον οποίο μπορεί να κινηθεί ο παίχτης. Για αυτήν την εγκατάσταση χρησιμοποιείται ο όρος κλίμακα δωματίου (room scale) Leap Motion Τ Σχήμα 4.5: Ο αισθητήρας Leap motion [64] Leap Motion [59](Σχήμα 4.5) είναι ένας ανιχνευτής κίνησης των χεριών, με σκοπό να τα αναπαραστήσει στο εικονικό περιβάλλον. Μπορεί να τοποθετηθεί σε μια επίπεδη επιφάνεια μπροστά από τον χρήστη ή χάρη στο μικρό του μεγέθους, μπορεί να τοποθετηθεί ακόμα και πάνω στο HMD. Χρησιμοποιώντας δύο μονοχρωματικές κάμερες IR και τρία υπέρυθρα LED, η συσκευή καλύπτει μια σχεδόν ημισφαιρική περιοχή, σε απόσταση περίπου ενός μέτρου. Οι λυχνίες LED παράγουν υπέρυθρο

47 Εξαρτήματα (Hardware) 33 φως [60] το οποίο αντανακλάται πάνω στα χέρια και επιστρέφει στις κάμερες της συσκευής. Οι κάμερες παράγουν σχεδόν 200 καρέ ανά δευτερόλεπτο με τα δεδομένα από τις αντανακλάσεις του υπέρυθρου φωτός. [61] Στη συνέχεια, τα καρέ αποστέλλονται, μέσω καλωδίου USB, στον υπολογιστή, όπου αναλύονται με το κατάλληλο λογισμικό χρησιμοποιώντας σύνθετα μαθηματικά μοντέλα (με τρόπο που δεν έχει αποκαλυφθεί από την εταιρία). Μέσω του λογισμικού, γίνεται σύγκριση των 3D δεδομένων με τα 2D, τα οποία παράγονται από τις δύο κάμερες, ώστε να γίνει αναγνώριση των σημείων αναφοράς και των συντεταγμένων τους, στα χέρια του χρήστη.[62] Σε μια μελέτη του 2013, παρουσιάστηκε η συνολική μέση ακρίβεια του ελεγκτή ως 0,7 χιλιοστά. [63] Logitech G29 Steering Wheel H τιμονιέρα της logitech, g29[65],(σχήμα 4.6) επιλέχτηκε για την υλοποίηση του συστήματος στα πλαίσια της συγκεκριμένης διπλωματικής, καθώς περιλαμβάνει συμπλέκτη και λεβιέ ταχυτήτων,τα οποία κρίθηκαν απαραίτητα για την ακριβέστερη προσομοίωση οδήγησης αυτοκινήτου με χειροκίνητο κιβώτιο ταχυτήτων. Επίσης, διαθέτει σύστημα ανάδρασης (force feedback), το οποίο προσφέρει πιο ολοκληρωμένη εμπειρία στον χρήστη, καθώς προσομοιώνει τις δυνάμεις, που ασκούνται στον οδηγό, από ένα πραγματικό τιμόνι, κατά την διάρκεια προσπέλασης κακού οδοστρώματος ή προσκρούσεων. Τέλος, έχει την δυνατότητα για περιστροφή 900 μοιρών, που είναι περίπου όσες μοίρες περιστρέφονται τα τιμόνια των συμβατικών αυτοκινήτων. Σχήμα 4.6: Η τιμονιέρα Logitech G29 μαζί με πεντάλ και λεβιέ ταχυτήτων [66]

48 34 Εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν στην υλοποίηση Atomic Α3 Motion System Τ Α3 (Σχήμα 4.7) της Atomic [67] είναι ένα μικρού μεγέθους (συγκριτικά με άλλα) σύστημα κίνησης που μπορεί να παράξει με λεπτομέρεια κινήσεις υψηλής πιστότητας και ισχυρές επιταχύνσεις για να προσφέρει, μια ρεαλιστική εμπειρία οδήγησης. Με ταχύτητες έως 71.2 μοίρες ανά δευτερόλεπτο, σε ένα σύστημα κίνησης διπλού άξονα 27 μοιρών και μέγιστης ροπής 64.4nm. Σχήμα 4.7: Σύστημα προσομοίωσης κίνησης Atomic A3 [68] Σταθμός εργασίας Σ ρόλο στην υλοποίηση του συστήματος προσομοίωσης οδήγησης, στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής, έπαιξε ο σταθμός εργασίας, δηλαδή το υπολογιστικό σύστημα που χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη της εφαρμογής με την οποία ο χρήστης αλληλεπιδρά με το σύστημα. Λόγω υψηλών απαιτήσεων των εξαρτημάτων (hardware) που συνθέτουν το σύστημα, αποδείχθηκε απαραίτητο ένα σύγχρονο, υψηλών δυνατοτήτων μηχάνημα, ώστε να αντεπεξέλθει ικανοποιητικά στους πολυάριθμους υπολογισμούς, που απαιτούνται, ανά δευτερόλεπτο, κατά την διάρκεια που η εφαρμογή βρίσκεται σε λειτουργία. Το σύστημα, που χρησιμοποιήθηκε, αποτελείται από μια κεντρική υπολογιστική μονάδα Intel Core i7-6700k, μια κάρτα γραφικών Nvidia GeForce GTX 1060 και 16GB RAM.

49 Λογισμικό (Software) Λογισμικό (Software) Unity Game Engine Μ παιχνιδιών (Game Engine) ονομάζεται το λογισμικό που είναι σχεδιασμένο για τη δημιουργία και την ανάπτυξη ηλεκτρονικών παιχνιδιών. Χρησιμοποιούνται για την κατασκευή παιχνιδιών για κονσόλες, φορητές συσκευές, αλλά και προσωπικούς υπολογιστές Οι βασικές λειτουργίες που συνήθως παρέχονται από μια μηχανή παιχνιδιών περιλαμβάνουν μια μηχανή σχεδίασης (renderer) για 2D ή 3D γραφικά, μηχανή φυσικής, ήχο, scripting, animation, τεχνητή νοημοσύνη, διαχείρηση μνήμης, παράλληλη επεξεργασία, το γράφημα σκηνής (scene graph) και μπορεί να περιλαμβάνει υποστήριξη βίντεο για κινηματογραφική προβολή. Η διαδικασία της ανάπτυξης παιχνιδιών συχνά εξοικονομεί πόρους σε μεγάλο βαθμό, από την επαναχρησιμοποίηση / προσαρμογή της ίδιας μηχανής παιχνιδιών για τη δημιουργία διαφορετικών παιχνιδιών ή για να διευκολυνθεί η μεταφορά των παιχνιδιών σε πολλαπλές πλατφόρμες. Σχήμα 4.8: Το λογότυπο της μηχανής παιχνιδιών Unity 5 [69] Η Unity [71] (Σχήμα 4.8) είναι μια μηχανή παιχνιδιών με δυνατότητα ανάπτυξης παιχνιδιών για πολλαπλές πλατφόρμες που αναπτύχθηκε από την Unity Technologies [70], η οποία χρησιμοποιείται κυρίως για την ανάπτυξη βιντεοπαιχνιδιών και προσομοιώσεων για υπολογιστές, κονσόλες και φορητές συσκευές. Παρά την πληθώρα δυνατοτήτων που προσφέρει η Unity, δεν παύει να είναι μια καλή μηχανή γραφικών για κάποιον που θέλει να ξεκινήσει να ασχολείται με την ανάπτυξη κάθε είδους παιχνιδιού, καθώς υπάρχει μεγάλου εύρους κοινότητα, που προσφέρει υποστήριξη και υλικό εκμάθησης. (Σχήμα 4.9)

50 36 Εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν στην υλοποίηση Σχήμα 4.9: Το περιβάλλον ανάπτυξης της Unity Oculus App Η Oculus πέρα από την κατασκευή του HMD (hardware), έχει δημιουργήσει αντίστοιχο λογισμικό (Σχήμα 4.10), το οποίο θα επιτρέπει στους απλούς χρήστες να βαθμονομούν, να χρησιμοποιούν και να διαχειρίζονται το HMD, μέσα από τον υπολογιστή τους. Έχει, επίσης, δημιουργηθεί ένα ηλεκτρονικό κατάστημα μέσω του οποίου οι χρήστες έχουν την δυνατότητα να αγοράζουν απευθείας τα παιχνίδια εικονικής πραγματικότητας που επιθυμούν. Πέρα από τους απλούς χρήστες, η εταιρία, έχει φροντίσει να διαθέσει στους προγραμματιστές τα κατάλληλα εργαλεία ανάπτυξης εφαρμογών για τις συσκευές της Leap Motion App Home Ό η Oculus, έτσι και η Leap έχει το δικό της ηλεκτρονικό κατάστημα με εφαρμογές και κατάλληλο λογισμικό (Σχήμα 4.11), για την διαχείριση και χρήση του Leap Motion. Επιπρόσθετα, με τον ερχομό του τελευταίου kit ανάπτυξης λογισμικού που κυκλοφόρησε από την εταιρία, με ονομασία Orion, πλέον υποστηρίζεται η χρήση της συσκευής σε συνδυασμό με συγκεκριμένα HMD (π.χ. Oculus Rift, HTC Vive, κ.α. ), το οποίο μειώνει αισθητά τον χρόνο που πρέπει να αφιερώσουν οι προγραμματιστές, για την κατασκευή εφαρμογών, που αξιοποιούν και τις δυο συσκευές.

51 Λογισμικό (Software) 37 Σχήμα 4.10: Το λογισμικό της Oculus Logitech Gaming Software Γ την χρήση της τιμονιέρας, απαραίτητο και σε αυτήν την περίπτωση ήταν το αντίστοιχο λογισμικό της εταιρίας (Σχήμα 4.12). Η Logitech έχει δημιουργήσει το Logitech Gaming Software, το οποίο επιτρέπει στον χρήστη να διαχειρίζεται και να τροποποιεί όλες τις παραμέτρους κάθε υποστηριζόμενου προϊόντος της. Στην περίπτωσή μας, μέσω του συγκεκριμένου λογισμικού μπορούμε να τροποποιήσουμε παραμέτρους του τιμονιού και των πεταλιών, για παράδειγμα την σκληρότητα τους, την λειτουργία κάθε κουμπιού και την μέγιστη περιστροφή του τιμονιού AMS Simphynity Τ λογισμικό της Atomic ονομάζεται AMS Simphynity (Σχήμα 4.13) και δίνει την δυνατότητα χρήσης διαφορετικού προφίλ ρυθμίσεων σε κάθε εφαρμογή ξεχωριστά. Μερικές από τις παραμέτρους, που μπορούν να τροποποιηθούν είναι η ένταση της κίνησης και επιτάχυνσης, η απόσταση που θα διανύει το κάθισμα ανάλογα με την ένταση της κίνησης, η καμπύλη εξόδου της κίνησης και η αρχική θέση του καθίσματος.

52 Σχήμα 4.11: Το λογισμικό της Leap motion Σχήμα 4.12: Το λογισμικό της Logitech

53 Σχήμα 4.13: Το λογισμικό της Atomic [72]

54

55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ & ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ 5.1 Εισαγωγή Α της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας, όπως έχει προαναφερθεί και περιγραφεί στα προηγούμενα κεφάλαια, είναι ο σχεδιασμός και η υλοποίηση ενός συστήματος προσομοίωσης οδήγησης, με την χρήση εικονικής πραγματικότητας. Στόχος, του υπό σχεδίαση συστήματος, είναι η εξάσκηση και εκπαίδευση των οδηγών στην χρήση εφαρμογής επαυξημένης πραγματικότητας, κατά την διαδικασία ασφαλούς οδήγησης. Το σύστημα αποτελείται από τα υλικά του μέρη που είναι ένας υπολογιστης, μια motion chair, το leap motion, το oculus και μια τιμονιέρα που συμπεριλαμβάνει πετάλια, συμπλέκτη και λεβιέ, καθώς και τα λογισμικά που ελέγχουν και συντονίζουν τα υλικά μέρη, όπως η unity, το oculus app κ.λ.π και δημιουργούν την διεπαφή με την οποία αλληλεπιδρά ο χρήστης. Όσον αφορά την διεπαφή εικονικής πραγματικότητας, χρησιμοποιήθηκαν έτοιμα μοντέλα οχήματος, οδηγού και γυαλιών που προσομοιώνουν τα γυαλιά επαυξημένης πραγματικότητας που θα φορούσε ο οδηγός. Ο χρήστης κάθεται στην καρέκλα κίνησης με τα χέρια στην τιμονιέρα, φορώντας το oculus μέσα απ το οποίο προβάλλεται το εικονικό περιβάλλον. Με την σύνδεση της τιμονέριας με το εικονικό τιμόνι ο χρήστης λαμβάνει ανάδραση από την κίνηση των χεριών του στην πραγματικότητα, στον εικονικό κόσμο, καθώς βλέπει και το τιμόνι και το όχημα να κινεί- 41

56 42 Σχεδιασμός & υλοποίηση εφαρμογής ται αναλόγως. Παράλληλα εμφανίζονται πληροφορίες από τα γυαλιά στο μπροστινό τζάμι του οχήματος, με πληροφορίες σχετικά με τη ταχύτητα και οικολογική οδήγηση κ.α Διεπαφή χρήστη Προσομοίωση περιβάλλοντος Ό αναφέρθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο (βλ. Κεφάλαιο 4), χρησιμοποιήθηκε η μηχανή γραφικών Unity. Αρχικά χρησιμοποιήθηκε και μελετήθηκε ένα από τα έτοιμα δοκιμαστικά προγράμματα, που παρέχει η συγκεκριμένη μηχανή γραφικών. Ένα απλό αγωνιστικό παιχνίδι, το οποίο χρησιμοποιήθηκε σαν αναφορά, για τον σχεδιασμό και την υλοποίηση του προσομοιωτή. Βασικό στοιχείο του συστήματος αποτελεί το μοντέλο του οχήματος που θα χρησιμοποιηθεί. Οι βασικές απαιτήσεις που θα πρέπει να ικανοποιεί το μοντέλο είναι οι εξής: Να διαθέτει εξωτερική και εσωτερική όψη. Το τιμόνι, οι ρόδες και τα τζάμια να είναι ξεχωριστά αντικείμενα Tο τζάμι θα πρέπει να έχει το αντίστοιχο διαφανές υλικό ώστε να επιτρέπει την ορατότητα στην υπόλοιπη πίστα. Μετά από εκτεταμένη έρευνα και αναζήτηση, βρέθηκε ένα μοντέλο αυτοκινήτου που ικανοποιεί όλα τα παραπάνω. Το επόμενο βήμα ήταν η εύρεση του μοντέλου του οδηγού. Σε αυτήν την περίπτωση η λύση ήταν απλή καθώς δεν υπήρχαν πολλές απαιτήσεις ή περιορισμοί. Αρκούσε μια απλή αναζήτηση στο Asset Store της Unity. Το τρίτο και τελευταίο μοντέλο που χρειαστήκαμε ήταν για τα γυαλιά που φοράει ο οδηγός, όπου θα γίνεται η απεικόνιση της επαυξημένης πληροφορίας. Σε αυτήν την περίπτωση, χρησιμοποιήθηκε ένα απλό μοντέλο γυαλιών πάνω στο οποίο προστέθηκε πεδίο για την προβολή του ψηφιακού περιεχομένου. [74][75] Προσομοίωση επαύξησης Ό ο χρήστης φοράει το HMD βλέπει τον εικονικό κόσμο μέσα από ένα ζευγάρι γυαλιά επαυξημένης πραγματικότητας. Για την υλοποίηση ενός προσομοιωτή εικονικής πραγματικότητας χρησιμοποιήσαμε ένα μοντέλο γυαλιών και προσθέσαμε μπροστά από αυτό ένα τετραγωνικό γυάλινο πλαίσιο μέσα από το οποίο ο χρήστης θα βλέπει τα αιωρούμενα δεδομένα. Η επαύξηση της πραγματικότητας θα πραγματοποιείται με ψη-

57 Διεπαφή χρήστη 43 φιακές πληροφορίες στον ανεμοθώρακα του αυτοκινήτου. Οι πληροφορίες θα αφορούν την οδήγηση. Τα δεδομένα που θα εμφανίζονται, θα μας βοηθήσουν να δημιουργήσουμε ένα προφίλ για το πόσο οικολογικός είναι ο τρόπος οδήγησης του χρήστη μας. Τα δεδομένα που επιλέχτηκαν ήταν τα εξής έξι: Μέση τιμή των στροφών του κινητήρα του αυτοκινήτου κάθε φορά που ανεβαίνει η σχέση του κιβωτίου ταχυτήτων. Μέση τιμή των στροφών του κινητήρα του αυτοκινήτου κάθε φορά που κατεβαίνει η σχέση του κιβωτίου ταχυτήτων. Ποσοστιαίος χρόνος κατά τον οποίο δεν δίνουμε καμία είσοδο στο αυτοκίνητο (γκάζι ή φρένο) δια του συνολικού χρόνου οδήγησης. (Engine Break) Ταχύτητα Ταξιδίου, όταν το αυτοκίνητο έχει την μέγιστη σχέση στο κιβώτιο ταχυτήτων και σχετικά σταθερή ταχύτητα. (Cruising Speed) Το σύνολο των απότομων φρεναρισμάτων. (Sudden Breaks) Μέση τιμή επιτάχυνσης του οχήματος Χειρισμός Σ αυτή την ενότητα της εργασίας θα αναφερθούμε στον χειρισμό του συστήματος προσομοίωσης. Υπάρχει η δυνατότητα για χρήση του πληκτρολογίου ενώ το όχημα βρίσκεσαι στην αυτόματη εναλλαγή ταχυτήτων, κυρίως για δοκιμαστικούς σκοπούς. Το σύστημα προσομοίωσης προορίζεται για χρήση με το τιμόνι σε λειτουργία χειροκίνητης εναλλαγής ταχυτήτων. Ενώ οι τιμές εισόδου που δεχόμαστε από το πληκτρολόγιο είναι 0 ή 1, το τιμόνι έχει διαφορετικές τιμές εισόδου. Αυτό το εύρος τιμών προσφέρει έλεγχο υψηλής ακρίβειας του αυτοκίνητου. Την είσοδο που δεχόμαστε από την περιστροφή του τιμονιού, την χρησιμοποιούμε και για την περιστροφή του εικονικού τιμονιού εκτός από την περιστροφή των τροχών. Τα πετάλια γκαζιού, φρένου και συμπλέκτη εκτελούν τις προβλεπόμενες λειτουργίες τους, την επιτάχυνση του οχήματος, την επιβράδυνση και την αποσύμπλεξη της μηχανής από το σύστημα κίνησης του αυτοκινήτου αντίστοιχα. Με τον λεβιέ επιλέγουμε μέσα σε επτά διαφορετικές σχέσεις (έξι σχέσεις εμπρόσθιας κίνησης και μία όπισθεν) σύμπλεξης του κιβωτίου ταχυτήτων. Πέρα από αυτές τις βασικές και απαραίτητες λειτουργίες που αναφέρθηκαν, έχουν προστεθεί και μερικά επιπλέον πλήκτρα για την διαχείριση της διεπαφής με στόχο την βελτίωση της εμπειρίας του χρήστη. Με τα πλήκτρα 20 και 21 του τιμονιού (εικόνα από το κεφάλαιο με τον εξοπλισμό, στο software) ο χρήστης μπορεί να μετακινήσει τα παράθυρα επαυξημένης πραγματικότητας στο οριζόντιο άξονα για αντιστοίχηση του περιεχομένου που προβάλλεται μέσα από αυτά. Με τα πλήκτρα 3 και 4 γίνεται η βαθμονόμηση του τιμονιού και του λεβιέ ταχυτήτων αντίστοιχα. Τέλος με την χρήση του πλήκτρου 25, το σύστημα προσομοίωσης εκκινεί από την αρχή.

58 44 Σχεδιασμός & υλοποίηση εφαρμογής 5.3 Πειραματική Εγκατάσταση Γ την πειραματική εγκατάσταση έπρεπε να στήσουμε και να συνδέσουμε μεταξύ τους κατάλληλα τα υλικά μέρη. Προσαρμόστηκε πάνω στην πλατφόρμα κίνησης το τιμόνι, ο λεβιές και η πεταλιέρα. Έπειτα, με την χρήση της ειδικής βάσης τοποθετήσαμε τον αισθητήρα Leap Motion στο κέντρο του Oculus (Σχήμα 5.1), ώστε να ανιχνεύει με ακρίβεια τα χέρια του οδηγού. Τέλος, με την χρήση ενός τρίποδου τοποθετήθηκε μπροστά από την πλατφόρμα κίνησης ο εξωτερικός ανιχνευτής του Oculus και συνδέθηκε με τον σταθμό εργασίας. (Σχήμα 5.2) Σχήμα 5.1: Ο αισθητήρας Leap motion τοποθετημένος πάνω στο Oculus Rift CV1 Σχήμα 5.2: Ολόκληρη η πειραματική εγκατάσταση

59 Πειραματική Εγκατάσταση Σύστημα πλοήγησης Ανάδραση τιμονιού Όπως αναφέρθηκε και σε προηγούμενο κεφάλαιο, ένα από τα κριτήρια επιλογής του συγκεκριμένου τιμονιού ήταν η δυνατότητα που μας δίνει η συγκεκριμένη τιμονιέρα για απτική αλληλεπίδραση με τον χρήστη. Όταν ένα κανονικό αυτοκίνητο βρίσκεται σε κίνηση, στο τιμόνι ασκείται μια δύναμη επαναφοράς προς την αρχική του κατάσταση, την μηδενική περιστροφή. (Σχήμα 5.3) Σχήμα 5.3: Δυνάμεις επαναφοράς προς την αρχική κατάσταση που ασκούνται στο τιμόνι Για την προσομοίωση αυτής της δύναμης επαναφοράς, ελέγχουμε σε κάθε στιγμή την περιστροφή του τιμονιού και δίνουμε μια μικρή σταθερής τιμής δύναμη προς την αντίθετη κατεύθυνση από αυτήν που έχει γίνει η περιστροφή. Αυτή η δύναμη μηδενίζεται όταν το τιμόνι βρεθεί στην αρχική κατάσταση, δηλαδή με μηδενική περιστροφή προς τον άξονά του.(σχήμα 5.4) Στην συνέχεια, ασχοληθήκαμε με την ανάδραση του τιμονιού όταν το όχημα βρίσκεται εκτός του οδοστρώματος. Το εικονικό τιμόνι περιστρέφεται αντίστοιχα με την περιστροφή του πραγματικού τιμονιού. Επίσης, προστέθηκαν δυνάμεις επαναφοράς και όταν το αυτοκίνητο βγαίνει εκτός του οδοστρώματος να δίνει την αίσθηση των τρανταγμάτων. Είναι συνηθισμένο όταν θέλουμε τα αντικείμενα να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους στο εικονικό περιβάλλον να τα περιβάλλουμε με ένα νοητό κουτί (bounding box) (Σχήμα 5.5). Αυτό το κουτί οριοθετεί την περιοχή στην οποία βρίσκεται το αντικείμενο και απλοποιεί κατά πολύ τους υπολογισμούς, καθώς η γεωμετρία του είναι αρκετά πιο απλή από αυτή του μοντέλου. Η Unity έχει έτοιμο ένα κουτί ειδικά για ρόδες αυτοκινήτου το οποίο μας επιστρέφει το αντικείμενο με το οποίο έρχεται σε επαφή κάθε χρονική στιγμή η κάθε ρόδα. Επομένως, γνωρίζουμε πότε το αυτοκίνητο

60 46 Σχεδιασμός & υλοποίηση εφαρμογής Σχήμα 5.4: Διάγραμμα ροής σταθερών δυνάμεων που ασκούνται στο τιμόνι πατάει στο οδόστρωμα και πότε όχι. Όταν μια ρόδα βγαίνει εκτός οδοστρώματος προστίθεται μια δύναμη τρανταγμάτων, που δίνει την αίσθηση ανισόπεδου εδάφους στο τιμόνι. (Σχήμα 5.6) Με την ολοκλήρωση την υλοποίησης του τιμονιού το εφαρμόσαμε στην πλατφόρμα κίνησης. Τότε συνειδητοποιήσαμε την σημαντικότητα της αντιστοιχίας των θέσεων των εξαρτημάτων του τιμονιού στον εικονικό και στον πραγματικό κόσμο. Με την χρήση του Leap motion υλοποιήθηκε μια μέθοδος για την βαθμονόμηση του τιμονιού και του λεβιέ ταχυτήτων ώστε να αποφεύγουμε αθέμιτες αποκλείσεις. Το επόμενο πρόβλημα με το οποίο ήρθαμε αντιμέτωποι ήταν η αδυναμία ανίχνευσης των χεριών με την χρήση του αισθητήρα όταν αυτά είναι τοποθετημένα πάνω στο τιμόνι κατά την οδήγηση.

61 Πειραματική Εγκατάσταση 47 Σχήμα 5.5: Παράδειγμα του bounding box ενός 3D μοντέλου [73] Βαθμονόμηση τιμονιού και λεβιέ ταχυτήτων Ο αριθμός των αισθήσεων που χρησιμοποιούνται σε έναν προσομοιωτή επηρεάζει σημαντικά τον βαθμό ρεαλιστικότητας και εμβύθισης που επιτυγχάνει. Για να αυξήσουμε τον βαθμό ρελιστικότητας αξιοποιήσαμε την αίσθηση της αφής. Χρησιμοποιώντας ένα κανονικό τιμόνι στην ίδια τοποθεσία με το εικονικό ο οδηγός εμβυθίζεται περισσότερο μέσα στον προσομοιωτή. Όμως, η απόλυτη αντιστοίχηση ενός αντικειμένου στον εικονικό με τον πραγματικό κόσμο είναι μια αρκετά περίπλοκη και δύσκολη διαδικασία. Λόγω του διαφορετικού ύψους του κάθε οδηγού δεν γνωρίζουμε την θέση του συγκριτικά με το πραγματικό τιμόνι ώστε να τοποθετηθεί κατάλληλα και το εικονικό. Σε αυτήν την περίπτωση προσθέσαμε την δυνατότητα στον χρήστη να μετακινεί το τιμόνι και τον λεβιέ ταχυτήτων κατά την εκκίνηση του προσομοιωτή. Με το πάτημα ενός πλήκτρου ξεκινάει η βαθμονόμηση του τιμονιού. Χρησιμοποιώντας το Leap Motion γνωρίζουμε με αρκετά μεγάλη ακρίβεια που βρίσκονται τα χέρια στον χώρο, την κατεύθυνση που δείχνει το εσωτερικό της παλάμης καθώς επίσης και αν το χέρι είναι ανοιχτό ή σε γροθιά. Συνδυάζοντας όλες αυτές τις πληροφορίες που δεχόμαστε από τον αισθητήρα, υλοποιήσαμε τον βαθμονομητή όπως φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα ροής δεδομένων. (Σχήμα 5.7) Αρχικά γίνεται ο έλεγχος για την κατεύθυνση που δείχνει το εσωτερικό της κάθε παλάμης. Επιθυμητό είναι και οι δύο παλάμες να δείχνουν προς το τιμόνι. Είναι εύκολο να καταλάβει κανείς, ότι είναι σχεδόν απίθανο το κάθετο διάνυσμα της παλάμης να είναι παράλληλο με τον οριζόντιο άξονα του τιμονιού. Για αυτόν τον λόγο, δώσαμε ένα εύρος σφάλματος ως

62 48 Σχεδιασμός & υλοποίηση εφαρμογής Σχήμα 5.6: Διάγραμμα ροής δυνάμεων ανισόπεδου οδοστώματος προς την κατεύθυνση του διανύσματος. Στις παρακάτω εικόνες φαίνονται οι παλάμες των χεριών (Σχήματα 5.9,5.8). Οι εσωτερικοί κύκλοι είναι τα όρια για την ενεργοποίηση της χειρονομίας και οι εξωτερικοί κύκλοι τα όρια για την απενεργοποίηση. Η Άσπρη γραμμή δείχνει την κατεύθυνση στην οποία ενεργοποιείται η χειρονομία μας. Όταν οι εσωτερικοί κύκλοι είναι πράσινοι η χειρονομία είναι ενεργοποιημένη, ενώ όταν είναι κόκκινοι είναι απενεργοποιημένη. Το δεύτερο βήμα είναι το άνοιγμα των χεριών και η τοποθέτηση αυτών δεξιά και αριστερά από το πραγματικό τιμόνι (Σχήματα 5.10, 5.11). Με αυτόν τον τρόπο το τιμόνι τοποθετείται και αλλάζει μέγεθος (αν χρειαστεί) ώστε να έρθει όσο πιο κοντά στο πραγματικό γίνεται. Με παρόμοιο τρόπο, αλλά αυτήν την φορά μόνο με την χρήση του δεξιού χεριού, γίνεται η βαθμονόμηση του λεβιέ ταχυτήτων. Με την χρήση την χειρονομίας ώστε να γνωρίζουμε πότε το διάνυσμα της παλάμης δείχνει προς τα κάτω. Σε αυτήν την περίπτωση, το δεύτερο βήμα είναι το κλείσιμο την παλάμης πάνω στον λεβιέ (Σχήμα 5.12). Τότε ο εικονικός λεβιές τοποθετείται σε θέση αντίστοιχη με τον πραγματικό λεβιέ. Όταν τελειώσει η διαδικασία της βαθμονόμησης και σε όλη την διάρκεια της εικονικής οδήγησης, χρησιμοποιείται η ίδια μέθοδος για να μετακινείται ο λεβιές κατά την διάρκεια αλλαγής ταχυτήτων.

63 Πειραματική Εγκατάσταση 49 Σχήμα 5.7: Διάγραμμα ροής βαθμονόμησης τιμονιού και λεβιέ ταχυτήτων Σχήμα 5.8: Απενεργοποιημένη χειρονομία κατεύθυνσης παλάμης Σχήμα 5.9: Ενεργοποιημένη χειρονομία κατεύθυνσης παλάμης Ανίχνευση επαφής χεριών του χρήστη με το τιμόνι Ο αισθητήρας Leap Motion τοποθετήθηκε στο μπροστινό μέρος του Oculus. Σε προηγούμενο κεφάλαιο αναφέρθηκε το ευρύ πεδίο ανίχνευσης του αισθητήρα και η ακρίβεια εντόπισης των χεριών του χρήστη, όμως για τον εντοπισμό των χεριών πρέπει ο αισθητήρας να έχει άμεση οπτική επαφή με τα χέρια του χρήστη, κάτι που δεν ισχύει πάντα στην περίπτωσή μας. Όταν ο οδηγός κρατάει το τιμόνι, ένα μεγάλο μέρος των χεριών κρύβεται πίσω από αυτό καθιστώντας τον αισθητήρα ανίκανο να εκτιμήσει την ακριβή θέση των χεριών και ειδικά των δακτύλων. Για να αντιμετωπισθεί αυτή η ανεπιθύμητη κατάσταση αποφασίστηκε ότι όταν τα χέρια βρίσκονται κοντά στο τιμόνι θα τοποθετούνται ακίνητα, ανεξάρτητα από τις ενδείξεις του αισθητήρα, σε μια συγκεκριμένη θέση (Σχήμα 5.13). Στην προσπάθεια επίλυσης του συγκεκριμένου ζητήματος βρεθή-

64 50 Σχεδιασμός & υλοποίηση εφαρμογής Σχήμα 5.10: Τοποθέτηση χεριών για την βαθμονόμηση του τιμονιού (πρώτη οπτική) Σχήμα 5.11: Τοποθέτηση χεριών για την βαθμονόμηση του τιμονιού (δεύτερη οπτική) Σχήμα 5.12: Τοποθέτηση δεξιού χεριού για την βαθμονόμηση του λεβιέ ταχυτήτων καμε αντιμέτωποι με το λειτουργικό που επιτρέπει την σχεδίαση των χεριών στον πραγματικό κόσμο. Το Leap Motion είναι ένα σχετικά καινούριο ακόμα προϊόν του οποίο ο τρόπος λειτουργίας ακόμα τροποποιείται. Λόγω των συνεχών αλλαγών και του μη αναλυτικού εγχειριδίου λειτουργίας αυτό το πρόβλημα αποδείχτηκε πιο περίπλοκο από ότι είχε εκτιμηθεί αρχικά. Δεν ήταν δυνατή η τροποποίηση του μετασχηματισμού της θέσεις τον χεριών, που παρέχεται από τον αισθητήρα. Λαμβάνοντας αυτά υπόψιν η λύση που επιλέχθηκε ήταν η τοποθέτηση ενός καινούργιου ξεχωριστού μοντέλου χεριών τοποθετημένα στην επιθυμητή θέση και εναλλαγή μεταξύ των δύο μοντέλων όταν τα χέρια πιάνουν το τιμόνι. Και σε αυτήν την περίπτωση χρησιμοποιούμε την χειρονομία που χρησιμοποιήσαμε στην βαθμονόμηση για να πάρουμε το διάνυσμα που είναι κάθετο στην παλάμη. Το δεύτερο βήμα ήταν ο έλεγχος της απόστασης τον χεριών από το τιμόνι. Όταν τα χέρια εισέλθουν ή εξέλθουν από μια περιοχή γύρω από το τιμόνι τότε

65 Πειραματική Εγκατάσταση 51 Σχήμα 5.13: Εικονικά χέρια που βρίσκονται τοποθετημένα πάνω στο τιμόνι εναλλάσσονται τα δύο μοντέλα των εικονικών χεριών Υλοποίηση εικονικού περιβάλλοντος Η δημιουργία ενός μοντέλου μηχανής αυτοκινήτου εκ του μηδενός είναι μια αρκετά περίπλοκη διαδικασία που απαιτεί πολύ καλή γνώση των επιμέρους τμημάτων του αυτοκινήτου, από την τροφοδοσία της μηχανής με καύσιμο κατά το πάτημα του γκαζιού μέχρι τις δυνάμεις που ασκούνται στις ρόδες του αυτοκινήτου από το σύστημα κίνησης και το οδόστρωμα. Για αυτόν τον λόγο χρησιμοποιήθηκε ως πρότυπο ένα έτοιμο μοντέλο που βρέθηκε σε μια εργασία ανοιχτού κώδικα [76]. Αρχικά ορίσαμε το βάρος του αυτοκινήτου και των τροχών. Έπειτα ορίσαμε ότι η κίνηση και η πηδαλιούχηση θα βρίσκεται στους μπροστινούς τροχούς του αυτοκινήτου. Δημιουργήσαμε μεταβλητές για την μέγιστη ροπή που μπορεί να προσφέρει η μηχανή καθώς και την μέγιστη ροπή που μπορούν να προσφέρουν τα φρένα, την μέγιστη γωνία περιστροφής των τροχών και τις ελάχιστες και μέγιστες στροφές της μηχανής. Στην συνέχεια δόθηκαν οι σχέσεις μετάδοσης για κάθε ταχύτητα. Τι είναι όμως οι σχέσεις μετάδοσης; Οι μηχανές εσωτερικής καύσης που κινούν τα σημερινά αυτοκίνητα λειτουργούν σε ένα συγκεκριμένο εύρος στροφών το οποίο για τους βενζινοκινητήρες ξεκινά από τις 800 περίπου στροφές ανά λεπτό και φτάνει μέχρι τις (για τους ντίζελ τα αντίστοιχα νούμερα είναι ). Μέσα σ αυτήν τη διαπασών των στροφών οι κινητήρες δεν αποδίδουν την ίδια ισχύ ούτε την ίδια ροπή. Η μεν ισχύς αυξάνεται προοδευτικά με την άνοδο των στροφών του κινητήρα η δε ροπή παίρνει τη μέγιστη τιμή της στο μέσον περίπου της διαπασών των στροφών. Πρακτικά αυτό σημαίνει ότι ο κινητήρας του αυτοκινήτου μας δεν έχει την ίδια «δύναμη» σε όλη την κλίμακα των στροφών αλλά η δύναμη του αυξάνεται καθώς πιέζουμε το πεντάλ του γκαζιού και ανεβαίνουν οι στροφές. Από την άλλη μεριά το αυτοκίνητο δεν έχει ανάγκη από την ίδια προωθητική δύναμη κατά τη διάρκεια της κίνησής του, μιας και οι συνθήκες και κατά συνέπεια και η αντίσταση που βρίσκει στην κίνησή του διαρκώς μεταβάλλονται. Καθένας

66 52 Σχεδιασμός & υλοποίηση εφαρμογής καταλαβαίνει ότι όταν το αυτοκίνητο κινείται σε ανηφορικό δρόμο χρειάζεται περισσότερη δύναμη για να κινηθεί από ότι όταν κινείται σε ίσιο δρόμο. Περισσότερη δύναμη χρειάζεται επίσης όταν το αυτοκίνητο ξεκινά και λιγότερη για να διατηρήσει την ταχύτητα που ήδη έχει όταν κινείται. Για να βεβαιωθείτε για τα παραπάνω δοκιμάστε να σπρώξετε ένα φορτωμένο καρότσι. Θα δείτε ότι θα δυσκολευτείτε στο ξεκίνημα, ενώ στη συνέχεια τα πράγματα θα είναι πιο εύκολα για σας. Σε ανάλογη θέση βρίσκεται και ο κινητήρας του αυτοκινήτου. Χρειάζεται λοιπόν να ανέβουν οι στροφές του κινητήρα για να έχουμε στη διάθεσή μας δύναμη. Όμως αν τ αυτοκίνητα ξεκινούσαν με τον κινητήρα να δουλεύει στις 4000 ή στις 5000 στροφές, ώστε να έχει την απαιτούμενη δύναμη για να επιταχύνει ικανοποιητικά το αυτοκίνητο, ακόμα και αν υπήρχαν τα κατάλληλα συστήματα μετάδοσης που να εξασφαλίζουν την απότομη μετάδοση της κίνησης στους τροχούς, τα λάστιχα δεν θα άντεχαν πολλές τέτοιες εκκινήσεις. Γιατί δεν υπάρχει λάστιχο που να μπορεί να διατηρήσει την επαφή του με το οδόστρωμα κάτω από αυτές τις συνθήκες. Θα είχαμε λοιπόν «σπινάρισμα» που γρήγορα θα οδηγούσε στο «κάψιμο» των ελαστικών. Στην υποθετική περίπτωση τέλος που θα υπήρχαν τόσο τα κατάλληλα λάστιχα όσο και τα κατάλληλα συστήματα μετάδοσης, δεν θα ήταν ιδιαίτερα ευχάριστη για τους επιβάτες η απότομη εκκίνηση. Από την άλλη μεριά αν τ αυτοκίνητα ξεκινούσαν με τον κινητήρα να προσπαθεί να ανεβάσει στροφές από το ρελαντί τότε πέρα από το γεγονός του ότι οι επιδόσεις θα χειροτέρευαν δραματικά, σε πολλές περιπτώσεις (εκκίνηση σε δρόμο με μεγάλη ανωφέρεια) το αυτοκίνητο απλώς δεν θα μπορούσε να ξεκινήσει. Τη λύση στο πρόβλημα τη δίνει εδώ και πάρα πολλά χρόνια το κιβώτιο ταχυτήτων που συνοδεύεται από τον απαραίτητο συμπλέκτη. Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι ένας μηχανισμός αποτελούμενος από οδοντωτούς τροχούς (γρανάζια) που χρησιμεύει για την προσαρμογή της ροπής και των στροφών του κινητήρα στις ανάγκες της κίνησης. Τα γρανάζια κινούν το ένα το άλλο σε διαφορετικούς συνδυασμούς, η κίνηση δηλαδή δεν «περνά» από όλα τα γρανάζια κάθε φορά, αλλά από συγκεκριμένα, ανάλογα με τη σχέση που επιλέγει ο οδηγός. Ο κάθε τέτοιος συνδυασμός εξασφαλίζει διαφορετική σχέση μετάδοσης. Κάθε σχέση μετατρέπει σε διαφορετικό βαθμό τη ροπή («δύναμη» που έχει το αυτοκίνητο) και τις στροφές που μεταδίδονται από τον κινητήρα στους τροχούς. Στην περίπτωση που η ροπή μεγαλώνει οι στροφές μειώνονται και αντίστροφα. Περισσότερη δύναμη έχουμε όσο προχωράμε από την 5η ή την 4η σχέση προς την 1η. Αυτός είναι και ο λόγος που όταν ξεκινάμε (οπότε χρειαζόμαστε δύναμη) επιλέγουμε την 1η ταχύτητα και στη συνέχεια επιλέγουμε 2η, 3η κ.ο.κ. Για τον ίδιο λόγο όταν ο δρόμος γίνεται ανηφορικός ή όταν θέλουμε να προσπεράσουμε κάποιο αυτοκίνητο «κατεβάζουμε ταχύτητα», επιλέγουμε δηλαδή την 3η αν προηγουμένως είχαμε επιλέξει 4η ή την 2η αν είχαμε επιλέξει την 3η ή ακόμα μπορεί να χρειαστεί να «κατεβάσουμε» δύο ταχύτητες

67 Πειραματική Εγκατάσταση 53 μαζί. Ό,τι κερδίζουμε όμως σε δύναμη το χάνουμε σε ταχύτητα, αφού οι τροχοί περιστρέφονται με μικρότερη συχνότητα (λιγότερες στροφές), όταν έχει επιλεγεί για παράδειγμα η 1η και με μεγαλύτερη όταν έχει επιλεγεί η 3η ή η 4η. Γι αυτόν το λόγο η μέγιστη ταχύτητα των αυτοκινήτων επιτυγχάνεται με 4η ή με 5η. Οι αλλαγές των σχέσεων δεν θα μπορούσαν να γίνουν αν δεν υπήρχε δυνατότητα διακοπής της μετάδοσης της κίνησης από τον κινητήρα στο κιβώτιο. Σε αυτήν την περίπτωση δεν θα μπορούσαμε ούτε να σταματήσουμε το αυτοκίνητο μας με αναμμένη μηχανή. Γι αυτόν το λόγο υπάρχει ο συμπλέκτης ο οποίος βρίσκεται ανάμεσα στο κιβώτιο ταχυτήτων και τη μηχανή. Τα παραπάνω δεν ισχύουν μόνο για τα χειροκίνητα, αλλά και για τα αυτόματα κιβώτια, που και αυτά έχουν ταχύτητες. Η διαφορά τους με τα χειροκίνητα, πέρα από τη διαφορετική διάταξη των γραναζιών, βρίσκεται στο ότι αυτά επιλέγουν μόνα τους τη σχέση μετάδοσης. Διαφορετικός είναι και ο συμπλέκτης ώστε να μην χρειάζεται το πάτημα του αντίστοιχου πεντάλ από τον οδηγό, το οποίο πεντάλ όπως είναι γνωστό, στα «αυτόματα» αυτοκίνητα δεν υπάρχει. Στο παρόν σύστημα προσομοίωσης παρέχεται η δυνατότητα χρήσης αυτόματου και χειροκίνητου κιβωτίου με τις ίδιες σχέσεις μετάδοσης. Τελειώνοντας με τις αρχικοποιήσεις των μεταβλητών μας, τώρα θα περάσουμε στην ανάλυση του μοντέλου. Κατά την λειτουργία του συστήματος υπολογίζουμε τις δυνάμεις του αέρα που ασκούνται στο όχημα ανάλογα με την ταχύτητά του, την σχέση μετάδοσης ανάλογα με την ταχύτητα που χρησιμοποιεί εκείνη την στιγμή το αυτοκίνητο για την κίνηση, τις στροφές των τροχών και της μηχανής, αν οι τροχοί έχουν επαφή με το έδαφος. Έπειτα υπολογίζεται η περιστροφή των τροχών σύμφωνα με την περιστροφή του τιμονιού και εφαρμόζεται στις ρόδες του οχήματος. Έχοντας υπολογίσει τις παραπάνω μεταβλητές και έχοντας τις εισόδους που στέλνει ο οδηγός από τα πεντάλ, μπορούμε να υπολογίσουμε την ροπή που αποδίδει κάθε στιγμή η μηχανή του αυτοκινήτου και την εφαρμόζουμε στους τροχούς. Γνωρίζοντας την ροπή που αποδίδει ο κινητήρας, μπορεί τώρα να πραγματοποιηθεί ο έλεγχος για την αλλαγή ταχύτητας σε περίπτωση χρήσης του αυτόματου κιβωτίου. Ο έλεγχος ταχύτητας του χειροκίνητου κιβωτίου μπορεί να τοποθετηθεί και πριν τους υπολογισμούς της ροπής του κινητήρα αλλά καθώς όλοι αυτοί οι υπολογισμοί πραγματοποιούνται δεκάδες φορές κάθε δευτερόλεπτο, δεν υπάρχει εμφανής διαφορά στην απόδοση του συστήματος και για λόγους διευκόλυνσης υπολογίζεται με την ίδια σειρά που θα υπολογιζόταν αν είχε επιλεχθεί το αυτόματο κιβώτιο. Στο χειροκίνητο κιβώτιο έχει γίνει σύμβαση για την θεώρηση πλήρους αποσύμπλεξης πρέπει να έχει πατηθεί το πεντάλ τουλάχιστον στο 50%. Τέλος, υπολογίζεται η ολίσθηση των τροχών ανάλογα με το οδόστρωμα καθώς και η ταχύτητα του οχήματος σε χιλιόμετρα ανά ώρα (υπάρχει η δυνατότητα προβολής μέτρα ανά δευτερόλεπτο και σε μίλια ανά ώρα) και

68 54 Σχεδιασμός & υλοποίηση εφαρμογής προβάλλεται στον ανεμοθώρακα του αυτοκινήτου μαζί με τα δεδομένα οικολογικής οδήγησης που θα αναλυθούν στην επόμενη ενότητα. Για το μοντέλο της μηχανής του αυτοκινήτου χρησιμοποιήσαμε ως βάση ένα μοντέλο μηχανής αυτόματου κιβωτίου ταχυτήτων ανοιχτού κώδικα [76] πάνω στο οποίο προστέθηκε η δυνατότητα χρήσης χειροκίνητου κιβωτίου ταχυτήτων. Από την ίδια πηγή βρήκαμε τα ηχητικά εφέ που χρησιμοποιήθηκαν καθώς επίσης και μερικές πίστες. Στην συνέχεια αποφασίσαμε ότι αυτές οι πίστες είναι μεγάλης πολυπλοκότητας και καταλήξαμε σε μια πιο μικρή και απλή πίστα για τις δοκιμές μας. Αυτήν την πίστα την βρήκαμε σε μια άλλη εργασία ανοιχτού κώδικα. [77] Τέλος, προχωρήσαμε στην συλλογή, αποθήκευση και απεικόνιση των δεδομένων για οικολογική οδήγηση Υλοποίηση προσομοίωσης επαύξησης Ά έχουν οριστεί τα δεδομένα που χρειάζονται για την δημιουργία του προφίλ οδήγησης το επόμενο βήμα είναι ο τρόπος υπολογισμού. Στην συνέχεια διατυπώνεται ο τύπος που χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό της μέσης τιμής σε όσα δεδομένα το απαιτούν: µ n = (n 1)µ n 1 + x n n (5.1) Για την μέση τιμή των στροφών του κινητήρα κατά το ανέβασμα/κατέβασμα, υπολογίζουμε την κάθε φορά που αλλάζει η σχέση του κιβωτίου, κρατάμε το συνολικό αριθμό των αλλαγών, ξεχωριστά για τα ανεβάσματα και τα κατεβάσματα, και με την χρήση του τύπου 5.1 υπολογίζουμε την νέα μέση τιμή σε κάθε περίπτωση. Για τον υπολογισμό του επόμενου δεδομένου, πραγματοποιείται έλεγχος ανά τακτά χρονικά διαστήματα (Δt). Σε αυτόν τον έλεγχο αν μηδενική η είσοδος του αυτοκινήτου, δηλαδή ο οδηγός δεν πατάει ούτε γκάζι ούτε φρένο, τότε αυξάνουμε κατά Δt την μεταβλητή στην οποία έχουμε αποθηκευμένο τον χρόνο που βρισκόμαστε σε Engine Break και στην συνέχεια διαιρούμε δια τον συνολικό χρόνο που τρέχει το σύστημα προσομοίωσης για να υπολογίσουμε την ποσοστιαία τιμή. Για τον υπολογισμό της ταχύτητας ταξιδίου όπως αναφέρθηκε και στην περιγραφή του δεδομένου, υπάρχει η προϋπόθεση το αυτοκίνητο να έχει την μεγαλύτερη δυνατή σχέση στο κιβώτιο ταχυτήτων, στην περίπτωση μας έκτη ταχύτητα. Όταν το αυτοκίνητο έχει την μέγιστη σχέση, ελέγχεται η επιτάχυνση του αυτοκινήτου, είναι επιθυμητό να μην ξεπερνάει το 30% της μέγιστης επιτάχυνσης ώστε να θεωρήσουμε ότι το όχημα ταξιδεύει με σχετικά σταθερή ταχύτητα. Όταν ικανοποιηθούν αυτά τα δύο κριτήρα, θεωρούμε ότι το όχημα βρίσκεται σε κατάσταση ταξιδίου και ξεκινάει ο υπολογισμός μέσης ταχύτητας ταξιδίου, με την χρήση του τύπου 5.1. Για να εξέλθει το όχημα από αυτήν την κατάσταση ταξιδίου πρέπει να καταγραφεί ένα απότομο φρένο. Για να καταγραφεί ένα

69 Πειραματική Εγκατάσταση 55 απότομο φρένο πρέπει να πατηθεί απότομα το πετάλι του φρένου πάνω από το 80% της μέγιστης τιμής σε μικρό χρονικό διάστημα. Τέλος, γίνεται υπολογισμός της μέσης επιτάχυνσης του οχήματος με την χρήση του τύπου 5.1. Αφού υλοποιήθηκε και ο τρόπος με τον οποίο θα υπολογίζονται τα δεδομένα, το τελευταίο βήμα είναι ο τρόπος με τον οποίο αυτά θα συλλέγονται. Αποφασίστηκε ότι ο ιδανικος τρόπος συλλογής είναι να χωριστεί η πίστα σε ίσα τμήματα και να υπολογίζονται τα δεδομένα για κάθε τμήμα ανεξάρτητα, με εξαίρεση τον υπολογισμό αλλαγής σχέσης ταχύτητας στο κιβώτιο που θα είναι συνολικός για κάθε γύρο που πραγματοποιείται στην πίστα, καθώς κάθε επιμέρους τμήμα είναι αρκετά μικρό για να πραγματοποιείται ικανοποιητικός αριθμός αλλαγών σχέσης. Για τον διαχωρισμό των τμημάτων της πίστας έχουν τοποθετηθεί στο αριστερό μέρος του δρόμου κολόνες οι οποίες ορίζουν την αρχή και το τέλος κάποιου τμήματος (Σχήμα 5.16). Η κάθε κολόνα διαθέτει ένα φως στην κορυφή της που είναι κόκκινο μέχρι το όχημα να περάσει από το σημείο του δρόμου που βρίσκεται (Σχήμα 5.14). Όταν το όχημα περάσει από εκείνο το σημείο, το φως της κολόνας αλλάζει σε πράσινο και ξεκινάει ο υπολογισμός τον δεδομένων για εκείνο το κομμάτι της πίστας (Σχήμα 5.15). Όταν τελειώνει ένα τμήμα της πίστας όλα τα δείγματα των δεδομένων που έχουν συλλεχθεί, καταγράφονται και εξάγονται σε ένα αρχείο κειμένου για περαιτέρω ανάλυση μετά το τέλος της χρήσης του συστήματος προσομοίωσης. Μετά το τέλος του πρώτου γύρου, όταν ο χρήστης αρχίσει ένα τμήμα της πίστας για δεύτερη φορά, εμφανίζονται δίπλα στα δεδομένα που συλλέγονται σε πραγματικό χρόνο και οι επιδόσεις του στην προηγούμενο προσπέλαση του από αυτό το τμήμα της πίστας για την εκτίμηση της βελτίωσης του τρόπου οδήγησης. Σχήμα 5.14: Απενεργοποιημένο σημείο ελέγχου Σχήμα 5.15: Ενεργοποιημένο σημείο ελέγχου Ολοκληρώνοντας το κομμάτι της αναπαράστασης των δεδομένων και της τοποθέτησης του χρήστη στο εικονικό περιβάλλον με την ελαχιστοποίηση αποκλίσεων από το πραγματικό περιβάλλον προχωρήσαμε στην υλοποίηση ενός ρεαλιστικού προσομοιωτή οδήγησης.

70 56 Σχεδιασμός & υλοποίηση εφαρμογής Σχήμα 5.16: Η θέση των τριών σημείων ελέγχου στην πίστα Υλοποίηση διεπαφής Ένας από τους καθιερωμένους και πιο εύκολους τρόπους υλοποίησης είναι η τοποθέτηση ενός δεύτερου παραθύρου στο κέντρο της εικόνας το οποίο θα σχεδιάζει το επιθυμητό περιεχόμενο πάνω από το κεντρικό παράθυρο που σχεδιάζει την σκηνή. Όμως με την χρήση του HMD, δεν χρησιμοποιήθηκε μια απλή κάμερα της Unity, καθώς απαιτεί στερεοσκοπική όραση. Για την σωστή χρήση του HMD υπάρχει το αντίστοιχο προκατασκευασμένο αντικείμενο από την εταιρία που περιέχει δύο κάμερες (μια για το κάθε μάτι) καθώς και μια κεντρική κάμερα για την προβολή του εικονικού κόσμου και στην οθόνη του υπολογιστή παράλληλα με το HMD. Επιπλέον, αυτό το αντικείμενο μετασχηματίζει την τοποθεσία και την περιστροφή των καμερών, ανάλογα με αυτές που πραγματοποιεί το κεφάλι του οδηγού. Για την εξασφάλιση της σωστής λειτουργίας αυτού του αντικειμένου, δεν ήταν δυνατή η τροποποίηση του για πρόσθεση επιπλέον παραθύρου για την προβολή του επαυξημένου περιεχομένου. Η λύση σε αυτήν την περίπτωση δόθηκε από τους shaders. Στον τομέα των γραφικών, shader είναι ένα πρόγραμμα υπολογιστή που χρησιμοποιείται για να κάνει σκίαση : την παραγωγή κατάλληλου επιπέδου φωτός, σκοταδιού και χρώματος σε μια εικόνα ή για την παραγωγή ειδικών εφέ και επιπλέον επεξεργασία σε ένα βίντεο. Οι περισσότεροι shaders γράφονται για να εκτελεστούν στην μονάδα επεξεργασίας

71 Πειραματική Εγκατάσταση 57 γραφικών (GPU), αν και αυτό δεν είναι απόλυτο. Με shaders, μπορούν να δημιουργηθούν προσαρμοσμένα εφέ. Η θέση, η απόχρωση, ο κορεσμός, η φωτεινότητα και η αντίθεση όλων των εικονοστοιχείων, των κορυφών ή των υφών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μιας τελικής εικόνας μπορούν να μεταβληθούν με τη χρήση αλγορίθμων που ορίζονται στον shader και μπορούν να τροποποιηθούν από εξωτερικές μεταβλητές ή υφές που εισάγονται από το πρόγραμμα που τον καλεί. Οι shaders χρησιμοποιούνται ευρέως στην μεταγενέστερη επεξεργασία των κινηματογραφικών ταινιών, σε εικόνες που παράγονται από υπολογιστή και σε παιχνίδια υπολογιστή για να παράγουν μια φαινομενικά απεριόριστη ποικιλία αποτελεσμάτων. Για την επίλυση του προβλήματος χρησιμοποιήσαμε δύο διαφορετικούς shaders. Ένας για όλα τα δεδομένα που θέλουμε να προβληθούν και έναν για το παράθυρο μέσα από το οποίο θα προβληθούν. Μέσα στον καθένα από τους δύο shaders υλοποιήθηκε ένα stencil. Το stencil είναι μια μήτρα μεγέθους όσο και το αντικείμενο πάνω στο οποίο έχει τοποθετηθεί στην σκηνή αντιστοιχισμένο σε pixel που θα σχεδιαστούν στην οθόνη και που περιέχει συνήθως ακέραιους μεγέθους 8bit ανά εικονοστοιχείο (pixel). Η τιμή μπορεί να καταχωρηθεί, να αυξηθεί ή να μειωθεί. Οι επακόλουθες κλήσεις μπορούν να ελέγξουν την τιμή, για να αποφασίσουν εάν πρέπει να απορριφθεί ένα εικονοστοιχείο πριν εκτελεστεί η σχεδίαση της σκηνής. Με αυτόν τον τρόπο δόθηκε μια τιμή στο stencil των δεδομένων ώστε αυτή η τιμή να ελέγχεται από τον shader του παραθύρου και να σχεδιάζεται μόνο όταν βρίσκεται πίσω από αυτό. Σχήμα 5.17: Τα AR γυαλιά με σκιαγραμμισμένο το παράθυρο προβολής Σχήμα 5.18: Τα AR γυαλιά με τα δεδομένα όπως προβάλλονται στον χρήστη

72 Σχήμα 5.19: Τα δεδομένα που υπάρχουν στον ανεμοθώρακα αλλά δεν σχεδιάζονται στην σκηνή Σχήμα 5.20: Όλα τα δεδομένα που προβάλλονται στον ανεμοθώρακα του οχήματος