"Informazione
ovunque" questo sarà probabilmente uno dei principali
slogan dei produttori di hardware e tecnologie nei prossimi anni
e con la sempre più capillare diffusione di Internet, della
banda larga e degli accessi Wireless ci stiamo già muovendo
velocemente in questa direzione. Informazione ovunque significherà
però non solo ampia disponibilità di informazione
ma anche nuove modalità di interfacciamento uomo-macchina
e maggiore pervasività del mezzo informatico nella vita
privata e professionale delle persone.
Allora
viene spontaneo chiedersi: come saranno le interfaccie uomo-macchina
tra 10 anni? Cosa ci attendo per il futuro? e cosa stanno escogitando
i ricercatore sotto questo fronte?
Se
ci basiamo sui sistemi in uso adesso è facile immaginare
una proliferazione di schermi piatti ad alta risoluzione, dagli
hand-held ai display da polso per finire a schermi molto grandi
posti su pareti intere o pavimenti. Tali forme di comunicazione
diventeranno certamente ordinarie ma molti ricercatori e guru
informatici credono fortemente che una modalità diversa
di interazione, nota come "Augmented Reality"
o realtà aumentata, possa avere un ruolo ben più
incisivo nel modo di interagire con i calcolatori e con la realtà
stessa.
La
realtà aumentata (AR) consiste nell'aggiungere alla normale
visione, informazioni contestualizzate generate dal computer.
La maggior parte della ricerca sull' AR si sta adesso concentrando
sulla messa a punto di leggeri e confortevoli visori "see-through",
capaci di sovraimporre grafici, scritte ed immagini di sintesi
alla normale visione dell' utente arricchendola di utili informazioni.
I sistemi di AR tracciano la posizione e l'orientamento della
testa dell' utente in modo da poter allineare correttamente le
immagini di sintesi al punto di vista dell'utente. Con queste
informazioni, il sistema grafico può sovraimporre un'immagine
tridimensionale di una tazzina da te, per esempio, in cima ad
un piattino reale e mantenere la tazza virtuale perfettamente
allineata al piattino indipendentemente dalla posizione dell'utente
nella stanza e dalla posizione del piattino stesso.
I sistemi di AR impiegano alcune delle tecnologie usate
nei sistemi di realtà virtuale, ma con una differenza cruciale:
che la realtà virtuale mira a sostituire il mondo reale, la realtà
aumentata mira ad arricchire la realtà di informazioni
utili per l'espletamento di compiti complessi.
Facciamo alcuni esempi di
possibili applicazioni della Augmented Reality:
Una persona addetta alla manutenzione potrebbe avere un sistema
AR che mette in evidenza i passi da espletare per il controllo
di una apparecchiatura e che evidenzia le componenti da sostituire
o controllare. Un operaio in un grosso cantiere (vedi immagine)
potrebbe vedere direttamente sul campo i compiti da svolgere in
sincronia con altre centinaia di colleghi. Un chirurgo potrebbe
avere impresso sopra il paziente la visione a raggi X o una tomografia
assiale o una ecografia, tutte informazioni utilissime per il
trattamento di fratture multiple, operazioni in laparoscopia,
operazioni ortopediche, etc.I pompieri potrebbero vedere la disposizione
delle stanze di un edificio in fiamme e conoscere in anticipo
le vie di fuga. I soldati potrebbero vedere le posizioni dei cecchini
nemici costantemente individuate da ricognitori senza equipaggio.
Ed ancora altre applicazioni potrebbero essere sviluppate nell'ambito
dei beni culturali, del turismo, della navigazione aerea.
Anche
se la realtà aumentata può sembrare roba da fantascienza, i ricercatori
hanno lavorato sullo sviluppo di questi sistemi per più di tre
decadi. Il primo prototipo è stato sviluppato negli anni '60 dai
collaboratori del pionieristico Ivan Sutherland all'università
di Harvard e di Utah. Negli anni '70 e negli anni '80 un piccolo
numero di ricercatori ha studiato AR presso il laboratorio Armstrong
dell' USAF, il centro di ricerca della NASA Ames e l'università
della Carolina del nord. All'inizio degli anni '90 è stato
coniato il termine "realtà aumentata" dagli scienziati della Boeing
che stavano sviluppando un sistema sperimentale di AR per aiutare
gli operai a montare i cablaggi dei collegamenti nei grossi aerei
di linea. La decade passata ha visto una fioritura della ricerca
sull' AR che ha coinciso con una forte riduzione dei costi di
sviluppo e un aumento della potenza e della miniaturizzazione
dell'hardware.
Adesso che l'hardware necessario per la realizzazione di
un wearable computer, cioè un computer tanto piccolo
da poter essere indossato, risulta facilmente reperibile e relativamente
economico, la ricerca si sta concentrando sui display che sono
ancora l'elemento più critico da realizzare. Questi
dispositivi rientrano in due categorie: visore see-through
ottico e visore see-through video. Un semplice esemplare
di visore ottico see-trough impiega un divisore di fascio ottico
consistente in uno specchio traslucido che trasmette la luce in
una direzione e contemporaneamente riflette la luce nell' altra.
Orientato correttamente davanti all'occhio dell'utente, il divisore
di fascio può riflettere l'immagine di un Display e porla sulla
linea di vista dell'utente permettendo contemporaneamente il passaggio
della luce proveniente dal mondo circostante. Tali divisori di
fascio, denominati anche "combinatori", sono stati usati
a lungo nei jet da combattimento. Alcuni obiettivi ottici possono
essere disposti fra il divisore di fascio ed il Display per mettere
a fuoco l'immagine in modo che compaia ad una distanza comoda
per l'osservazione. Se sono disponibili due interi sistemi ottici
di visualizzazione, uno per ciascun occhio, allora si parla di
visori stereoscopici.
I visori video see-through usano invece due telecamere,
una per ciascun occhio con le quali acquisiscono l'immagine reale,
quindi un sistema computerizzato fonde le immagini reali con quelle
di sintesi e le invia agli occhi tramite due Display. Questa scelta
permette di realizzare effetti visivi più complessi ma
ha un feeling diverso dal visore ottico see-throw perchè
impone un piano di messa a fuoco costante per tutta la scena e
questo rende il sistema poco confortevole.
Un'altra componente fondamentale
dei sistemi di AR è il sistema di tracking. Per poter alterare
l'immagine sovraimposta in base alla posizione dell'osservatore
è necessario conoscere con elevata precisione la posizione
della testa e il suo orientamento nello spazio. Si parla di sistemi
di tracking a 6 gradi di libertà. Per certe applicazioni
può anche essere necessario rilevare la posizione di altri
oggetti in movimento sulla scena.
Per
determinatre queste informazioni si usano in genere sensori (posti
sugli oggetti in movimento) e punti di referimento. Usando ultrasuoni,
sistemi ottici o elettromagnetici è possibile determinare
le posizioni relative tra il punto di referimento e i sensori
mobili. In particolare usando sistemi ibridi è possibile
aumentare di molto la precisione della misura fino ad arrivare
nei sistemi più sofisticati a precisioni di millimetri.
Per sistemi all'aperto è
ovviamnete necessario usare il sistema di geo-localizzazione GPS
nella sua versione più accurata. Il GPS ha però
un intrinseco limite nell'accuratezza della misura per cui è
necessario utilizzare accelerometri e giroscopi per incrementare
l'accuratezza della rilevazione (ancora quindi un sistema ibrido).
Con la messa in orbita del sistema di geo-localizzazione europero
Galileo, prevista per i prossimi anni, sarà infine possibile
ottenere performance di livello notevolmente superiore anche senza
usare sistemi ibridi.
Tra le applicazioni più
promettenti ci sono senza dubbio quelle in ambito biomedicale
dove la limitatezza degli spazi e la precisa determinazione delle
posizione geometriche permette più facilmente di aggirare
i problemi di localizzazione.
Nelle immagini qui sotto sono
illustrati alcuni prototipi di sistemi AR applicati alla diagnostica
medica e come ausilio in chirurgia:
Esempio di biopsia guidata
da un sistema AR che mette in evidenza il profilo ecografico.
Esempio di sovrapposizione
di informazioni 3D ricavate da una risonanza magnetica per applicazioni
in chirurgia ortopedica.
Il chirurgo prova un sistema
di AR applicabile ad interventi in laparoscopia.
In rosso è evidente
l'immagine di sintesi sovraimpessa a quella reale dal sistema
di AR. L'immagine 3D può essere generata da vari strumenti
diagnostici (ecografie 3D, TAC, RMN) e in taluni casi anche aggiornata
in tempo reale.
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