Realidad Virtual

Informática. Domótica. Despliegues visuales. Requerimientos de sonido. Audio 3-D. Clases. VRML. HMD. Retroalimentación. Posicionadores

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  • Idioma: castellano
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República Bolivariana de Venezuela

Ministerio de Educación, Cultura y Deporte

Colegio Español

Maracay, Edo. Aragua

Realidad Virtual

Abril, 2004

Índice

Pág.

Introducción 3

Desarrollo 4

Anexos 17

Bibliografía 20

Introducción

En esta sección hay valiosa información sobre Realidad Virtual, sus principios, sus aplicaciones en Internet, avances tecnológicos, demostraciones de VRML, identificar debilidades en interfaces de realidad virtual. Para realizar esta ultima tarea, hemos dividido la interfaz típica de realidad virtual en cuatro áreas específicas: audio, visual, táctil y navegación. Puntualizaremos las limitaciones de las soluciones actuales a problemas en estas áreas, posibles áreas de mejora y aquellos problemas que permanecen no resueltos completamente en este momento.

¿Qué es Realidad Virtual?

Definitivamente un término muy sonado y controversial. En éstos días en que todo es virtual, encontramos mucha confusión en las personas expuestas de una u otra forma a los nuevos medios. En el nombre en sí hay una gran contradicción: Realidad Virtual. Algo que es, pero no es. Sin embargo no tenemos que complicarnos la vida tratando de explicar la paradoja. La realidad virtual es una representación de las cosas a través de medios electrónicos, que nos da la sensación de estar en una situación real en la que podemos interactuar con lo que nos rodea.

Tipos de realidad Virtual

La realidad virtual puede ser de dos tipos: inmersiva y no inmersiva. Los métodos inmersivos de realidad virtual con frecuencia se ligan a un ambiente tridimensional creado por computadora el cual se manipula a través de cascos, guantes u otros dispositivos que capturan la posición y rotación de diferentes partes del cuerpo humano. La realidad virtual no inmersiva utiliza medios como el que actualmente nos ofrece Internet en el cual podemos interactuar a tiempo real con diferentes personas en espacios y ambientes que en realidad no existen sin la necesidad de dispositivos adicionales a la computadora.

La realidad virtual no inmersiva ofrece un nuevo mundo a través de una ventana de escritorio. Este enfoque no inmersivo tiene varias ventajas sobre el enfoque inmersivo como: bajo costo y fácil y rápida aceptación de los usurarios. Los dispositivos inmersivos son de alto costo y generalmente el usurario prefiere manipular el ambiente virtual por medio de dispositivos familiares como son el teclado y el ratón que por medio de cascos pesados o guantes.

Actualmente Internet nos provee con medios para reunirnos con diferentes personas en el mismo espacio virtual. En este sentido Internet tiende a ser un mecanismo de telepresencia. Este medio nos brinda con espacios o realidades que físicamente no existen pero que sin embargo forman parte de nuestras formas de vida. Es a través de Internet como nace VRML, que es un estándar para la creación de mundos virtuales no inmersivos.

¿Qué es VRML?

VRML es un acrónimo para Virtual Reality Modeling Language (Lenguaje para Modelado de Realidad Virtual). Técnicamente hablando, VRML no es un lenguaje para programar realidad virtual inmersiva ni tampoco un lenguaje de modelado. La realidad virtual inmersiva implica una experiencia tridimensional inmersiva y dispositivos externos como cascos o guantes digitales para lograr capturar otros sentidos diferentes al oído y a la vista. VRML no requiere o prevé una inmersión sensorial total. VRML provee un conjunto básico de primitivas para el modelaje geométrico tridimensional y tiene la capacidad de dar comportamiento a los objetos y asignar diferentes animaciones que pueden ser activadas por eventos generados por diferentes usuarios.

Aspectos Visuales en Realidad Virtual

Las principales disyuntivas en esta área son imágenes de detalle contra velocidad de formación de la figura y visión monoscópica contra visión estereoscópica. En la mayoría de las aplicaciones de realidad virtual, se necesita la retroalimentación visual. De hecho, las pistas visuales son tal vez la más importante retroalimentación en el sistema de realidad virtual. Para obtener un sentido de realidad, las fotos enviadas a la pantalla tienen que ser en tiempo real para eliminar la discontinuidad. Por lo tanto, investigamos la disyuntiva entre el tiempo de formación de la figura y la resolución gráfica para escenas de gráficas en 3 dimensiones y las escenas de gráficas en 2 dimensiones desde ambas perspectivas de software y hardware.

Tipos de Despliegues Visuales

Lentes LCD Resplandecientes

Los lentes resplandecientes de despliegue de cristal líquido (Liquid Crystal Display- LCD) tienen la apariencia de un par de anteojos. Un fotosensor es montado en estos anteojos de LCD con el único propósito de leer una señal de la computadora. Esta señal le dice a los anteojos de LCD si le permite al lente pasar luz del lado izquierdo o derecho del lente. Cuando a la luz se le permitió pasar a través del lente izquierdo, la pantalla de la computadora mostrará el lado izquierdo de la escena, lo cual corresponde a lo que el usuario verá a través de su ojo izquierdo. Cuando la luz pasa a través de el lente derecho, la escena en la pantalla de la computadora es una versión ligeramente deslizada hacia la derecha. Los anteojos se conmutan de uno al otro lente a 60 Hertz, lo cual causa que el usuario perciba una vista tridimensional continua vía el mecanismo de paralaje [3].

Los lentes de LCD resplandecientes son ligeros y sin cables. Estas dos características los hacen fácil de usar. Desafortunadamente, el usuario tiene que mirar fijamente y sólo a la pantalla de la computadora para ver la escena tridimensional. Ya que el campo de vista es limitado al tamaño de la pantalla de la computadora, el medio ambiente real puede también ser visto. Esto no proporciona un efecto de inmersión.

Despliegues Montados en la Cabeza

Los despliegues montados en la cabeza colocan una pantalla en frente de cada ojo del individuo todo el tiempo. La vista, el segmento del ambiente virtual generado y presentado es controlado por la orientación de los sensores montados en el "casco". El movimiento de la cabeza es reconocido por la computadora, y una nueva perspectiva de la escena es generada. En la mayoría de los casos, un conjunto de lentes ópticos y espejos son usados par agrandar la vista y llenar el campo visual y dirigir la escena a los ojos. Cuatro tipos de despliegues montados en la cabeza (Head Mounted Displays- HMD) serán discutidos a continuación.

Despliegue HMD con LCD

Este tipo de HMD usa tecnología LCD para presentar la escena. Cuando un pixel de cristal líquido es activado, bloquea el paso de luz a través de él. Miles de estos pixeles son arreglados en una matriz de dos dimensiones para cada despliegue. Ya que los cristales de líquido bloquean el paso de la luz, para presentar la escena una luz debe de brillar desde atrás de la matriz LCD hacía el ojo para proporcionar brillantez para la escena [1].

El despliegue HMD con LCD es más claro que la mayoría de los HMDs. Como la mayoría de los HMDs, este proporciona un efecto de inmersión, pero la resolución y el contraste es bajo. El problema asociado con la baja resolución es la inhabilidad de identificar objetos y de localizar la posición exacta de los mismos. Ya que los cristales son polarizados para controlar el color de un pixel, la polarización real del cristal crea un pequeño retardo mientras se forma la imagen en la pantalla. Tal retardo puede causar que el individuo juzgue incorrectamente la posición de los objetos [4].

HMD Proyectado

Este tipo de HMD usa cables de fibra óptica para transmitir la escena a la pantalla. La pantalla es similar a un tubo de rayos catódicos (CRT) excepto que el fósforo es iluminado por la luz transmitida a través de los cables de fibra óptica. Idealmente, cada fibra debería de controlar un pixel. Pero debido a la limitación en el costo y fabricación, cada fibra controla una celda con varios pixeles [11].

El HMD proyectado proporciona mejor resolución y contraste que el despliegue de LCD. Este HMD es también de peso ligero. Más alta resolución y contraste significa que el individuo es capaz de ver una imagen con mayor detalle. La desventaja de este tipo de HMD es que es caro y difícil de fabricar [4].

El HMD con CRT Pequeño

Este tipo de HMD usa dos CRTs que son posicionados sobre el lado del HMD. Espejos son usados para dirigir la escena al ojo del individuo. A diferencia del HMD proyectado donde el fósforo es iluminado por cables de fibras ópticas, aquí el fósforo es iluminado por un rayo de electrones como es usual [11].

El HMD con CRT es en muchas maneras similar al proyectado HMD. Este tipo de HMD es más pesado que la mayoría de los otros tipos debido a los componentes electrónicos añadidos (los cuales también generan grandes cantidades de calor). El usuario vistiendo este tipo de HMD puede sentirse incómodo debido al calor y al peso del HMD [4].

El HMD con LED de Columna Única

Este tipo de HMD usa una columna de 280 LEDs. Un espejo rápidamente oscila opuesto de los LEDSs, reflejando la imagen a los ojos del usuario. Los LEDs son actualizados 720 veces por oscilación del espejo. Como la columna de LED se actualiza para cada columna de la pantalla virtual, el espejo redirige la luz al ojo del individuo, una columna a la vez, para formar la imagen de la pantalla virtual entera [1].

Los HMDs con LED de columna única permiten al usuario interactuar con un mundo virtual y un mundo real simultáneamente. Este tipo de despliegue puede ser usado para crear una pantalla virtual que parece flotar en el mundo real.

Uno de los problemas mas comunes de los HMDs es que el cable conectando el HMD y una computadora restringe la movilidad del usuario. El usuario puede solo moverse tan lejos como el cable lo permite. Si el cable no es propiamente manejado, el usuario puede pisarlo o enredarse en él. Además, la conmutación frecuente entre un mundo virtual y el mundo real es tedioso y cansado.

Monitor Omni-direccional Binocular (Binocular Omni-Orientation Monitor- BOOM)

El monitor omni-direccional binocular (por ejemplo, http://techinfo.jpl.nasa.gov/JPLTRS/SISN/ISSUE36/COHEN1.htm) es montado sobre un brazo mecánico articulado con sensores de posicionamiento localizados en las articulaciones. Un contrapeso es usado para estabilizar el monitor, así que cuando el usuario libera el monitor, este permanece en su lugar. Para ver el ambiente virtual, el usuario debe sostener el monitor y poner sus cara enfrente de este. La computadora generará una escena apropiada basada en la posición y orientación de las articulaciones del brazo mecánico [1].

Algunos de los problemas asociados con los HMDs pueden ser resueltos mediante el uso de un despliegue BOOM. El usuario no tiene que vestir un despliegue BOOM como en el caso del HMD. Esto significa que cruzar la frontera entre un mundo virtual y el mundo real es cosa de mover sus ojos lejos del BOOM.

Audio 3-D

La principal área de investigación en audio es la simulación del sonido original. "Ha sido demostrado que usar sonido para proporcionar información alternativa o suplementaria a un usuario de computadora puede grandemente aumentar la cantidad de información que ellos puede ingerir" [1]. Esto no es menos verdadero en el mundo virtual. Adicional a una salida visual, un mundo completo virtual debe incorporar un campo de sonido tridimensional que refleje las condiciones modeladas en el ambiente virtual. Este campo de sonido tiene que reaccionar a paredes, fuentes múltiples de sonidos, y ruido de fondo así como la ausencia de ellos. Esto requiere una potencia y una velocidad computacional muy grande ya que el escuchar es un sistema complejo el cual usa la forma del oído exterior y retardos de microsegundos en el arribo del sonido a los dos oídos para determinar la posición y la ubicación de la fuente del sonido. Para simular un ambiente de sonido virtual, una computadora debe primero determinar la posición de la fuente relativa al oyente. También debe calcular los efectos del ambiente. Por ejemplo, para simular un eco debido a una pared, la computadora debe primero determinar la ubicación relativa de la fuente al sujeto y la pared, entonces colocar otra fuente de sonido a la distancia y ubicación apropiada en el lado opuesto de la pared [17].

El principal problema al producir sonido es que es imposible repetir el sonido previamente grabado de manera que mueva un sonido desde detrás del usuario al frente del mismo cuando el usuario gira su cabeza. Crystal River Engineering (http://www.cre.com) ha desarrollado un proceso para producir un sonido tal que se parece a uno que viene de una dirección en particular. Ya que estos sonidos son calculados y producidos en tiempo real, no hay problema si queremos repetirlos.

La evolución de sonidos 3D inicia con el sonido monofónico. "Mono", la palabra en latín que significa "uno", envía una señal a cada bocina. Parece que todos los sonidos del ambiente están viniendo de cada bocina individual. Si hay solo una bocina, entonces todos los sonidos parecen venir de ese punto.

El sonido estereofónico logra que el sonido parezca como si viniera de cualquier parte de entre las dos bocinas. Esto es realizado retrasando las señales entre las dos bocinas por unos pocos microsegundos. Mientras más pequeño es el retardo, la fuente parece estar localizada más cercana al centro.

El sonido ambiental, usado en muchos teatros, usa la idea de estéreo, pero con más bocinas. Los retardos se pueden poner de tal manera que el sonido pueda parecer moverse desde detrás del oyente al frente del mismo. Un problema con este sistema es que por ejemplo que el sonido de un avión despegando detrás del oyente aparecerá ir por el codo en vez de sobre su cabeza [15].

Una solución al problema de crear un campo de sonido tridimensional viene de la producción de sonido el cual es sintonizado a la cabeza de un individuo. Cuando el sonido alcanza el oído externo, este dobla el frente de la onda del sonido y conduce este al canal del oído. El sonido que realmente alcanza el tambor del oído es diferente para cada persona [1]. Para resolver este problema de personalización, la computadora debe de crear un sonido que sea diseñado para adecuarse a un usuario en particular. Esto se logra al colocar un micrófono pequeño dentro del canal del oído, para crear sonidos de referencia de varias ubicaciones alrededor del oyente. Entonces la computadora resuelve un conjunto de relaciones matemáticas que describen como el sonido es cambiado dentro del canal del oído. Estas relaciones matemáticas se denominan Funciones de Transferencia Relacionadas (Related Transfer Functions HRTFs) [15].

Las medidas que provienen de las HRTFs no pueden simular exactamente el ambiente acústico cuando son usadas por sí solas. El problema yace en tratar de hacer medidas no invasivas. Cuando el micrófono está colocado en el canal del oído, este cambia la pista acústica, por lo tanto cambiando el HRTF. También, este método no intenta tomar en consideración el oído medio o interno [14].

El Sonido Realista

Una carga computacional pesada es la producción de sonido de fondo. Este es muy importante si la persona en el ambiente virtual desea estar inmersa en un mundo "creíble". Sin embargo, ya que el ruido es de fondo, este no necesita tomar ventaja de la tecnología de sonido 3D. Esto limita la interactividad del usuario con el ambiente virtual. En el mundo real, una persona puede escuchar sonidos del fondo. Esta habilidad es comúnmente llamada "el efecto de una fiesta coctail", porque es la habilidad de una persona para enfocar diferentes conversaciones del ruido de fondo. Esto puede hacerse solamente en un campo acústico de 3D [14] y un ruido de fondo en un mundo virtual no usa un campo 3D.

Algunos investigadores sugieren el uso de sonidos pregrabados así que toda la potencia computacional se dedica a determinar la posición y dirección de la fuente. Esto, sin embargo, no puede trabajar en un campo de sonido de 3D. No obstante los sonidos pueden ser exactamente colocados en un campo de sonido 3D, el oyente no puede interactuar con el medio ambiente - ellos pueden solamente observar este. En un campo acústico de 3D escuchado a través de audífonos, cuando el oyente se da la vuelta, los sonidos que estaban detrás de él deberían ahora estar enfrente. Sin embargo, con métodos de pregrabar/repetir, los sonidos que estaban detrás del individuo están todavía detrás de el oyente aunque se haya dado la vuelta [1].

Un ambiente con sonido realista tiene un gran potencial de ser una interfaz para discapacitados auditivos o gente ciega. Por ejemplo, un ambiente virtual puede ser creado donde los objetos en este son una aplicación de software. Entonces los usuarios pueden aprender los caminos alrededor del ambiente, muy parecido a la manera como ellos aprenden sus camino de la casa a la tienda sin necesidad de ver.

La Retroalimentación Táctil y de Fuerza

Una de las grandes quejas acerca de los mejores paquetes de ambientes virtuales es la "falta de tangibilidad". No obstante el área de retroalimentación táctil es joven, ha producido algunos resultados impresionantes. Estas soluciones son criticadas a continuación. No hay una interfaz única actualmente construida que simulará las interacciones de forma, textura, temperatura, firmeza y fuerza.

Ser capaz de producir una interfaz realista significa tener que producir retroalimentación táctil y de fuerza para corresponder a los objetos en el mundo virtual. El Dr. Fred Brooks de la Universidad del Norte de Carolina en Chapel Hill es famoso por haber introducido el problema de "golpes de espinilla" [5]. Este problema fue referido originalmente a la modelación de un submarino: "¿Como hacerle saber a la persona cuando el golpea su espinilla con un tubo que obstaculiza su camino?"

El área de contacto ha sido dividida en dos subáreas diferentes. La retroalimentación de fuerza trata con la manera de cómo los ambientes virtuales afectan al usuario. Por ejemplo, las paredes deberían de parar a alguien en vez de permitirle pasar a través de ella y los tubos deberían de golpear a un usuario en la espinilla. La retroalimentación táctil trata la manera de cómo un objeto virtual siente. La temperatura, el tamaño, la forma, la firmeza y la textura son algunas de las piezas de información adquiridas a través del sentido del tacto.

La Retroalimentación de Fuerza

Hay varios tipos diferentes de dispositivos que permiten a un usuario "sentir" ciertos aspectos del ambiente virtual. Las plataformas de movimiento para simuladores y travesías simuladas, los guantes con retroalimentación de fuerza, los dermatoesqueletos y mayordomos son formas de retroalimentación de fuerza.

Plataformas de Movimiento

La plataforma de movimiento fue originalmente diseñada para usarse en simuladores de vuelo para entrenar pilotos. Una plataforma es fijada a un conjunto de brazos hidráulicos. De acuerdo al cambio del movimiento del despliegue visual, la plataforma se inclina y se mueve en una trayectoria sincronizada para dar al usuario un "sentimiento" de que en realidad está volando. Sin embargo, esta plataforma tiene serias limitaciones en su rango de movimiento. Si las pistas visuales del usuario son que el avión esta boca abajo, la hidráulica de la plataforma no puede simular esto. Sin embargo, este puede usualmente dar las sensaciones al oído medio que correspondan a la escena visual, haciendo la simulación mas realista.

Guantes

Para la interacción con pequeños objetos en un mundo virtual, el usuario puede usar uno de varios guantes diseñados para dar retroalimentación sobre las características del objeto. Esto se puede lograr a través de pistones neumáticos los cuales están montados sobre la palma del guante, así como en Rutgers Master II [8] (ver http://www.caip.rutgers.edu~dgomez/rm2.html). Cuando un objeto virtual es colocado en la mano virtual, la mano verdadera del usuario puede realmente cerrarse alrededor del objeto. Cuando los dedos encontraran resistencia con el objeto en la realidad, la presión en los pistones se aumenta, dando la sensación de la resistencia del objeto virtual.

Dermatoesqueletos

Los dermatoesqueletos también son empleados para simular la resistencia de objetos en un mundo virtual. Un dermatoesqueleto es básicamente un brazo robótico amarrado a una persona. En la Universidad de Utah, los investigadores han desarrollado un brazo robótico el cual tiene 10 grados de libertad (para ver una fotografía, visita http://www.cs.utah.edu/~jmh/sda-master-tom.gif). El robot continuamente actualiza la fuerza a cada una de sus diez articulaciones, haciendo parecer que el brazo de 50 libras se vea que no pesa en lo absoluto. "No obstante, cuando el operador toca algo, las fuerzas virtuales se convierten en fuerzas reales que se sienten a través del dermatoesqueletos" [10]. Esto haría que el brazo del operador se pare cuando pegue o toque con una pared virtual o sienta el peso de un objeto virtual.

Mayordomos

El mayordomo es un robot que básicamente se entromete en el camino cuando intentas moverte a través de un objeto. Si el usuario extiende su mano para tocar una pared, un escritorio, o cualquier otro objeto virtual, el robot mayordomo pondrá un objeto real en el lugar donde el objeto virtual supuestamente está. Esta técnica esta actualmente siendo investigada en la Universidad de Tokyo por Susumu Tachi [18]. El mayordomo con el cual se esta trabajando "proporciona una impedancia mecánica del ambiente, esto es inercia, viscosidad y rigidez" [18]. El mayor inconveniente del robot mayordomo es que solamente puede presenciar estas propiedades para un sólo punto a la vez. El robot mayordomo bajo desarrollo puede dar la impresión de rigidez y viscosidad, pero no puede presentar la información necesitada por un humano para conocer como se siente el objeto. La temperatura y la textura son totalmente desconocidos al usuario.

Textura

La textura de una superficie es probablemente la característica más difícil de simular en una retroalimentación tangible. El intento documentado más allegado a lograr esto es el sistema Sandpaper (papel de lijar). Este sistema, desarrollado por un grupo de investigación el cual incluye miembros del MIT y de la UNC, puede simular con exactitud varios grados diferentes de papel de lijar. Otros sistemas, tal como el Teletact Commander, que usa cualquiera, bolsas llenadas por aire sembradas dentro de un globo, o traductores piezo-eléctricos para proporcionar la sensación de presión o vibraciones. Estos sistemas tienen problemas con la poca confiabilidad de los compresores y la interferencia entre los campos electromagnéticos de los tranductores piezo-eléctricos y el campo electromagnético usado por un sistema posicionador Polhemus [16].

Cualquier intento de modelar la textura de caras enfrenta tremendos retos debido a la manera como el sistema haptico funciona. Hay varios tipos de nervios los cuales sirven para diferentes funciones, incluyendo: sensores de temperatura, sensores de presión, sensores de presión de variación rápida, sensores para detectar la fuerza ejercida por músculos y sensores para detectar el movimiento del cabello sobre la piel. Todos estos factores humanos deben de ser tomados en consideración cuando se intenta desarrollar una interface táctil humano-máquina.

Dispositivos de Posicionamiento

El propósito de un dispositivo de posicionamiento es determinar las posiciones x, y y z y la orientación (yaw, pitch y roll) de alguna parte del cuerpo del usuario en referencia a un punto fijo. La mayoría de los tipos de dispositivos de interacción de realidad virtual tendrán un posicionador en ellos. Los HMDs necesitan un posicionador para que la vista pueda ser actualizada para la orientación actual de la cabeza del usuario. Los guantes de datos (data gloves) y las palancas de mando (joysticks) de vuelo usualmente tienen posicionadores de tal manera que el icono de la "mano" seguirá los cambios de posición y orientación de la mano real del usuario. Los trajes de datos de cuerpo completo tendrán varios posicionadores en ellos de tal manera que los pies, la cintura, las manos y la cabeza virtuales estén todos esclavizados al usuario humano.

Cuando diseñamos o evaluamos un sistema de realidad virtual que recibirá información de un posicionador, es importante poner atención a la latencia (retardo), tasa de actualización, resolución y exactitud del sistema posicionador. La latencia es el "retardo entre el cambio de la posición y orientación del objetivo siendo seguido y el reporte del cambio a la computadora" [2]. Si la latencia es más grande que 50 milisegundos, ello será notado por el usuario y posiblemente puede causar nausea o vértigo. La tasa de actualización es la tasa a la cual el posicionador reporta datos a la computadora y está típicamente entre 30 y 60 actualizaciones por segundo. La resolución dependerá del tipo de posicionador usado y la exactitud usualmente disminuirá cuando el usuario aleja del punto de referencia fijo [2]. Los dispositivos de posicionamiento de seis grados de libertad vienen en varios tipos básicos de tecnología: mecánica, electromagnética, ultrasónica, infrarroja e inercial.

Posicionadores Mecánicos.

Un dispositivo mecánico es similar a un brazo de robot y consiste de una estructura articulada con eslabones rígidos, una base de soporte y un "órgano terminal activo" el cual es sujetado a la parte del cuerpo siendo posicionada [12], frecuentemente a la mano. Este tipo de posicionador es rápido, exacto y no es susceptible al temblor de la mano. Sin embargo, también tiende a afectar el movimiento del usuario, tiene un área restringida de operación y el problema técnico de posicionamiento de la cabeza y las dos manos simultáneamente es aún difícil.

Posicionadores Electromagnéticos.

Un posicionador electromagnético permite que varias partes del cuerpo sean posicionadas simultáneamente y funcionará correctamente si los objetos vienen entre la fuente y el detector. En este tipo de posicionador, la fuente produce tres campos electromagnéticos cada uno de los cuales es perpendicular a los otros. El detector sobre el cuerpo del usuario entonces mide la atención del campo (la fuerza y dirección del campo electromagnético) y envía esta información de regreso a la computadora. La computadora triangula la distancia y la orientación de los tres ejes perpendiculares en el detector relativos a los tres campos electromagnéticos producidos por la fuente [2].

Los posicionadores electromagnéticos son populares, pero son inexactos. Ellos sufren de problemas de latencia, de distorsión de datos y pueden ser inutilizados por grandes cantidades de metal en el entorno del área de trabajo o por otros campos electromagnéticos, tales como aquellos de otras piezas de grandes equipos de computo. Adicionalmente el detector debe de estar dentro de un rango restringido desde la fuente o no será capaz de regresar información precisa [12], de tal manera que el usuario tiene un volumen de trabajo limitado.

Posicionadores Ultrasónicos.

Los dispositivos posicionadores ultrasónicos consisten en tres emisores de ondas sonoras de alta frecuencia en una formación rígida que forman la fuente para tres receptores que también están en un arreglo rígido en el usuario. Existen dos formas para calcular la posición y la orientación utilizando posicionadores acústicos. A la primera forma se le llama "la fase coherente". La posición y la orientación es detectada calculando la diferencia en la fases de las ondas sonoras que alcanzan a los receptores desde los emisores comparadas a las ondas sonoras producidas por el receptor. "Mientras que la distancia que viaja el objetivo sea menor que una longitud de onda entre actualizaciones, el sistema puede actualizar la posición del objetivo" [2]. El segundo método es el "tiempo-de-vuelo", el cual mide el tiempo en que el sonido, emitido por los transmisores en momentos conocidos, alcanza los sensores. Solamente se necesita un transmisor para calcular la posición, pero el cálculo de la orientación requiere encontrar las diferencias entre los tres sensores [2].

A diferencia de los posicionadores electromagnéticos que son afectados por grandes cantidades de metal, los posicionadores ultrasónicos no tienen este problema. De cualquier modo, los posicionadores ultrasónicos también tienen un volumen restringido de trabajo y, peor, deben tener una línea-de-vista directa desde el emisor al detector. Los posicionadores de tiempo-de-vuelo usualmente tienen una baja tasa de actualización, y los posicionadores de fase-coherente son sujetos a la acumulación de errores en el tiempo [2]. Adicionalmente, ambos tipos son afectados por cambios de temperatura y presión [12] y el nivel de humedad del ambiente de trabajo [2].

Posicionadores Infrarrojos

Los posicionadores (ópticos) infrarrojos usan emisores fijos en un arreglo rígido mientras que las cámaras o "celdas cuadradas" reciben la luz IR. Para fijar la ubicación del posicionador, una computadora debe triangular una posición basada en los datos de las cámaras. Este tipo de posicionador no es afectado por grandes cantidades de metal, tiene una tasa alta de actualización y una baja latencia [2]. Sin embargo, los emisores deben estar directamente en la línea de visión de las cámaras o celdas cuadradas. Adicionalmente, cualesquier otras fuentes de luz infrarroja, alta intensidad de luz u otro brillo afectará el grado de correctitud de la medida [12].

Posicionadores Inerciales

Finalmente, hay varios tipos de dispositivos posicionadores inerciales los cuales permiten al usuario moverse alrededor de un comparativamente grande volumen de trabajo ya que no hay un hardware o cable entre una computadora y el posicionador. Los posicionadores inerciales aplican el principio de conservación del momento angular [2]. Los giroscopios miniatura pueden ser sujetados a los HMDs, pero tienden a salir de cauce (hasta 10 grados por minuto) y ser sensitivos a vibración. El yaw, el pitch y el roll, se calculan midiendo la resistencia del giroscopio a un cambio en orientación. Si el seguimiento de posición es deseado, un tipo adicional de seguimiento debe de ser usado [2]. Los acelerómetros son otra opción, pero ellos también tienden a salir de cauce y su salida es distorsionada por el campo de gravedad [12].

Dispositivos de Interacción

La realidad virtual y los ambientes virtuales van más allá de las interfaces típicas en el realismo de la metáfora visual. El apuntar y dar "clic" con un ratón sobre la mesa es maravilloso en algunas situaciones, pero no casi suficiente para ambientes con inmersión. Entonces en vez de un teclado y un ratón, los investigadores están desarrollando guantes, ratones tridimensionales, palancas de mando flotantes y reconocimiento de voz. Este artículo no intentará cubrir reconocimiento de voz ya que es un dominio grande.

Guantes

Para sentir la flexión de los dedos, tres tipos de tecnología de guante han aparecido: sensores de fibra óptica, medidas mecánicas y galgas extensométricas. El Dataglove (originalmente desarrollado por la compañía VPL Research) es un guante fabricado de neopreno con dos lazos de fibras ópticas en cada dedo. Cada lazo es dedicado a un nudillo y esto puede ser un problema. Si un usuario tiene manos extra grandes o pequeñas, los lazos no corresponderán muy bien a la posición actual del nudillo y el usuario no será capaz de producir ademanes exactos. En un extremo de un lazo está un LED y en el otro está un fotosensor. El cable de fibra óptica tiene pequeños cortes a lo largo de su longitud. Cuando el usuario dobla un dedo, la luz escapa del cable de fibra óptica a través de estos cortes. La cantidad de luz alcanzando el fotoensor es medida y convertida a una medida de cuanto el dedo es doblado [1]. El Dataglove requiere recalibración para cada usuario [9]. "Las implicaciones para un plazo más largo sobre el uso de dispositivos tales como el Dataglove- efectos de fatiga, recalibración durante una sesión- permanecen a ser explorados" [20].

El Powerglove fue originalmente vendido por la compañía Mattel para el Sistema de Entretenimiento Casero Nintendo pero, debido a su bajo precio, ha sido usado ampliamente en investigación [1]. El Powerglove es menos exacto que el Dataglove y también necesita recalibración para cada usuario, pero es más áspero que el Dataglove. El Powerglove usa galgas extensométricas para medir la flexión de cada dedo.

Una pequeña tira de plástico mylar es cubierta con una tinta eléctricamente conductora y colocada a lo largo de la longitud de cada dedo. Cuando los dedos son llevados rectos, una corriente eléctrica pequeña pasando a través de la tinta permanece estable. Cuando un dedo es doblado, la computadora puede medir el cambio en la resistencia eléctrica de la tinta [1].

La mano maestra diestra (Desterous Hand Master- DHM) no es exactamente un guante sino un dermatoesqueletos que se sujeta a los dedos con bandas de velcro. Un sensor mecánico mide la flexión del dedo. A diferencia del Dataglove y el Powerglove, el DHM es capaz de detectar y medir el movimiento de lado a lado de un dedo. Los otros guantes solo miden la flexión del dedo. El DHM es más exacto que cualquiera de los guantes y menos sensitivo al tamaño de la mano del usuario, pero puede ser difícil trabajar con este [9].

La principal fortaleza de los varios tipos de guantes es que ellos proporcionan un dispositivo de interacción más intuitivo que el ratón o una palanca de mando. Esto es porque los guantes permiten que la computadora lea y represente ademanes de la mano. Los objetos en el ambiente pueden por lo tanto ser "cogidos" y manipulados, el usuario puede apuntar en la dirección deseada de movimiento, las ventanas pueden ser cerradas, etc. [20].

"Los ademanes deberían de ser naturales e intuitivos en el ambiente particular virtual. Las acciones deberían ser representadas visualmente y ser incrementales, inmediatas y reversibles para dar a una persona la impresión de actuar directamente en un ambiente" [6]. Wilson y Conway [20] dicen que un conjunto básico de comandos con ademanes para guantes ha sido desarrollado, pero que más trabajo es necesario para expandir el conjunto mas allá del mapeo actual simple. Otra área de mejoramiento es la retroalimentación para el usuario para ayudar la coordinación mano-ojo y retroalimentación proprioceptiva para permitir al usuario conocer cuando un objeto ha sido exitosamente cogido [20].

Ratones 3D

Hay varias marcas de ratones 3D disponibles, todos con básicamente la misma tecnología: un ratón o bola de posicionamiento ha sido modificada para incluir un posicionador de ubicación y orientación de alguna clase [1]. Este ratón modificado es favorablemente familiar e intuitivo a los usuarios - simplemente empujar el ratón en la dirección que tú lo quieras mover. Sin embargo, estos ratones no son muy útiles para interacciones diferentes de la navegación y de la selección de objetos [9].

Palancas de Mando

La categoría final de dispositivos de interacciones es la palanca de mando flotante. Básicamente, este dispositivo trabaja exactamente de la misma manera que la palanca de mando convencional, pero no está sujeta a una base de sustento sobre una mesa. En vez de eso, la palanca de mando está equipada con un posicionador de orientación de tal manera que el usuario simplemente sostiene este en su mano y lo manipula. La mayoría de las palancas de mando de vuelo también tienen algunos botones sobre el poste para hacer "clics" o seleccionar, similarmente a un ratón [9].

Factores Humanos en Ambientes Virtuales

Kay Stanney [13] ha escrito una crítica excelente de las áreas que aún necesitan ser investigadas para ser de los ambientes virtuales un lugar seguro para trabajar. Estos incluyen factores de salud tales como "vértigo por el resplandor" el cual puede inducir un ataque, daño auditorio y del oído interno causado por el audio de alto volumen, movimientos prolongados repetitivos los cuales causan heridas por el sobreuso (por ejemplo, el síndrome del túnel carpiano) y daños de la cabeza, del cuello o de la espina vertebral debido al peso o a la posición de los HMDs . Los factores de seguridad también necesitan ser considerados. Por ejemplo, cuando la visión de un usuario está restringida por un HMD, es probable que el usuario se tropiece al caminar sobre cables u otros objetos reales. También, ¿qué tan seguro es que el usuario esté libre de daño cuando el sistema falla? Las manos y los brazos pudieran ser pinchados o sobre extendidos si un dispositivo de retroalimentación haptica falla; el usuario pudiera ser desorientado o dañado si la computadora falla y repentinamente manda al usuario a la realidad, interrumpiendo el sentido de "presencia".

Anexos

Usuario de realidad virtual

Los sistemas de realidad virtual emplean dispositivos de interfaz especiales para permitir a los usuarios sumergirse en un mundo simulado. Este usuario se coloca un casco o gafas estereoscópicas sobre la cabeza y guantes de datos. La imagen de la pantalla es la que el usuario está viendo.

Sistemas Desktop de RV

Engloban aquellas aplicaciones que muestran una imagen 2D o 3D en una pantalla de computadora en lugar de proyectarla a un HMD. Puesto que representan mundos de 3 dimensiones los exploradores pueden viajar en cualquiera dirección dentro de estos mundos, los ejemplos característicos de estos ambientes son los simuladores de vuelo para computadora, la mayoría de los juegos de alto nivel de realismo para computadora. En resumen, los sistemas desktop RV muestran mundos tridimensionales a través de pantallas de 2D. Algunos comprenderán interfaces sofisticados, como guantes, controles, cabinas customizadas, pero todos tendrán en común la característica antes mencionada

SPACEMOUSE


  Dispositivo proporcional de movimiento de alta precisión. Cuenta con seis grados de libertad, que dan al usuario completa movilidad y sensación de vuelo dentro del espacio virtual.
El Dispositivo recoge en un pequeño teclado funciones susceptibles de configuración, que permiten diseñar formas simples de interacción con los mundos virtuales.

I-GLASSES.


Dispositivo de inmersión de Realidad Virtual. Es el método de visualización de mundos virtuales por excelencia. Permite configuraciones de visión stereoscopica con una resolución de 640x480. Su tracker incorporado recoge información sobre la posición de la cabeza, generando sensaciones envolventes completas.

5th GLOVE.


Guante de datos con cinco sensores que recogen la información del exterior sobre movimientos e interacciones de la mano con el mundo virtual.
La capacidad de experimentar con un mundo virtual se multiplica espectacularmente al usar los guantes de datos.

FASTRAK DE POLHEMUS INC


El Fastrak es un sistema de seguimiento de la posición en 3D. Pueden adaptarse a todos los sistemas que no contemplen esta opción. El sistema utiliza un transmisor y hasta cuatro receptores que pueden adherirse a distintas partes del cuerpo del usuario. Funciona con seis grados de libertad, generando datos para hacer el seguimiento de las coordenadas y la orientación angular.

Bibliografía

- www.activamente.com.mx/vrml

- www.acm.org/crossroads/espanol/xrds3-3/vrhci.html

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