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Realtà Virtuali
Prof. Raffaella Folgieri, aa 2013/2014
Da 2D a 3D
Storia della VR
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Si suole identificare l’inizio con il periscopio di Albert
B. Pratt
In realtà già prima, si può parlare di VR, o meglio di
immersione:





racconti, libri, teatro, musica, illusionismo (fondamentale
non tecnologia ma immersione mentale)
immagini nell’Arte, tradizionale e astratta
illusioni anamorfiche
fotografia, camera oscura
stereoscopia
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illusioni anamorfiche
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Anamorfismo: illusione ottica. Immagine proiettata
in modo distorto e riconoscibile solo da precisa
posizione
Julian Beever: artista specializzato per dipinti su
edifici o marciapiedi che riproducono cavità o
tridimensionalità che non esistono.
http://users.skynet.be/J.Beever/pave.htm
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l’immagine - la Camera Oscura
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1515, Camera Obscura (Leonardo da Vinci): primo esempio di
studio sulla proiezione di immagini dal vero tramite lente
(stenoscopia)
Importante per comprendere visione
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1826, Joseph-Nicéphore Niépce: usa
camera oscura per impressionare lastra da
incisori. Dopo esposizione di 8 ore: Veduta
dalla finestra di Gras (su lastra per
eliografia)
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1838, Luis Mandé Daguerre (Diorama) collabora con Niépce e
nasce il dagherrotipo (opposto al calotipo). Boulevard du Temple
di Parigi e prima immagine umana: un gentiluomo fermo dal
lustrascarpe
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stereoscopia
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1838, Sir Charles Wheatstone: stereoscopio. Complicato
meccanismo basato su un sistema di specchi per visualizzare
coppie di disegni in modo da fornire sensazione di
tridimensionalità.
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1939: View-master™
Molti di voi avranno presente questi
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Storia della VR (1)
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1916, periscopio di Albert B. Pratt
1929, Edward Link: semplice simulatore di volo
meccanico
1834: Zoetropio
1877: Praxinoscopio
1895: Fratelli Lumière. Immagini in movimento e,
successivamente (1903) il filmato 3D “l’arrivo del
treno”
TV
 1925, Baird (30 linee)
 NTSC 480, PAL 576
 Ultra HiVision 4320 linee
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I Moviton (Mamil Srl – Milano)
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Io avevo questi (Mamil Srl – Milano, anni ’70):
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e funzionavano! (78 giri, bicchiere di alluminio)
Il principio è quello del fenachistoscopio
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Storia della VR (2)
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1956, Morton Heilig: Sensorama
1961, Philco engineers Comeau and Bryan: HMD
(head Mounted Display) che segue i movimenti
secondo una videocamera remota
1964, General Motors Corporation: DAC (design
augmented by computer) system per il design in
settore automotive
1965, Ivan Sutherland introduce il concetto di display in cui l’utente
può interagire con gli oggetti senza seguire le leggi della realtà fisica
"It is a looking glass into a mathematical wonderland.“. Introduce
kinesthetic (haptic) e visual stimuli.
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Storia della VR (3)
Intanto il mondo commerciale si interessa al virtuale:
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1972, Atari: ping pong
1973, Evans and Sutherland Computer
Corp: Novoview, simula solo scene
notturne.
1976, Myron Krueger's Videoplace: usa telecamere e altri dispositivi
di imput per creare un mondo virtuale controllato dai partecipanti.
1981, Silicon Graphics crea delle workstation grafiche ancora oggi
utilizzate per VR. In quegli stessi anni, il MIT avvia progetti di realtà
virtuale
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Storia della VR (4)
Altre tappe importanti:
 1984, William Gibson conia il termine Cyberspazio (racconto
Neuromancer)
 Altri progetti portano a sviluppo anche commerciale (1989, Autodesk;
stesso anno: powerglove della Mattel per nintendo game system)
 Si intensificano le ricerche sulla telepresenza e sull’uso di 3D e VR.
Nascono i primi giochi.
 1992, Electronic Visualization Lab: the CAVE, sistema che permette
a 10 persone di condividere la visione di uno spazio virtuale
tridimensionale.
 Da allora fino ad oggi si sono intensificati gli sforzi, con applicazioni
note nel cinema, nella ricerca e in tanti campi
Prof. R. Folgieri
Origini della stereoscopia (3D)
La storia, in pillole (1)
 Prime intuizioni: Euclide, 208 aC
 ogni occhio percepisce immagine leggermente diversa da altro
 la combinazione porta alla tridimensionalità
 1584: Leonardo da Vinci studia profondità
 Giovanni Battista della Porta (1538-1615) produce primo disegno
artificiale tridimensionale
 Jacopo Chimenti da Empoli (1554-1640) realizza disegni
accostati dimostrando comprensione della visione binoculare
1833 Sir Charles Wheatstone dimostrò
che attraverso sistema di specchi e prismi si
produce effetto tridimensionale affiancando
due disegni leggermente differenti. Nel 1838
presenta lo stereoscopio.
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Origini della stereoscopia (3D)
La storia, in pillole (2)
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1844 Brewster (caleidoscopio: Kalos + eidos + scopos)
migliora lo stereoscopio.
Oliver Wendell Holmes, americano, realizza una versione
economica in alluminio, con immagini montate su
cartonicino
La View Master è l’azienda più importante per la
commercializzazione del prodotto
… ma quali sono le tecniche che permettono la stereoscopia?
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Tecnica 1: anaglifia (1)
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Dal greco anàglyphos (sopra + incidere):

immagine ottenuta da sovrapposizione di due
fotogrammi colorati con due diversi colori

rosso per immagine destra e verde per sinistra

osservando immagine con lenti di analogo colore ogni
occhio vede solo l’immagine ad esso corrispondente
la tecnica permette che le due immagini siano nello stesso
fotogramma

è sufficiente un solo canale per le informazioni (es.
TV)
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Tecnica 1: anaglifia (2)

Provate diverse coppie di colori (complementari)

Rosso-verde funziona bene con immagini stampate,
ma tende a far percepire immagine gialla

Nel cinema primi esperimenti con giallo-blu, ma si
aggiungeva l’effetto ghost

Rosso-ciano (sinistro), con ciano = verde + blu
combina tutti e tre i colori primari.

Lenti colorate funzionano come filtri e si ha discreta
rappresentazione colori e visione neutra immagini BN
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Effetto GHOST

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alone attorno alle immagini
una delle immagini, o entrambe, viene percepita
dall’altro occhio o da entrambi
può essere causato da

eccessiva sfasatura delle due immagini

mancata capacità del filtro colorato degli occhiali
anaglifici (o polarizzati o dello schermo
polarizzato) a distinguere le immagini
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Tecnica 2: effetto Pulfrich


Carl Pulfich nel 1922 parla di illusione ottica conseguente
a luce che raggiunge un occhio più attenuata rispetto
all’altro
Stimolazione della retina origina stimolazione dopo lieve
ritardo (latenza) inversamente proporzionale a intensità
dello stimolo.
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


Se si interviene su intensità luminosa, variandone
differenza, si ottiene latenza differente
Per esempio ponendo lente scura davanti ad un occhio
Si origina illusione stereoscopica
Più alta è velocità, più un oggetto sembra avvicinarsi o
allontanarsi da osservatore (secondo direzione movimento)
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Tecnica 3: luce polarizzata
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Due proiettori inviano su schermo due immagini

Ogni proiettore dotato di filtro polarizzante (i due segnali
luminosi sono polarizzati ortogonalmente l’uno all’altro)

Utente dotato di occhiali polarizzanti

uno dei due fasci luminosi viene filtrato

ogni occhio vede solo uno dei segnali
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Tecnica 3: occhiali LCD

Si basa sull’uso di occhiali con filtri a cristalli liquidi
(LCD)

alimentati a pile

lavorano in sincronia con il proiettore

più pesanti

due filtri, uno per occhio, sincronizzati con segnale
infrarosso generato dal sistema di proiezione

alternativamente oscura un LCD che agisce come
otturatore (shutter)
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Il cinema stereoscopico

Il cinema ha adottato per primo la stereoscopia

Fratelli Lumiere “L’arrivée du train en gare de La Ciotat”, 1903:


gli spettatori, presi dal panico, pensavano che il treno stesse per
investirli.
Rivoluzione: IMAX-3D®

diversi sistemi di proiezione:

anaglifo,

con luce polarizzata,

con occhiali a cristalli liquidi.

IMAX 3D: Il proiettore, a due lenti, manda a turno l’immagine
dell’occhio destro e di quello sinistro sullo schermo, con frequenza 96
volte al secondo.
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IMAX Solido: usa sistema stereoscopico a singolo proiettore da 48
fotogrammi al secondo (24 per ogni occhio)
Prof. R. Folgieri
La televisione stereoscopica (1)

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Anni ’20, Baird: esperimenti con disco di
Nipkow
 Segnali due canali stereoscopici tramessi
alternatamente nel tempo (grazie diposizione
fori disco di Nipkow)
 Disco di Nipkow: analizzatore metallico con fori
disposti a spirale in posizioni man mano più esterne.
Le immagini sono analizzate riga dopo riga
(scansione di righe). Dispositivo elettrico dall’altra
parte trasforma variazioni di luminosità dei fori in
impulsi elettrici.
Trasmissioni stereoscopiche nel ’53 in BN e
successivamente nel 1981 a colori
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La televisione stereoscopica (2)
Problemi:
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Non tutta la gamma dei colori è riproducibile (per filtraggio necessario per
separare componenti rosso-ciano)
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L’immagine trasmessa è la somma delle due immagini e poi ri-separata dagli
occhiali. Possibile effetto ghost

Problemi legati al sistema di diffusione:
 NTSC (composito) in USA o Giappone
 PAL (in Europa).
 Entrambi i sistemi ricavano da informazioni di colore RGB un segnale di
luminanza (che permette compatibilità con televisori BN) e due segnali
differenza di colore

componenti fortemente limitati in banda prima di venir multiplati con la
luminanza. Minor fedeltà di riproduzione del colore rispetto alla luminanza
è accettabile per sistema psicovisivo umano, sensibile soprattutto a
informazione di luminanza (recettori retinici separati: bastoncelli e coni).

In anaglifi a, invece, segnali di crominanza hanno ruolo importante: non
solo per l’informazione di colore, ma per la differenza (anche in
luminanza) fra le due immagini, diretta ai due occhi.
 Dunque un segnale composito (NTSC o PAL), che degrada le componenti di
crominanza, è poco adatto a contenere immagini anaglife.
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La televisione stereoscopica (3)
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Per distribuzione digitale: sistemi basati su codifica
MPEG-2.
DVB, Digital Video Broadcasting, standard alla base
della tv digitale satellite e terrestre, e DVD, Digital
Versatile Disc, prevedono informazioni di crominanza
filtrate e compresse di più rispetto a quelle di luminanza
Opportune scelte di parametri di codifica e uso di fattori
di compressione non troppo elevati permettono di
limitare la perdità di qualità del segnale anaglifo dovuta
alla codifica
Effetto Pulfrich applicato per la produzione di programmi
televisivi:
 Rai: serie di cartoni animati giapponesi, 1978
(Dolce Remì)
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La televisione stereoscopica (4)
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Uso di questa tecnica limitato dal fatto che il soggetto o
la telecamera, o entrambi, devono muoversi
Vantaggi della tecnica: possibilità di essere distribuibile
con i canali televisivi convenzionali, visualizzabile su tutti
i tipi di schermo e compoatibile con utenti non interessati
alla stereovisione o privi di occhiali
L'anaglifia consente effetto tridimensionale anche nel
caso di scene prive di movimento, ma impone di
indossare gli occhiali
I risultati migliori si ottengono utilizzando sistemi di
riproduzione polarizzatori, shutter o schermi
autostereoscopici.
Prof. R. Folgieri
Gallerie di immagini e filmati stereoscopici

http://www.3d-movie-gallery.com/
http://www.3d-mania.de/

tanti altri…
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Prof. R. Folgieri
Vari tipi di immagini stereoscopiche

Anaglifi e Filtri Polarizzanti


quelli che abbiamo già visto
Autostereogrammi, o SIS (Single Image Stereogram): un'unica
immagine che svela, al di sotto di un pattern, un’immagine
sottostante. Si dividono in:

SIRDS (Single Image Random Dot Stereogram), con
pattern puntiforme

SIRTS (Single Image Random Text Stereogram), con
pattern composto da testo ASCII

SITS (Single Image Texture Stereogram), con texture
Prof. R. Folgieri
Vedere un autostereogramma
Prof. R. Folgieri
SIRDS (Single Image Random Dot Stereogram)
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SIRTS (Single Image Random Text Stereogram)
Prof. R. Folgieri
SITS (Single Image Texture Stereogram)
Prof. R. Folgieri
Cosa c’è dietro un’autostereogramma?
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Non ci addentreremo in trattati teorici.
Una spiegazione semplice, da cui trarremo spunto, è qui:
http://pmassio.altervista.org/stereoinfo.htm
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L’esperimento proposto nella pagina segnalata è lo
stesso che potete fare con la penna posta davanti ai
vostri occhi.
Spiega il perché riusciamo a vedere gli
autostereogrammmi
Prof. R. Folgieri
Autostereogramma animato
Prof. R. Folgieri
Autostereogramma animato: come fare?
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Creare una depth mask animata

Con vari sw (es. GIMP)
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Depth mask è a livelli di grigio, con sfondo nero e
lo/gli oggetti che vanno dal bianco (parte più vicina)
al grigio scuro (parte più lontana)

Si possono usare anche sw di rendering
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Solitamente è richiesto un file AVI
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Sovrapporre la texture desiderata
Prof. R. Folgieri
Autostereogramma a mano: si può?
Prof. R. Folgieri
Una curiosità
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Da 2D a 3D:
http://www.youtube.com/watch?v=VuoljANz4E
A&feature=player_embedded