La Percezione nella Realtà Virtuale
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La Percezione nella Realtà Virtuale http://percro.sssup.it/~marcello/didattica.htm [email protected] La percezione nella Realtà Realtà Vituale Outline LA REALTÀ LA REALTÀ VIRTUALE LA PERCEZIONE DEL TATTO LE INTERFACCE TATTILI La percezione nella Realtà Realtà Vituale La Realtà (Virtuale ?): La Percezione Del Mondo I filosofi della Grecia classica avevano già scoperto l'imperfetta corrispondenza tra il mondo qual è e l'immagine di esso che i nostri sensi ci trasmettono. I pitagorici compresero che le qualità che si rivelano ai sensi, i suoni, le immagini, le sensazioni tattili, erano nient'altro che apparenze sotto le quali la realtà, fissa e misurabile, può essere scoperta solo attraverso i numeri. L’uomo è misura di tutte le cose, di quelle che sono in quanto sono e di quelle che non sono in quanto non sono. Protagora di Abdera L’Essere è, il Non Essere non è. Parmenide di Elea La Percezione nella RV > La Realtà Realtà > La Percezione del mondo La percezione nella Realtà Realtà Vituale La Realtà: La Dura Realtà “Da sempre, noi umani abbiamo avuto la possibilità (e l'impellente necessità) di arredare illusoriamente il mondo. E' superfluo ricordare, perché troppo ovvio, la nostra propensione a illuderci, a farci illusioni, sulla realtà, e su noi stessi, e a rendere irreale il reale, e viceversa. Mi riferisco, di preciso, alla nostra capacità affabulatoria, ossia alla nostra attitudine a generare illusioni e a credere (e far credere) che esse siano reali.” Va rilevato che queste pratiche creative sono state sempre intimamente legate alla natura delle tecniche di produzione utilizzate. Nel campo, per esempio, delle rappresentazioni visive questo è più che evidente. La Percezione nella RV > La Realtà Realtà > La Dura Realtà Realtà La percezione nella Realtà Realtà Vituale La Realtà (Virtuale ?): La Realtà Rappresentata La capacità di immaginare, raffigurare e produrre mondi illusori è una delle caratteristiche più distintive della nostra specie: noi umani siamo prolifici facitori di mondi simbolici che svolgono un ruolo di mediazione tra noi e il mondo reale. La Percezione nella RV > La Realtà Realtà > La Realtà Realtà Rappresentata La percezione nella Realtà Realtà Vituale La Realtà (Virtuale ?): La Realtà Raccontata Narrazione per immagine, con artifici grafici, di un mondo illusorio, non reale. Ruolo dell’autore e del fruitore Lector in fabula Antonello da Messina – S.Gerolamo nello studio (1474) La Percezione nella RV > La Realtà Realtà > La Realtà Realtà Raccontata La percezione nella Realtà Realtà Vituale La Realtà Virtuale: Il senso di presenza I LIMITI DELLA PERCEZIONE UMANA Per imitare in maniera sempre più adeguata la realtà che ci circonda è essenziale conoscere a fondo i meccanismi della nostra percezione per imparare a sfruttarne anche i limiti. Soltanto dopo aver compreso quanta parte del mondo esterno non viene affatto percepita dai nostri sensi è possibile selezionare le informazioni veramente necessarie per ottenere riproduzioni verosimili. La realtà che conosciamo è condizionata dai nostri limiti fisiologici, se fossimo dotati di sensi più estesi avremmo una diversa immagine del mondo; Tuttavia è su questi limiti che l'uomo ha basato le sue conoscenze e molti dei mezzi tecnici che ci permettono di ampliarle sono fondati proprio sullo sfruttamento dei limiti sensoriali. La Percezione nella RV > Il Senso di Presenza > I Limiti della Percezione Umana La percezione nella Realtà Realtà Vituale La Realtà Virtuale: Il senso di presenza I LIMITI DELLA PERCEZIONE UMANA La gamma sonora da noi percepita è ridotta rispetto a quella percepita dai cani o da altri animali quali i pipistrelli. La nostra percezione visiva è fortemente condizionata: •la gamma cromatica è limitata sia inferiormente (l'occhio umano non è sensibile agli infrarossi), sia superiormente nella regione degli ultravioletti; •non riusciamo a distinguere se un colore è frutto di una sola luce monocromatica (di quel colore) o somma di più luci (la cui somma di colori genera quello apparente); •non riusciamo a percepire il movimento di oggetti, se questo è troppo veloce. La realtà che conosciamo è condizionata dai nostri limiti fisiologici, se fossimo dotati di sensi più estesi avremmo una diversa immagine del mondo. La Percezione nella RV > Il Senso di Presenza > I Limiti della Percezione Umana /2 La percezione nella Realtà Realtà Vituale La Realtà Virtuale: Il senso di presenza I LIMITI DELLA PERCEZIONE UMANA Il meccanismo della conoscenza di ciò che ci circonda è condizionato non solo dal funzionamento dei percettori, dei sensori di cui l'uomo dispone, ma anche dal "modello del mondo" che il cervello utilizza nell'interpretare i segnali che essi ci trasmettono. Ad esempio: una luce che si muove su una circonferenza viene vista, al disopra di una certa velocità di rotazione, come un cerchio luminoso continuo, un'opportuna sequenza di note, la sequenza di Shepard, genera la sensazione di un suono di altezza sempre crescente. Le illusioni ottiche e uditive sono molteplici e alcune tra esse sono comunemente e da tempo sfruttate: nel Trecento, Giotto introdusse la rappresentazione tridimensionale con la prospettiva. La Percezione nella RV > Il Senso di Presenza > I Limiti della Percezione Umana /3 > Illusioni La percezione nella Realtà Realtà Vituale La Realtà Virtuale: Il senso di presenza La mente, sulla base delle informazioni trasmessegli dai sensi, costruisce una sua "realtà virtuale". Se il modello costruito è soddisfacente, l'uomo tende a confondere la realtà con il modello e assume questo come base per le sue azioni. La Percezione nella RV > Il Senso di Presenza La percezione nella Realtà Realtà Vituale La Realtà Virtuale: Il senso di presenza I LIMITI DELLA PERCEZIONE UMANA: ARTIFICI Un modello soddisfacente (e longevo). La simulazione della profondità con la prospettiva ha soddisfatto le nostre esigenze al punto che, prima di esplorare una modalità più completa della percezione della profondità, abbiamo dovuto attendere sette secoli. Solo col cinema e la televisione stereoscopici si può pensare di sfruttare i fenomeni di persistenza retinica per simulare la visione binoculare attraverso immagini fornite sequenzialmente all’uno e all'altro occhio. La Percezione nella RV > Il Senso di Presenza > I Limiti della Percezione Percezione Umana > Artifici La percezione nella Realtà Realtà Vituale La Realtà Virtuale: Il senso di presenza I LIMITI DELLA PERCEZIONE UMANA: SUPPORTI TECNOLOGICI Un modello soddisfacente (anche troppo). La “stereovisione” tuttavia richiede ancora sistemi di interfaccia macchinosi e costosi. Al di là della spettacolarità di materializzare oggetti al di fuori dello schermo, il vantaggio di una visione prospettica più realistica non è stato fino a oggi così intrigante, rispetto alla sensazione procurata dalla prospettiva, da convincere gli utenti a dotarsi di occhiali stereoscopici con la stessa facilità con cui sono stati indotti ad acquistare cuffie stereofoniche. La Percezione nella RV > Il Senso di Presenza > Supporti tecnologici La percezione nella Realtà Realtà Vituale La Realtà Virtuale: Il senso di presenza I LIMITI DELLA PERCEZIONE UMANA: RUOLO ATTIVO DELL’OSSERCATORE Un modello soddisfacente (anche troppo). Particolarità della percezione visiva: La selezione della scena della visione è una delle particolarità che trova nella vista il più complesso ed evoluto dei nostri sensi anche se non il più difficile da ingannare con tecniche percettive. Per alcuni studiosi, il compito principale della mente nella visione non è ricostruire le immagini a partire dagli stimoli che provengono dagli occhi ma scartare quegli stimoli che non risultano utili alla nostra sopravvivenza. La Percezione nella RV > Il Senso di Presenza > Ruolo attivo dell’ dell’osservatore La percezione nella Realtà Realtà Vituale La Realtà Virtuale: Il senso di presenza I LIMITI DELLA PERCEZIONE UMANA: OTTIMIZZAZIONE DELLE RISORSE Scelta del minimo significante sufficiente Il vantaggio dell'operazione consiste nel fatto che, per ciascuna delle forme elementari, sono noti i limiti percettivi. E' quindi possibile scartare la parte dell'informazione non percepibile e operare successivamente la trasformazione inversa restituendo infine all'utente un'immagine depurata e adattata alla sue capacità visive. L'esperienza dimostra che la gran parte delle cifre binarie che compongono l'informazione audio o video può essere scartata senza che l'utente se ne accorga pur mantenendo una qualità percepita superiore alla televisione analogica. La Percezione nella RV > Il Senso di Presenza > Ottimizzazione delle risorse La percezione nella Realtà Realtà Vituale La Realtà Virtuale: Il senso di presenza IL MULTIMEDIALE Per poter coinvolgere lo spettatore in un simulacro di realtà che dalla realtà differisca solamente perché è in qualche modo controllata dall'uomo, occorre integrare la stimolazione di tutti i nostri sensi La Percezione nella RV > Il Senso di Presenza > Il Multimediale La percezione nella Realtà Realtà Vituale Percezione e sensi La Percezione nella RV > La Percezione del Tatto > Peculiarità Peculiarità del tatto La percezione nella Realtà Realtà Vituale I comuni sensi ed il senso comune Gallia tota divisa in partes tres I tre Moschettieri I sette savi I cinque sensi La Percezione nella RV > La Percezione del Tatto La percezione nella Realtà Realtà Vituale Le peculiarità del tatto dove si esplica comunemente il tatto la pelle come limite ed interfaccia La Percezione nella RV > La Percezione del Tatto > Peculiarità Peculiarità del tatto La percezione nella Realtà Realtà Vituale La pelle: una descrizione sistematica Epidermide Derma Tessuto sottocutaneo La Percezione nella RV > La Percezione del Tatto > Descrizione sistematica della pelle La percezione nella Realtà Realtà Vituale La pelle: una descrizione sistematica Epidermide (descrizione e sensori relativi) Strato corneo Corrispondenza fra i risalti delle impronte digitali e le estroflessioni dell’ dell’epidermide I corpuscoli di Meissner La Percezione nella RV > La Percezione del Tatto > Descrizione sistematica della pelle La percezione nella Realtà Realtà Vituale La pelle: una descrizione sistematica Epidermide (I corpuscoli di Meissner) Innervamento comune Disposti “ortogonalmente” ortogonalmente” alla superficie 43% dei sensori presenti nelle mani Dimensioni: 80x30 µm Sensibili al contatto Non saturano Assenti in altre zone molto sensibili al tocco come le labbra o la lingua La Percezione nella RV > La Percezione del Tatto > Descrizione sistematica della pelle La percezione nella Realtà Realtà Vituale La pelle: una descrizione sistematica Epidermide (I dischi di Merkel) Innervamento comune Disposti “paralleli” alla superficie 25% dei sensori presenti nelle mani Dimensioni: ∼ 10 µm Sensibili alla pressione ed alle vibrazioni 2-64 Hz Capaci di distinguere le forme al solo contatto e di rilevare la rugosità La Percezione nella RV > La Percezione del Tatto > Descrizione sistematica della pelle La percezione nella Realtà Realtà Vituale La pelle: una descrizione sistematica Epidermide: Meccanismo di rilevazione dello scorrimento Umidità della pelle Azioni tangenziali sul polpastrello Stick slip Comportamento delle impronte digitali Effetti sulle strutture sottostanti Vibrazioni e sensazione di scorrimento La Percezione nella RV > La Percezione del Tatto > Descrizione sistematica della pelle La percezione nella Realtà Realtà Vituale Classificazione topologico-funzionale dei recettori tattili Denominazione Localizzazione Cutanei Nella pelle Articolari Nelle giunzioni articolari Muscolotendinei Nei muscoli Labirintici Nell’orecchio Esterocettivi Propriocettivi Esterocezione: capacità di cogliere stimoli provenienti dall’esterno Propriocezione: capacità di cogliere stimoli che si originano nell’interno di organi corporei La Percezione nella RV > La Percezione del Tatto > Classificazione dei recettori tattili La percezione nella Realtà Realtà Vituale Toccare (ed essere toccati) Toccare, urtare, subire un contatto Toccare, manipolare, cercare un contatto La Percezione nella RV > La Percezione del Tatto > Toccare ed essere toccati La percezione nella Realtà Realtà Vituale Toccare (ed essere toccati) Attività e passività Toccare come esplorare: non ci si limita a registrare un contatto Subire un contatto: registrazione della risposta dei sensori La Percezione nella RV > La Percezione del Tatto > Toccare ed essere toccati La percezione nella Realtà Realtà Vituale Toccare (ed essere toccati) La complessità della percezione Dal punto di vista del sensore non c’è differenza fra toccare ed essere toccati Necessità di ulteriori significanti che permettano di differenziare le esperienze La Percezione nella RV > La Percezione del Tatto > Toccare ed essere toccati La percezione nella Realtà Realtà Vituale Toccare (ed essere toccati) La complessità della percezione Toccare Essere toccati Essere Toccati Condizione attiva Condizione passiva Coinvolgimento dei sensori proprio ed esterocettivi Eccitazione dei sensori esterocettivi Abilitazione del canale sensorio esterocettivo Sensori propriocettivi raramente coinvolti La differenza sostanziale è nella mente del soggetto: questi si dispone a ricevere informazioni tattili aprendo determinati canali sensoriali La percezione nella Realtà Realtà Vituale Due approcci allo studio della percezione tattile Meccanicistico Cognitivo (teoria della Gestalt) La percezione nella Realtà Realtà Vituale Della sensazione veridica Una sensazione affidabile è una sensazione complessa Niki Lauda vs. San Tommaso: Iconoclastia ed esperienze aptiche ante litteram Una comunissima interfaccia aptica: il sedile dell’automobile “Se non vedo (…) e non metto il mio dito (…) e non metto la mia mano (…) certamente non crederò.” Giovanni, 20 - XXV La percezione nella Realtà Realtà Vituale Interfacce tattili [email protected] La percezione nella Realtà Realtà Vituale Le Interfacce Tattili indossabili La Percezione nella RV > Le Interfacce Tattili > Wearable Display La percezione nella Realtà Realtà Vituale Le Interfacce Tattili: indenter Jungmann & Schlaak, Darmstadt Univ. La Percezione nella RV > Le Interfacce Tattili > Desktop Display > Indenter La percezione nella Realtà Realtà Vituale Le Interfacce Tattili desktop: tessitura superficiale Ultra Thin Electrostatic Actuator Yamamoto, Ishii et al. La Percezione nella RV > Le Interfacce Tattili > Desktop Display > Tessitura superficiale La percezione nella Realtà Realtà Vituale Il display tattile di Hayward La Percezione nella RV > La Percezione del Tatto > Il display tattile di Hayward La percezione nella Realtà Realtà Vituale Il display tattile di Hayward: principio di funzionamento La Percezione nella RV > La Percezione del Tatto > Il display tattile di Hayward La percezione nella Realtà Realtà Vituale Display tattili alternativi: SuperCilia Skin (“emotional” device) Super Cilia Skin MIT MediaLab La Percezione nella RV > La Percezione del Tatto > SuperCilia Skin La percezione nella Realtà Realtà Vituale Dispositivi Commerciali: CyberGrasp/Touch/Glove http://www.immersion.com/3d/products/cyber_glove.php http://www.mindflux.com.au/products/vti/cybertouch.html Attenzione! Ciò che è definito “tattile” non sempre lo è… La Percezione nella RV > La Percezione del Tatto > Dispositivi in commercio La percezione nella Realtà Realtà Vituale Una proposta per un attuatore tattile [email protected] La percezione nella Realtà Realtà Vituale SPECIFICHE UTENTE Stimolazione dei polpastrelli e del palmo Simulazione della percezione di caratteristiche geometriche e meccaniche della superficie Simulazione della percezione di contatti statici e dinamici Possibile integrazione con un’interfaccia aptica cinestetica La Percezione nella RV > La Percezione del Tatto > 3pod > specifiche utente La percezione nella Realtà Realtà Vituale L’illusione aptica di Hayward È possibile indurre la percezione di uno spostamento normale alla superficie di contatto tramite deformazioni tangenziali La Percezione nella RV > La Percezione del Tatto > 3pod > background La percezione nella Realtà Realtà Vituale Attuatore di Hayward Vista laterale Lo spostamento prodotto dagli elementi attivi verticali produce la rotazione alla base dell’aculeo, la quale genera la deformazione tangenziale avvertita dalla pelle dell’utente. PRO •Semplice realizzazione •Elevata banda passante CONTRO •Elevato ingombro verticale •Dipendenza fra ingombro verticale e deformazione massima ottenibile •Impossibilità di simulare uno scorrimento continuo Vista in pianta La Percezione nella RV > La Percezione del Tatto > Attuatori Tattili Tattili > 3pod > pro&cons La percezione nella Realtà Realtà Vituale Motori piezoelettrici Sono stati già realizzati analoghi motori piezoelettrici che però non sono adatti, per dimensioni e configurazione, all’implementazione in un attuatore tattile Rotazione della sfera ottenuta tramite l’azione di un piattello il cui moto risulta essere la combinazione di due vibrazioni isofrequenziali di Bouncing e Bending opportunamente sfasate nel tempo Le vibrazioni di Bouncing e Bending sono ottenute tramite eccitazione alla risonanza di due modi propri di vibrare di un’opportuna struttura meccanica. Con piccoli segnali eccitatori si ottengono ampiezze di vibrazione relativamente grandi La percezione nella Realtà Realtà Vituale Casi studio: applicazioni e progetti [email protected] La percezione nella Realtà Realtà Vituale Presenccia Progetto UE finalizzato alla realizzazione della presenza in ambienti di realtà mista su larga scala. L’ambiente includerà un’installazione fisica che gli utenti potranno visitare sia fisicamente che virtualmente. [email protected] La percezione nella Realtà Realtà Vituale Presenccia Data Glove PERCRO has a long experience in the development of Data Glove. The first Data Glove for acquisition of the posture of the fingers was developed in 1992. The PERCRO Data Glove (R.1) based on strain gauges technology mounted on steel leafs. The PERCRO Data Glove (R.4) based on innovative sensor composed by a flexible carrier and a low cost commercial Hall Effect Sensor. La percezione nella Realtà Realtà Vituale Presenccia Application Natural touch and gesture La percezione nella Realtà Realtà Vituale Presenccia FingerPadStimulator attuatore tattile elettroattivo Un attuatore innovativo che utilizza polimeri elettroattivi e metafore di contatto per stimolare aree sensibili della mano in applicazioni di Realtà Virtuale La percezione nella Realtà Realtà Vituale HapTex HAPTEX is a research project on multimodal perception of textiles in virtual environments. Its main goal is to develop a complete Virtual Reality System for visuohaptic interaction with virtual textiles. La percezione nella Realtà Realtà Vituale HapTex The HAPTEX System will display a realistic 3D representation of the simulated virtual textile. Users of the system will be able to “feel” the displayed virtual textile through a novel haptic/tactile interface. The project will provide several demonstrators to test different integration phases of the overall system. La percezione nella Realtà Realtà Vituale HapTex Goals • Fundamental research in the haptics domain • Integration of force feedback & tactile perception • Physical simulation of textiles in real time • Synchronization of visual and haptic rendering Research • Mechanical models for physicalbased simulation in real-time • From physical parameters to realistic visualization and haptic perception of textiles • Haptic rendering algorithms • Novel haptic interfaces for multipoint interaction Applications • Online-purchase of clothes • Entertainment - and textile industry • Simulations with integrated haptic feedback La percezione nella Realtà Realtà Vituale Portable HIs Fingertip Pinch This device is an Encountered Type HI. A small plate, whose orientation is controlled thanks to a 2DoF wrist, gets in contact with the finger only when the virtual surface is touched. The Pinch is an under actuated multi-dof haptic interface. This device is capable of exerting force between thumb and index and middle finger allowing to simulate “Precision Grasping”. La percezione nella Realtà Realtà Vituale
