Εικονική Πραγματικότητα

Πανεπιστήμιο Αιγαίου

Τμήμα Μηχανικών Σχεδίασης Προϊόντων και Συστημάτων

Έτος: 2015-2016

Διδάσκων: Σπυρίδων Βοσινάκης

Περιγραφή Μαθήματος

Στο μάθημα γίνεται μια εισαγωγή στις βασικές έννοιες, τις μεθόδους ταξινόμησης και τις εφαρμογές συστημάτων Εικονικής Πραγματικότητας. Στη συνέχεια αναλύονται τα διάφορα μοντέλα αναπαράστασης του περιβάλλοντος και οι πιθανές μεταφορές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αλληλεπίδραση του χρήστη με τον εικονικό κόσμο. Γίνεται παρουσίαση των μεθόδων πληροφορικής κινηματογραφίας που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κίνηση των αντικειμένων και των χαρακτήρων, ενώ αναλύονται και θέματα μοντελοποίησης φυσικών νόμων και αναγνώρισης σύγκρουσης και αντίδρασης (collision detection and response), που είναι απαραίτητα σε αληθοφανή εικονικά περιβάλλοντα. Γίνεται εισαγωγή στην έννοια των αυτόνομων συνθετικών χαρακτήρων και στις σχετικές τεχνολογίες που τους συνοδεύουν, ενώ παρουσιάζεται διεξοδικά και το υλικό εικονικής πραγματικότητας, όπως γάντια δεδομένων (data gloves) και οθόνες προσαρμοσμένες στο κεφάλι (head mounted displays). Τέλος, δίνεται έμφαση στις μεθοδολογίες σχεδίασης και αξιολόγησης συστημάτων εικονικής πραγματικότητας, σε θέματα σχεδίασης μεταφορών και αλληλεπιδράσεων, καθώς και σε μεθοδολογίες ανάπτυξης. Παράλληλα παρουσιάζεται το περιβάλλον Open Simulator και η γλώσσα LSL, με τα οποία καλούνται οι φοιτητές να σχεδιάσουν έναν εικονικό κόσμο και τις σχετικές αλληλεπιδράσεις. Τα εργαστήρια εφαρμογής των ανωτέρω εννοιών και τεχνικών είναι υποχρεωτικά

Video-Διαλέξεις

Διάλεξη 01: Εισαγωγή στους Εικονικούς Κόσμους

Στόχος της ενότητας είναι να παρουσιάσει μια εκτεταμένη επισκόπηση του χώρου των Εικονικών Κόσμων. Αρχικά αναφέρονται οι σύγχρονοι ορισμοί των εικονικών κόσμων και των σχετικών περιβαλλόντων και περιγράφονται αναλυτικά οι προσφερόμενες λειτουργίες τους. Επιπλέον, παρουσιάζονται οι δυνατοί χώροι εφαρμογής τους και οι ιδιαιτερότητές τους σε σχέση με άλλες σχετικές προσεγγίσεις. Στη συνέχεια γίνεται μια παρουσίαση και ιστορική αναδρομή της Εικονικής Πραγματικότητας και των στόχων της. Εξηγούνται βασικές έννοιες, όπως η παρουσία και η εμβύθιση, και περιγράφονται οι βασικές κατηγορίες υλικού. Αντίστοιχα, παρουσιάζεται η εξέλιξη των Εικονικών Κόσμων από πολυχρηστικά περιβάλλοντα βασισμένα στο κείμενο μέχρι τα σημερινά τρισδιάστατα περιβάλλοντα, καταλήγοντας στις σύγχρονες τεχνολογικές λύσεις και διαθέσιμες πλατφόρμες. Τέλος, αναλύεται η σημερινή κατάσταση ως προς την αποδοχή και χρήση των εικονικών κόσμων, τόσο γενικού τύπου όσο και κόσμων παιχνιδιού, και περιγράφονται οι μελλοντικές προοπτικές. Λέξεις κλειδιά: Εικονική πραγματικότητα, Εικονικοί κόσμοι

Διάλεξη 02: Απεικόνιση

Αντικείμενο της ενότητας είναι η διαδικασία οπτικής απεικόνισης του εικονικού κόσμου, τόσο από την τεχνολογική όσο και από τη σχεδιαστική σκοπιά. Γίνεται μια εισαγωγική επισκόπηση στους αλγορίθμους και τεχνικές από το χώρο των γραφικών που αξιοποιούνται για τη μοντελοποίηση και απεικόνιση του περιβάλλοντος. Παρουσιάζονται τα κατάλληλα μοντέλα αναπαράστασης γεωμετρίας για τις διάφορες κατηγορίες περιεχομένου, οι γεωμετρικοί μετασχηματισμοί, οι υφές και τα υλικά, οι διάφορες τεχνικές φωτισμού και φωτοσκίασης, η τοποθέτηση της κάμερας και η προοπτική προβολή, καθώς και άλλα εξειδικευμένα θέματα μοντελοποίησης και οπτικοποίησης. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται ο γράφος σκηνής και η χρήση του σε τρισδιάστατους κόσμους, περιγράφονται βασικές τεχνικές και εργαλεία τρισδιάστατης μοντελοποίησης του περιεχομένου, και αναφέρονται θέματα βελτιστοποίησης της γεωμετρίας. Τέλος, γίνεται μια επισκόπηση σχετικού υποστηρικτικού λογισμικού για την κατασκευή τρισδιάστατων σκηνών και την απεικόνισή τους σε πραγματικό χρόνο. Λέξεις κλειδιά: Γραφικά με υπολογιστή, 3D γραφικά

Διάλεξη 03: Συνθετική Κίνηση

Στην παρούσα ενότητα παρουσιάζεται η διαδικασία παραγωγής συνθετικής κίνησης (animation) στους εικονικούς κόσμους, εστιάζοντας τόσο στις απαιτούμενες τεχνολογίες όσο και σε σχεδιαστικά ζητήματα. Αρχικά παρουσιάζονται οι διάφορες επιλογές ως προς τη μοντελοποίηση των αντικειμένων, ανάλογα με το είδος της κίνησης που θέλουμε να εκτελέσουν. Στη συνέχεια, γίνεται μια επισκόπηση των αλγορίθμων και τεχνικών για την αναπαραγωγή προκαθορισμένων κινήσεων, καθώς και για τη δυναμική παραγωγή κίνησης μέσω προσομοίωσης. Παρουσιάζεται η διαδικασία καθορισμού και παραγωγής κίνησης με θέσεις κλειδιά (keyframing), η χρήση δεδομένων σύλληψης κίνησης (motion capture), η μοντελοποίηση φυσικών νόμων και θέματα ανίχνευσης συγκρούσεων και αντίδρασης σε αυτές. Τέλος, αναλύονται τεχνικές σύνθετης μετακίνησης και συμπεριφοράς συνθετικών χαρακτήρων ξεκινώντας από την παρουσίαση αρχιτεκτονικών απόφασης, όπως μηχανές καταστάσεων και ευφυείς πράκτορες και συνεχίζοντας σε τεχνικές όπως η εύρεση μονοπατιού, η δυναμική αποφυγή αντικειμένων, και η συντονισμένη κίνηση πλήθους. Λέξεις κλειδιά: Συνθετική κίνηση, φυσική προσομοίωση

Διάλεξη 04: Διεπαφή και Αλληλεπίδραση

Αντικείμενο της ενότητας είναι η διεπαφή του εικονικού κόσμου με το χρήστη. Αρχικά παρουσιάζονται οι βασικές κατηγορίες αλληλεπίδρασης χρηστών με το τρισδιάστατο περιβάλλον: πλοήγηση, χειρισμός αντικειμένων, και επικοινωνία. Για κάθε μία από αυτές παρουσιάζονται οι επιμέρους στόχοι και οι συχνά χρησιμοποιούμενες τεχνικές αλληλεπίδρασης για την εκτέλεσή τους. Μελετώνται ζητήματα ερμηνείας των δεδομένων εισόδου, αντιστοίχησης σε ενέργειες στο περιβάλλον, και χρήσης οπτικών βοηθημάτων, και αναλύονται τόσο θέματα υλοποίησης όσο και σχεδιαστικά ζητήματα. Στη συνέχεια, αναφέρονται θέματα σχεδίασης της δισδιάστατης διεπαφής (head up display – HUD) του χρήστη με τον κόσμο με έμφαση στην κατάλληλη επιλογή και διάταξη οπτικών βοηθημάτων και στοιχείων διεπαφής. Τέλος παρουσιάζονται σύγχρονες κατηγορίες υλικού για φυσικές αλληλεπιδράσεις και οι δυνατότητες αξιοποίησής τους στους εικονικούς κόσμους. Λέξεις κλειδιά: 3D Διεπαφή, Ευχρηστία

Διάλεξη 05: Σχεδίαση, Ανάπτυξη και Αξιολόγηση

Η παρούσα ενότητα αφορά στη διαδικασία σχεδίασης, ανάπτυξης και αξιολόγησης ενός εικονικού κόσμου. Αρχικά αναφέρονται ζητήματα καταλληλότητας των εικονικών κόσμων ως μέσο για την υποστήριξη των στόχων μιας εφαρμογής. Παρουσιάζονται και αναλύονται ορισμένες κυρίαρχες μεθοδολογίες σχεδίασης και ανάπτυξης εικονικών περιβαλλόντων και αναφέρονται τρόποι εφαρμογής των βασικών αρχών τους στους εικονικούς κόσμους. Στη συνέχεια παρουσιάζονται ζητήματα σχεδίασης του περιβάλλοντος και των αλληλεπιδράσεων, όπου περιγράφονται οι δυνατές μορφές αναπαράστασης του περιεχομένου και μελετάται η χρήση τους σε διαφόρων ειδών περιβάλλοντα. Παρουσιάζονται ορισμένες βασικές κατηγορίες δραστηριοτήτων χρήστη που εμφανίζονται στους εικονικούς κόσμους και προτείνονται κατευθύνσεις ως προς το περιεχόμενο και τις υποστηριζόμενες αλληλεπιδράσεις. Τέλος, αναλύεται η έννοια της ευχρηστίας και οι μέθοδοι αξιολόγησής της, και παρουσιάζονται ορισμένες βασικές προσεγγίσεις για την αξιολόγηση εικονικών περιβαλλόντων. Λέξεις κλειδιά: Μεθοδολογίες σχεδίασης, αξιολόγηση διαδραστικών συστημάτων