77342

МАНИПУЛЯТОРЫ ДЛЯ СИСТЕМ НАУЧНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ

Научная статья

Информатика, кибернетика и программирование

И если для средств вывода уже есть такие мощные средства как системы типа Cve стерео очки стерео мониторы и шлемы виртуальной и расширенной реальности то в области средств ввода или манипуляторов таких решений очень мало и не имеют большого распространения. Нами была поставлена задача разработать интерфейс для работы с виртуальными объектами в котором бы учитывались достоинства и недостатки уже существующих манипуляторов и который был бы максимально прост и естественен в использовании. Обзор существующих решений Был проведён критический...

Русский

2015-02-02

244.5 KB

0 чел.

МАНИПУЛЯТОРЫ ДЛЯ СИСТЕМ НАУЧНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ

И.С Стародубцев, В.Л. Авербух

Институт математики и механики Уральского отделения РАН, Уральский Федеральный Университет.

1. Введение

Вычислительные возможности персональных машин позволяет проводить ресурсоёмкие вычисления буквально в офисном помещении. Для полноценного взаимодействия с компьютерными моделями нужна их интерпритация. В большинстве случаев взаимодействие ведётся с помощью стандартных средств ввода-вывода, таких как клавиатура, мышь и монитор. Однако для работы с трёхмерными объектами эти средства, изначально двумерные, подходят слабо. И, если для средств вывода уже есть такие мощные средства как системы типа Cave, стерео очки, стерео мониторы и шлемы виртуальной и расширенной реальности, то в области средств ввода, или манипуляторов, таких решений очень мало и не имют большого распространения.

Нами была поставлена задача разработать интерфейс для работы с виртуальными объектами, в котором бы учитывались достоинства и недостатки уже существующих манипуляторов и который был бы максимально прост и естественен в использовании.

2. Обзор существующих решений

Был проведён критический анализ представленных на рынке манипуляторов и систем ввода. Все их можно условно разделить на следующие группы:

1. Контактно-механические (Phantom [1], SpaseNavigator [2])

Представителей этой группы манипуляторов можно описать как "джойстик с дополнительными степенями свободы". С одной стороны в этом их сильная сторона: классика, проверенная временем, но с другой - добавление дополнительных степеней свободы приводит к тому, что использование такого манипулятора становится делом весьма замысловатым и требующим обучения и тренировки. Также, от предшественника-джойстика им досталась и низкая пространственная мобильность. Однако, на сегодняшний день, только представители этой группы манипуляторов иногда используются в системах научной визуализации.

2. Системы гироскопов и акселерометров (Red Orb)

По сравнению с контактно-механическими манипуляторами, использование гироскопов даёт значительно большие возможности для перемещения в пространстве и, как следствие, бОльшее пространственное разрешение. Они более просты и естественны в использовании. Также в качестве плюса можно отметить относительно низкую стоимость. Однако так как задача определения пространственных координат только по вектору скорости/ускорения является некорректно поставленной обратной задачей, то точность как правило бывает невысока или достигается за счёт улучшения качества датчиков(повышение цены) и частых калибровок или за счёт использования дополнительной информации, например визуальной или радио триангуляцией(Hydra).

3. Смешанные визуально-электронные (PS Move [3], Wii [4], Razer Hydra [5])

Также, как и в предыдущем случае, эти системы используют акселерометры и гироскопы, однако здесь еще дополнительно имеются камера и источники света, позволяющие, вместе с данными акселерометров, получать более точный результат. Такие системы сочетают в себе лучшие качества оптических и электронных систем. Большинство изделий позиционируются как игровые манипуляторы.

4. Чисто визуальный поиск (активный и пассивный Motion capture, Интерфейс Фонарика [6])

Использование захвата движений в качестве средства ввода(а своего тела в качестве манипулятора) - достаточно новое направление, ставшее возможным только в последние годы, так как мощности, необходимые для обработки видеопотока в реальном времени стали доступными только сейчас. Поэтому еще не сложилось устойчивой группы методов и методик разработки и работы с данными типами интерфейсов. В качестве достоинства таких систем можно отметить отсутствие необходимости в использовании оператором каких-либо внешних манипуляторов кроме своего тела.

И тем не менее, при достаточно широком выборе, чаще всего продолжают использовать стандартные средства ввода - клавиатура и мышь. После проведения анализа было выявлено четыре основные причины такого положения дел:

Во-первых, это жесткие ограничения, накладываемые самими манипуляторами, которые не всегда можно и удобно выполнять, используя те или иные средства вывода или решая определённые задачи.

Во-вторых, многие манипуляторы разрабатываются в расчёте на использование со стандартными средствами вывода, что делает неудобным или вовсе невозможным их применение вместе с трёхмерными средствами вывода.

В-третьих, некоторые манипуляторы, для своего использования, требуют предварительного обучения и определённой практики.

И, наконец, подавляющее большинство манипуляторов рассчитаны на решение узкого круга задач и не имеют естественной возможности настройки для использования в других сферах.

3. Постановка задачи

После проведения анализа была поставлена задача разработки манипулятора или комплексной системы ввода/вывода, которая бы удовлетворяла следующим условиям:

1. Возможность работы с трёхмерными устройствами вывода.

2. Максимальная простота и интуитивность интерфейса.

3. Максимальное соответствие ментальной модели пользователя [7].

4. Наличие базы, возможности и инструментария для настройки интерфейса под конкретную задачу и/или пользователя.

5. Возможность интеграции с распространённым оборудованием и ПО.

6. Удешевление технологии

4. Предлагаемый подход к решению

После исследований, включавших в себя эксперименты с различными типами манипуляторов (P5 Data Glove, PS Move), поиском AR маркеров и безмаркерным Motion Capture, в качестве наиболее перспективного был выбран подход, использующий карту глубин сцены для захвата движения, положения и жестов кистей рук пользователя или предметов в них, с помощью которых и происходит взаимодействие с виртуальными объектами.

Такой подход должен реализовывать максимально интуитивно понятный интерфейс, как наиболее приближенный к ментальной модели естественного человеческого воздействия [8]. Кроме того, этот подход позволяет частично решить проблему отсутствия свободы перемещения и необходимости держать в руках посторонние предметы, что является критичным в задаче управления медицинским оборудованием во время операции. Также за счет своей естественности такой метод взаимодействия позволит максимально задействовать ресурсы театров виртуальной реальности или систем типа Cave, позволяя взаимодействовать с объектами не теряя эффекта присутствия или, используя средства расширенной реальности, взаимодействовать с объектами напрямую, минуя посредников.

5. Проблемы

 Юзабилити интерфейса.

Поскольку таких интерфейсов еще не было, то соответственно и не было исследований по удобности, экономичности и производительности работы при пользовании ими. К сожалению, проводить полноценные исследования имеет смысл только после завершения проекта, но уже сейчас изначально заложенные возможности тонкой настройки под конкретного пользователя и конкретную задачу дают повод рассчитывать на высокие результаты.

 Переход в 3D.

При решении задач распознавания в 2D существует целый ряд методов и алгоритмов, которые хорошо изучены и работают. Однако при переходе в 3D возникает проблема отсутствия такой базы. Алгоритмы приходится изобретать, так как аналогов в большинстве случаев или не существует или работают они крайне плохо, и соответственно никакой доказательной базы пока не существует.

 Hardware и Software совместимость.

На сегодняшний день этот вопрос является слабым местом практически всех современных трёхмерных интерфейсов, так как еще нет единого стандарта и хоть какого-то единообразия. В нашей системе этот вопрос обходится с использованием прослоек ROS [9] и URBI [10], которые позволяют обеспечить модульность, распределённость и универсализацию интерфейсов для модулей, что в свою очередь позволяет веси разработку модулей-плагинов для подключения к существующему ПО, а также производить замену аппаратной части, например датчиков глубины, без глобального изменения кода.

С другой стороны, можно надеяться на скорое появление неких стандартов. Так, например, многие продукты компании Autodesk имеют программную поддержку абстрактного трёхмерного манипулятора; компания PrimeSense заявляет о ведении разработок по созданию универсального жестового языка; Microsoft обнародовало SDK для камеры с датчиком глубины kinect и заявило её полную поддержку в windows 8; в ядро Linux 3 также включена поддержка kinect; компанией Asus в сотрудничестве с PrimeSense выпущен датчик глубины xtion и ведутся разработки по созданию интерфейса управления pc  с помощью жестов.

Всё это указывает на интерес в области разработки трёхмерных интерфейсов и манипуляторов как со стороны рыночных гигантов, так и со стороны конечных пользователей.

6. Заключение

На сегодняшний день разработка системы продолжается. Уже реализованы такие компоненты, как работа с облаком точек, получаемых с датчика глубин(возможна генерация глубин с помощью стерео камер) и работа с этим облаком, сегментация одного или нескольких пользователей(игроков) на основе связности по глубине и движению, поиск их "скелетов" и, наконец, выделение на основе этой информации облака точек, соответствующих кистям рук и различение их между собой. В ближайшее время будет добавлено выделение отдельных пальцев и ладони, что позволит осуществлять более тонкие манипуляции и даст возможность разработки жествого языка использующего в том числе и пальцевые жесты (наподобие языка глухонемых).

Также планируется разработка набора виртуальных инструментов, дающих возможность естественного взаимодействия с виртуальными объектами, и, возможно, API для самостоятельного создания таких инструментов [11].

Список литературы и ссылки

  1.  www.inition.co.uk
  2.  www.3dconnexion.com
  3.  us.playstation.com/ps3/playstation-move
  4.  wii.com
  5.  www.razerzone.ru
  6.  Зырянов А.В. Интерфейс фонарика. Ввод и распознавание трёхмерных жестов на основе фонарика и веб-камеры. Saarbrucken, Germany, LAP Lambert Academic Publishing. 2011.
  7.  Averbukh V.L., Bakhterev M.O., Baydalin A.Yu., Gorbashevskiy D. Yu., Ismagilov D.R., Kazantsev A.Yu., Nebogatikova P.V., Popova A.V., Vasev P.A., Searching and Analysis of Interface and Visualization Metaphors // Human-Computer Interaction, New Developments. / Edited by Kikuo Asai. Chapter 3, Vienna, In-teh, 2008. P. 49-84.
  8.  Hurtienne J. Blessing L. . Metaphors as Tools for Intuitive Interaction with Technology. metaphorik.de, 12, 2007. P. 21-52.
  9.  www.ros.org 
  10.  www.urbiforge.org
  11.   Авербух В.Л., Зырянов А.В. Методы манипуляций объектами в тр?хмерных визуальных средах // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Математическое моделирование физических процессов.. 2009 r.. Вып. 3. стр. 58-69.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

22163. ПИРОМЕТРЫ 266.5 KB
  [4] Пирометры частичного излучения. [5] Высокотемпературные пирометры частичного излучения для контроля температуры [6] Особенности [7] ТАБЛИЦА ИНФРАКРАСНЫХ ТЕРМОМЕТРОВ ПИРОМЕТРОВ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ [8] Пирометры Серии М50 INFRACOUPLE [9] Пирометры серии М67 М67S. Закон Планка устанавливает связь между абсолютной температурой и спектральным распределением потока излучения светимости АЧТ: 122 Где спектральная плотность потока излучения АЧТ т.
22164. Разница между результатами измерения и истинным значением измеряемой величины 52 KB
  Представляя собой приближенные оценки значений величин найденные путем измерения они зависят не только от них но ещё и от метода измерения от технических средств с помощью которых проводятся измерения и от свойств органов чувств наблюдателя осуществляющего измерения. Разница между результатами измерения и истинным значением измеряемой величины называется погрешностью измерения. Причиной отклонения истинного значения измеряемой величины от результата измерения могут быть самые различные факторы.
22165. Порядок создания предприятия 346.63 KB
  Обычно предприниматели выбирают вид деятельности, подсказанный предыдущим профессиональным опытом. Опыт помогает сориентироваться на рынке данного вида товаров и услуг - профессионалам примерно известен спрос и особенности продукции, что даёт возможность быстро сформировать клиентуру
22166. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 319.5 KB
  ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ 1. Природа и получение ультразвуковых колебаний 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ. Природа и получение ультразвуковых колебаний Упругие механические колебания распространяющиеся в воздухе воспринимают обычно как звуки.
22167. УЛЬТРАЗВУК И УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 1.27 MB
  ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 19 2. Серийные преобразователи 27 2. Специальные преобразователи и контактные среды 31 2.
22168. Понятие затрат, общие положения по управлению затратами 182 KB
  Управление затратами – это не минимизация затрат, что может привести к сокращению производства, а более эффективное использование ресурсов компании, их экономия и максимизация отдачи от них на всех этапах производственного процесса. Постановка процесса управления затратами в компании заключается в признании затрат
22169. ФОТОПРИЕМНИКИ 965.5 KB
  25 Заключение31 Контрольные вопросы. Для ВОП характерны два основных способа получения измерительной информации. Первый способ отражает работу ВОП рефлектометрического типа для которых наиболее характерно отсутствие контакта с объектом измерений или вспомогательным измерительным звеном. Рассмотрим зависимость выходного сигнала ВОП на примере преобразования светового потока отражающегося без потерь и рассеяния от движущейся плоской поверхности.
22170. Явления, эффекты, законы. Восстановление связей между состояниями вещества или предмета и внешними физическими полями 830.5 KB
  В рассматриваемом курсе мы условно разобьем физические величины на ряд групп: пространственновременные физические величины; механические физические величины; тепловые физические величины; акустические физические величины; электромагнитные физические величины; оптические физические величины; ядерные физические величины; химические физические величины. Приборы позволяющие измерять перечисленные физические величины разнообразны по принципу работы используемым явлениям эффектам конструктивному исполнению параметрам...
22171. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ 112.5 KB
  ОБЩИЕ ПОНЯТИЕ ТЕОРИИ ТЕПЛОВЫХ ЯВЛЕНИЙ В отличие от механической энергии которая может изменяться только за счет работы внутренняя энергия может изменяться как за счет работы так и при контакте с телами имеющими другую температуру т.При соприкосновении двух тел имеющих различную температуру происходит обмен энергией движения структурных частиц молекул атомов свободных электронов вследствие чего интенсивность движения частиц тела имеющего меньшую температуру увеличивается а интенсивность движения частиц тела с более высокой...