311-320, mechanik artykuły

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
//-->MECHANIK 7/2015XIX Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i EksploatacjiDOI: 10.17814/mechanik.2015.7.244Mgr inż. Jarosław JANKOWSKICentralny Instytut Ochrony Pracy – Państwowy Instytut BadawczyPracownia Technik Rzeczywistości WirtualnejBADANIE PARAMETRÓW METODY PRZEKIEROWANIAKROKU WYKORZYSTYWANEJ W INTERFEJSIEEKSPLORACJI WIRTUALNEGO ŚRODOWISKAO DUŻYCH ROZMIARACHStreszczenie: W artykule przedstawiono metodykę i wyniki badań nadparametrami metody przekierowania kroku – ang. Redirected Walking(RW). Metoda RW stosowana jest przez uczestnika symulacji jakointerfejs przemieszczania się i oddziaływania na obiekty w wirtualnymśrodowisku w każdym jego miejscu. W badaniu z udziałem 30 osóbokreślono wartości 3 najważniejszych parametrów wykorzystywanejmetody oraz określono wpływ stosowania różnych wartości głównegoparametru okularów projekcyjnych 3D, jakim jest kąt widzenia – ang.Field of View (FoV).STUDY OF REDIRECTED METHOD PARAMETER’S USED IN THEEXPLORATION INTERFACE OF THE VIRTUAL ENVIRONMENTWITH LARGE DIMENSIONSAbstract: This paper presents the methodology and results of research onRedirected Walking method (RW) parameters. The RW method is used as ahuman-computer interface to move the avatar of the user and givepossibility to impact on objects in the virtual environment in any place inwhich the participant is. In a study with 30 people the three most importantparameters of RW method’s was identified and the effect of using differentfield of view of Head Mounted Display was determined.Słowa kluczowe: rzeczywistość wirtualna, przekierowanie kroku, interfejsczłowiek-komputerKeywords: virtual reality, redirected walking, human-computer interface1. WPROWADZENIETechnika umożliwiająca poruszanie się w wirtualnym środowisku oparta na algorytmieprzekierowania kroku jest jedną z wielu różnych technik nawigacji/eksploracji wirtualnychśrodowisk, oprócz niej stosowane są m.in.: ręczne kontrolery, chodzenie w miejscu,wielokierunkowe bieżnie [1] oraz inne metody wymagające użycia specjalistycznychurządzeń [2]. Jednakże to chód człowieka, który wirtualnie pokonuje ten sam dystans i w tymsamym kierunku, co w rzeczywistości, jest interfejsem najbardziej intuicyjnym. Stosowanietej metody nawigacji posiada istotne zalety, ale również duże ograniczenia. Zaletą jestzmniejszenie czasu potrzebnego do przyuczenia do nowego interfejsu, sprzyja zwiększeniupoczucia obecności w symulowanym środowisku, co może zmniejszać objawy choroby311MECHANIK 7/2015XIX Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacjisymulatorowej. Natomiast ograniczeniem jest rozmiar wirtualnej sceny, który musi pozostaćw stosunku 1 : 1 do obszaru pracy systemu śledzenia ruchu (ang.Motion Capture MoCap).Istnieje jednak metoda programowa przekierowania kroku [3, 4], polegająca na odpowiednimobracaniu sceny symulowanej wokół pionowej osi przechodzącej przez pozycję głowyużytkownika w taki sposób, aby użytkownik musiał nieświadomie skręcać, aby dotrzeć docelu, poruszając się po wizualnie prostej ścieżce. Właściwość ludzkich zmysłów, jaką jestdominacja zmysłu wzroku nad zmysłem propriocepcji związanym ze zmysłem dotyku orazukładem przedsionkowym [5, 6] pozwala w określonym stopniu na niezauważalnąmanipulację kierunku ruchu człowieka. Podstawowa metoda przekierowania ruchu posiadatrzy współczynniki związane ze stałą orientacją (również podczas postoju), prędkością obrotugłowy użytkownika oraz prędkością liniową użytkownika. Istnieją również inneimplementacje tego algorytmu angażujące również takie elementy, jak przekierowaniepoprzez rotację uzależnioną od dynamiki prędkości liniowej [7] lub przekierowanie połączonez skalowaniem przestrzeni [8]. Bardzo istotne jest ustalenie odpowiednich wartościparametrów metody RW w zależności od parametru kąta widzenia okularów projekcyjnych3D typu HMD (ang.Head Mounted Display)w taki sposób, aby działania przekierowaniabyły jak w największym stopniu niezauważalne dla użytkownika technik rzeczywistościzanurzeniowej.2. METODA PRZEKIEROWANIA KROKUDo określenia położenia uczestnika symulacji w środowisku wirtualnym w każdym jegomiejscu i czasie, metoda RW wykorzystuje informację o lokalizacji markera systemuśledzenia zamieszczonego (rys. 1b) na okularach projekcyjnych 3D. Każda następnainformacja o pozycji avatara uczestnika jest sumą pozycji wirtualnej avatara w krokusymulacji poprzedzającym i przyrostu wartości przesunięcia w określonym kierunkuz wprowadzonym wzmocnieniem.W każdym kroku symulacji położenie uczestnika w świecie wirtualnym jest aktualizowanezgodnie z następującym równaniem:Pozrw �½qrw PozycjaGlo wyPozrw– pozycja wirtualna uczestnika symulacji w układzie współrzędnym symulacji,PozycjaGlowy– zmiana pozycji uczestnika we współrzędnych bezwzględnych,qrw– składowa orientacji metody przekierowania kroku.a)b)c)d)e)(1)Rys. 1. Obszary metody RW (3 × 3 m): a) obszar laboratorium, b) granica strefy roboczejsystemu śledzenia (MoCap), c) obszar przygraniczny przestrzeni roboczej MoCap, d) strefaprzekierowania właściwa, e) strefa neutralna (o promieniu 0,3 m)312MECHANIK 7/2015XIX Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i EksploatacjiOrientacja metody przekierowaniaqrwzależna jest od następujących elementów:1.Aktualnej pozycji uczestnika w roboczym obszarze systemu śledzenia:a) środek obszaru – strefa neutralna (rys. 1e) o promieniu 0,5 m, metodaprzekierowania kroku wyłączona,b) przygraniczna strefa obszaru MoCap o szerokości 0,3 m (rys. 1c), jeden zewspółczynników wzmocniony,c) granica strefy roboczej MoCap (rys. 1b), następuje sztuczny obrót orientacjiqrww stronę środka sali laboratorium;Historii zmiany położenia – wpływa na określenie kierunku manipulacjiqrw(w lewolub prawo);Aktualnej orientacji pochodzącej z czujnika AHRS umieszczonego w okularach 3D:a) wartości przyrostu kąta w kolejnych krokach symulacji.2.3.W każdym kroku symulacji składowa orientacji metody przekierowania kroku jestaktualizowana zgodnie z następującym równaniem:qrw+= Δqrz+ ΔqrwYSkładowe tego równania opisane są w rozdziale 2.1.2.1. Algorytm metody przekierowania krokuAlgorytm wyliczenia przyrostu zmian składowej pionowej orientacji względem aktualnejorientacji uczestnika symulacji ΔqrwYwygląda następująco:Informacje wejściowe (przykładowe wsp_1, wsp_2, wsp_3 określone na potrzeby testów):x, z– pozycja markera MoCap przypisanego do okularów 3D (nazywany dalej jako markeruczestnika). Zapamiętywana jest również historia z 20 poprzednich kroków symulacji. Jest topozycja w układzie współrzędnym związanym z laboratorium,qrz– orientacja rzeczywista głowy uczestnika z czujnika AHRS, rotacja w układziewspółrzędnym związanym z laboratorium,wsp_1– współczynnik odpowiadający za stałą wartość zmian, przyjmuje dwie wartości0,0002 w strefie przekierowania właściwego oraz 0,001 w strefie przygranicznej MoCap,wsp_2– współczynnik odpowiadający za wzmocnienie wartości absolutnej składowejpionowej zmian prędkości rzeczywistej obrotu głowy uczestnika (informacja pobranaz czujnika AHRS) i wynosi 0,1,wsp_3– współczynnik odpowiadający za wzmocnienie wartościv_sri wynosi 0,5, tymsamym wielkość zmian szukanegoqrwYzależna jest od zmian pozycji markera uczestnikaoraz jego prędkości.(2)313MECHANIK 7/2015XIX Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i EksploatacjiInformacje pośrednie:v_sr– prędkość wykorzystywana w aktualnym kroku czasowym symulacji wyliczona jakośrednia z odcinków przebytych w 20 minionych krokach, w których zmiana jest większa niż5 cm w kolejnych występujących krokach drogi,vec_do_srodka– wektor jednostkowy liczony od aktualnej pozycji markera uczestnika dośrodka laboratorium (środek strefy neutralnej),vec_drogi– wektor jednostkowy liczony od pozycji markera wiodącego w 4 kroku czasowymsymulacji wstecz do aktualnej jego pozycji,wsp_granica– wartość kąta, która zostanie dodana w chwili przekroczenia granicy roboczegoobszaru MoCap tak, aby osoba po odwróceniu się w stronę środka laboratorium mogłapatrzeć na wcześniej obserwowany obiekt zainteresowania lub wirtualnie iść w tym samymkierunku, co przed wejściem w tę strefę. Wartość tego obrotu jest ustalana w chwiliprzekroczenia granicy strefy MoCap i obowiązuje aż do wyjścia ze strefy przygranicznej,jeżeli osoba podąża w stronę centrum laboratorium. Współczynnik ten przyjmuje wartość 0,jeżeli uczestnik znajduje się w strefie neutralnej lub w strefie przekierowania właściwegoi strefie przygranicznej, jeżeli nie wyszedł poza granicę strefy MoCap,wsp_wl– posiada wartość 0, jeżeli marker wiodący znajduje się w strefie neutralnejrys. 1e) lub w sytuacji, gdy przekroczył granicę strefy roboczej MoCap i znajduje się pozastrefa roboczą MoCap lub w strefie przygranicznej. Zmiana wartości tego współczynnikanastępuje, gdy uczestnik po przejściu przez granicę powraca do środka sali i wychodzi zestrefy przygranicznej,wsp_kier– modyfikuje kierunek wprowadzonego obrotuqrwY, liczony w każdym krokusymulacji, wyliczany na podstawie kąta pomiędzy wektoramivec_do_srodkaorazvec_drogi,W każdym kroku czasowym symulacji zmiana ΔqrwY wyznaczana jest na podstawieponiższego wzoru:qrwY�½wsp_grwsp_wlwsp_kier* (wsp_ 0wsp_ 2 *abs(qrzY)wsp_ 3 *vsr)(3)Wykorzystując tę metodę, w aplikacji środowisko wirtualne obracane jest w osi pionowejwzględem wirtualnej pozycji uczestnika symulacji.314MECHANIK 7/2015XIX Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji11Paleta w środowiskuwirtualnym97531Miejsce rozpoczęciaprzejściaRzeczywiste_pozycjaPozycja_w_środowisku_wirtualnym-9-7-5-3-1 -1-3135Rys. 2. Wykres przedstawia przykładową trajektorię przemieszczenia się w świeciewirtualnym (hali przemysłowej) z implementacją algorytmu przekierowania kroku (kolorpomarańczowy) oraz rzeczywistą trajektorię w laboratorium (kolor niebieski)3. METODYKA BADAŃ Z UDZIAŁEM OCHOTNIKÓWW badaniach z udziałem 32-osobowej grupy ochotników w wieku 20-25 lat zostaływyznaczone wartości liczbowe parametrów algorytmu metody przekierowania krokuw zależności od parametru kąta widzenia okularów projekcyjnych 3D (45, 110) oraz odkonfiguracji środowiska (małe/duże pomieszczenie). Wyznaczono następujące składowemetody przekierowania kroku:próg świadomości obrotu środowiska wirtualnego względem użytkownika podczasbraku przemieszczania i obrotu głowy,próg świadomości skalowania obrotu środowiska wirtualnego względem użytkownikapodczas obrotu głowy, jednocześnie przy braku przemieszczania się,próg świadomości skalowania obrotu środowiska wirtualnego względem użytkownikapodczas przemieszczania się użytkownika jednocześnie przy braku obrotu głowy.3.1. Narzędzia badawczeW celu przeprowadzenia badań nad określeniem parametrów metody przekierowania kroku,wykonano uproszczone środowisko wirtualne przedstawiające pomieszczenie z dodatkowyminastępującymi elementami: stół, krzesła oraz obiekt (sferyczny) poruszający się nad stołem(góra-dół). Dodatkowy obiekt posiada funkcjonalność losowej (w czasie) zmiany koloruspośród zielonego i czerwonego. Element ten zastosowano w celu skupienia uwagi uczestnikabadań na jednym obiekcie środowiska w trakcie manipulowania orientacją środowiska.Wirtualne pomieszczenie przygotowano w dwóch wersjach różniących się rozmiarami,pierwsze o rozmiarach 10 × 10 m (rys. 3), drugi o rozmiarach 20× 20 m.315 [ Pobierz całość w formacie PDF ]
  • zanotowane.pl
  • doc.pisz.pl
  • pdf.pisz.pl
  • charloteee.keep.pl