Διεπαφές Μετακίνησης

Οι διεπαφές μετακίνησης είναι διεπαφές που επιτρέπουν στους χρήστες να κινούνται μέσα σε πραγματικούς ή εικονικούς χώρους και κάνουν τους χρήστες να αισθάνονται ότι κινούνται.
Η μετακίνηση είναι ένας πρόσθετος τύπος κίνησης. Όταν μιλάμε για μετακίνηση αναφερόμαστε στην ενέργεια που πραγματοποιεί ο οργανισμός μετακινώντας τον εαυτό του από ένα σημείο σε κάποιο άλλο. Πιο συγκεκριμένα, αφορά κινήσεις όπως περπάτημα, τρέξιμο, σύρσιμο, άλμα, κολύμβηση, και ούτω καθεξής.
Στην εικόνα 1, ο χρήστης κινείται από μια θέση προς μία άλλη μαθαίνοντας να ελέγχει την ταχύτητα και την κατεύθυνση του συστήματος «Προσωπικός Μεταφορέας Segway» (Segway Personal Transporter – PT).
picture1.JPG
Εικόνα 1: Προσωπικός Μεταφορέας αυτο-εξισορρόπησης Segway i2
Ο χρήστης ελέγχει την ταχύτητα με το να γέρνει μπροστά ή πίσω και γυρίζει με το να γέρνει προς τα δεξιά ή προς τα αριστερά. (Segway Inc.)


Στο σχήμα 2, ο χρήστης (πραγματικά) περπατά στο όργανο διαδρόμου (treadmill) ώστε να κινηθεί μέσα σε ένα εικονικό τόπο.
picture2.JPG
Εικόνα 2: Διεπαφή εικονικής μετακίνησης από το Πανεπιστήμιο της Γιούτα
Αριστερά: ο χρήστης περπατάει στο διάδρομο καθώς βλέπει το μετακινούμενο εικονικό τοπίο στις μεγάλες οθόνες προβολής.
Δεξιά: Για την προσομοίωση λόφων, ολόκληρος ο διάδρομος μπορεί να πάρει ανηφορική κλίση. Για την προσομοίωση της εικονικής αδράνειας του χρήστη, το σύστημα σπρώχνει ή τραβάει το χρήστη μέσω ενός μεγάλου σκοινιού που ενώνεται με ένα λουρί που έχει φορεθεί στο χρήστη. (Πανεπιστήμιο της Γιούτα, Σχολείο Υπολογιστών, # John M. Hollerbach.)


Ένας τρόπος με τον οποίο μπορούμε να προσεγγίσουμε τις διεπαφές μετακίνησης βασισμένες σε υπολογιστή, είναι ότι αποτελούν εικονικές διεπαφές για εικονικά περιβάλλοντα.
Οι πιο συνήθεις εικονικές διεπαφές μετακίνησης λαμβάνουν ως εισροή πληροφορίας την κίνηση των χεριών. Για παράδειγμα, οι χρήστες χειρίζονται τα τρισδιάστατα παιχνίδια στον υπολογιστή με τη βοήθεια των joystick, του πληκτρολογίου, του ποντικού ή κάποιου ειδικού ελεγκτή.
Άλλες διεπαφές χρησιμοποιούν περισσότερα μέρη του σώματος, όπως για παράδειγμα μπορεί να απαιτούν από τους χρήστες να μάθουν να μετατοπίζουν το βάρος τους ώστε να ελέγξουν την κίνηση.
Σε ένα σύστημα εικονικής πραγματικότητας το οποίο διαθέτει μία διεπαφή όπου οι χρήστες περπατούν πραγματικά, οι χρήστες χρησιμοποιούν το σώμα τους με απόλυτα φυσικό τρόπο κατά την περιήγησή τους στο εικονικό σενάριο.
picture3.JPG
Εικόνα 3: Εικονική διεπαφή μετακίνησης με πραγματικό περπάτημα Για να κινηθεί μέσα στον εικονικό κόσμο (δεξιά), ο χρήστης θα πρέπει να περπατήσει στον πραγματικό κόσμο του εργαστηρίου (αριστερά) . (Τμήμα Επιστήμης Υπολογιστών, UNC στο Chapel Hill.)

Αν και κατά τον έλεγχο μίας συσκευής μπορεί να χρησιμοποιούνται και τα χέρια και τα πόδια και όλο το σώμα μπορεί να συμπεριληφθεί κατά τη λήψη ανατροφοδότησης για την κατάσταση της συσκευής, η προσομοίωση της κίνησης που προέρχεται από τη λειτουργία μίας συσκευής είναι γνωστικά διαφορετική από την προσομοίωση της κίνησης ενός ανθρώπου που περπατάει σε χώρους που έχουν κλίμακα αναλογική με τον άνθρωπο, όπως κτίρια και πλοία. Σε μία συσκευή, οι προθέσεις του χρήστη για το σε ποια κατεύθυνση θα κινηθεί και πόσο γρήγορα θα πάει καθορίζονται με σαφήνεια μέσα από την αλληλεπίδραση του χρήστη με τα ελεγκτικά συστήματα της συσκευής. Η πρόκληση που αντιμετωπίζεται στις εικονικές διεπαφές μετακίνησης είναι η σύλληψη της πρόθεσης του χρήστη με τη χρήση δεδομένων που μπορούν να παραχθούν μέσα από την αντίληψη της θέσης ( τοποθεσία και προσανατολισμός) και της κίνησης του σώματος του χρήστη.
Υπάρχουν τρεις κυρίαρχες μεταφορές για την εικονική μετακίνηση. Στα συστήματα πραγματικού περπατήματος, οι εισαγόμενες μετακινήσεις και η προκύπτουσα μετακίνηση μέσω του χώρου είναι όσο το δυνατόν πιο φυσικές. Τα παραδείγματα είναι κυρίως δισδιάστατες (2D) διεπαφές με διαδρόμους (treadmills), με περπάτημα σε μία συγκεκριμένη θέση και περπάτημα σε μεγαλύτερο χώρο. Στις διεπαφές , οι εισαγμένες μετακινήσεις και η απάντηση είναι παρόμοιες με την οδήγηση ενός οχήματος.

Τεχνολογία της διεπαφής

Oι ολόσωμες διεπαφές μετακίνησης απαιτούν τεχνολογία που θα αισθάνεται τη θέση και την κίνηση του σώματος του χρήστη και να δείξει μέσα από ανατροφοδότηση τα αποτελέσματα της κίνησης αυτής στο χρήστη.

Αισθητήρες κίνησης και θέσης

Oι αισθητήρες που μετρούν και αναφέρουν τις κινήσεις του σώματος συχνά ονομάζονται ιχνηλάτες. Οι ιχνηλάτες αυτοί μπορούν να μετρήσουν τη θέση και τον προσανατολισμό μερών του σώματος, ή μπορούν να μετρήσουν την κίνηση του σώματος (π.χ. μετατόπιση, περιστροφική ταχύτητα ή επιτάχυνση). Οι ιχνηλάτες έχουν πολλούς διαφορετικούς τύπους και χρησιμοποιούν διαφορετικές τεχνολογίες. Οι περισσότεροι διαθέτουν κάποια τμήματα που είναι προσκολλημένα στο σώμα του χρήστη (π.χ. κεφάλι, χέρια, πόδια ή αγκώνες) και τμήματα που είναι τοποθετημένα στο δωμάτιο ή στο εργαστήριο. Μία λεπτομερής επισκόπηση της τεχνολογίας των ιχνηλατών έχει κάνει ο Foxlin (2002). Οι συνήθεις κατηγορίες των ιχνηλατικών συστημάτων είναι ιχνηλάτες με αισθητήρες και αναγνωριστικά σήματα (συμπεριλαμβανομένου των ολόσωμων ανιχνευτών) και ιχνηλάτες χωρίς αναγνωριστικά σήματα.

Ιχνηλάτες με αισθητήρες και αναγνωριστικά σήματα

Μία τάξη ιχνηλατών, που χρησιμοποιείται συχνά στα συστήματα εικονικής πραγματικότητας, έχει έναν ή παραπάνω αισθητήρες που φοριούνται στο σώμα του χρήστη, και αναγνωριστικά σήματα που έχουν τοποθετηθεί μέσα στο δωμάτιο.
Τα αναγνωριστικά σήματα μπορεί να είναι ενεργά, όπως δίοδοι εκπομπής φωτός (LEDs) που θα αναβοσβήνουν, ή μπορεί να είναι παθητικά, όπως αντανακλαστικοί δείκτες.
Οι ιχνηλάτες με αισθητήρες στο χρήστη ονομάζονται “inside-looking-out” (εσωτερικοί με εξωτερική όραση) καθώς βλέπουν εξωτερικά προς τα αναγνωριστικά σήματα. Τέτοια παραδείγματα είναι:
InterSense_IS-900.JPG
external image product_mocaptrack_3rdtech_hiball_04.jpg
external image product_mocaptrack_polhemus_liberty_01.jpg
Μέχρι πρόσφατα, οι ιχνηλάτες που βρίσκονταν πάνω στο σώμα του χρήστη ήταν συνήθως συνδεδεμένοι με τον ελεγκτή και στα αναγνωριστικά σήματα που βρίσκονταν στο δωμάτιο, με καλώδια που κρατούσαν ρεύμα και δεδομένα. Τα νέα μοντέλα διαθέτουν μπαταρίες και είναι ασύρματα.
Στα “inside-looking-outside” συστήματα, κάθε αισθητήρας αναφέρει τη μεταβλητή θέσης του στο δωμάτιο. Πολλά συστήματα εικονικής πραγματικότητας (VE) χρησιμοποιούν έναν αισθητήρα στο κεφάλι του χρήστη.

Τρόποι ανατροφοδότησης
Δεδομένου ότι οι χρήστες διευκρινίζουν πώς θέλουν να κινηθούν, το σύστημα πρέπει να παρέχει ανατροφοδότηση μέσω μιας επίδειξης που θα δείχνει πώς και πού κινούνται. Η επίδειξη είναι ένας γενικός όρος, και μπορεί να αναφέρεται στις οπτικές επιδείξεις καθώς επίσης και σε άλλα μέσα που προκαλούν ερεθίσματα σε άλλες αισθήσεις.
Πολλές διεπαφές μετακίνησης χρησιμοποιούν τις φορετές – κράνοι οπτικές επιδείξεις, για να παρέχουν οπτική ανατροφοδότηση. Ο αγγλικός τους όρος είναι «head-mounted displays» (HMDs). Η χρήση αυτής της ανατροφοδότησης, ανεξάρτητα από το πόσο γυρίζει το σώμα ή το κεφάλι ο χρήστης, προκαλεί πάντα άμεση επίδειξη της αλλαγής της κατάστασης . Ωστόσο, τέτοιες συσκευές όπως τα HMDs είναι βαριές για να φοριούνται για μεγάλα χρονικά διαστήματα και τα καλώδια μπορούν να παρεμποδίζουν την κίνηση του χρήστη. Ένας άλλος τύπος οπτικής επίδειξης είναι η χρήση μιας μεγάλης επίπεδης ή LCD οθόνης προβολής μπροστά στο χρήστη. Αυτού του είδους οι ανατροφοδοτήσεις παρέχουν συνήθως υψηλότερης ποιότητας εικόνα (π.χ. μεγαλύτερη ανάλυση, υψηλότερη αναλογία αντίθεσης, και ούτω καθεξής) στα HMDs. Εντούτοις, εάν ο χρήστης γυρίζει φυσικά μακριά από την οθόνη (ίσως για να κοιτάξει γύρω στην εικονική σκηνή ή για να αλλάξει την κατεύθυνση καθώς περπατάει), δεν έχει πλέον την οπτική εικονική μπροστά του.
Ο παρακάτω πίνακας δείχνει παραδείγματα για τους διάφορους τρόπους με τους οποίους μπορεί να κινηθεί το σώμα ενός ανθρώπου και πώς αυτοί μπορούν να ερμηνευτούν.
Σημείο του σώματος
Έλεγχος κατεύθυνσης
Έλεγχος ταχύτητας
Χέρια
Κίνηση προς την κατεύθυνση που δείχνει ο χρήστης
Η απόσταση μεταξύ των χεριών ελέγχει το μέγεθος του βήματος
Πόδια
Κίνηση προς την κατεύθυνση που δείχνουν τα πόδια
Γρηγορότερο ή πιο αργό περπάτημα για αντίστοιχη προσαρμογή του βήματος
Κάτω άκρα
Ταλάντευση κάτω άκρων για την παράπλευρη μετακίνηση
Γρηγορότερο ή πιο αργό περπάτημα για αντίστοιχη προσαρμογή του βήματος
Άνω άκρα
Κινήσεις μέσω χειρονομιών
Χτύπημα / χειρονομίες άνω άκρων γρηγορότερα ή πιο αργά για αντίστοιχη προσαρμογή του βήματος

Οδηγίες σχεδίασης

Οι γενικοί κανόνες σχεδίασης διεπαφών ισχύουν και κατά τη σχεδίαση των διαπαφών μετακίνησης, όπως για παράδειγμα:
  1. Καθορισμός ως κύρια προτεραιότητα τους στόχους των χρηστών ως προς τη χρήση της διεπαφής. Για παράδειγμα, εάν ο στόχος της διεπαφής είναι να προσομοιώσει το περπάτημα, τότε η διεπαφή θα πρέπει να απαιτεί από το χρήστη να γυρίσει το σώμα του ώστε να επιτευχθεί η κίνηση μέσα στη διεπαφή, αντί να χρησιμοποιήσει κάποια συσκευή ελέγχου με το χέρι.
  2. Εκτέλεση πολλών επαναλήψεων του κύκλου σχεδίασης «σχεδιασμός – έλεγχος - αναθεώρηση».
  3. Συνεχής συμπερίληψη δοκιμών με πραγματικούς χρήστες και τα πραγματικά καθήκοντα που θα πρέπει να εκτελέσουν οι χρήστες.
Πιο συγκεκριμένα για τις ολόσωμες διεπαφές μετακίνησης προτείνονται οι παρακάτω οδηγίες:
  1. Ταίριασμα της μεταφοράς της μετακίνησης στους στόχους για τη διεπαφή
  2. Ταίριασμα των ικανοτήτων της διεπαφής στις απαιτήσεις των στόχων
  3. Συμπλήρωση των συνθημάτων των οπτικών κινήσεων χρησιμοποιώντας άλλες αισθήσεις
  4. Εκτίμηση της ασφάλειας των χρηστών
  5. Εκτίμηση της διάρκειας και της συχνότητας χρήσης της διεπαφής
  6. Δεν είναι απαραίτητο ότι οι υψηλότερου επιπέδου τεχνολογίες είναι καλύτερες
  7. Δεν προτείνεται η κατασκευή διεπαφών που θα κατευθύνονται με βάση την κίνηση του κεφαλιού

Μελοντικές τάσεις

Οι μελλοντικοί σχεδιαστές των διεπαφών μετακίνησης θα συνεχίσουν να αντιμετωπίζουν τα ίδια προβλήματα που υπάρχουν και σήμερα. Τους τρόπους με τους οποίους θα μπορεί να γίνει αισθητή η θέση του σώματος και η κίνηση, και η χαρτογράφηση αυτών σε κατεύθυνση μετακίνησης και ταχύτητας διατηρώντας ταυτόχρονα τους περιορισμούς της εφαρμογής οι οποίοι μπορούν να ποικίλουν από τη μεγιστοποίηση της φυσικότητας έως την ελαχιστοποίηση της ακτίνας μετακίνησης που απαιτείται.
Απαιτείται η χρήση νέων ιχνηλατικών τεχνολογιών, όπως για παράδειγμα μικρότερων και ασύρματων συσκευών ανίχνευσης κίνησης. Με αυτό τον τρόπο, θα είναι δυνατή η τοποθέτησή τους σε περισσότερα σημεία του σώματος με αποτέλεσμα τη λήψη περισσότερων δεδομένων για τη μετακίνηση του χρήστη ώστε η προσομοίωση της κίνησης στη διεπαφή να είναι όσο το δυνατόν περισσότερο ακριβής.

Παρουσίαση




Βίντεο

Το παρακάτω βίντεο δείχνει μία συσκευή για κίνηση σε εικονικά περιβάλλοντα. Ο κύριος στόχος της συσκευής είναι να προσομοιώσει την προσπάθεια του περπατήματος στον πραγματικό κόσμο. Υπάρχουν ανιχνευτές δύναμης που ελέγχονται μέσα από τον υπολογιστή και μετράνε την προσπάθεια που καταβάλλει ο χρήστης κατά την κίνησή του και μπορεί να βαθμονομηθεί εκείνη τη στιγμή ώστε να προσομοιώσει μία ευρεία πληθώρα επιφανειών - από έλη μέχρι άμμο και σκληρές επιφάνειες.
Η πλειονότητα τέτοιων συστημάτων αναπτύσσονται για στρατιωτική εκπαίδευση αλλά και για κάποιες εφαρμογές πολιτών.



KHR-1HV Kondo on a Cable Driven Locomotion Interface