La realtà virtuale nella progettazione industriale

Francesco Caputo
Giuseppe Di Gironimo
La realtà virtuale
nella progettazione
industriale
ARACNE
Copyright © MMVII
ARACNE editrice S.r.l.
www.aracneeditrice.it
[email protected]
via Raffaele Garofalo, 133 A/B
00173 Roma
(06) 93781065
ISBN
978–88–548–1339–7
I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica,
di riproduzione e di adattamento anche parziale,
con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi.
Non sono assolutamente consentite le fotocopie
senza il permesso scritto dell’Editore.
I edizione: settembre 2007
Alle nostre mogli
Luciana ed Ornella
Noi vediamo sono molti che hanno l’ingegno,
e molti dotati d’ingegno e non di dottrina,
e molti hanno la dottrina e lo ingegno
e non hanno il disegno.
Francesco di Giorgio Martini
Indice
Presentazione ................................................................................
Introduzione .................................................................................
15
17
PARTE PRIMA: STRUMENTI
Capitolo I: La Realtà Virtuale
I.1.
Dematerializzazione della realtà .......................................
I.2.
I primi passi della Realtà Virtuale ....................................
I.3.
Campi di applicazione della Realtà Virtuale ....................
Virtual Prototyping ............................................
I.3.1.
Applicazioni in ambito veicolistico ....................
I.3.2.
Applicazioni in ambito architettonico ................
I.3.3.
Applicazioni in ambito medico ...........................
I.3.4.
Applicazioni in ambito militare ..........................
I.3.5.
I.4.
Livelli di interazione .........................................................
Walk Through .....................................................
I.4.1.
Spostamento di oggetti virtuali ..........................
I.4.2.
Modifica delle proprietà degli oggetti virtuali ...
I.4.3.
I.5.
Sistemi grafici ed unità di calcolo .....................................
Introduzione .......................................................
I.5.1.
Sistemi high-end Onyx e cluster di PC ...............
I.5.2.
I.5.3.
Soluzioni innovative: Orad VR-X, Nvidia Quadro Plex, SGI VSS ..............................................
I.6.
Sistemi di visualizzazione ................................................
La visione stereoscopica.....................................
I.6.1.
La visione stereoscopica nella RV .....................
I.6.2.
Parallasse ...........................................................
I.6.3.
Tecnologie di proiezione ....................................
I.6.4.
Modalità di proiezione .......................................
I.6.5.
I.7.
Dispositivi di input ............................................................
Sistemi di tracking ..............................................
I.7.1.
Sistemi di navigazione ........................................
I.7.2.
Sistemi di manipolazione ...................................
I.7.3.
Sistemi Haptic ....................................................
I.7.4.
I.8.
Dispositivi di output ..........................................................
Sistemi di visualizzazione ...................................
I.8.1.
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93
96
96
101
104
106
113
113
10
I.9.
Indice
Audio tridimensionale ........................................
I.8.2.
Ambienti di programmazione e sviluppo ..........................
Il linguaggio VRML ...........................................
I.9.1.
I.9.2.
Il linguaggio C++ e la programmazione object
oriented ..............................................................
Primitive grafiche ed OpenGL ...........................
I.9.3.
OpenSG ed OpenInventor ..................................
I.9.4.
Capitolo II: Laboratori di Realtà Virtuale
II.1.
Componenti principali ......................................................
II.2.
Il laboratorio di Realtà Virtuale del DPGI: VRoom ..........
II.2.1. Sistema grafico e di calcolo ...............................
II.2.2. Sistema di visualizzazione ..................................
II.2.3. Sistema di tracking .............................................
II.2.4. Sistemi di input 3D per la navigazione ..............
II.2.5. Sistemi di input 3D per la manipolazione ..........
II.2.6. Sala .....................................................................
II.2.7. Software .............................................................
II.3.
Il laboratorio di Realtà Virtuale del Centro di Competenza Trasporti della Regione Campania: VRTest .................
II.3.1. Sistema grafico e di calcolo ...............................
II.3.2. Sistema di visualizzazione ..................................
II.3.3. Apparati per lo stereo attivo ..............................
II.3.4. Sistema di tracking .............................................
II.3.5. Sistema audio .....................................................
II.3.6. Sistemi di input 3D per la navigazione ..............
II.3.7. Sistemi di input 3D per la manipolazione ..........
II.3.8. Sala .....................................................................
II.3.9. Software .............................................................
II.4.
Considerazioni conclusive sui laboratori ..........................
Capitolo III: Software per la Realtà Virtuale
III.1. Introduzione ......................................................................
III.2. Problematiche connesse alla scelta del software RV ........
III.2.1. Obiettivi di utilizzo .............................................
III.2.2. Sistema grafico e di calcolo e sistema di visualizzazione ............................................................
III.2.3. Interfacciamento con i dispositivi RV ................
III.3. I software presenti nei laboratori VRTest e VRoom ..........
III.4. Classificazione dei software RV .......................................
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178
179
182
182
186
La Realtà Virtuale nella Progettazione Industriale
III.5.
III.6.
III.7.
III.8.
Catia V5 ............................................................................
III.5.1. DMU Fitting Simulator ......................................
III.5.2. Virtual Hand for Catia V5 .................................
III.5.3. Simulazione di attività manutentive in ambiente
Catia V5 – Virtual Hand ....................................
Jack ...................................................................................
III.6.1. Introduzione: i manichini virtuali nella progettazione ................................................................
III.6.2. Il manichino virtuale Jack ..................................
III.6.3. L’Occupant Packaging Toolkit ..........................
III.6.4. Il Task Analysis Toolkit ......................................
III.6.5. Jack e la Realtà Virtuale ....................................
Virtual Design 2 ................................................................
III.7.1. Introduzione .......................................................
III.7.2. Virtual Design Scene Editor (VDSE) .................
III.7.3. Virtual Design 2 (VD2) ......................................
III.7.4. Programmazione dell’ambiente virtuale ............
III.7.5. Dynamic Shared Objects (DSO) ........................
III.7.6. Wizard ................................................................
III.7.7. Realizzare un plug-in .........................................
III.7.8. Package ..............................................................
III.7.9. Moduli sviluppati dall’Università di Napoli Federico II ..............................................................
III.7.10 Considerazioni conclusive sul software VD2 .....
ViRstperson .......................................................................
III.8.1. Le funzioni del ViRstperson ...............................
III.8.2. Applicazione delle ombre in tempo reale ...........
III.8.3. Simulazione della dinamica dei corpi rigidi ......
III.8.4. L’utilizzo del software ........................................
III.8.5. Creazione della scena ........................................
III.8.6. Posizionamento delle luci ..................................
III.8.7. Definizione dei parametri che governano la dinamica dei corpi rigidi .......................................
III.8.8. Avvio della simulazione ......................................
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317
PARTE SECONDA: APPLICAZIONI
Capitolo IV: Primo livello d’interazione con ambienti virtuali:
il “walk through”
IV.1. Introduzione ...................................................................... 321
12
IV.2.
IV.3.
Indice
Realizzazione di un “walk through” all’interno della cabina passeggeri del Piaggio P180 Avanti ..........................
IV.2.1. Ambiente di visualizzazione Catia V5 ................
IV.2.2. Ambiente di visualizzazione ViRstperson ...........
IV.2.3. Confronto tra i due approcci proposti ...............
Ricostruzione di scenari reali e immaginari ......................
IV.3.1. Metodi per la rappresentazione del territorio ...
IV.3.2. Ricostruzione della stazione ferroviaria di
Mergellina ..........................................................
IV.3.3. Una “passeggiata virtuale” nel Parco dello
Sport di “Bagnoli Futura” .................................
Capitolo V: Progettazione Concettuale in Ambiente Virtuale
V.1.
Introduzione ......................................................................
V.2.
Progettazione concettuale per la qualità ...........................
V.3.
Il Metodo EVA .................................................................
V.4.
Primo caso studio: caffettiera napoletana .........................
V.4.1. Individuazione degli elementi di qualità ............
V.4.2. Classificazione degli elementi di qualità ...........
V.4.3. Generazione dei concept ....................................
V.4.4. Valutazione della qualità dei concept ................
V.4.5. Definizione del concept ottimale ........................
V.5.
Secondo caso studio: plancia di una minicar ....................
V.5.1. Individuazione degli elementi di qualità ............
V.5.2. Classificazione degli elementi di qualità ...........
V.5.3. Generazione dei concept ....................................
V.5.4. Valutazione della qualità dei concept ................
V.5.5. Scelta del concept ottimale .................................
V.6.
Terzo caso studio: comparto passeggeri di una carrozza
ferroviaria ..........................................................................
V.6.1. Individuazione degli elementi di qualità ............
V.6.2. Classificazione degli elementi di qualità ...........
V.6.3. Generazione dei concept ....................................
V.6.4. Valutazione della qualità dei concept ................
V.7.
Considerazioni conclusive ................................................
322
325
329
331
335
335
338
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367
368
375
380
Capitolo VI: Progettazione per la Manutenibilità in Ambiente Virtuale
VI.1. Introduzione ...................................................................... 383
VI.2. Analisi di manutenibilità e limiti dei sistemi CAD tradi-
La Realtà Virtuale nella Progettazione Industriale
VI.3.
VI.4.
VI.5.
VI.6.
VI.7.
VI.8.
VI.9.
zionali ................................................................................
VI.2.1. Analisi di smontabilità .......................................
VI.2.2. Analisi di accessibilità .......................................
VI.2.3. Analisi di manipolabilità ....................................
L’uomo nel progetto: simulazione delle attività manutentive in ambiente virtuale ....................................................
Impiego dei manichini virtuali: la Metodologia EDIVE ..
Applicazione della metodologia EDIVE: casi studio nel
settore ferroviario ..............................................................
VI.5.1. Redesign di una locomotiva di manovra e verifica delle operazioni di manutenzione ................
VI.5.2. Progettazione per la manutenibilità di un impianto di condizionamento di un nuovo veicolo
ferroviario ..........................................................
Interazione manuale diretta in ambiente immersivo di realtà virtuale: l’approccio DIR.MAN.INT. ..........................
VI.6.1. Il realismo nell’interazione ................................
VI.6.2. Sistema d’interazione manuale diretta ...............
VI.6.3. Applicazione dell’approccio DIR.MAN.INT:
verifica di manutenibilità del sistema di pressurizzazione e condizionamento del Piaggio P180
Avanti .................................................................
Verifiche di manutenibilità su assiemi complessi .............
VI.7.1. La scheda manutentiva .......................................
VI.7.2. Vantaggi offerti dalla metodologia ....................
Caso studio: analisi delle operazioni di manutenzione su
un carrello motore e portante di un veicolo ferroviario ....
VI.8.1. Approccio CATIA V5 – Virtual Hand ................
VI.8.2. Approccio ViRstperson .......................................
VI.8.3. Approccio Virtual Design 2 ...............................
VI.8.4. Valutazioni comparative ....................................
Considerazioni conclusive ................................................
Capitolo VII: Virtual Manufacturing
VII.1. Introduzione ......................................................................
VII.2. Studio del ciclo di montaggio di una carrozza ferroviaria
in ambiente virtuale ...........................................................
VII.2.1. Stato dell’arte nella produzione di veicoli ferroviari .................................................................
VII.2.2. Risorse software impiegate ................................
13
385
386
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469
471
473
474
476
14
Indice
VII.2.3. Ciclo di montaggio innovativo di un veicolo
ferroviario: prima impostazione ........................
VII.2.4. Prima ottimizzazione del ciclo di montaggio .....
VII.2.5. Ottimizzazione finale del ciclo di montaggio .....
VII.3. Considerazioni conclusive ................................................
479
505
506
510
Conclusioni ................................................................................... 513
Riferimenti bibliografici .............................................................. 517
Ringraziamenti ............................................................................. 541
Presentazione
di
Guido Trombetti*
Sono particolarmente lieto di poter presentare questo bel volume
di Francesco Caputo e Giuseppe Di Gironimo. E ciò per due ordini di
motivi. Il primo è che fa sempre piacere poter riflettere sul lavoro
compiuto da eminenti colleghi. Il secondo è che questo libro fornisce
un’ulteriore conferma di quanto l’interazione tra Università e mondo
produttivo possa essere utile ad entrambi. In effetti, gli autori attraverso sei anni di lavoro hanno operato un significativo ed originale
trasferimento di tecnologie di progettazione, fino ad oggi impiegate
diffusamente solo in ambito automobilistico, ad altri comparti industriali. Ciò attraverso l’ausilio della Realtà Virtuale. Tale attività ha
portato tra l’altro alla realizzazione, nell’ambito del Centro di Competenza dei Trasporti della Regione Campania, di uno dei più avanzati laboratori di Realtà Virtuale d’Europa.
In sintesi, uno straordinario esempio di collaborazione tra il mondo imprenditoriale con le sue esigenze ed il mondo scientifico con le
sue competenze. Il lavoro necessario allo sviluppo e l’impiego delle
tecnologie di progettazione con l’ausilio della Realtà Virtuale ha creato anche una straordinaria occasione per formare giovani ingegneri.
Ancora una volta, ricerca, sviluppo ed alta formazione unite in modo
indissolubile. Tutto ciò si evince dal bel volume che qui presentiamo.
In particolare, la prima parte del libro è rivolta alle conoscenze di
base della Realtà Virtuale; la seconda alle sue specifiche applicazioni. I contenuti del volume, in definitiva, costituiscono un’efficace e
documentata dimostrazione di quanto le tecniche di simulazione e, più
in generale, il processo di “astrazione dal materiale” siano oggi caratteristica peculiare del ciclo di progettazione e di sviluppo del prodotto. Ciò, ovviamente, vale a maggior ragione per i prodotti industriali complessi, quali sono gli attuali mezzi di trasporto, che debbono rispondere, oltre che a requisiti di funzionalità, affidabilità ed economia d’acquisto e di gestione, anche a quello del gradimento (estetico ed ergonomico) di chi li utilizza.
La Realtà Virtuale, secondo gli autori, si rivela come strumento
idoneo a porre l’Uomo al centro del processo di progettazione.
*
Rettore Magnifico dell’Università degli Studi di Napoli Federico II.
Presidente della Conferenza dei Rettori delle Università Italiane (CRUI).
15
Introduzione
Le attività di modellazione e di simulazione, basate
sull’informatica, costituiscono oggi strumenti irrinunciabili per conseguire risultati di eccellenza nella progettazione dei prodotti industriali.
Esse realizzano nella Realtà Virtuale (RV) la loro sintesi più efficace e
potente, poiché questo strumento, meglio di ogni altro, favorisce
l’essenza stessa del progettare che consiste, essenzialmente, nel concepire, e nel proiettare verso il futuro, idee innovative per il soddisfacimento di fabbisogni reali della società in cui viviamo.
La progettazione è anche l’attività dell’Ingegneria che richiede oggi il maggior potenziamento poiché, per il completamento del suo intero iter, sono disponibili tempi che tendono a divenire sempre più
brevi.
Questi, in sintesi, i motivi che giustificano l’impiego di strumenti
hardware e software sofisticati, complessi, costosi ed in continua evoluzione, che richiedono anche l’opera di tecnici con adeguato livello
di preparazione ed in continuo aggiornamento.
La scelta metodologica da intraprendere, già da qualche anno attuata nei settori industriali più competitivi, automobilistico, aeronautico,
spaziale, è quella dell’ingegneria simultanea, basata sullo sviluppo del
modello digitale del prodotto o DMU1, supportata da sistemi di modellazione solida CAD di ultima generazione, che trova nei sistemi di
Realtà Virtuale il suo ambiente più evoluto d’applicazione.
Poiché le tecniche di simulazione tendono a divenire sempre più
efficaci, affidabili ed accurate, l’impiego del DMU del prodotto consente ogni sorta di verifica, di sperimentazione e di valutazione comparativa tra più soluzioni alternative. I tempi che complessivamente si
richiedono sono evidentemente molto più brevi di quelli occorrenti per
la costruzione di altrettanti prototipi fisici, dei cosiddetti “muletti”, per
impiegare un termine in uso nell’industria automobilistica.
I vantaggi d’impiegare modelli digitali, riducendo di molto, o abbandonando del tutto, l’uso dei modelli fisici, si conseguono con la
costruzione di ambienti virtuali nei quali è possibile immergersi per
simulare e valutare, fino ad ogni minimo dettaglio, tutte le caratteristiche funzionali del prodotto.
1
Acronimo che sta per Digital Mock Up.
17
18
Introduzione
La più evidente ed immediata applicazione della RV nelle attività
di progettazione è quella dello stile. In campo automobilistico, ad esempio, forme che fino a qualche anno fa venivano realizzate in scala
1:1, con ogni cura, dalle mani di esperti modellisti, in legno, gesso ed
altri materiali, vengono oggi realizzate come modelli digitali e valutate in ambienti di realtà virtuale, con evidenti vantaggi di tempi e costi
ed, inoltre, con la possibilità di apportare correzioni e varianti quasi in
tempo reale.
Dopo lo stile, l’ergonomia. I mezzi di trasporto collettivi come gli
aerei, gli autobus, le navi o i treni sono da considerare tra i manufatti
che maggiormente incidono sulla qualità della vita dell’intera popolazione. Nella progettazione di questi prodotti industriali complessi,
come avviene in campo automobilistico, dovrebbe innanzi tutto essere
privilegiato il requisito funzionale del comfort per l’utente, oltre che
quello della sicurezza attiva e passiva. Questa priorità dovrebbe valere
sia quando essi sono destinati ad operare su percorrenze che richiedono tempi di pochi minuti, sia per viaggi che richiedono molte ore.
In relazione alla specifica destinazione del mezzo di trasporto, lavorando su modelli digitali in ambiente virtuale, è oggi possibile concepire, sviluppare, confrontare tra loro ed infine deliberare le soluzioni
migliori. Impiegando una tale metodologia, infatti, è possibile sperimentare caratteristiche funzionali come la facilità d’accesso e d’uscita
dal mezzo, la posizione di seduta, la raggiungibilità dei comandi o di
altri particolari funzionali o di arredo, come corrimano, bagagliai o
piani di appoggio. La fruizione di tali caratteristiche, insieme con
quella dei colori, della natura e dell’aspetto dei materiali impiegati,
costituisce elemento che, consapevolmente o inconsapevolmente, induce l’utente a percepire la qualità del manufatto e, conseguentemente, a formulare un suo giudizio. Così il prodotto o il servizio offerto è
ritenuto complessivamente più o meno valido, e quindi più o meno
gradevole, anche sulla base di una molteplicità d’impressioni soggettive formulate da utenti che per cultura, abitudini, sesso, età, statura,
peso possono essere anche assai differenti tra loro; queste impressioni,
spesso, sono variamente motivate dalla percezione dell’una o
dell’altra delle caratteristiche.
Con l’impiego della RV tutte le valutazioni, evidentemente, sono
rese possibili prima di aver realizzato alcunché di fisico. Su una parte
degli autobus destinati al servizio pubblico di una grande città italiana,
ad esempio, è possibile riscontrare che il raggiungimento del pulsante
per la richiesta della fermata, collocato in prossimità della porta di
La Realtà Virtuale nella Progettazione Industriale
19
Figura i.1. Posizionamento del pulsante di richiesta fermata su autobus per
trasporto pubblico: a sinistra posizionamento non corretto ai fini della raggiungibilità; a destra posizionamento corretto.
uscita, sia, a dir poco, problematico, poiché esso è posizionato sulla
parete, ma, dal lato della porta, è coperto da un pannello di materiale
trasparente, come si vede nella foto di sinistra in figura i.1. In un autobus affollato, dove i movimenti sono ostacolati dalla presenza di altri
passeggeri e gli equilibri sono precari, con una siffatta soluzione,
compiere la banale, ma pur necessaria, operazione di richiedere la
fermata da parte di un utente di statura ridotta può riuscire veramente
difficile, talvolta impossibile. È evidente che la soluzione è stata adottata senza aver potuto effettuare alcun tipo di verifica preventiva. Poiché, dopo aver immesso i mezzi in esercizio, l’inconveniente, evidentemente, è stato rilevato, negli autobus più recenti, come appare dalla
foto di destra in figura i.1., la raggiungibilità del pulsante è stata opportunamente assicurata con una semplice quanto opportuna modifica.
Sempre in autobus destinati al trasporto urbano, altro, analogo rilievo
riguarda la soluzione adottata per il posizionamento degli elementi tubolari verticali di sostegno, detti anche pertiche. È evidente che un
passeggero, a meno che non sia di corporatura particolarmente esile,
debba avvertire disagio e difficoltà per accedere al sedile, per la
Figura i.2. Posizionamento delle pertiche: a sinistra posizionamento non
corretto ai fini dell’accessibilità al sedile; a destra posizionamento corretto.
20
Introduzione
esiguità dello spazio a disposizione, causata dalla presenza della pertica verticale disposta come si vede nella foto di sinistra in figura i.2. Il
problema del posizionamento delle pertiche è stato risolto in ben altro
modo sugli autobus di altra casa produttrice, foto di destra in figura
i.2. In questo caso i progettisti, evidentemente, hanno assicurato ai
passeggeri una seduta comoda, ed hanno eliminato ogni ingombro,
rendendo solidale lo schienale del sedile al tubolare verticale, mediante un apposito elemento di collegamento.
Poiché si tratta di carenze solo apparentemente marginali, gli esempi valgono a dimostrare come, nei casi considerati, l’impiego di un
adeguato strumento di simulazione avrebbe consentito di ricercare, ed
attuare in prima istanza, soluzioni ben più valide sotto il profilo ergonomico, atte, quindi, a rendere il mezzo di trasporto pubblico più accogliente.
Altri, particolari requisiti funzionali di progettazione, come quelli
di manutenibilità, si rivelano ancora più importanti, perché il loro corretto soddisfacimento si ripercuote sull’intera vita utile del manufatto,
che, come accade per gli aerei, per le navi o per i treni, può coprire
anche l’arco di alcune decine di anni. In questo caso si tratta di analizzare le caratteristiche morfologiche dei componenti, le relazioni funzionali d’interdipendenza che tra loro sussistono per le esigenze
dell’assemblaggio e del disassemblaggio e di stabilire innanzi tutto se
le operazioni sono possibili, e se gli operatori sono in grado di eseguire tutte le manovre necessarie senza effettuare sforzi eccessivi e senza
assumere posizioni potenzialmente nocive. La simulazione in ambiente virtuale consente anche di definire al meglio le caratteristiche degli
attrezzi e delle altre risorse occorrenti.
La simulazione e la visualizzazione dei prototipi virtuali riguarda
anche prestazioni strutturali, quali, ad esempio, quelle della sicurezza
passiva, con le relative analisi di danno sui passeggeri e sulle strutture,
in conseguenza di manovre di emergenza o di collisioni.
Infine, nello spirito dell’ingegneria simultanea, occorre progettare,
oltre che il prodotto, anche il processo tecnologico che s’intende attuare per la sua fabbricazione. Anche per questa problematica la contestuale simulazione del prodotto, dei mezzi di produzione, degli attrezzi e di tutte le azioni cinematiche e dinamiche che è necessario compiere durante il processo produttivo, può consentire verifiche, confronti e scelte, in tempi brevi e con costi sicuramente ridotti rispetto
all’eventualità di dover apportare “a posteriori” modifiche
all’impianto, o peggio, di dover ritenere definitiva, con maggiore o
La Realtà Virtuale nella Progettazione Industriale
21
minore consapevolezza, per tutta la durata della produzione, una soluzione che, invece, sarebbe stato possibile rendere oggettivamente migliore prima di dar inizio alla sua realizzazione costruttiva.
Impiegando adeguati strumenti di simulazione, invece, è agevole
definire e prescegliere la soluzione più conveniente per il layout, studiando l’accessibilità e l’ergonomia delle postazioni di lavoro, verificando realisticamente ogni problematica d’ingombro e di funzionalità
dei sistemi di movimentazione delle parti per le esigenze di montaggio. Di queste applicazioni, nelle pagine che seguono, è stata fornita
documentazione.
Il primo capitolo del libro è dedicato alla storia, alle applicazioni
ed ai principi su cui si basa la RV. In particolare, nella prima parte,
dopo l’introduzione della nozione stessa di RV, se ne ripercorre la storia e se ne prospettano anche i principali impieghi, sia nell’ambito della progettazione industriale, sia in altri settori. La parte più consistente
di questo capitolo è dedicata alla trattazione dettagliata dei principi e
delle caratteristiche di funzionamento, nonché delle più valide soluzioni hardware oggi possibili per realizzare impianti di RV.
Il secondo capitolo contiene la descrizione dettagliata di due laboratori di RV, invero molto diversi tra loro per dimensioni, per potenzialità e per costo; entrambe le risorse sono state progettate e realizzate a cura del Dipartimento di Progettazione e Gestione Industriale
dell’Università di Napoli Federico II. Una è operante presso la Facoltà
d’Ingegneria, l’altra è stata allestita presso il Centro di Competenza
Trasporti della Regione Campania. La prima di queste strutture, il laboratorio VRoom, realizzato grazie al finanziamento di un Progetto di
Rilevante Interesse Nazionale (PRIN 2003), permette di realizzare
ambienti di simulazione virtuale con la visualizzazione di scene realistiche, ad un discreto livello di immersività. Il suo impiego è destinato
ad attività di ricerca ed allo svolgimento di tesi di laurea assegnate a
studenti della Facoltà d’Ingegneria dell’Ateneo Fredericiano. La seconda realizzazione è quella del Laboratorio di Realtà Virtuale del
Centro di Competenza dei Trasporti della Regione Campania. Questo
laboratorio, denominato VRTest, destinato alla progettazione avanzata
di mezzi e sistemi di trasporto, è tra i più importanti d’Europa per prestazioni e dimensioni. Esso consente di sviluppare, con realismo perfetto, ogni genere di simulazione, per la verifica, in ambiente semiimmersivo, dei requisiti funzionali di oggetti di grandi dimensioni riprodotti in scala 1:1. Dei due laboratori, in coerenza con le finalità di
22
Introduzione
produzione e divulgazione della conoscenza, proprie dell’istituzione
universitaria, è riportata, in dettaglio, la descrizione e vengono anche
illustrate le ragioni che hanno motivato le soluzioni tecniche adottate.
Il terzo capitolo è dedicato ai software per la RV, alla loro scelta ed
al loro impiego in relazione alle caratteristiche dell’impianto ed alle
specifiche applicazioni da realizzare. La descrizione, ovviamente, è in
larga parte riferita alle esperienze condotte nei laboratori VRoom e
VRTest.
Con il quarto capitolo si apre la seconda parte del volume, che documenta una parte delle applicazioni di RV alla progettazione, di recente sviluppate dal gruppo di “Disegno e Metodi dell’Ingegneria Industriale” dell’Università di Napoli Federico II. In questo capitolo, in
particolare, è descritta la passeggiata virtuale nel P-180 Avanti, un
bimotore prodotto dalla Piaggio Aeronautica, destinato ad impieghi di
aviazione generale. La simulazione consente ai progettisti di definire
la sistemazione degli spazi interni, con tutte le scelte morfologiche e
di materiali che riguardano gli arredi. Come per le altre applicazioni
che seguono, anche in questo caso la metodologia seguita è stata illustrata in ogni dettaglio sia per quanto riguarda le risorse informatiche
impiegate, sia per i risultati che è stato possibile raggiungere.
Il quinto capitolo tratta della progettazione concettuale in ambiente
virtuale: viene proposta la sintesi di diverse applicazioni di design sviluppate nei laboratori VRoom e VRTest. Esse valgono a dimostrare che
la RV può rivelarsi strumento molto utile per la valutazione della qualità dei concept di prodotto e per la scelta di quello ottimale, tra un
gruppo di soluzioni proposte, pervenendo alla individuazione ed alla
classificazione degli elementi di qualità, quando del prodotto esiste
solo il modello digitalizzato.
Il sesto capitolo contiene la descrizione di diversi approcci metodologici per la simulazione di attività manutentive in ambiente di RV. Si
tratta di analisi di smontabilità, di accessibilità e di manipolabilità attuate dal progettista sia direttamente, immergendosi ed operando
nell’ambiente virtuale, sia mediante l’impiego di manichini virtuali,
umanoidi digitali che sostituiscono l’uomo nel simulare il compimento
delle attività. Le applicazioni di manutenibilità virtuale proposte sono
state realizzate, in ambito aeronautico e ferroviario, su sottosistemi di
mezzi di trasporto, fin dalla fase iniziale del loro processo di sviluppo.
È possibile, in tal modo, apportare ogni modifica al progetto, in tempi
molto contenuti e senza aggravio dei costi. I casi sviluppati dimostrano il raggiungimento di due fondamentali risultati: la verifica della ef-
La Realtà Virtuale nella Progettazione Industriale
23
fettiva fattibilità delle azioni manutentive e la certezza che l’impegno
di realizzarle non produca effetti nocivi agli operatori, sia per quanto
riguarda la correttezza ergonomica delle posture, sia per il controllo ed
il contenimento delle forze che essi debbono applicare durante le operazioni di manutenzione.
Il settimo ed ultimo capitolo riporta i risultati di una prima applicazione, di carattere generale, della Realtà Virtuale nella progettazione
del ciclo di montaggio di carrozze ferroviarie. Si tratta di una metodologia innovativa per lo specifico settore, che consente di sviluppare, in
ambiente simulato, l’impianto di produzione, le risorse impiegate e
tutte le operazioni che è necessario compiere. Anche in questo caso
l’ambiente simulato è facilmente riconfigurabile: è in tal modo possibile apportare modifiche all’impianto ed al processo produttivo per
valutare diverse soluzioni e scegliere, tra esse, quella che appare la
migliore.
Questo libro, in definitiva, ha l’obiettivo di dimostrare che le simulazioni sviluppate in ambiente di Realtà Virtuale costituiscono un effettivo e valido supporto alla progettazione, in particolare di quella
che occorre dedicare ai sistemi complessi quali sono gli attuali mezzi
di trasporto, ferroviari, navali, aeronautici e su gomma. Per conseguire
questa finalità i contenuti sono stati organizzati in modo tale che il lettore possa valutare le applicazioni progettuali proposte nella seconda
parte del volume, avendo preventivamente acquisito l’indispensabile
conoscenza degli elementi basilari della Realtà Virtuale e degli strumenti, hardware e software, che essa utilizza.
Vale la pena di ribadire ancora che il laboratorio VRTest rappresenta un tentativo, forse ambizioso, di rendere disponibile alle aziende
manifatturiere un’importante risorsa per la progettazione dei loro prodotti. L’Istituzione Universitaria che la gestisce ha dimostrato di essere pronta a sostenerle con tutta la conoscenza e l’impegno che occorrono per contribuire a renderle competitive sui mercati internazionali.
Questo lavoro può anche costituire utile base di conoscenza per gli
studenti delle facoltà d’Ingegneria, di Architettura e di Disegno Industriale che intendano approfondire le metodologie e gli strumenti che,
inevitabilmente, nell’immediato futuro si riveleranno essenziali, in tutti i settori produttivi, per le attività di progettazione.
PARTE PRIMA
Strumenti
Capitolo I
La Realtà Virtuale
I.1. Dematerializzazione della realtà
La possibilità di percorrere nuovi itinerari di sviluppo, quando appare promettente e potenzialmente efficace, apre nuovi scenari per soluzioni innovative di problematiche tecniche e scientifiche, rispetto a
quelle classiche e consolidate, e favorisce, quindi, il progresso [Valentini2005]. Ciò oggi si verifica con l’impiego delle tecniche di RV
(RV) nella progettazione. La RV, infatti, costituisce un nuovo paradigma che ridefinisce in maniera sostanziale l’interfaccia uomomacchina, e modifica completamente l’approccio alle tecnologie di
progettazione [Bricken1990]. La rivoluzione del virtuale, infatti, ha
reso disponibile un sistema di distribuzione e di accesso
all’informazione di una potenza senza pari e, al tempo stesso, ad un
modo nuovo di rappresentare la realtà. L’immagine digitale diventa
così linguaggio e scrittura. Il modello virtuale risulta non essere più
partecipe della materialità del reale, bensì appare come il frutto di pure
operazioni linguistiche impartite ad un calcolatore [Queau1995].
Muovendo dalla rappresentazione dei manufatti mediante disegni,
dapprima nelle due dimensioni del foglio di carta, quindi nelle tre dimensioni della modellazione solida mediante sistemi CAD, è stato
raggiunto un tale livello di sofisticazione nella simulazione degli oggetti da costruire che addirittura la RV viene assunta a dimostrazione
della più generale tendenza verso “la dematerializzazione della nostra
realtà” [Maldonado2005]. Senza voler pretendere d’entrare nel merito
della complessa fase evolutiva che Schrodinger [Schrodinger1994]
prospetta come il procedere della nostra società verso
«uno scenario in cui l’impatto delle tecnologie emergenti (informatica, telecomunicazioni, bioingegneria, robotica e tecnologie dei materiali avanzati),
porterebbe alla riconsiderazione del tradizionale concetto intuitivo di materia
come cosa semplice, palpabile, resistente, che si muove nello spazio»,
è sufficiente ricordare che l’uomo, da sempre, è stato non solo homo
faber, impegnato a realizzare artefatti materiali, ma anche homo depictor, per raffigurare, per esprimersi, per tramandare [Hacking1983].
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28
Capitolo I
Figura I.1. Il Bisonte di Altamira.
Figura I.2. Filippo Brunelleschi: primo esempio di Augmented Reality.
Nella raffigurazione della realtà l’artista ha quasi sempre tentato di riprodurre la tridimensionalità della percezione visiva, impiegando ogni
artificio possibile.
La ricerca, da parte dell’uomo, di creare immagini quanto più possibile realistiche, si sono concretizzate dapprima con lo studio della
prospettiva, quindi l’invenzione di veri e propri effetti di RV da parte
di artisti di ogni tempo. Basterà ricordare l’effetto plastico dei poderosi glutei del bisonte di Altamira riprodotti in rilievo, scegliendo,
all’uopo, una parte di parete rocciosa tondeggiante (v. fig. I.1). O, ancora, il tentativo del Brunelleschi di fondere, in una sorta
d’antesignana Augmented Reality, la vista prospettica di un dipinto
con l’immagine reale del cielo e delle nuvole. L’artista, infatti, aveva
dipinto su una tavoletta il Battistero di Firenze e sul punto principale
della prospettiva aveva praticato un forellino, in modo che attraverso
di esso, dal rovescio dell’opera, si potesse ammirare l’immagine riflessa su uno specchio posto a conveniente distanza: l’argento brunito
che sostituiva l’azzurro, contornando l’immagine architettonica, rendeva ancora più realistica la scena, poiché rifletteva anche il cielo, con
le nuvole in movimento che lo attraversavano (v. fig.I.2), [Caputo2005a]. Nel San Gerolamo nello studio di Antonello da Messina (v.
fig.I.3), poi, il Maldonado riconosce un vero e proprio caso di RV,
creato con mezzi pittorici tradizionali e puntualmente ne dimostra, ripercorrendolo, la narrazione spaziale [Maldonado1999].
Lo sconosciuto artista del Rinascimento italiano (probabilmente
Piero della Francesca) che realizzò le prospettive della città ideale
inconsapevolmente, forse, propose un vero e proprio walk through
La Realtà Virtuale
29
Figura I.3. “San Gerolamo nello studio” di Antonello da Messina (1430 –
1479). Custodito presso la London National Gallery. Misura cm 46 x 36.5.
Figura I.4. “La Città Ideale”, seconda metà del ‘400. Attribuita a Piero della
Francesca. Custodita ad Urbino presso il Museo Nazionale delle Marche.
Misura cm 239.5 x 67.5.
30
Capitolo I
Figura I.5. Passeggiata virtuale nella “Città Ideale”, presso un dei laboratori di RV dell’Università di Napoli Federico II.
attraverso gli armoniosi spazi urbanistici prescegliendo per le sue pitture un formato molto allungato (v. fig. I.4). Lo sconosciuto artista
mai avrebbe immaginato che circa quattro secoli più tardi un giovane
ingegnere si sarebbe divertito a ricostruire la Sua “Città Ideale”, consentendo in tal modo a più persone contemporaneamente di attraversare virtualmente e ammirare in maniera del tutto realistica i capolavori
architettonici da lui ideati in un semplice laboratorio di RV [LoPriore2006] (v. fig. I.5).
Non può mancare, in questa pur concisa rassegna, la citazione di
un brano di Giovanbattista della Porta che, nel lontano 1589 [Caputo2006], immaginava con incredibile precisione ciò che sarebbe stato
realizzato dopo quasi tre secoli. Scriveva, infatti, lo scienziato di Vico
Equense [DellaPorta1607]:
«Prima che ci partiamo dal ragionamento di veder l’imagine pendente
nell’aria, insegneremo come si possa fare che veggiamo le immagini pendenti
nell’aria di qualsivoglia cosa; il che sarà cosa mirabile più di tutte le cose meravigliose, principalmente senza specchio, e senza l’oggetto visibile….. Ma
diciamolo, come si veda una imagine nell’aria in mezo una camera, che non si
veda lo specchio, né l’oggetto della cosa visibile, e camminando intorno vedrai l’imagine da tutte le parti».
Passando a considerare la tecnologia di cui qui si tratta, occorre rilevare che non esiste della RV una definizione univoca e ben delimitata, giacché, infatti, questo termine viene oggi riferito ad una molteplicità di sistemi e di impieghi, tra i quali sono da ricordare, oltre che
quelli rivolti alla progettazione, che qui interessano, anche le simulazioni nell’impiego di sistemi d’arma e di tecnologie militari,
l’intrattenimento, la visualizzazione in numerosi settori della ricerca
scientifica, l’addestramento allo svolgimento di attività lavorative
La Realtà Virtuale
31
complesse, la teledidattica. Nell’ambito specialistico della progettazione industriale s’intende per RV l’insieme delle rappresentazioni
che definiscono e riproducono in maniera realistica ambienti, oggetti e
fenomeni che ancora non esistono nella realtà, ma che potrebbero, a
tutti gli effetti, esistere od essere esistiti come risultato della capacità
dell’uomo di costruire oggetti per migliorare le condizioni di vita.
Nelle attività di produzione industriale l’uomo è il designer, il progettista o il cliente, mentre l’ambiente virtuale è il modello digitale del
prodotto che s’intende sviluppare, con tutte le sue funzionalità, inserito nel contesto di utilizzo, che può essere anch’esso virtuale o reale. In
altri termini la RV è costituita dall’interazione di vari ambienti che,
stimolando le capacità sensoriali di un essere umano attraverso opportune interfacce, riproducono artificialmente situazioni reali. Nella RV
l’uomo è immerso in un ambiente artificiale, simulato dal calcolatore,
che impartisce sensazioni visive, sonore e tattili [Burdea1993]. Il concetto stesso di virtualità implica la disponibilità di visualizzazioni tridimensionali e di sistemi interattivi finalizzati alla creazione di ambienti simulati, direttamente fruibili, generati in tempo reale dal calcolatore [Lanier2005]. Si può, dunque, intendere la RV come una tecnologia che migliora l’interazione tra l’uomo ed il modello virtuale del
prodotto, consentendo di estendere le capacità sensoriali umane, grazie ad un approccio più congeniale ed intuitivo tra l’uomo e la macchina. L’utente può sperimentare, così, il modello virtuale direttamente in maniera interattiva e multisensoriale, muovendosi attorno ad esso
o al suo interno, sollevando oggetti, captando suoni, vivendo in definitiva esperienze sensoriali complesse e molto simili alle sensazioni
percepibili nel mondo reale. Tale approccio, infatti, incrementa le capacità di comprensione, analisi, creatività e comunicazione. In questo
senso la RV si configura come strumento tecnologico innovativo e potente per la risoluzione di numerose problematiche tecniche. È proprio
in virtù di ciò che essa è stata definita come una tecnologia rivoluzionaria, che fornisce un nuovo modo di guardare alla soluzione di un
problema [Cobb1995].
Analizzando il termine RV da un punto di vista puramente semantico ci si rende conto di trovarsi di fronte ad un ossimoro. Infatti
l’aggettivo virtuale ed il sostantivo realtà sembrano paradossalmente
elidersi a vicenda. Il primo rimanda a “ciò che non è nel concreto”, il
secondo invece a “ciò che è nel concreto”. Il termine è stato coniato
Capitolo I
32
nel 1989 da Jaron Lanier, fondatore del VPL1 Research, malgrado già
si avvertisse il sentore della nuova rivoluzione in atto, quando negli
anni ’70 Myron Krueger iniziava a parlare di artificial reality e, nel
1984, William Gibson di “Cyberspace” [Andreolotti2005]. Solo successivamente, negli anni ’90, furono introdotti i concetti di mondo virtuale e di ambiente virtuale.
Risulta evidente che la grande potenzialità della RV consiste nel
fatto che essa, anche nel caso di forme ed organizzazioni di spazi molto complesse, può essere portatrice sia delle valenze e dei significati
studiati mediante rappresentazioni a carattere simbolico-ricostruttivo,
sia di valenze e di significati definiti mediante rappresentazioni a carattere percettivo.
Un ambiente virtuale consente ai partecipanti di interagire nel modo più naturale possibile, come se si trattasse della realtà, comunicando con l’ambiente simulato generato dal computer, distinto da quello
in cui gli oggetti esistono fisicamente [Ellis1995] in modo del tutto
efficace. Ancora una volta appare chiaro come la rappresentazione astratta degli oggetti possa essere utilizzata come strumento di stimolazione per i sensi. In realtà la difficoltà maggiore è proprio legata alla
risposta realistica che il sistema virtuale restituisce all’interazione
dell’utente. Infatti essa non deve comprometterne il senso di presenza,
vale a dire l’illusione di sentirsi realmente parte della scena virtuale.
Nelle attività di sviluppo e di progettazione dei prodotti industriali
la potenzialità maggiore fornita dalla RV è correlata alla possibilità di
prevedere e verificare lo stadio di avanzamento, l’organizzazione e la
coerenza formale e sostanziale di qualsiasi concept. Il grande interesse
che tale tecnologia sta suscitando all’interno delle comunità accademiche ed industriali è legato alla prospettiva di sostituire, a breve termine, la sperimentazione su mock up fisici, o prototipi, del prodotto in
esame con quella su oggetti virtuali e digitali equivalenti in termini di
caratteristiche geometriche e fisiche, nei loro ambienti di utilizzo,
anch’essi simulati. Tale processo, in realtà è già in atto, e questo libro
tenta di dimostrarlo. La totale eliminazione dei prototipi fisici, a vantaggio di quelli virtuali, comporterebbe una sostanziale riduzione dei
tempi e dei costi di progettazione dei prodotti, con un sensibile incremento della qualità. Tale ultimo vantaggio è principalmente dovuto
alla concreta possibilità di valutare un prodotto, fin dagli stadi preliminari dell’iter progettuale, in un ambiente virtuale altamente interat1
Acronimo che sta per Virtual Programming Languages.
La Realtà Virtuale
33
tivo e riconfigurabile, nonché alla possibilità di compiere un maggior
numero di iterazioni sul mock up digitale.
L’obiettivo, quindi, è quello di sostituire la simulazione alla sperimentazione fisica, non solo per le economie ottenibili, ma per permettere il raggiungimento di una ben più alta qualità tecnologica, in tempi
sempre più ridotti. In fase di progettazione, quindi, si tende a passare
dal tradizionale metodo Trial and Error al più sistematico Continuous
Improvement, tipico della simulazione.
L’impiego della RV, che può coinvolgere oltre che la fase di progettazione del prodotto, anche quella del processo produttivo, incide
in maniera sensibile sulla qualità di qualsiasi tipo di manufatto, migliorandone le caratteristiche estetiche, funzionali, costruttive, nonché
economiche e sociali, in termini di utilità e di grado di soddisfazione
percepito dal cliente nella fruizione di esso. Tali vantaggi si rivelano
maggiori quando i prodotti da progettare sono complessi. Tuttavia,
perchè una così favorevole prospettiva di progresso nelle tecnologie
della progettazione si concretizzi in pieno, resta ancora da compiere
un importante lavoro di sviluppo che coinvolge e richiede
l’interazione di una molteplicità di saperi positivi.
I.2. I primi passi della Realtà Virtuale
I primi esempi di simulazioni in realtà virtuale sono riconducibili ai
simulatori di volo costruiti dall’aviazione statunitense subito dopo la
Seconda Guerra Mondiale. Un’altra origine di questa tecnologia è legata al mondo ed all’industria del tempo libero. Fu il giovane inventore dilettante, nonché cineasta di Hollywood, Morton Heilig a dar vita,
nel 1956, al primo vero e proprio simulatore virtuale. Si trattava di una
meraviglia meccanica che egli brevettò nel 1962 col nome di Sensorama [Heilig1962]. Il dispositivo era costituito da un’unità, in grado di
ospitare una sola persona, che combinava l’effetto tridimensionale
della percezione visiva e del suono stereofonico con vibrazioni meccaniche e getti d’aria e perfino con la produzione di particolari odori,
per rendere più realistica l’esperienza vissuta dall’utente. Sensorama
simulava un giro a bordo di una motocicletta per le strade di Brooklyn. L’intento di Heilig, con questa sorta di primo video game virtuale, era quello di offrire, al costo di un nichelino, un’esperienza multisensoriale che coinvolgesse l’udito, il tatto, la vista e l’olfatto. Tuttavia come tutte le innovazioni dal sapore lungimirante e rivoluzionario,
34
Capitolo I
Figura I.6. La ricostruzione digitale e la locandina originale del Sensorama
di Morton Heilig.
Sensorama venne presa in scarsa considerazione dal mondo industriale. Anni dopo fu lo stesso Heilig a dichiarare: “Sensorama, forse, è risultata troppo rivoluzionaria per il suo tempo” [Lefcowitz2001]. Nel
1991 fu Howard Rheingold a riportare in vita Sensorama nel suo bestseller Virtual Reality [Rheingold1991]. Egli affermò allora che l’idea
di Heilig presentava problemi significativi: l’apparecchio era ingombrante ed i tempi di latenza nel rendering troppo elevati. Ciò a sottolineare che bisognava ancora lavorare parecchio sull’idea prima che la
RV potesse risultare fruibile ed utile. Solo oggi è possibile apprezzare
in pieno le enormi potenzialità dell’innovazione introdotta da Heilig.
A gettare le basi concettuali di ambiente virtuale immersivo per la
progettazione fu invece Ivan Sutherland. Nel 1965 egli scrisse: “Un
monitor collegato ad un computer digitale offre la possibilità di acqui-
La Realtà Virtuale
35
sire familiarità con concetti impossibili da realizzare nel mondo fisico” [Sutherland1965]. Ciò indusse Sutherland a sviluppare e realizzare il primo casco virtuale per grafica computerizzata [Sutherland1968], vale a dire un Head-Mounted Display (HMD) del tutto
funzionale ed in grado di garantire all’utente, munito del casco stesso,
una visione tridimensionale stereoscopica dell’ambiente simulato.
L’HMD era accoppiato ad un sistema di tracking meccanico a sei gradi di libertà deputato ad individuare e localizzare sullo scenario la posizione della testa dell’utente.
Nel 1970 Myron Krueger focalizzò la sua attenzione
sull’interazione uomo-macchina. Fu il primo ad introdurre il concetto
di artificial reality come strumento di sperimentazione ed a coniarne il
termine [Lefcowitz2001]. Scopo dei suoi studi era quello di poter interagire interamente, vale a dire con tutto il corpo, mediante il computer,
in ambienti che venissero percepiti dai partecipanti come realistici.
Egli intuì che la tastiera costituiva un mero limite fisico nel rendere
l’esperienza virtuale una “illusione convincente”. Utopicamente per i
suoi tempi, Krueger intendeva realizzare un ambiente artificiale in cui
l’utente potesse operare con tutto il suo corpo, senza l’ausilio di dispositivi dedicati. Si trattava di un’idea ancora oggi non realizzata, pur
con i mezzi attualmente disponibili, ma a cui si continua a tendere con
lo sviluppo di nuove soluzioni per sistemi immersivi di realtà virtuale.
Krueger, in concreto, aveva intuito appieno le potenzialità di queste
nuove tecnologie. Egli lavorò negli anni seguenti a più progetti, tra i
quali vale la pena citare Videoplace, un sistema costituito da una telecamera collegata ad un calcolatore in grado di controllare le interazioni tra le immagini dell’utente e gli oggetti presenti nella scena simulata su un grande schermo di proiezione. La silhouette dell’utente, catturata dalla telecamera e processata opportunamente in digitale, così da
essere differenziata dallo sfondo, veniva combinata con immagini grafiche generate dal computer ed i movimenti erano convertiti in azioni
sulla scena bidimensionale. Risposte visive o anche sonore tra oggetti
ed utenti conferivano maggiore realismo alla simulazione. È interessante notare che in tutti gli esperimenti condotti Myron Krueger evidenziò che l’utente percepiva un senso di autocoscienza tra il corpo
reale ed il profilo proiettato sullo schermo.
Ancora negli Stati Uniti all’inizio degli anni ’70 l’ARPA2 fu impegnata a concentrare le sue risorse per finalità di ricerca e sviluppo sul2
Acronimo che sta per Agenzia Avanzata dei Progetti di Ricerca.
Capitolo I
36
le armi, per far fronte alle esigenze della guerra del Vietnam. In quegli
stessi anni diverse innovazioni tecnologiche ed il crescente interesse
per i viaggi spaziali ad opera della NASA, indussero le industrie ad
intravedere e valutare le possibili applicazioni della RV, tanto che le
più lungimiranti cominciarono ad istituire i primi centri di ricerca sulla
RV. Parallelamente si consolidava nell’industria manifatturiera
l’introduzione della progettazione assistita dal calcolatore ed i primi
sistemi CAD 3 permettevano la creazione di immagini tridimensionali
su uno schermo bidimensionale. Fu per questi motivi che il governo
degli Stati Uniti continuò a puntare su progetti di ricerca e sviluppo
nel settore della RV. Nel 1981, sotto la direzione di Tom Furnes, da
parte dell’aeronautica americana venne realizzato il progetto SuperCockpit. Fu costruita, infatti, una cabina di pilotaggio munita di un
computer e di un casco virtuale per la visualizzazione dello spazio
grafico tridimensionale: all’interno di essa i piloti potevano effettuare
il loro addestramento senza esporsi a situazioni di reale pericolo. Nel
1982 Thomas Zimmermann della VPL Research sviluppò il primo
guanto virtuale in grado di stimare non solo la posizione e
l’orientamento della mano, ma anche il livello di flessione ed abduzione di ciascun dito. Tali progressi portarono nel 1986 Jaron Lanier,
eclettico fondatore ed esploratore delle frontiere della realtà virtuale
[Lanier2005], a realizzare il primo ambiente di RV immersivo, utilizzando un visore HMD corredato di un guanto tattile, così da consentire all’utente la visione tridimensionale e l’interazione con l’ambiente
simulato in cui era completamente inserito. In seguito le ricerche NASA sull’ausilio della realtà virtuale nella progettazione e preparazione
di missioni spaziali, condussero al VIEW 4, vale a dire al primo sistema a combinare grafica computerizzata, suono con localizzazione
spaziale, riconoscimento vocale attraverso un casco virtuale, basato su
monitor video ricavato da piccoli schermi televisivi e da un DataGlove, ossia da un guanto, entrambi derivanti dalle invenzioni precedenti.
Nel corso degli anni successivi gli studi si sono sempre più focalizzati
su ambienti virtuali ad immersività crescente. In tale ottica un ambiente virtuale, ossia un modello costruito in RV di cui l’utente fa esperienza, deve possedere alcune caratteristiche basilari [Usoh1995; Sanchez-Segura2004]: il livello di controllo dell’utente, ossia il grado di
autonomia che consente all’utente di navigare all’interno
3
4
Computer Aided Design.
Virtual Interface Environment Workstation
La Realtà Virtuale
37
dell’ambiente; la quantità di interazione, ossia il grado di manipolazione in tempo reale degli oggetti; presenza, ossia il coinvolgimento
personale dell’utente relativo al grado di fedeltà e di immersività che
l’ambiente restituisce.
In definitiva è possibile effettuare un confronto tra le caratteristiche
fondamentali dei sistemi interattivi del futuro ed i primi sistemi di RV
già sviluppati. L’interfaccia non ha più il compito di garantire esclusivamente la funzionalità, ma include l’utente all’interno dell’ambiente.
La tecnologia RV adatta il computer alle azioni dell’utente, che risulta
essere parte attiva dell’applicazione, poiché il sistema stesso è preparato per reagire alle azioni esterne. I software si discostano da quelli
tradizionalmente visivi, ma sono configurati in modalità multimodale,
per incrementare il senso di immersione. Infine, è importante sottolineare la novità dell’interazione diretta con gli oggetti, in maniera del
tutto intuitiva, come se fossero reali [Sanchez-Segura2004].
I.3. Campi di applicazione della Realtà Virtuale
La realtà virtuale si è rapidamente imposta come tecnologia che offre uno strumento effettivo di supporto alle abilità umane in ogni genere di applicazione: dal campo militare alla fisica,
dall’intrattenimento al design, dall’ingegneria dei settori aerospaziale,
automobilistico e ferroviario alla microrobotica, dall’architettura
all’orografia, dall’analisi di processo alla biomeccanica [Usoh1995;
Stone2001]. In ogni caso, affinché la simulazione in ambiente virtuale
fornisca risultati soddisfacenti, è necessario raggiungere un adeguato
livello di realismo. Questo si traduce in software applicativi caratterizzati da un livello di dettaglio sempre crescente. L’incremento della
complessità del sistema in esame risulta poi strettamente correlato alle
potenzialità dei calcolatori, in termini di spazio disco, memoria e velocità del processore, in modo tale che i risultati della simulazione
vengano restituiti in tempi utili [Bonini2001].
Nell’ambito industriale, di particolare interesse per questa trattazione, la RV è particolarmente impiegata, come insostituibile risorsa
multidisciplinare di visualizzazione, nella progettazione e nello sviluppo di soluzioni innovative, nonché nella validazione di strategie integrate processo-prodotto [Bao2002]. Inoltre il significativo incremento delle potenze disponibili per il rendering ha indotto allo sviluppo di
molti sistemi RV di simulazione per l’addestramento all’impiego ed
38
Capitolo I
alla manutenzione di apparecchiature industriali, come simulatori di
volo e di guida per autoveicoli, per il controllo del traffico [Loftin1988; Vora2002]. In definitiva le applicazioni della RV nei settori
industriali sono molteplici: in particolare è ragionevole prevedere che
l’impiego delle sue potenzialità nella progettazione avrà un influsso
decisivo per la competitività sul mercato globale [Ziegler1999]. Inoltre la tecnologia RV ben si configura come utile strumento di integrazione all’interno di un’ottica progettuale di Concurrent Engineering.
Essa, infatti, poiché favorisce la collaborazione tra membri del team di
progetto, fin dalla fase iniziale migliora il processo di definizione del
modello di stile e riduce il tempo necessario alla costruzione del prototipo di riferimento: essa, in definitiva, rende più naturale il passaggio dal concept originario alla sua formalizzazione definitiva [Caputo2006a].
I campi di applicazione della realtà virtuale tendono ad espandersi,
dato che le simulazioni virtuali 3D costituiscono uno strumento importante in molti settori scientifici ed industriali. Uno dei motivi del
successo della RV è legato alla disponibilità di unità di calcolo e grafiche con risorse 3D sempre più potenti. L’efficacia e gli impieghi delle tecnologie RV, quindi, aumentano ed aumenteranno al crescere delle capacità di calcolo e di visualizzazione.
I.3.1. Virtual Prototyping
La competizione sul mercato globale impone, a chi produce, di far
fronte ai continui mutamenti della domanda: ciò, in sostanza, significa
di essere in grado di vendere a costi accettabili, in tempi assai ridotti,
prodotti innovativi, disponibili in un’ampia varietà di versioni personalizzate, per di più caratterizzati da alta qualità. La competizione,
quindi, si gioca sul ciclo di sviluppo prodotto dove la RV risulta strumento sicuramente idoneo sia per la riduzione del time to market, sia
per il contenimento dei costi di progettazione, poiché riduce drasticamente la necessità di realizzare mock up fisici. Tra i vantaggi aggiuntivi che la RV offre vanno considerati l’approccio intuitivo ed interattivo alla valutazione delle prestazioni del prodotto in forma di prototipo digitale, nonché la migliore comunicazione tra team interdisciplinari, che possono analizzare, in tempi contenuti, numerosi modelli e
soluzioni alternative, anche applicando procedure standard di valutazione. L’ambiente virtuale da sviluppare deve essere necessariamente
flessibile e collaborativo, quindi multi-utente: in esso ciascun compo-
La Realtà Virtuale
39
nente del team deve poter gestire differenti soluzioni di progetto aggiungendo, rimuovendo, migliorando ed integrando elementi e caratteristiche funzionali sul prodotto in fase di sperimentazione (v. fig. I.7)
[Steinborn2002; Caputo2006a; Shen2005].
Gli utenti, quindi, devono partecipare all’ambiente virtuale in modo tale da sentirsi parte di esso, con la possibilità di poter agevolmente
navigare al suo interno e manipolare modelli digitali che mostrano
proprietà e comportamenti corrispondenti a quelli degli oggetti reali
[Bao2002].
Il Virtual Prototyping è definito come quel processo di elaborazione di prototipi in cui vengono simulati, nel modo più realistico possibile, prodotti o concept, nonché il loro comportamento o le loro condizioni di utilizzo, mediante modelli computerizzati e tecniche di RV
[Kerttula1997]. Vengono così costruiti modelli del prodotto, veri e
propri prototipi digitali, per la scelta progettuale, per la simulazione
morfologica, funzionale ed ergonomica del prodotto, per la valutazione delle attrezzature e delle metodologie di fabbricazione, fin dai primi passi del processo di sviluppo-prodotto [Pratt1995]. Si può così
procedere alla valutazione delle caratteristiche progettuali rilevanti per
il prototipo, contestualizzato nel suo ambiente di esercizio, si verificano procedure di fabbricazione, si effettuano stime sulle caratteristiche
del prodotto e dei mezzi che occorrono per la sua realizzazione, definendo eventuali parametri di intervento per la sua ottimizzazione. Le
industrie automobilistica ed aeronautiche e, più in generale, il settore
dei trasporti, hanno dimostrato, negli ultimi anni, notevole interesse
per l’impiego della RV, affrontando anche cospicui investimenti: ciò,
evidentemente, è dovuto ai vantaggi che questa tecnologia assicura
quando le applicazioni progettuali sono di una certa complessità.
Figura I.7. Confronto tra più alternative di progetto [Steinborn2002].
40
Capitolo I
La maggiore difficoltà che si riscontra per un più generalizzato impiego della RV nella progettazione industriale è dovuta al fatto che
quasi tutti i software CAD 3D disponibili sul mercato risultano sostanzialmente privi della possibilità di manipolazione diretta del mock
up digitale da parte dell’utente. Risulta quindi evidente come, a breve
termine, sia da attendersi una diffusa implementazione in ambienti virtuali dei digital mock up per la simulazione computerizzata del prodotto e di tutte le funzionalità richieste dal design, dalla fase di ingegnerizzazione, dalla produzione, nonché dalla manutenzione e dal riciclaggio. Tuttavia il cammino da compiere verso metodologie di progettazione in grado di attuare la totale sostituzione dei mock up fisici
con quelli digitali è ancora lungo. Le tecnologie della RV costituiscono la soluzione più affascinante e promettente, oltre che l’unica possibile.
Una attività di fondamentale importanza al fine di realizzare simulazioni in ambiente di RV è la gestione di protocolli di riferimento per
lo scambio-dati tra gli ambienti di modellazione CAD e l’ambiente di
RV. Partendo infatti dal concetto che una qualunque geometria CAD
risulta essere la rappresentazione grafica di una espressione matematica più o meno complessa, risulta evidente che la manipolazione di assiemi costituiti da diversi modelli CAD implica la manipolazione di
tutte le matematiche di base. La gestione di assiemi complessi costituiti da centinaia di elementi, i cui componenti sono delimitati per lo
più da superfici a forma libera con una rappresentazione matematica
piuttosto complessa, risulterebbe impossibile da ottenere anche mediante risorse hardware con prestazioni elevate. L’idea di base per la
creazione di una soluzione di visualizzazione e prototipazione digitale
che consenta verifiche virtuali in tempo reale in un ambiente tipicamente friendly (ovvero facile da gestire), è quella di prendere i dati nativi dal CAD e di ridurli a un formato di visualizzazione che, non avendo le complessità del CAD stesso, risulta essere molto snello. Alleggerito del superfluo, mantenendo tuttavia esattamente la stessa geometria di origine, il modello di visualizzazione assume una dimensione nettamente compatta, che riduce notevolmente il carico di memoria [Elsenhaus1997]. I passi necessari al processo di prototipazione
virtuale possono essere così schematizzati [Caputo2001]:
- Costruzione del modello virtuale: approssimazione della geometria, proveniente dai modelli CAD, mediante la creazione di una
mesh di poligoni (tassellazione) e successiva riduzione della complessità della mesh (decimazione).