Realidad Virtual: Posicionadores 3D

captura de movimientos en espacios 3D.
Carlos Cobo Barredo
David Martínez Serrano
Lisardo Fernández Cordeiro
2º GII  –  ETSE
Universidad de Valencia

Vivir en una cueva tiene su aquel, viendo las sombras de la realidad autogenerada proyectadas en la pared a modo de burdas réplicas de lo inalcanzable. Y en estos pensamientos andaba Platón mientras uno de sus discípulos más aventajados montaba mofa alrededor del viejo, metiéndose en un jardín de angosta salida, donde confiesa Aristóteles que la realidad se conforma, a fuego lento, de materia y esencia. El caso es que la realidad no llega a ser un concepto en sí mismo con contenido cierto ergo medible, alcanzable y, para tranquilidad del ser humano sensible, inalterable. Más al contrario, como les ha gustado siempre pregonar a los idealistas, el hecho de conocer, influye en la realidad conocida, pues nuestros procesos mentales condicionan y determinan la realidad.
En común con todas las realidades que nos han regalado los librepensadores y algunos ociosos de diván, comienza a rodearnos otra realidad creada sin intervención de espíritu o santo alguno. Se trata de la realidad virtual, engendrada para huir o ampliar la inmediata sensible, la que nos pega un puñetazo en la cara al despertar.
Pero, mientras nos empeñemos en depender de los interfaces que la naturaleza nos provee al nacer, precisamos de engendros que ayuden a una máquina tonta a posicionarse y posicionarnos… sí, todavía con chupete.
consideraciones previas vs introducción
Si ya es trabajoso obligarse a tomar posición en la vida, aunque sea de forma incierta o flexible, cuanto más para una máquina ajena a la conciencia propia y por ende, dependiente de un externo que la guíe por la procelosa frontera donde el bien y el mal se disfrazan de carnavalesca guisa.
Como todo importante concepto que se precie, el blanco o negro, el ying o yang, la pera o manzana de este nuevo mundo, se basa en la integración del usuario con el mundo creado. Así, con el riesgo de exposición a la muerte súbita que supone pintar una raya en conceptos de difusa frontera, disociamos dos realidades según el grado de integración del navegante.
Por un lado, se halla la realidad virtual no inmersiva, en la que se navega sobre una pantalla plana, sentadito, sin riesgo, en una confortable butaca y, como elemento más sofisticado de interface, el aporreado teclado o el manoseado ratón. Con estas peligrosas herramientas, puede adentrarse el amable lector, en mundos tan adictivos como Second Life o World of Warcraft.
Sin embargo, para sumergirse en una realidad virtual donde la experiencia resulte más cierta y cercana a todos los órganos sensitivos de los que dispone el común de los mortales, se va a necesitar algo más importante que el arrojo. El usuario precisa de un entorno repleto de herramientas dedicadas a la realidad inmersiva. Justo esa en la que se pretende vivir las próximas líneas.
La realidad física se ha despojado de los límites impuestos por el conocimiento dedicado a poner países en quiebra para sacarles la pasta -lo de siempre, vaya-, para adentrar la experiencia en mundos tan cercanos como irreales, aprovechando el soporte que la tecnología brinda a través de elementos transductores de nuestra física y sistemas transceptores de sensaciones conocidas sobre mundos desconocidos.
Toda esta parafernalia de transducción y transcepción se reduce, actualmente, a cacharraje ineludible para informar, debidamente, a la máquina y al ser humano experimentador de novedosas sensaciones virtuales.
Parte importante de estos equipos se dirige a la adquisición de datos sobre la física del usuario, sus movimientos, su posición, envergadura, gestos.. en fin, todos aquellos ejercicios de comunicación con la realidad mostrada por la máquina sobre los que la misma debe tomar nota “intime” para convencer al intrépido de que se halla en un mundo donde puede desarrollar una actividad e interoperatividad convincente y adecuada al objetivo del entorno.
Los dispositivos capaces de tomar nota e informar a la máquina de la posición de aquellos miembros que intervendrán en la relación con el mundo virtual, se enmarcan en lo que se ha dado en llamar posicionamiento tridimensional. Y sí, casualmente, vamos a entretener un ratito al lector con aventuras espectaculares y desventuras escalofriantes sobre estos hermosamente antiestéticos artilugios denominados “posicionadores 3D”.
tome aire… inmersión
Si nos ponemos a retroceder en el tiempo, de entre todos los tipos de posicionadores, los mecánicos siempre han sido los más sencillos de elaborar, así como los primeros en ser utilizados, ya que los otros, los modernos, suelen necesitar electricidad para funcionar. Puesto que ésta es un descubrimiento “reciente”, blanco y en botella.
Algunos desde la infancia, otros de hace unos años, sin duda recordamos aquellas míticas películas de aventuras sobre un arqueólogo armado con látigo, descubridor de espectaculares tesoros, protegidos por trampas letales pendientes de los siempre inútiles malos que las activan al pisar una roca, o abrir una puerta. He aquí ejemplos de posicionadores mecánicos, aunque, cierto es que con propósitos no tan nobles como los que deberíamos enfocar en este trabajo, se basaban en poleas, cuerdas tensadas, contrapesos y engranajes para obrar su magia.
Algo que ha cambiado drásticamente a lo largo de los años, pasando de poleas y cuerdas o tiras de cuero, a sistemas de rieles guiados que permiten moverse en horizontal y vertical, mediante pequeños motores, con rapidez y con la precisión que aporta el conocimiento de la situación instantánea de cada una de las partes, gracias a sistemas de posicionamiento óptico, angular, magnético, inercial, infrarrojos, ultrasónico o un apetitoso conjunto de varios de ellos.
Avanzando un poco en el tiempo, tenemos otro ejemplo de posicionamiento mecánico que, de nuevo, vuelve a aparecer en películas, se trata del uso de nudos a intervalos regulares en sogas para determinar la distancia al fondo marino, un método algo más sofisticado que el uso de simples pértigas, predecesor, con el que evitar encallar pequeños y grandes navíos en costas poco profundas o estimar si el tesoro oculto en un barco pirata hundido hace años podía aspirar a tener nuevos dueños.
Un poco más actuales son los posicionadores de la rama del sonido, cuyo origen podríamos establecer tras el descubrimiento del efecto Doppler, que se resume en una mayor proximidad entre las ondas sonoras cuando un objeto en movimiento que genera un sonido se acerca hacia nosotros, lo que nos da una sensación de intensidad sonora más fuerte de lo que en realidad es y, en caso contrario, cuando el objeto se aleja, las ondas están más separadas, por lo que el efecto es justamente el contrario, menor intensidad percibida que la real(12). No se explica en detalle más acerca del efecto Doppler dado que no es la cuestión a tratar.

Las ganas de guerrear del hombre y su ingenio para crear nuevas formas de matar dieron lugar a los submarinos y por ende, a otra necesidad, detectarlos, lo que nos lleva al sonar, una aplicación del efecto Doppler que utiliza ondas tanto de baja frecuencia, infrasónicas como de alta frecuencia, ultrasónicas para determinar la posición de un barco respecto al lecho marino o para detectar objetos bajo el agua (submarinos, barcos hundidos, arrecifes, bancos de peces, etc…)
Con el descubrimiento de la electricidad surge una enorme rama de posibilidades y necesidades (surgidas de la curiosidad) como son el posicionamiento mediante haces de luz y mediante campos magnéticos. Comentaremos primero estos últimos por aparecer mucho antes que los de la rama óptica, un ejemplo que no podía faltar es la brújula, instrumento para orientarnos que data del siglo IV en un libro originario de China llamado El libro del Maestro Demoníaco del Valle (traducción libre del inglés, del título original chino), hay más información al respecto en el punto (13) de la bibliografía.
Así pues, ¿cómo utilizaba el hombre hace 2400 años los campos magnéticos para orientarse? Ajeno al campo magnético producido por la tierra el hombre se dio cuenta de que ciertos fragmentos de minerales (magnetita) se orientaban hacia el Norte, tomándolo como punto de referencia permitía ubicarse siempre y cuando se supiera el origen y la posición aproximada del destino. Las brújulas modernas no están hechas de magnetita sino de agujas o discos magnetizados sumergidos en líquido o los más modernos que miden pequeñas variaciones de carga en el interior de circuitos integrados, devolviendo un señal proporcional al estado de la carga en dos ejes.
Hablemos de la luz:
NOTA: La luz tiene una naturaleza compleja y según como se observe, se comporta como una onda o como una partícula por lo que a lo largo de este punto se utilizarán los conceptos luz, haz de luz, onda, etc.. para hacer referencia a la misma cosa.
Para los posicionadores ópticos, basados en el intento de copia del ojo humano, que mejor ejemplo de sensor que uno que tenemos nosotros y nos funciona bien (salvo si sufrimos de algún mal relacionado con la vista que sin duda habrán explicado los compañeros que tenían que trabajar sobre el punto 1, p.e. los señores Llano, Meseguer y Mora)(14). Podríamos decir que ya en la antigüedad se utilizaban los espejos para reflejar la luz del Sol para señalizar o iluminar zonas (por ejemplo, un faro) pero esto no son sistemas de posicionamiento per se ya que tan solo permiten ver donde está uno o más objetos, pero no nos aportan información útil, al menos no sin tomar mediciones, sobre la distancia a la que se encuentra. Por lo tanto avanzamos en el tiempo y pasaremos a la luz infrarroja y el LASER por ser dos tecnologías que mediante la emisión de luz sirven para medir distancias y por lo tanto posicionarnos respecto a un entorno.
Para este tipo de posicionadores fue fundamental que se determinara la velocidad de la luz, hecho para nada trivial que se intentó en muchas ocasiones, dando lugar a anécdotas insólitas que por desgracia no podemos relatar en este trabajo pero que se pueden consultar en el punto(15). En resumen, la velocidad se estableció en 299.792,458km/s como la constante universal c, que normalmente se redondea a 3e+8 m/s en notación científica.
En ambos casos el proceso es muy similar, sabiendo la velocidad a la que viaja la luz se envía una onda hacia un objeto, ésta rebota y vuelve al emisor que medirá el tiempo que ha tardado en hacer el viaje de ida y vuelta.
En el caso de la luz infrarroja es susceptible a interferencias por el color de los objetos o la temperatura de estos, además de tener un alcance limitado y no ser visible al ojo humano. En cambio el LASER proporciona un alcance mucho mayor y sí puede verse por el ojo humano lo que facilita su utilización, es más cómodo de apuntar.
posicionadores, otro concepto MMI
Metidos como andamos en harina, el amable lector que ha sido capaz de llegar hasta aquí, tiene la inmejorable oportunidad de ampliar sus ya vastos conocimientos, con la incursión en la siguiente feria de sucintas exposiciones donde los sistemas de posicionamiento tridimensional son los auténticos protagonistas, mostrando sus siempre armoniosos malabares.
posicionadores mecánicos

Estos sistemas de captura de movimiento rastrean de manera directa los ángulos de las articulaciones del cuerpo y se les conoce también como “Sistemas de captura con Exo-Esqueleto”, debido a la forma con la que se ajustan los sensores al cuerpo.
Para capturar el movimiento de una persona, ésta debería armarse con este trasto, capturando el movimiento relativo del intrépido “piloto” mediante el movimiento de potenciómetros en las articulaciones(5) o elementos de pilotaje.
Estos sistemas de captura tienen un coste relativamente bajo, con muy poco error. La adquisición de datos se realizaría conforme se mueven los sensores. La captura es en tiempo real, y normalmente se envía vía wireless al ordenador central.

posicionadores electro-magnéticos

Este sistema de captura calcula la posición y orientación mediante el flujo magnético relativo de 3 bobinas ortogonales(6), tanto en el transmisor como en cada receptor. La variación de intensidad del voltaje de estas tres bobinas permite a estos sistemas calcular tanto la orientación como el movimiento, rastreando continuamente estos cambios.
La salida de los sensores tiene 6 grados de libertad (6DOF), por lo que nos proveería resultados útiles con solo 2/3 del numero de marcadores usados en sistemas ópticos; uno en el brazo superior y otro en el brazo anterior serían suficientes para definir la posición e inclinación del brazo.
Debido a la tecnología que usan estos sistemas, una desventaja importante sería que los sensores son susceptibles a interferencias de objetos metálicos, cableado, monitores, luces u ordenadores que afectan el campo magnético.

posicionadores inerciales

Esta tecnología se basa en diseños físicos susceptibles a los cambios de sus condiciones o valores en reposo(9). Suelen diseñarse en miniatura y dotarlos de algoritmos de fusión de datos de los diferentes sensores. Los datos que capturen los sensores suelen ser transmitidos vía wireless a un ordenador, donde los movimientos y giros se traducen a un “esqueleto virtual” mediante software.
Estos sensores suelen ser giróscopos y acelerómetros, sí, eso que calzan los teléfonos móviles modernetes y las tablets mega-fashion. Su funcionamiento es relativamente simple, pues se basa en el principio de conservación del momento angular para los giróscopos y el de inercia para los acelerómetros, produciéndose variaciones en las señales de salida, proporcionales a la intesidad y orientación de los cambios sufridos por el sensor. Parece obvio que a mayor número de ejes controlados por estos sensores, los datos que capturemos serán más ricos en traducir la dinámico del usuario a la máquina.
Con esta tecnología, nos ahorramos el uso de cámaras externas, emisores o marcadores para el movimiento relativo, pues son capaces de capturar el movimiento en seis ejes de libertad (6DoF) en tiempo real solamente con los datos que recibamos de los sensores. Además, tampoco estamos limitados a un área de trabajo determinada. Pero, si conocemos como funcionan estos giróscopos, sabremos que estos sensores sufren de poca precisión a la hora de posicionar en valor absoluto pues sufren de “positional drift, que es el desplazamiento del origen de coordenadas, un error que se puede acumular con el tiempo. De este modo, su utilidad se restringe al área de movimientos relativos.

Este sistema es el usado por la famosa Wii, aunque en esta consola los sensores no necesiten ser tan sensibles ni tengan tanta resolución. Pero el uso en videojuegos va más allá de la Wii, pues la popularidad de estos sistemas está aumentando rápidamente entre desarrolladores independientes de videojuegos, principalmente por la facilidad de preparación y uso, además de que el precio es relativamente bajo.

posicionadores ultrasónicos

Al igual que los anteriores sistemas de posicionamiento, este sistema se basa en la distancia entre emisor-receptor para medir y calcular las posiciones(8), lo único que varía es el medio físico que se usa para medir distancia. Dando un número suficiente de distancias a un punto conocido podemos conocer su posición exacta, y esta distancia la podemos obtener mediante ultrasonidos.
El problema nos viene cuando tenemos decenas de emisores de ultrasonidos emitiendo. Esto se resuelve modulando el tiempo de transmisión de cada emisor. Así, los emisores actúan durante una pequeña fracción de tiempo de manera secuencial, y es el receptor el que une cada señal en una misma.
La dificultad añadida radica en la calibración inicial y la puesta en marcha, pues aquí, al contrario que los otros sistemas, se debe tener en cuenta el número de emisores para poder calcular el tiempo que dispone cada emisor entre cada pulso de radio.


Adicionalmente, entra en juego el factor “línea de visión”, pues si existen elementos que dificultan la visión directa de los sensores, se interpretan datos erróneos. La facilidad de distorsión de las señales sónicas también es una importante limitación para estos dispositivos
posicionadores ópticos

Estos sistemas ópticos utilizan sensores de imagen para triangular la posición 3d de un objeto entre una o más cámaras calibradas para proveer de varias proyecciones del mismo objeto. Esta adquisición de datos se hace normalmente usando “marcadores” que deberían ir pegados al objeto o actor. No obstante, los sistemas más modernos son capaces de generar datos precisos mediante el rastreo de superficies de forma dinámica para cada objeto en particular.
Existen varias maneras de capturar el movimiento mediante este sistema:

-Marcadores pasivos: este método usa marcadores recubiertos de material retroreflectivo para reflejar la luz generada cerca de las cámaras de vuelta a ellas. La imagen de las cámaras se puede ajustar para que solo se capture el material reflectante. Con que 2 de las cámaras vean el mismo marcador, será posible localizarlo en el espacio tridimensional. Teniendo en cuenta que normalmente se usan de 6 a 24 cámaras, es difícil que un marcador no sea captado por más de 2 cámaras.
-Marcadores activos: Como se puede imaginar, no confundir uno o varios marcadores con el método anterior es difícil.
Con este método no existe este problema, pues al contrario que con el método anterior, usa marcadores que generan su propia luz. Con esto, podemos hacer que cada marcador esté iluminado una muy corta fracción de tiempo y que se iluminen secuencialmente, para facilitar su identificación en todas las cámaras.
-Marcadores activos modulados: Un paso más allá de los Marcadores activos. Si modulamos la amplitud o la “anchura” del pulso podemos generar casi ilimitados identificadores para los marcadores.
Esta técnica, al ser capaz de capturar todos los marcadores a la vez, permite ver los resultados en un personaje CG en tiempo real.
-Markerles(sin marcadores): Debido a la investigación en “Computer Vision” (http://en.wikipedia.org/wiki/Computer_vision), nos estamos acercando rápidamente hacia la captura de movimiento sin marcadores. Este sistema no requiere de equipamiento especial para la captura. Para ello, se diseñan algoritmos para analizar multiples streams de entrada de video que permiten identificar formas humanas, y separar
cada cuerpo en partes para facilitar la captura. Un ejemplo lo
tenemos en Kinect de Microsoft, o en Xsense.
aplicaciones prácticas… las realidades del futuro
Experiencias como las vividas por el arrojado guerrillero en BattleField 3 Simulator, son un adelanto de lo que ya estamos en disposición de disfrutar con el uso lúdico de algunos de los tipos de  posicionadores vistos en el apartado anterior… si no se lo ha saltado con la ligereza propia de los impacientes.
El cine nos ofrece experiencias 3D plausibles que, en algún momento, se transformarán en interacción más allá de la vista y el oído.
Sin embargo, tal y como vaticina Mychilo S. Cline en su libro ”Power, Madness and Inmortality. The Future Of Virtual Reality”(10), la sucesiva implementación de herramientas basadas en los posicionadores conocidos y los futuros a desarrollar, diseñarán una realidad diferente a la percibida actualmente.
Una realidad donde la integración con la virtualidad será cotidiana. Los ordenadores no nos inmovilizarán frente a una pantalla, puesto que formarán parte de la informática distribuida por enseres, ropa y elementos de comunicación e interoperatividad portados con la naturalidad propia de una sortija, gafa o reloj.
Con ellos, la medicina entrará en un nivel donde la cirugía, las terapias y la rehabilitación disponen de mundos adecuados a los fines perseguidos.
La educación profesional centrará sus esfuerzos en la aprehensión de conceptos y experiencias sin derrochar materiales ni recursos ajenos al objetivo formador en el uso de herramientas y maquinarias amorosamente virtualizadas.
La comunicación interpersonal, el comportamiento, la adquisición de conocimientos, en fin, todo el mundo conocido, migrará paulatinamente hacia espacios virtuales con sistemas sociales, económicos, culturales, derechos,… modelados por los colonos de la virtualidad.
En definitiva, un nuevo concepto de realidad para el que deberíamos ir preparando la música.
conclusión
Siempre, las palabras de los sabios han servido de inspiración y guía en los albores de cualquier actividad, máxime en temas de procelosa envergadura como este. Así, nada mejor para concluir que las del pensador alemán Nietzsche:
“todo el conocimiento humano es mera interpretación del mundo, depende de la perspectiva vital en la que se encuentra el individuo que lo crea, pues la realidad no está ordenada con valores o reglas universales. La realidad es continua creatividad y ha de vivirse así para dar a luz algo nuevo, algo que brille o ilumine por dónde ir”.
…y en eso estamos.
bibliografía y webferencias
..1.Dispositivos – Julio Abascal, Néstor Garay – Univ. País Vasco
..5.http://gruporv.lacoctelera.net/post/2010/04/12/realidadvirtual
..7.http://redalyc.uaemex.mx/pdf/537/53700527.pdf
Brújula:
NOTA: Concretamente en el libro “The Book of the Devil Valley Master” en la página 151, el libro data del siglo IV, el original está en chino.
Dolencias de los ojos:
..14.Trabajo de Pau & Co.
Medición de la velocidad de la luz:

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