Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Bilbao
Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática
TESIS DOCTORAL
REALIDAD AUMENTADA MÓVIL PARA LA
CONSERVACIÓN DEL PATRIMONIO
Autor:
JOSÉ LUIS IZKARA MARTÍNEZ
Dirigida por:
Dr. XABIER BASOGAIN OLABE
Dr. JOSÉ LUIS LOS ARCOS AZCÁRATE
TESIS DOCTORAL
REALIDAD AUMENTADA MÓVIL PARA LA
CONSERVACIÓN DEL PATRIMONIO
Autor:
JOSÉ LUIS IZKARA MARTÍNEZ
Dirigida por:
Dr. XABIER BASOGAIN OLABE
Dr. JOSÉ LUIS LOS ARCOS AZCÁRATE
Quiero aprovechar las primeras líneas de este documento para transmitir mis agradecimientos a todas aquellas personas que han hecho posible la finalización de esta tesis doctoral.
En primer lugar a mis directores de tesis por su tiempo, sus aportaciones y sus consejos. A todos aquellos compañeros de trabajo que han colaborado conmigo en los proyectos de investigación en los que se ha desarrollado esta tesis.
Por último, y sobre todo, a mi familia por su apoyo incondicional y por sufrir los malos momentos conmigo.
Agradecimientos _____________________________ i Índice _____________________________________ iii Índice de Figuras___________________________ vii Índice de Tablas ____________________________ ix Acrónimos y Abreviaturas ____________________ xi
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN _____________________________________ 13
1.1 La Tecnología de Realidad Aumentada _________________________________ 14 1.2 Descripción General de la Tesis _______________________________________ 17 1.2.1 Ámbito de la investigación _________________________________________ 17 1.2.2 Motivación______________________________________________________ 18 1.2.3 Principales contribuciones __________________________________________ 19 1.3 Metodología de investigación _________________________________________ 20 1.4 Estructura del Documento ___________________________________________ 22
CAPÍTULO 2 ESTADO DEL ARTE DE LA REALIDAD AUMENTADA
MOVIL ______________________________________________ 25
2.1 Breve Historia de la Realidad Aumentada Móvil _________________________ 26 2.2 Tecnologías para el Desarrollo de Sistemas de Realidad Aumentada Móvil ___ 33 2.2.1 Dispositivos de procesamiento ______________________________________ 35 2.2.2 Dispositivos de visualización________________________________________ 38 2.2.3 Dispositivos y tecnologías de posicionamiento __________________________ 46 2.2.4 Software para sistemas de realidad aumentada móvil _____________________ 51 CAPÍTULO 3 ACTIVIDADES DE LOS PROFESIONALES DEL
PATRIMONIO Y LA REALIDAD AUMENTADA MOVIL ____ 55
3.1 El Patrimonio Cultural ______________________________________________ 56 3.1.1 El conjunto histórico como elemento de patrimonio cultural _______________ 56 3.1.2 Breve historia de la salvaguardia del Patrimonio Histórico_________________ 56 3.1.3 Nuevas Tecnologías aplicadas a la Conservación y Puesta en Valor del
Patrimonio ______________________________________________________ 60 3.2 Aplicación de la Realidad Virtual y Aumentada al Patrimonio Histórico _____ 61 3.2.1 Difusión del patrimonio histórico ____________________________________ 61 3.2.2 Promoción del patrimonio histórico___________________________________ 64 3.2.3 Sensibilización ante el patrimonio histórico ____________________________ 65 3.2.4 Educación sobre el patrimonio histórico _______________________________ 66 3.2.5 Preservación del patrimonio histórico _________________________________ 67 3.2.6 Restauración/Reconstrucción del patrimonio histórico ____________________ 68 3.2.7 Conservación del patrimonio histórico ________________________________ 70 3.2.8 Funcionalidades tecnológicas asociadas a actividades de salvaguardia del
patrimonio ______________________________________________________ 70 3.3 Identificación de Funciones de los Gestores de Patrimonio _________________ 72
3.3.1 La Gestión del Patrimonio Histórico __________________________________ 72 3.3.2 El Gestor del Patrimonio de la Ciudad Histórica _________________________ 74 3.4 Aplicación de las tecnologías de Realidad Aumentada Móvil para la
CAPÍTULO 4 SUBSISTEMAS DE UNA PLATAFORMA DE REALIDAD
AUMENTADA MÓVIL_________________________________ 87
4.1 Introducción _______________________________________________________ 88 4.2 Descripción de escenarios de uso ______________________________________ 88 4.2.1 Guiado en entornos de Patrimonio Histórico____________________________ 89 4.2.2 M-Learning: Laboratorios Docentes __________________________________ 90 4.2.3 Mantenimiento de Sistemas Mecánicos________________________________ 91 4.2.4 Inspección de una Instalación _______________________________________ 92 4.2.5 Seguridad en Obra ________________________________________________ 92 4.3 Subsistemas y requisitos identificados __________________________________ 93
4.3.1 Guiado en entornos de Patrimonio Histórico____________________________ 94 4.3.2 M-Learning: Laboratorios Docentes __________________________________ 96 4.3.3 Mantenimiento de Sistemas Mecánicos________________________________ 98 4.3.4 Inspección de una Instalación ______________________________________ 101 4.3.5 Seguridad en Obra _______________________________________________ 103 4.4 Descripción general de los subsistemas básicos de una plataforma de Realidad
Aumentada Móvil _________________________________________________ 105 4.4.1 Análisis de Arquitecturas de Realidad Aumentada ______________________ 105 4.4.2 Selección de los Subsistemas Básicos ________________________________ 107 4.4.3 Subsistema de Posicionamiento_____________________________________ 110 4.4.4 Subsistema de Interacción _________________________________________ 113 4.4.5 Subsistema de Visualización 3D ____________________________________ 115 4.4.6 Subsistema de Presentación Multimedia ______________________________ 117 4.4.7 Subsistema de Información de Contexto ______________________________ 121 4.4.8 Subsistema de Gestión de la Información _____________________________ 123 4.4.9 Subsistema de Transferencia de Información __________________________ 126 CAPÍTULO 5 IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO DE
PLATAFORMA DE REALIDAD AUMENTADA MOVIL PARA EL DESARROLLO DE ASISTENTES
PERSONALES MÓVILES _____________________________ 129
5.1 El concepto de Asistente Personal Móvil _______________________________ 130 5.1.1 Evolución tecnológica ____________________________________________ 131 5.1.2 Requisitos de usuario_____________________________________________ 131 5.2 La Plataforma RASMAP ___________________________________________ 133 5.2.1 Arquitectura RASMAP ___________________________________________ 134 5.2.2 Componentes Hardware___________________________________________ 137 5.2.3 Componentes Software ___________________________________________ 146 CAPÍTULO 6 ASISTENTES PERSONALES MÓVILES: TEST Y
RESULTADOS DE USO_______________________________ 161
6.1 Introducción ______________________________________________________ 162 6.2 Diagnóstico del estado de conservación de un Centro Histórico (Labraza) ___ 163 6.2.1 Descripción general ______________________________________________ 163 6.2.2 Procedimiento de diagnóstico ______________________________________ 164 6.2.3 Herramienta de Diagnóstico Asistido ________________________________ 167 6.2.4 Pruebas de test __________________________________________________ 172 6.2.5 Conclusiones ___________________________________________________ 174 6.3 Estudio del impacto visual de inserción de volúmenes en un Centro Histórico
(Segovia) _________________________________________________________ 174 6.3.1 Descripción general ______________________________________________ 174 6.3.2 Herramienta de Estudio de Impacto Visual ____________________________ 176 6.3.3 Pruebas de test __________________________________________________ 181 6.3.4 Conclusiones ___________________________________________________ 186
7.1 Principales Conclusiones ____________________________________________ 188 7.2 Líneas Futuras ____________________________________________________ 191
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1-1 Esquema de continuidad de Milgram _________________________________________14 Figura 1-2 Diagrama conceptual de un sistema de realidad aumentada _______________________15 Figura 1-3 Prototipo de dispositivo de realidad aumentada _________________________________16 Figura 1-4 Ámbito de la investigación __________________________________________________17 Figura 1-5 Modelo de investigación científica de Stokes [23]________________________________20 Figura 2-1 Touring Machine _________________________________________________________26 Figura 2-2 Proyecto ARCHEOGUIDE _________________________________________________27 Figura 2-3 Realidad aumentada sobre PDA - SignPost ____________________________________28 Figura 2-4 The Invisible Train ________________________________________________________29 Figura 2-5 Funcionamiento del sistema AR-Phone ________________________________________30 Figura 2-6 Guiado en museos sobre teléfonos móviles _____________________________________30 Figura 2-7 Metro París, Layar, Wikitude y Sixth Sense_____________________________________32 Figura 2-8 TabletPC, Netbook y UMPC ________________________________________________35 Figura 2-9 PDA Dell Axim, iPhone 3GS y HTC HD _______________________________________36 Figura 2-10 PSP y Nintendo DSi ______________________________________________________37 Figura 2-11 iPod Touch y Zune _______________________________________________________37 Figura 2-12 Ejemplos de dispositivos HMD comerciales ____________________________________40 Figura 2-13 Dispositivos basado en tecnología LCD y AMLCD_______________________________41 Figura 2-14 Dispositivos basado en tecnología LCOS ______________________________________41 Figura 2-15 eMagin Microviewer+PC Kit _______________________________________________42 Figura 2-16 LITEYE LE-450 __________________________________________________________43 Figura 2-17 Data Glass 3/A de Shimadzu ________________________________________________43 Figura 2-18 Liteye LE-750A __________________________________________________________44 Figura 2-19 LUMUS PD-20 Series _____________________________________________________44 Figura 2-20 Carl Zeiss HMD__________________________________________________________44 Figura 2-21 MINOLTA Wearable Display________________________________________________45 Figura 2-22 SV-6 PC Viewer + Axim X50v _______________________________________________45 Figura 2-23 Vuzix Tac-Eye LT _________________________________________________________45 Figura 2-24 Trivisio Monocular M3 ____________________________________________________46 Figura 2-25 Flock of Birds____________________________________________________________49 Figura 2-26 Inertial Cube de Intersense _________________________________________________50 Figura 2-27 smARTrack1 de ARTracking ________________________________________________51 Figura 3-1 Modelo Task-Technology Fit [28] ____________________________________________78 Figura 4-1 Subsistemas asociados al escenario de patrimonio histórico _______________________94 Figura 4-2 Subsistemas asociados al escenario de m-learning _______________________________96 Figura 4-3 Subsistemas asociados al escenario de mantenimiento de sistemas mecánicos _________99 Figura 4-4 Subsistemas asociados al escenario de inspección de una instalación _______________101 Figura 4-5 Subsistemas asociados al escenario de seguridad en obra ________________________103 Figura 4-6 Subsistema de Posicionamiento _____________________________________________112 Figura 4-7 Subsistema de Interacción _________________________________________________115 Figura 4-8 Subsistema de Visualización 3D ____________________________________________117 Figura 4-9 Subsistema de Presentación Multimedia ______________________________________121 Figura 4-10 Subsistema de Información de Contexto ______________________________________123 Figura 4-11 Subsistema de Gestión de la Información _____________________________________125 Figura 4-12 Subsistema Transferencia de Información_____________________________________128 Figura 5-1 Arquitectura RASMAP ____________________________________________________135 Figura 5-2 Subsistemas de la arquitectura RASMAP _____________________________________136 Figura 5-3 Arquitectura de la versión PDA del prototipo __________________________________138 Figura 5-4 Prototipo 1: Dispositivos HW de la unidad móvil y Marcador BCH_________________138 Figura 5-5 Arquitectura de la versión UMPC del prototipo ________________________________143 Figura 5-6 UMPC y GPS utilizados en la segunda versión del prototipo ______________________143 Figura 5-7 Estructura de los subsistemas para la versión PDA del prototipo __________________147 Figura 5-8 Componentes software del subsistema de posicionamiento________________________148 Figura 5-9 Componentes software del subsistema de interacción ____________________________148 Figura 5-10 Componentes software del subsistema de Visualización 3D _______________________150 Figura 5-11 Componentes software del subsistema de presentación multimedia _________________151 Figura 5-12 Componentes software del subsistema de información de contexto__________________151
Figura 5-13 Componentes software del subsistema de gestión de información___________________152 Figura 5-14 Componentes software del subsistema de transferencia de información______________153 Figura 5-15 Estructura de los Subsistemas para la versión UMPC del prototipo_________________154 Figura 5-16 Componentes software del subsistema de posicionamiento________________________155 Figura 5-17 Componentes software del subsistema de interacción ____________________________156 Figura 5-18 Componentes software del subsistema de visualización 3D _______________________157 Figura 5-19 Componentes software del subsistema de presentación multimedia _________________157 Figura 5-20 Componentes software del subsistema de información de contexto__________________158 Figura 5-21 Componentes software del subsistema de gestión de la información ________________159 Figura 5-22 Componentes software del subsistema de transferencia de información______________160 Figura 6-1 Usuario del primer prototipo de Asistente Personal Móvil en Labraza ______________163 Figura 6-2 Reproducción de contenidos multimedia en la Herramienta de Diagnóstico Asistido ___169 Figura 6-3 Anotación de contenidos multimedia _________________________________________169 Figura 6-4 Biblioteca de modelos 3D interactivos con diferentes tipos de bóvedas ______________170 Figura 6-5 Modelos 3D interactivos con información de accesibilidad de elementos de espacios
públicos _______________________________________________________________170 Figura 6-6 Realidad aumentada para el diagnóstico de la accesibilidad ______________________171 Figura 6-7 Asistencia de un experto remoto ____________________________________________172 Figura 6-8 Ejercicio participativo para el análisis del impacto visual de inserción de volúmenes en un
paisaje histórico urbano __________________________________________________175 Figura 6-9 Estructura del tejado del Teatro Cervantes de Segovia___________________________176 Figura 6-10 Alternativas propuestas en formato CAD _____________________________________177 Figura 6-11 Modelos 3D de las alternativas presentadas ___________________________________178 Figura 6-12 Alternativa de cubierta del Teatro Cervantes sobre la Segovia en Google Earth _______178 Figura 6-13 Usuario con el Asistente Personal Móvil y vista aumentada de Segovia______________179 Figura 6-14 Portada Foro Virtual _____________________________________________________180 Figura 6-15 Pantalla de la pestaña de GeoVisualización3D con contenidos multimedia relativos al
Teatro Cervantes ________________________________________________________181 Figura 6-16 Localizaciones elegidas sobre la ortofoto de Segovia en Google Earth ______________183 Figura 6-17 Visualización de los contenidos multimedia georeferenciados _____________________184 Figura 6-18 Fotografías aumentadas desde diferentes localizaciones _________________________184
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2-1 Comparativa de los dispositivos de procesamiento ______________________________ 38
Tabla 2-2 Ventajas de las tecnologías optical y video see-through __________________________ 40 Tabla 3-1 Funcionalidades tecnológicas asociadas a actividades de salvaguardia del patrimonio _ 70 Tabla 3-2 Actividad 1: Diseñar un programa de conservación y mantenimiento de los edificios
históricos ______________________________________________________________ 80
Tabla 3-3 Actividad 2: Inventariado y catalogación _____________________________________ 81
Tabla 3-4 Actividad 3: Protocolo de intervención _______________________________________ 82
Tabla 3-5 Actividad 4: Coordinación entre agentes______________________________________ 83
Tabla 3-6 Actividad 5: Normativa ___________________________________________________ 84
Tabla 3-7 Actividad 6: Educación, formación y difusión __________________________________ 84
Tabla 3-8 Actividad 7: Incentivos y sanciones __________________________________________ 85
Tabla 4-1 Subsistemas básicos de una plataforma de realidad aumentada móvil ______________ 108
Tabla 4-2 Subsistema de posicionamiento ____________________________________________ 110
Tabla 4-3 Subsistema de interacción ________________________________________________ 113
Tabla 4-4 Subsistema de visualización 3D ____________________________________________ 115
Tabla 4-5 Subsistema de presentación multimedia _____________________________________ 117
Tabla 4-6 Subsistema de información de contexto ______________________________________ 121
Tabla 4-7 Subsistema de gestión de la información _____________________________________ 123
Tabla 4-8 Subsistema de transferencia de información __________________________________ 126
Tabla 5-1 Requisitos identificados en la definición de escenarios __________________________ 132 Tabla 5-2 Relación entre requisitos y características del Asistente Personal Móvil ____________ 133 Tabla 5-3 Relación entre los componentes HW y los subsistemas de la primera versión del
prototipo______________________________________________________________ 142 Tabla 5-4 Relación entre los componentes HW y los subsistemas de la segunda versión del
prototipo______________________________________________________________ 146
ACRÓNIMOS Y ABREVIATURAS
API: Application Programming Interface CAD: Computer Aided Design
DLP: Digital Light Processing DOF: Degrees Of Freedom FOV: Field Of View FTP: File Transfer Protocol
GIS: Geographic Information System GPS: Global Positioning System GUI: Graphical User Interface HTTP: Hypertext Transfer Protocol HW: Hardware
IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers KML: Keyhole Markup Language
LCD: Liquid Crystal Display LOD: Level Of Detail
MIT: Massachusetts Institute of Technology PC: Personal Computer
PCMCIA: Personal Computer Memory Card International Association PDA: Personal Digital Assistant
PIB: Producto Interior Bruto RAM: Random Access Memory RFID: Radio Frequency Identification RGB: Red Green Blue
SD: Secure Digital
SDK: Software Development Kit SVGA: Super Video Graphics Array SW: Software
TIC: Tecnologías de la Información y la Comunicación UMPC: Ultra Mobile PC
UMTS: Universal Mobile Telecommunications System
UNESCO: United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization USB: Universal Serial Bus
UWB: Ultra Wide Band VGA: Video Graphics Array
VRML: Virtual Reality Modeling Language
WiMax: Worldwide Interoperability for Microwave Access WSB: Wireless Serial Bus
X3D: Extensible 3D Graphics XML: Extensible Markup Language
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN
Este capítulo presenta la introducción y puesta en contexto de la investigación que se detalla en los siguientes capítulos.
En este capítulo se describe en primer lugar una breve introducción sobre la tecnología de realidad aumentada. A continuación se presenta el ámbito de la tesis, la motivación para llevar a cabo esta investigación y un resumen de las principales contribuciones. Posteriormente se describe la metodología de investigación llevada a cabo. El capítulo concluye con un breve resumen de la organización del documento.
Realidad Aumentada Móvil Patrimonio Histórico Construido Realidad Aumentada Móvil Patrimonio Histórico Construido Patrimonio Histórico Construido
ÍNDICE DEL CAPÍTULO:
1.1 La Tecnología de Realidad Aumentada 1.2 Descripción General de la Tesis
1.2.1 Ámbito de la investigación 1.2.2 Motivación
1.2.3 Principales contribuciones 1.3 Metodología de investigación 1.4 Estructura del Documento
1.1 La Tecnología de Realidad Aumentada
Aunque los comienzos de la realidad aumentada arrancan en los años 60, no fue hasta la década de los 90 cuando se pudo considerar la realidad aumentada como un campo de investigación. Para definir el concepto de realidad aumentada resulta habitual recurrir al esquema de continuidad de Milgram (Figura 1-1). Este esquema representa la continuidad entre la realidad y la virtualidad y define el concepto de realidad mixta como el espacio de esta continuidad que cubre la combinación de la información real y virtual. En medio de esta línea de continuidad entre los entornos completamente reales y los completamente virtuales se encuentran la realidad aumentada y la virtualidad aumentada [1]. Entorno real Entorno virtual Realidad Mixta Realidad Aumentada Virtualidad Aumentada
Figura 1-1 Esquema de continuidad de Milgram
Otro de los autores que es considerado como “padre” de esta tecnología es Azuma. Éste presenta la realidad aumentada como una variación de la realidad virtual. En la realidad virtual, el usuario se sumerge en un mundo totalmente virtual, sin tener contacto con el mundo real que le rodea. Sin embargo, la realidad aumentada permite que el usuario vea el mundo real aumentado con información adicional generada por un ordenador. Este aumento consiste en objetos virtuales que se añaden al entorno o en información no geométrica sobre los objetos reales existentes. Idealmente, el usuario percibe que los objetos reales y virtuales coexisten en el mismo espacio. Los sistemas de realidad aumentada combinan lo real y lo virtual, son interactivos en tiempo real y presentan objetos tridimensionales correctamente registrados respecto a la información real [2]. La realidad aumentada aumenta la percepción del usuario del mundo real y la interacción con él, proporcionando información que el usuario no puede detectar directamente por sus sentidos. Para conseguir esta percepción e interacción, el usuario debe utilizar dispositivos adicionales que permitan añadir información virtual a la información del mundo real percibida por el usuario.
La siguiente figura (Figura 1-2) muestra un diagrama conceptual de un sistema de realidad aumentada. La videocámara captura la información del mundo real. El sistema de posicionamiento determina la ubicación y orientación del usuario en cada momento. Con esta información se genera la escena virtual y se mezcla con la información del mundo real capturada por la cámara. La escena aumentada se presenta al usuario a través de un dispositivo de visualización. El esquema presentado corresponde a un sistema de realidad aumentada donde la imagen real y la virtual se mezclan generando una nueva señal de vídeo. Este tipo de sistemas de realidad aumentada se conocen como video-through. También existen sistemas en los cuales ambas imágenes se mezclan en el cerebro del usuario, recibiendo solamente la imagen virtual a través del dispositivo de visualización. En este caso se denominan see-through. Hay un tercer tipo en el que la escena virtual se proyecta sobre el entorno real combinándose ambas en la propia escena real. Estos sistemas se conocen como basados en proyección.
Figura 1-2 Diagrama conceptual de un sistema de realidad aumentada
La realidad aumentada es actualmente una tecnología de investigación de alto potencial por su aplicabilidad a un amplio número de sectores de la sociedad [3][4]. A lo largo de los últimos años es creciente el interés y los resultados alcanzados en las tecnologías de realidad aumentada sobre entorno PC. Se han desarrollado varias plataformas con diferentes arquitecturas, sirva como ejemplo AMIRE [5] ARVIKA [6], StudierStube[7], DWARF[8], DART[9], entre otras. Sobre estas y otras plataformas se han realizado aplicaciones experimentales en entornos muy diversos, sirvan como ejemplo los siguientes: para la industria aeroespacial y del automóvil [10], medicina [11], marketing y publicidad [12], turismo [13], arquitectura y construcción [14], educación [15] y mantenimiento y ayuda a la operación en entornos industriales [6]. Estas aplicaciones se están extendiendo cada vez más, aproximándose a la sociedad y dando a conocer la tecnología y sus diferentes aplicaciones.
Además del desarrollo de nuevas plataformas software, la aplicación de esta tecnología requiere del desarrollo de dispositivos hardware que permitan al usuario la visualización e interacción con aplicaciones basadas en esta tecnología. La introducción en el mercado de estas aplicaciones y dispositivos ha llegado desde el ocio y el turismo. El primer dispositivo de realidad aumentada de uso masivo fue el eye-toy de Sony [16]. A través de una cámara incorporada a la PlayStation el usuario se convierte en protagonista del juego al que está jugando. La propia cámara captura la imagen del jugador y la interacción con el juego se hace a través de los movimientos del usuario. El éxito de esta aplicación ha sido relativo, siendo su principal defecto la escasa variedad de juegos capaces de explotar lo que ofrece este dispositivo.
En otro ámbito, los dispositivos de visualización panorámica tradicionales se han colocado durante años en los miradores con vistas interesantes. Estos dispositivos no se han explotado como reclamo turístico porque el valor añadido que ofrecen no es más que poder acercar los objetos que se observan alejados. Hoy en día esta funcionalidad se consigue con unos prismáticos de bolsillo. La realidad aumentada permite extender el concepto del visor panorámico al dispositivo de interpretación, el cual con una apariencia similar incorpora los elementos necesarios para convertirlo en un dispositivo de realidad aumentada. Este tipo de dispositivos permiten visualizar la información real de los visores panorámicos, aumentada con información digital que complementa la información real. Hay varios prototipos de dispositivos con esta filosofía próximos a su
comercialización [17][18][13]. La siguiente figura (Figura 1-3) muestra un prototipo de estos dispositivos de visualización panorámica aumentada.
Figura 1-3 Prototipo de dispositivo de realidad aumentada
Recientemente el parque temático Futuroscope ha inaugurado una nueva atracción, “Los animales del futuro”, la primera que utiliza tecnologías de realidad aumentada [19]. El visitante dispone de unos prismáticos que integran una cámara, además se debe equipar al usuario con un sensor de posición que se coloca en la muñeca. La atracción lleva al usuario a través de decorados reales, con la ayuda de los prismáticos el decorado se completa con animales virtuales animados. El usuario puede además interactuar con los objetos virtuales, dándoles de comer, jugando con ellos, o iluminando el entorno aumentado. El sistema presenta pocos avances tecnológicos frente al estado del arte de la tecnología pero supone un gran avance en la industrialización de la realidad aumentada.
Existen numerosos entornos de aplicación de las tecnologías de realidad aumentada que requieren movilidad de los usuarios y necesidades de acceso a la información en cualquier momento y en cualquier lugar. En estos casos se hace necesario el uso de dispositivos móviles y el desarrollo de aplicaciones para su funcionamiento utilizando dichos dispositivo. Hablamos entonces de realidad aumentada móvil. Este escenario ofrece retos y dificultades añadidas a las que presenta la realidad aumentada sobre entorno PC. El rápido avance de las tecnologías y la miniaturización de los componentes electrónicos presentan un futuro prometedor de esta tecnología y hacen que lo que hoy parece utópico pronto sea una realidad. Éste es el ámbito tecnológico de esta tesis, el estado del arte detallado de la tecnología y los sistemas de realidad aumentada móvil se presentan en el siguiente capítulo (CAPÍTULO 2).
1.2 Descripción General de la Tesis
1.2.1 Ámbito de la investigaciónEl objetivo de esta investigación es analizar la viabilidad tecnológica y la conveniencia desde el punto de vista práctico, de la utilización de las tecnologías de realidad aumentada móvil, para algunas de las tareas de los profesionales de la gestión y conservación del patrimonio histórico.
El ámbito de la investigación presentada en esta tesis resulta de la intersección de la aproximación tecnológica y del sector de aplicación. Desde el punto de vista tecnológico, la investigación se centra en la tecnología de realidad aumentada móvil. Desde el punto de vista de la aplicación de la tecnología, el sector de aplicación objetivo de esta investigación es el subsector del patrimonio histórico construido englobado dentro del macrosector de la construcción. La siguiente figura (Figura 1-4) muestra de forma gráfica el ámbito de la investigación llevada a cabo en esta tesis.
CONSTRUCCIÓN REALIDAD AUMENTADA Realidad Aumentada Móvil Patrimonio Histórico Construido CONSTRUCCIÓN REALIDAD AUMENTADA Realidad Aumentada Móvil Patrimonio Histórico Construido Patrimonio Histórico Construido
Figura 1-4 Ámbito de la investigación
La realidad aumentada es una tecnología que se ha demostrado con elevado potencial de aplicación y que se está introduciendo lentamente en la vida cotidiana, principalmente a través de aplicaciones de ocio (televisión, video-juegos, etc.). Los límites de esta tecnología se ponen a prueba introduciendo el concepto de movilidad. La proliferación y venta masiva de dispositivos móviles de alta gama ofrecen un marco ideal para el desarrollo de nuevas aplicaciones. Se trata de una tecnología que requiere altas prestaciones de procesado y especialmente en el aspecto de visualización gráfica. En el año 2007, la realidad aumentada móvil se presenta en la revisión tecnológica del MIT como una de las tecnologías emergentes [20], durante el año 2009 se ha revelado como una de las tecnologías más populares a través de sencillas aplicaciones basadas en la localización GPS, una cámara y un dispositivo de reducidas dimensiones pero importante capacidad de procesado y sobre todo con pantallas de alta resolución (principalmente iPhone y smartphones basados en Android).
El sector de la construcción es estratégicamente importante para Europa ya que ofrece los edificios y las infraestructuras de las que todas las demás industrias y organismos
públicos dependen. El sector emplea en España a más personas que cualquier otro sector industrial, en torno a 2 millones de trabajadores a finales del año 2008. El valor añadido bruto del sector representaba en 2008 más del 10% del PIB nominal español [21]. Estas son algunas cifras que reflejan el potencial del sector en la economía. En el marco actual de crisis general en el que el principal afectado es la industria de la construcción, este sector debe sufrir una importante reconversión en sus fundamentos productivos. En este aspecto uno de los motores de la reestructuración del sector debe ser el aumento de la competitividad de las empresas. El desarrollo de nuevas herramientas y la introducción de nuevas tecnologías pueden representar un elemento clave para mejorar la productividad. En esta línea apuntan los principales programas de investigación del sector tanto a nivel europeo como nacional. Al mismo tiempo, es previsible un importante impulso a las actividades de rehabilitación y conservación de edificios frente a la edificación nueva, en un futuro próximo. En este escenario aparece un importante reto en la identificación de herramientas y tecnologías que tengan un impacto directo en la gestión, conservación y restauración del patrimonio histórico construido.
La realidad aumentada no es una tecnología nueva para el sector del patrimonio histórico. Esta tecnología se está introduciendo en el sector a través de las actividades de difusión, donde parece demostrada su aplicación como herramienta de presentación de información dinámica y atractiva al usuario. Sin embargo, hay otras muchas actividades y responsabilidades de los profesionales del patrimonio para las cuales la utilización de estas tecnologías puede ofrecer un importante valor añadido en sus tareas. Este es el ámbito de esta tesis, poniendo especial énfasis en el requisito de movilidad para que la tecnología pueda aplicarse a aquellas actividades que requieren de la movilidad de usuario.
1.2.2 Motivación
Las tecnologías de realidad aumentada han experimentado un alto grado de desarrollo en entornos fijos durante los últimos años. Aunque quedan aún problemas tecnológicos por resolver, la introducción de estas tecnologías en la vida cotidiana de la sociedad es ahora una tarea de búsqueda de sistemas y herramientas, que haciendo uso de estas tecnologías, ofrezcan soluciones de apoyo a los usuarios en sus actividades diarias. Los dispositivos móviles están transformando de una manera favorable muchas de nuestras actividades diarias, incluyendo el proceso y los hábitos de comportamiento. Estos dispositivos tienen un coste y tamaño cada vez más reducidos, mayores capacidades para el uso de contenidos multimedia y una amplia gama de conectividad inalámbrica. Hoy en día, no resulta extraño el empleo de teléfonos móviles o PDAs para hacer una fotografía, enviar un e-mail o tomar notas en una reunión.
La realidad aumentada no aparece ajena a esta evolución. Los dispositivos móviles ofrecen la plataforma ideal para la introducción de la tecnología de forma masiva en la sociedad, pero al mismo tiempo presentan limitaciones tecnológicas que requieren de soluciones específicas para las características de dichos dispositivos. Identificar y definir claramente los módulos que componen un sistema de realidad aumentada móvil y recurrir a arquitecturas distribuidas que implementen cada uno de los módulos de forma óptima, parece un enfoque adecuado para ofrecer al usuario soluciones basadas en estas tecnologías.
Por otra parte, es sabido que el sector de la construcción es un sector muy conservador, pero a la vez es el mayor sector productivo y el que emplea a un mayor número de personas. La introducción de nuevas tecnologías en el sector puede favorecer la
competitividad, a través de un incremento de la productividad. La construcción no es solamente obra nueva, sino también y cada vez más, es rehabilitación de edificios. Estos edificios pueden tener, por si solos, su valor histórico o pertenecer a un conjunto histórico. En este contexto, cualquier intervención que tenga lugar en un entorno histórico debe ser cuidadosamente gestionada. Las intervenciones en el patrimonio se basan en unas actividades previas delicadas y de gran importancia (diagnóstico, preevaluaciones, selección de alternativas, etc.). Son tareas en las que entre otras características cabe destacar las siguientes:
- Intervienen equipos multidisciplinares
- No existe una estandarización de los procedimientos - Requiere mucho trabajo de campo
- Se generan grandes cantidades de información
Ante esta situación los sistemas basados en tecnologías de realidad aumentada móvil parecen representar una solución adecuada para el apoyo a los usuarios responsables de estas actividades a la hora de llevar a cabo sus tareas cotidianas.
El objetivo de esta investigación es avanzar en el conocimiento de la tecnología para el desarrollo de sistemas que ofrezcan novedosas posibilidades para el acercamiento de la información a la sociedad. Para alcanzar este objetivo resulta necesario abordar una serie de retos tecnológicos e identificar la adecuación de la tecnología para las actividades del sector de aplicación.
1.2.3 Principales contribuciones
Se enumeran a continuación las principales contribuciones del trabajo realizado en esta investigación:
1. Introducción del concepto Asistente Personal Móvil, en inglés Wearable Personal Assistant. Este concepto hace referencia a una herramienta innovadora basada en tecnologías de realidad aumentada, dispositivos móviles e infraestructuras de comunicación, que proporciona soporte a los usuarios en sus necesidades de información para el desarrollo de actividades cotidianas.
2. Identificación del potencial de aplicación de las tecnologías de realidad aumentada móvil para las actividades de los profesionales del patrimonio histórico. Esta identificación se realiza mediante el análisis de la viabilidad tecnológica y la conveniencia, desde el punto de vista práctico, de utilización de las tecnologías de realidad aumentada móvil para algunas de las tareas de los profesionales de la gestión y conservación del patrimonio histórico.
3. Identificación metodológica de los subsistemas básicos que se requieren para el desarrollo de las funcionalidades de un Asistente Personal Móvil. Esta identificación se ha realizado mediante la combinación de un análisis exhaustivo y sistemático de escenarios de aplicación de tecnologías de realidad aumentada móvil a diferentes sectores (patrimonio histórico, construcción, e-learning y mantenimiento industrial), y los resultados propuestos por un modelo de referencia basado en el análisis de diferentes desarrollos previos de plataformas de realidad aumentada.
4. Definición de la arquitectura RASMAP [22] e implementación de dos versiones de un prototipo de plataforma para el desarrollo de Asistentes Personales
Móviles. La arquitectura RASMAP está compuesta de los subsistemas identificados previamente. Las dos versiones del prototipo de plataforma se basan en la arquitectura RASMAP y describen los componentes tanto hardware como software necesarios para su implementación.
5. Prueba de concepto mediante el desarrollo de dos casos de test de los Asistentes Personales Móviles. La prueba ha sido desarrollada en el sector del patrimonio histórico y su utilización en la actividad de dos tareas cotidianas de los profesionales del sector. La primera es una herramienta de diagnóstico asistido y la segunda una herramienta de estudio de impacto visual.
1.3 Metodología de investigación
Para lograr los objetivos de la investigación previamente expuestos en el apartado anterior se ha realizado un desarrollo metodológico dividido en varias tareas. La metodología de trabajo llevada a cabo en esta investigación resulta de una combinación de tareas analíticas, de diseño, de desarrollo y de evaluación. Todas ellas se han realizado bajo el marco de teorías o modelos desarrollados y validados fuera de esta investigación. A continuación se presenta el tipo de investigación llevada a cabo en esta tesis, dentro de un modelo de investigación científica y una descripción de los principales pasos llevados a cabo dentro de ella.
La investigación llevada a cabo en esta tesis es de tipo “investigación básica basada en las necesidades sectoriales”. Desde una aproximación sectorial, resulta habitual plantearse la dificultad de realizar trabajos de investigación tecnológica con el suficiente reconocimiento de los mismos. El proceso de investigación de una nueva tecnología tiende a representarse como un camino lineal que empieza en la investigación pura y acaba en la investigación aplicada. En este enfoque se argumenta que la investigación de buena calidad es solamente posible en entornos libres de las consideraciones de los potenciales usos a los cuales los resultados pueden ser aplicados. Frente a este argumento Strokes [23] defiende que la investigación científica no debe ser conceptualizada como un proceso lineal, sino más bien que, las consideraciones de uso y el grado de comprensión fundamental buscado, representan diferentes medidas frente a las cuales cualquier propuesta de investigación podría ser evaluada [24]. Basado en este argumento Strokes presenta su modelo de investigación científica basado en cuatro cuadrantes (ver Figura 1-5 ).
Low High
Yes Pure Basic Research
(Bohr) Use-Inspired Basic Research (Pasteur) No ---- Pure Applied Research (Edison) Quest for Fundamental Understanding Considerations of Use
Figura 1-5 Modelo de investigación científica de Stokes [23]
Dentro de este modelo de investigación el cuarto cuadrante hace referencia a la investigación básica inspirada en las necesidades de los usuarios, en ella convergen las necesidades de comprensión fundamental y las consideraciones de uso. La investigación
llevada a cabo en este cuadrante no puede ser considerada como investigación básica ni tampoco como investigación aplicada, sino como una mezcla de ambas. Es en este cuadrante donde se enmarca el trabajo de investigación tecnológica desarrollado en esta tesis.
Aunque habitualmente la investigación que se localiza en el primer cuadrante es la que recibe mayor prestigio, es dudoso que las actividades adquiridas a través de la investigación pura tengan realmente impacto en las prioridades de la sociedad así como en el comportamiento y las carreras de los investigadores profesionales [24].
El principal instrumento de financiación para la sostenibilidad de la investigación en Europa viene establecida por las políticas de financiación pública de la investigación establecidas en los programas marco de la Unión Europea. Estos programas junto con los programas nacionales de cada uno de los estados miembros son los encargados de estimular y establecer las direcciones de la investigación que se lleva a cabo en Europa [25]. En este sentido existe una tendencia clara hacia el apoyo de la investigación sectorial, así como a la búsqueda de soluciones y productos innovadores con alto y rápido impacto en la industria europea [26]. Esto solamente es posible cuando la investigación se realiza desde las necesidades del sector. En este sentido, en el ámbito del patrimonio cultural, dentro de la temática de tecnologías TIC del 7º Programa Marco, uno de los retos son las librerías digitales (Digital Libraries), un ejemplo claro de la investigación basada en los requisitos del sector. En la misma línea, la apuesta por las Plataformas Tecnológicas Europeas en general, y de la Plataforma Tecnológica Europea de la Construcción (ECTP) [27] en particular, demuestra la necesidad de una aproximación sectorial a las estrategias de investigación tecnológica.
En el proceso de investigación llevado a cabo en esta tesis se han seguido una serie de pasos y se han aplicado una serie de metodologías, todas ellas encaminadas a cumplir los objetivos de la investigación planteada. Los principales pasos seguidos son:
¾ El primer paso de esta investigación es la aproximación sectorial para la identificación de la viabilidad tecnológica y la conveniencia desde el punto de vista práctico, de utilización de las tecnologías de realidad aumentada móvil para algunas de las tareas de los profesionales de la gestión y conservación del patrimonio histórico. Esta identificación se realiza basada en el modelo Task-Technology Fit (TTF) [28], que sostiene que una tecnología es más probable que tenga un impacto positivo en el rendimiento individual y que sea utilizada si las funcionalidades de la tecnología se ajustan a las tareas que el usuario debe realizar.
¾ Para la identificación y definición de los subsistemas básicos de una plataforma de realidad aumentada móvil se sigue un proceso de análisis detallado y sistemático basado en una aproximación combinada. En primer lugar esta aproximación se orienta hacia la identificación de requisitos y necesidades desde el punto de vista del usuario, con un enfoque multisectorial. Por otra parte, se combina con la identificación de los principales subsistemas de algunas de las plataformas de realidad aumentada desarrolladas para entorno PC. Esta combinación permite que los resultados presenten un equilibrio entre las necesidades de uso reales y las generalidades de diseño del sistema.
¾ La hipótesis de partida planteada en esta investigación es la validez de la utilización de las tecnologías de realidad aumentada móvil como herramienta de ayuda y soporte a algunas de las tareas de los profesionales del patrimonio histórico. Con objeto de probar la hipótesis establecida se presenta en esta investigación el concepto de Asistente Personal Móvil, que hace referencia una herramienta basada
en tecnologías de realidad aumentada y con funcionalidades de movilidad, que ayuda al usuario en el desarrollo de sus actividades cotidianas. La prueba de validez de este concepto se realiza mediante el diseño, implementación y pruebas de uso de dos prototipos de Asistentes Personales Móviles para actividades de gestión y conservación del patrimonio histórico construido.
1.4 Estructura del Documento
Este documento presenta los detalles y resultados de la investigación llevada a cabo en esta tesis. El documento se organiza en 7 capítulos, cada uno de ellos presenta una estructura propia en función del tipo de información decrita. Todos los capítulos comienzan con un breve resumen del contenido del capítulo, una imagen representativa y un índice de contenidos del mismo. La estructura del documento presenta los pasos seguidos en la investigación. Desde la presentación del estado del arte de la tecnología y la hipótesis de partida a partir de la identificación de los requisitos y necesidades del usuario hasta los test de prueba de los prototipos desarrollados, pasando por el diseño y desarrollo del concepto de Asistente Personal Móvil desarrollado en esta investigación. El primero de los capítulos del documento (CAPÍTULO 1) describe la introducción tecnológica a la tesis, el ámbito, la motivación, un resumen de las principales contribuciones y la metodología de investigación. Este capítulo representa la introducción y puesta en contexto de la investigación que se detalla en los siguientes capítulos.
El siguiente capítulo (CAPÍTULO 2) describe el estado del arte de la realidad aumentada, particularizada a los entornos y situaciones que requieren movilidad del usuario. El estado del arte incluye una breve historia de la tecnología de realidad aumentada móvil y una revisión de los dispositivos y tecnologías que facilitan el desarrollo de sistemas y aplicaciones de realidad aumentada móvil.
A continuación (CAPÍTULO 3) se identifica el potencial de aplicación de las tecnologías de realidad aumentada móvil para las actividades de los profesionales del patrimonio. Centrando el análisis sobre las actividades de los gestores del centro histórico de una ciudad o municipio, se presentan las potenciales funcionalidades y aplicaciones de las tecnologías de realidad aumentada móvil a las tareas de estos gestores.
En el CAPÍTULO 4 se identifican y describen los subsistemas básicos de una plataforma de realidad aumentada móvil. Una plataforma de realidad aumentada móvil es un sistema informático compuesto por subsistemas que tienen componentes hardware y software. En primer lugar se realiza la identificación de los subsistemas para posteriormente proceder a su descripción detallada.
El CAPÍTULO 5 describe el concepto de Asistente Personal Móvil y la implementación de dos versiones de un prototipo de plataforma basada en la arquitectura RASMAP, para el desarrollo de Asistentes Personales Móviles.
El CAPÍTULO 6 documenta los resultados de implementación y test de prueba de dos prototipos de Asistentes Personales Móviles para actividades de los profesionales de la gestión de un centro histórico. Estas pruebas permiten demostrar la validez del concepto de Asistente Personal Móvil presentado en esta tesis, para el apoyo a algunas de las actividades cotidianas de los profesionales del patrimonio.
El CAPÍTULO 7 presenta las principales conclusiones extraídas de la investigación descrita en este documento, así como las líneas futuras de continuación del trabajo realizado, tanto en el ámbito de la tecnología de realidad aumentada móvil como en los sectores de aplicación de la misma.
El documento concluye con una extensa lista de referencias bibliográficas (libros, documentos, artículos y páginas web) que reflejan las fuentes de información consultadas durante la realización de la investigación y que proporcionan una importante fuente de recursos para conocer en mayor detalle algunos aspectos expuestos en esta tesis.
CAPÍTULO 2 ESTADO DEL ARTE DE LA REALIDAD
AUMENTADA MOVIL
Este capítulo 2 presenta el estado del arte de la realidad aumentada, particularizada a los entornos y situaciones que requieren movilidad del usuario. La realidad aumentada móvil representa un campo de la realidad aumentada con alto potencial, a la vez que características y retos particulares.
En este capítulo se describe, inicialmente una breve historia de la realidad aumentada móvil desde sus orígenes hasta la actualidad, haciendo hincapié en los principales hitos históricos. También se presentan las principales tecnologías que se utilizan para el desarrollo de sistemas de realidad aumentada móvil y se analizan los principales dispositivos hardware y software existentes para el desarrollo de aplicaciones de realidad aumentada móvil.
ÍNDICE DEL CAPÍTULO:
2.1 Breve Historia de la Realidad Aumentada Móvil
2.2 Tecnologías para el Desarrollo de Sistemas de Realidad Aumentada Móvil 2.2.1 Dispositivos de procesamiento
2.2.2 Dispositivos de visualización
2.2.2.1 Dispositivos video see-through 2.2.2.2 Dispositivos optical see-through 2.2.2.3 Dispositivos monoculares
2.2.3 Dispositivos y tecnologías de posicionamiento 2.2.4 Software para sistemas de realidad aumentada móvil
2.2.4.1 Bajo Nivel 2.2.4.2 Alto Nivel
2.1 Breve Historia de la Realidad Aumentada Móvil
¾ Orígenes
Los orígenes de la realidad aumentada, entendida como la visualización de información digital mezclada con objetos reales, se remontan a finales de los años 60, cuando por primera vez se desarrolla un dispositivo see-through HMD (Head Mounted Display) con el seguimiento del movimiento del punto de vista del usuario a través de un sistema mecánico [29]. Sin embargo, aunque las películas y la literatura de ficción nos han mostrado de varias formas la superposición de información digital sobre la visión humana, no es hasta la década de los 90 cuando se empieza a hablar del concepto de realidad aumentada. La primera aplicación real se desarrolló en los laboratorios de Boeing superponiendo información digital sobre el entorno real para la ayuda en la fabricación de los mazos de cableado de los aviones [30]. El desarrollo de las tecnologías de base para las aplicaciones de realidad aumentada y la tendencia a la miniaturización de los componentes electrónicos permiten dar el salto a la movilidad en las tecnologías de realidad aumentada. El sistema Touring Machine desarrollado en la universidad de Columbia en 1996 es el primer prototipo de sistema de realidad aumentada móvil [31]. Este prototipo se desarrolló dentro del proyecto MARS (Mobile Augmented Reality Systems) [32]. El sistema proporciona ayuda al guiado de los visitantes por el campus universitario, superponiendo información digital sobre el entorno real. El proyecto, que fue desarrollado entre 1996 y 1999, representa uno de los principales hitos en la evolución de los sistemas de realidad aumentada móvil. Este sistema consistía en un PC portátil equipado con tarjeta aceleradora gráfica 3D. El PC iba colocado sobre la espalda del usuario. Además el usuario iba equipado con un receptor GPS para el posicionamiento absoluto, un sistema de tracking inercial para determinar la orientación de la cabeza y unas gafas de visualización tipo see-through HMD. La conexión de los diferentes componentes con el portátil se realizaba de forma cableada o mediante una conexión inalámbrica que incorporaba el sistema. La siguiente figura (Figura 2-1) muestra una imagen del primer prototipo de realidad aumentada móvil.
¾ Entorno PC Portátil
Un sistema similar se utilizó en el proyecto ARQuake [33], se trata de una versión en realidad aumentada móvil del popular juego de consola Quake. Esta implementación fue la primera aplicación desarrollada dentro del proyecto Tinmith [34] de la Universidad del Sur de Australia. La principal diferencia con respecto al sistema MARS está en que en este caso, para el posicionamiento se utilizaba GPS diferencial combinado con posicionamiento basado en visión con marcadores, de este modo se mejora sensiblemente la precisión de la localización respecto a los resultados obtenidos en MARS. Sin embargo esta aproximación tiene varios inconvenientes, por una parte los receptores de GPS diferencial son muy caros y no ampliamente disponibles. Además el posicionamiento óptico con marcadores requiere una configuración previa del entorno. Este tipo de posicionamiento es muy sensible a variaciones de luminosidad y el coste computacional era muy alto para las capacidades de procesamiento de los dispositivos móviles (portátiles) de la época. A lo largo del desarrollo del proyecto Tinmith se desarrollan varios prototipos basados en el mismo concepto [35][36].
¾ Patrimonio Histórico
El proyecto de referencia en el campo de la realidad aumentada aplicada al patrimonio histórico es ARCHEOGUIDE [37], fue financiado por la Unión Europea con objeto de explorar las posibilidades y limitaciones de estas tecnologías para la difusión del patrimonio. El objetivo del proyecto era desarrollar un sistema que ofreciera diferentes formas novedosas de acceso a la información en lugares de patrimonio histórico, entre ellas la realidad aumentada. El proyecto fue validado mediante la visualización in-situ de reconstrucciones virtuales de las ruinas griegas en Atenas. Los usuarios iban equipados con un dispositivo HMD see-through y un portátil. En este proyecto no se realiza un seguimiento de la posición absoluta en tiempo real sino que una medida aproximada de la posición obtenida mediante GPS permite determinar el entorno donde se encuentra el usuario. La visualización aumentada consiste en vídeos pregrabados en estudio, que mezclan la información real con el modelo virtual. Las conclusiones de este proyecto sirvieron para identificar las limitaciones que el estado de la tecnología imponía para la aplicación en entornos reales, especialmente en entornos abiertos e incontrolados. Dentro de este mismo entorno de aplicación (patrimonio histórico) se han realizado otros prototipos de aplicaciones de realidad aumentada que generalmente han sido financiados por organismos públicos. La siguiente figura (Figura 2-2) muestra una reconstrucción virtual sobre las ruinas de Atenas vista por el usuario del sistema.
Apoyados por la financiación de la Unión Europea, además del proyecto descrito ARCHEOGUIDE [38], se han desarrollado otros proyectos emblemáticos relacionados con la realidad aumentada, como LIFEPLUS [39], ARCO [40] o AMIRE [41]. A pesar del éxito de estos proyectos, los resultados se han quedado en prototipos siendo la complejidad tecnológica de estas aplicaciones la causa principal de que la aplicación de las tecnologías de realidad aumentada en el ámbito del patrimonio no esté todavía introducida en este mercado.
¾ PDA
El salto a la utilización de dispositivos tipo PDA para la visualización de objetos virtuales 3D contextualizados al entorno real se hace de forma gradual. Condicionado por las limitaciones de procesamiento de estos dispositivos se comienza por configuraciones de cliente ligero, donde las PDAs se utilizan como dispositivos de entrada y salida en sistemas conectados en red a un servidor remoto, donde se realizan las tareas que requieren un mayor procesamiento de información. Ejemplos de estas configuraciones son los siguientes proyectos: BatPortal [42], donde la pantalla de la PDA visualiza los elementos virtuales de la escena que se complementan visualmente por el propio usuario con la información real del entorno, el seguimiento de la posición y punto de vista del usuario se realiza mediante tracking basado en ultrasonidos y un modelo virtual detallado del entorno real. Otro ejemplo es AR-PDA [43], en este caso la PDA también funciona como cliente ligero, la imagen capturada por una cámara unida a la PDA se envía al servidor donde se procesa y devuelve aumentada. Esta imagen aumentada se visualiza en la pantalla de la PDA. También el grupo de trabajo del instituto tecnológico VTT [44] ha presentado desarrollos utilizando esta configuración. Esta configuración es muy dependiente de la estabilidad de la red y provoca un gran flujo de información a través de ella añadiendo los correspondientes retardos provocados por la transmisión de los datos.
La primera utilización de una PDA como unidad de proceso de una aplicación de realidad aumentada se realizó en el proyecto SignPost [45]. La aplicación desarrollada guía al usuario dentro de un edificio hasta su destino mediante flechas virtuales superpuestas a la imagen capturada por la cámara. Se trata de un sistema de realidad aumentada tipo video-through, donde la imagen del mundo real es capturada por una cámara y es dicha imagen la que se aumenta con información digital. La visualización de la escena aumentada se realiza a través de la pantalla de la PDA. Esta aplicación utiliza un sistema de posicionamiento basado en reconocimiento de imágenes utilizando marcadores visuales. La siguiente figura (Figura 2-3) muestra la visualización sobre la PDA de la aplicación de guiado.
Han sido muchos los desarrollos, del mismo y de otros grupos de investigación, realizados siguiendo la misma aproximación. Dentro del grupo de trabajo de la Universidad de Graz los desarrollos presentados utilizan una implementación de ARToolKit para PDA sobre la que se visualiza la escena aumentada en la propia pantalla de la PDA. El proyecto Mr Virtuoso [46] es un juego educativo colaborativo que emplea las tecnologías de realidad aumentada sobre PDA para la enseñanza de historia del arte. El posicionamiento, la visualización y la interacción se realizan sobre la PDA mientras que los contenidos se descargan de un servidor bajo demanda. Desde el grupo de trabajo de la Escuela Politécnica de Lausanne, el trabajo presentado en [47], describe un sistema autónomo basado en una PDA acompañado de un monocular semi-transparente donde se proyectan las escenas 3D. Esta configuración permite el uso libre de las manos. El seguimiento de la posición del usuario se realiza mediante la intensidad de señal de una red inalámbrica disponible en el entorno.
El salto a la visualización de realidad aumentada sobre PDA y multiusuario se experimenta en el proyecto Invisible Train [48], es una aplicación totalmente autónoma basada en tracking con marcadores y la sincronización entre la información visual presentada en cada PDA se realiza de forma inalámbrica. La siguiente figura (Figura 2-4) muestra la visualización aumentada sincronizada en las dos PDAs.
Figura 2-4 The Invisible Train
Debido a la limitación de recursos hardware de estos dispositivos, en algunas aproximaciones se utiliza el concepto de realidad aumentada bajo demanda, donde los objetos virtuales aparecen superpuestos a una imagen de la escena real capturada en un momento determinado. Este concepto aparece como alternativa al tradicional, donde se realiza un aumento de la escena real en cada instante [49].
¾ Teléfono Móvil
El teléfono móvil es el dispositivo de procesamiento móvil más extendido actualmente y por este motivo se trata de una buena plataforma para introducir la tecnología de realidad aumentada en el mercado. La generación actual de teléfonos presenta características que podían resultar impensables hace unos años, como por ejemplo pantallas de color real, cámaras de foto/vídeo integradas, procesadores de alto rendimiento o incluso con hardware específico para gráficos 3D. Al igual que ocurre con las PDAs se han desarrollado varias experiencias para el uso de estos dispositivos para la ejecución de aplicaciones de realidad aumentada. La evolución, al igual que con las PDAs ha sido gradual, comenzando por el uso como cliente ligero y dando posteriormente el salto a la ejecución completa sobre el dispositivo móvil. En la primera
de las aproximaciones se encuentra el trabajo llevado a cabo en el proyecto AR-Phone [50], desarrollado para móviles de Sony Ericsson de la familia P800, el teléfono móvil captura la imagen y la envía vía Bluetooth al servidor remoto donde se procesa la señal de vídeo en busca del marcador y se aumenta con la información virtual. La imagen aumentada se envía de vuelta al teléfono para su visualización. La primera generación del protocolo de transferencia inalámbrico Bluetooth tiene una tasa de transferencia muy baja para el envío de información gráfica lo que presenta unas tasas de refresco de la aplicación muy lejanas a la visualización en tiempo real. La siguiente figura (Figura 2-5) muestra la arquitectura del sistema descrito.
Figura 2-5 Funcionamiento del sistema AR-Phone
Pero al igual que con las PDAs el aumento de las capacidades de estos dispositivos móviles permite que el propio teléfono móvil procese la información. Existen en la literatura varios ejemplos, cabe destacar los siguientes. El primer ejemplo se presenta en [51], dentro del proyecto UMAR, donde se ejecuta una aplicación de forma autónoma sobre un teléfono móvil de Nokia. Para el seguimiento de la posición se utilizan marcadores y para ello se realiza la implementación de la librería ARToolkit para el procesador del dispositivo móvil, funcionando sobre sistema operativo Symbiam. Con propósito similar en el proyecto PhoneGuide [52] se presenta un sistema de guiado para museos sobre teléfono móvil equipado con cámara. El posicionamiento de la información se basa en el reconocimiento de objetos basado en la imagen capturada por la cámara. El procesamiento requerido para tal propósito se realiza en el propio teléfono móvil. La siguiente figura (Figura 2-6) muestra la utilización de este sistema de guiado.
Figura 2-6 Guiado en museos sobre teléfonos móviles
Una variante del sistema es combinar el reconocimiento de objetos con el posicionamiento mediante Bluetooth [53]. Este último permite localizar al usuario
dentro de una sala o un área determinado y de este modo buscar los objetos a reconocer entre un grupo reducido de la base de datos completa de objetos disponibles.
También el aspecto colaborativo ha adquirido gran importancia en el desarrollo de aplicaciones de realidad aumentada para teléfonos móviles, especialmente para el desarrollo de juegos y aplicaciones de entretenimiento. El primer ejemplo donde se presenta esta tecnología es en el proyecto AR Tennis [54], la novedad se centra principalmente en la identificación de metáforas de interacción en aplicaciones de realidad aumentada colaborativa utilizando dispositivos móviles. Los teléfonos móviles se utilizan como raquetas virtuales y un marcador colocado entre ambos, representa la pista. La sincronización entre los dispositivos móviles se realiza mediante Bluetooth.
¾ Novedades de Actualidad
La proliferación de noticias sobre la aparición de aplicaciones basadas en las tecnologías de realidad aumentada para los más modernos terminales móviles ha convertido a esta tecnología en una de las estrellas del año 2009. Estas novedades de actualidad se centran en el desarrollo de soluciones para los nuevos dispositivos móviles introducidos en el mercado y los sistemas operativos sobre los que operan, así como el desarrollo de aplicaciones a medida para dichas plataformas. Como aplicaciones más destacables cabe mencionar las siguientes:
- Metro París Subway: Desarrollada para el iPhone, la aplicación muestra, en tiempo real sobre la imagen capturada por la cámara y contextualizada a la posición y punto de vista del usuario, la posición de las paradas de metro que se encuentran dentro del campo de visión del usuario [55]. Para su funcionamiento se utiliza el GPS, la brújula digital y las funcionalidades de vídeo que incorpora el último modelo de teléfono de la compañía Apple (iPhone 3GS). La aplicación, además de las estaciones de metro incluye información sobre la localización de otros puntos de interés como paradas de taxi o bus y restaurantes o cafeterías.
- Nearest Tube: También se anuncia una aplicación similar a la anterior para el metro de Londres. La aplicación se anuncia disponible para la nueva versión del sistema operativo de Apple (3.1) para el iPhone y únicamente para el último modelo del teléfono (3GS) [56]. La información de la brújula digital permite identificar si el usuario mira hacia el suelo o hacia el horizonte, en el primero de los casos la información presentada son flechas con las direcciones de las diferentes líneas de metro, cuando levantando el teléfono se apunta más arriba muestra las paradas que hay en la dirección del punto de vista del usuario, de qué línea son y la distancia a la que están.
- Wikitude: Wikitude es una aplicación de realidad aumentada para la plataforma móvil Android [57]. Esta aplicación también hace uso de la cámara, GPS y brújula digital integrada en algunos dispositivos móviles para presentar información de Wikipedia geoposicionada y contextualizada al punto de vista del usuario. Está orientada al turismo y ofrece al usuario información relevante sobre los puntos de interés del entorno donde se encuentra.
- Layar: Layar se anuncia como un navegador de realidad aumentada “Layar reality browser”, está disponible para dispositivos que funcionan sobre Android [58]. Con la misma filosofía que los anteriores Layar dispone de diferentes capas de información que pueden visualizarse o deshabilitarse mediante selección del usuario
(información general, ubicación de personas próximas, fotos, actividades comerciales y otros lugares de interés, etc.).
- Sixth Sense: Se trata de un prototipo de dispositivo de realidad aumentada móvil desarrollado en el MIT, que incorpora un teléfono móvil, una cámara y un micro proyector. Todo ello puede ir colgado del cuello del usuario, lo que le proporciona libertad de manos para su manejo. Las manos, con unas pequeñas marcas de colores en los dedos, se utilizan como elemento de interacción con el sistema. Casi cualquier superficie se puede convertir en una pantalla improvisada donde se proyecta información y con la que se interactúa de forma táctil. El sistema además proporciona ciertos tipos de información contextualizada al entorno del usuario mediante el reconocimiento visual del entorno [59].
- ARhrrrr: Se trata de un proyecto de realidad aumentada móvil que explota las capacidades de representación gráfica de los dispositivos móviles [60]. En el proyecto se ha desarrollado un prototipo de juego de realidad aumentada para teléfonos móviles con alta calidad gráfica y de detalles. Los desarrollos se basan en la tecnología Tegra de Nvidia. Se trata de uno de los primeros juegos de realidad aumentada sobre dispositivos móviles y sobre todo el que ofrece una mayor calidad visual. La ausencia de dispositivos que integran la tecnología Tegra impide poder utilizar este desarrollo en teléfonos comerciales.
La siguiente figura (Figura 2-7) muestra algunas de las aplicaciones descritas anteriormente.
Figura 2-7 Metro París, Layar, Wikitude y Sixth Sense
Las aplicaciones presentadas anteriormente son solamente un ejemplo de las más populares que han aparecido durante los últimos meses y que han convertido a esta tecnología en una de las más activas. Muchas son las empresas que se están haciendo eco de la popularidad que está adquiriendo la tecnología en estos últimos meses y que utilizan la realidad aumentada como herramienta de marketing para sus productos. Entre ellos cabe nombrar el expositor de realidad aumentada de LEGO, una campaña con los
