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Roffino, Cecilia Selina

Strumenti per il disegno e la progettazione nello spazio virtuale: problemi di interazione tra l'uomo e il computer.

Rel. Alfredo Ronchetta, Riccardo Roberto Covino. Politecnico di Torino, Corso di laurea in Architettura, 2005

Questa è la versione più aggiornata di questo documento.

Abstract:

Introduzione

Nell'era dell'informazione, il computer rappresenta uno strumento fondamentale che più di tutti gli a mezzi ha modificato radicalmente l'interazione tra l'uomo e il suo ambiente, Con l'avvento del computer, di internet, della multimedialità e della realtà virtuale, De Kerckhove parla di oralità terziaria, perché a differenza di tutti gli altri media, la macchina informatica e i suoi componenti intervengono nell'azione, nell'osservazione e nella comunicazione.

Inizialmente i computer erano semplici calcolatori e la comunicazione con gli utenti avveniva attraverso linguaggi molto complessi, i cosiddetti linguaggi a basso livello, comprensibili solo ai programmatori. Era necessario realizzare uno strumento in grado di permettere una comunicazione possibile comprensibile da entrambi i soggetti coinvolti (l'uomo e il computer) nell'interazione: l'interfaccia.

Con la nascita di interfacce grafiche, a diffusione della metafora del desktop e con l'introduzione del mouse, è andato affermandosi il paradigma dl interazione della manipolazione diretta.

Concentrandosi sulle interfacce utilizzate in ambito informatico, incontriamo una differenziazione di grande rilievo: da un lato e interfacce hardware, quali monitor, tastiera e mouse, che rappresentano la superficie fisica di contatto tra i nostri sensi e la macchina; dall'altro, le cosiddette intertacce software: il modo in cui un programma si presenta e permette di utilizzare le sue funzionalità, ad esempio attraverso una determinata suddivisione dello schermo e attraverso uso di finestre, pulsanti, menu, leone.

Grazie all'introduzione dell'interfaccia grafica, il computer oggi rappresenta un contenitore di programmi software di diverso tipo, in grado di soddisfare diverse esigenze dell'utente. L'uomo si muove in uno spazio, all'interno del quale sì possono svolgere svariate attività. Si tratta di uno spazio virtuale, in cui l'utente ha la possibilità di manipolare i dati al suo interno.

Molti ricercatori ritengono che, solo con l'aggiunta dell'interazione sensoriale, sia possibile ricostruire, al di fuori del nostro corpo, il tipo di interiorità tipico della coscienza umana. L'interazione tra l'uomo e il computer, considerando quest'ultimo come un sistema di componenti contenenti uno spazio, è fondata essenzialmente su un feedback di tipo visivo e tattile. Nell'era dell'informazione il secondo sembra predominare sul primo, soprattutto nel campo della realtà virtuale.

Come in altre discipline, oggi, il computer svolge un ruolo fondamentale anche nell'ambito progettuale. Come strumento creativo, ha modificato profondamente il processo di progettazione.

Al giorno d'oggi risulta difficile immaginare un architetto, un arredatore di interni o un designer lavorare senza l'ausilio di un sistema che adatti il computer per l'elaborazione grafica.

L'evoluzione dei software per la progettazione e la modellazione sono attualmente degli strumenti molto potenti, in grado di restituire al progettista risultati grafici molto realistici. Attualmente esiste una forte disparità tra l'uso largamente diffuso dei prodotti informatici ed i metodi di lavoro impiegati. Molto spesso manca una nuova concezione nel lavoro, capace di sfruttare le potenzialità del computer e del suoi componenti software e hardware. L'introduzione della tecnologia della realtà virtuale, basata sulla simulazione di spazi muldimensionali e l'evoluzione della grafica 3D, hanno fornito un contributo non indifferente all'ambito progettuale. Attraverso questa tecnologia e appositi strumenti, il progettista è in grado di trovarsi completamente immerso all'interno del modello sul quale sta lavorando, che si ti di un edificio odi un oggetto.

C'è un divario enorme tra la progettazione tradizionale e quella assistita dal computer. Attraverso appositi programmi, è possibile svolgere solo alcune fasi della progettazione, quali il disegno tecnico, la modellazione bidimensionale, la restituzione grafica e in alcuni casi la presentazione. Tutte queste operazioni vengono svolte per la maggior parte con il mouse e la tastiera.

La prima fase, quella più complicata, quella dell'evoluzione di un concept, dì un'idea, avviene ancora attraverso l'utilizzo degli strumenti tradizionali: carta e matita o penna.

Premesso che in un sistema informatico tradizionale, le componenti hardware sono il monitor, la tastiera e il mouse, quest'ultimo in particolare, insieme allo schermo, rappresenta oggi lo strumento più diffuso per la progettazione ai computer.

Il mouse viene utilizzato per svolgere la maggior parte delle attività progettuali, dalla realizzazione di modelli bidimensionali a quelli trdimensionali: seleziona, manipola ed esplora. Ma non è in grado di sostituire gli strumenti tradizionali nella fase di ideazione del progetto e talvolta risulta scomodo durante le operazioni di modellazione tridimensionale. Il monitor è importante per la restituzione visiva del modello simulato al computer, che sia questo 200 3D, ma si tratta di una superficie bidimensionale.

Esistono appositi strumenti, o dispositivi hardware, in grado di rendere l'iter progettuale a computer più omogeneo e di permettere al progettista di vivere questo processo in modo più naturale?

Il primo obbiettivo della mia ricerca si orienta innanzitutto nell'analizzare i dispositivi utili per la progettazione, in grado di convogliare l'intero processo all'interno di un unico strumento: il computer.

Questa domanda è maturata durante la mia permanenza a San Francisco, negli Stati Uniti. L'esperienza che ho vissuto mi ha permesso di entrare in contatto con una realtà a me sconosciuta fino ad allora. Ho avuto la possibilità di esplorare mondi molto lontani dalla mia realtà quotidiana assorbire informazioni e stimoli nuovi.

Esplorare la valle della tecnologia, la Silicon Valley, conoscere uno dei pionieri della tecnologia, Douglas Engelbart, mi ha permesso di rendermi conto delle diversità di approccio, nei confronti dei nuovi media, tra gli Stati Uniti e l'Italia.

Visitando i laboratori del Center for Design Research (Centro di Ricerca per la Progettazione) dell'università dì Stanford, ho potuto constatare quanto il computer e i suoi componenti siano naturalmente integrati nel processo di progettazione, cosa che in Italia non si percepisce ancora.

AI giorno d'oggi anche grazie alla nascita della realtà virtuale, si trovano sul mercato diversi strumenti hardware in grado di restituire all'utente dei feedback sensoriali molto realistici, riferiti alla vista, al tatto e al ritorno di forza, mettendolo nella condizione di essere presente e immerso nello spazio che contiene il modello su cui sta lavorando.

La mia analisi è incentrata sullo studio di diversi dispositivi hardware, di input e di output, utili per la progettazione. Questi vengono analizzati in base alle loro caratteristiche e alla tipologia a cui appartengono e alloro possibile utilizzo nella progettazione(fasi della progettazione e ambiti di applicazione in cui possono essere utilizzati).

Innanzitutto, vengono analizzati i dispositivi hardware in grado di sostituire il mouse come strumento della progettazione o di svolgere attività progettuali che il mouse non è in grado di compiere: i diversi tipi di penne digitali e i touchscreen e il loro funzionamento.

In secondo luogo, si analizzano i dispositivi tipici per la realtà virtuale: gli Head Mounted Display (caschetto con stereovisori) e il dataglove (guanto virtuale). I primi permettono una visualizzazione stereoscopica, immergendo visivamente l'utente all'interno dello spazio virtuale nel quale sta lavorando. Il secondo lo mette nella condizione di manipolare oggetti virtuali, immergendolo tattilmente nell'ambiente tridimensionale simulato al computer.

Introdotte queste due tipologie di strumenti si analizzano tutti i dispositivi che sono in grado di restituire lo stesso impatto sensoriale che procurano i primi due: dagli occhiali con otturatori, ai display autosteroscopici per la visualizzazione tridimensionale; per la manipolazione, invece, si introducono le interfacce aptiche, dai sensori ed esoscheletri da implementare ai guanti virtuali per produrre un ritorno di forza e una sensazione tattile più realistica, a bracci con ritorno di forza per la conversione di dati fisici in informazioni digitali e per la modellazione di oggetti tridimensionali.

Infine, vengono analizzate tipologie di dispositivi che non rientrano nei gruppi sopra citati.

Alta fine di questa analisi è stato possibile trarre delle conclusioni sui vantaggi e gli svantaggi dei dispositivi studiati.

Effettivamente esistono sul mercato diversi dispositivi alternativi ai sistemi tradizionali di progettazione al computer, il cui utilizzo potrebbe essere sfruttato per migliorarla, a partire dagli strumenti utili per la fase concettuale e dagli strumenti per agevolare la percezione tridimensionale della scena su cu si lavora. L'introduzione ditali dispositivi, nel processo di progettazione, amplierebbe maggiormente le possibilità, da parte dei progettisti, di scegliere lo strumento più idoneo per compiere una determinata fase del proprio lavoro, risolvendo in questo modo, i limiti e le difficoltà imposte dai sistemi tradizionali. Sfortunatamente, l'alto costo, che caratterizza i dispositivi analizzati, rappresenta uno dei punti critici a causa del quale il loro utilizzo rimane tuttora limitato a ristrette nicchie di utenti, mentre continuano a prevalere i tradizionali sistemi di interazione, accessibili alla maggior parte degli utilizzatori. li secondo obbÌettlvo della mia ricerca, riguarda l'interazione bimanuale e la sperimentazione di un'interfaccia hardware di input tridimensionale per la manipolazione della scena o degli oggetti virtuali, da affiancare al mouse. L'introduzione del mouse, come strumento di interazione tra l'uomo e il computer, l'implementazione delle interfacce grafiche di pulsanti e bottoni interattivi, ha fatto sì che il ruolo della tastiera passasse in secondo piano. Tutte le funzioni di interazione con I computer, fatta eccezione per la digitazione dì testo, è stata completamente trasferita al mouse.

Questo fenomeno sì è manifestato soprattutto tra gli utenti del sistema operativo Windows; i mouse proposti sono caratterizzati da più tasti e rotelle e sono in grado di sostituire la maggior parte delle funzioni della tastiera.

Nei sistemi informatici basati sul sistema operativo Macintosh, in cui le interfacce grafiche sono molto evolute ed interattive, il mouse è costituito da un solo tasto e la maggior parte delle funzioni viene tuttora svolta mediante la tastiera.

SI può quindi affermare che, nel primo caso, l'interazione con il computer è prettamente di tipo monomanuale, mentre nel secondo è di tipo bimanuale.

Nell'ambito della progettazione attraverso il computer si può affermare che Il sistema operativo più utilizzato è Windows.

I primi software di progettazione assistita, imponevano l'utilizzo della tastiera per comunicare l'azione che si desiderava compiere, espressa con una sigla composta da una o più lettere per velocizzare il processo. Con l'introduzione del mouse, si digitava la funzione da svolgere e la si gestiva con il nuovo dispositivo di puntamento.

Questo era dovuto al tipo dl interfaccia grafica proposto, caratterizzata da una finestra equivalente ad un semplice tavolo di lavoro.

L'evoluzione dell'interfaccia utente dei programmi, arricchita di icone corrispondenti ai diversi strumenti per la progettazione, ha progressivamente determinato l'abbandono della tastiera e il trasferimento di tutte le azioni al mouse.

Questo fenomeno ha provocato conseguenze positive e negative nella progettazione: da un lato rappresenta un modo di lavorare molto più Intuitivo, dall'altro il trasferimento diluite le azioni ad un solo strumento, il mouse, rischia di rallentare tutto il processo progettuale.

Si può affermare, quindi, che gli utenti, che oggi utilizzano programmi di progettazione, si dividono in due grandi gruppi: al primo gruppo appalten9ono coloro che utilizzano contemporaneamente mouse e tastiera, mentre il secondo gruppo è rappresentato da coloro che agiscono solo con il mouse per svolgere tutte le attività progettuali.

Un ulteriore problema è rappresentato dall'evoluzione del mouse che non è proporzionale a quella dei programmi per la grafica tridimensionale

In uno spazio tridimensionale simulato al computer, le funzioni del mouse risultano relativamente limitate alle semplici traslazioni e la sensazione della manipolazione diletta sull'oggetto virtuale non è immediata.

Da diversi anni esiste sul mercato un dispositivo in grado di ovviare a questo lacune: lo SpaceBail5000 della 3Dconnexion, una società di Logitech, che ho avuto modo dì conoscete durante la mia permanenza negli Stati Uniti e grazie al sostegno della quale ho avuto la possibilità di intraprendere la sperimentazione. Si tratta di un'interfaccia di input tridimensionale, costituito da una sfera basata sulla tecnologia a sei gradi di libertà e da una serie c tasti per compiere determinate funzioni di progettazione. Affiancato al mouse, questo strumento è in grado di effettuare le traslazioni e le rotazioni secondo i tre assi cartesiani e di manipolare la scena o l'oggetto virtuale in modo più diretto ed immersivo. Grazie alla presenza di tasti scorciatoia, alcune funzioni di progettazione vengono trasferite dal mouse e da tastiera al nuovo strumento. Inoltre, con la presenza fisica della sfera, l'utente è in grado d compiere dei movimenti che con il mouse non è In grado di fare ed ha la sensazione di manipolare oggetto virtuale direttamente con la sua mano. Si può affermare che si tratta di un interfaccia trasparente.

Con l'introduzione di questo strumento, il processo di progettazione al computer avviene attraverso l'uso di entrambe le mani.

La sperimentazione, effettuata su questa interfaccia, mira a valutare i vantaggi e gli svantaggi della progettazione effettuata attraverso l'uso simultaneo di due strumenti.

Per ottenere risultati consistenti, si è scelto di svolgere questa sperimentazione all'interno dì ambiti diversi: l'ambito didattico della Facoltà di Architettura del Politecnico di Torino; l'ambito professionale di uno studio di architettura; l'ambito professionale dì un'azienda d design. PininfarinaExtra.

I soggetti coinvolti nella sperimentazione, a seconda dell'ambito di appartenenza, hanno espresso valutazioni differenti.

Dopo aver raccolto i diversi feedback, sono stata in grado di formulare delle conclusioni sul dispositivo esaminato e sull'interazione bimanuale nel processo progettuale attraverso l'uso simultaneo di due diversi strumenti.

In generale, in tutti i casi, l'uso della sfera a sei gradi di libertà, ha portato vantaggi a tutti i partecipanti, sia dal punto di vista della manipolazione diretta sulla scena tridimensionale, sia per quanto riguarda la percezione di essa. Per contro, l'utilizzo dei tasti, ha comportato non poche difficoltà, rendendo lo strumento di difficile gestione. Perciò la maggior parte dei partecipanti ha vissuto l'approccio con il nuovo dispositivo in modo contraddittorio: da un lato, l'approccio con la sfera è risultato estremamente naturale; dall'altro, la gestione dei tasti è risultata poco intuitiva e di conseguenza molti soggetti hanno preferito abbandonarne l'utilizzo.

In seguito alle sperimentazioni svolte si può affermare che l'introduzione di uno strumento in grado di implementare le funzionalità del mouse, aumentando i gradi di libertà attraverso i quali risulta migliore la manipolazione dello spazio tridimensionale, è una necessità emersa da parte di tutti i soggetti coinvolti.

Relatori: Alfredo Ronchetta, Riccardo Roberto Covino
Parole chiave: disegno - spazio virtuale - computer - progettazione -
Soggetti: D Disegno industriale e arti applicate > DI Grafica digitale
Corso di laurea: Corso di laurea in Architettura
URI: http://webthesis.biblio.polito.it/id/eprint/186
Capitoli:

INDICE

Introduzione

1. L'uomo e il computer

1.1. La comunicazione con la macchina

1.2. L'architettura di un computer

1 .3. L'interazione tra uomo e computer

1.3.1 Evoluzione dell'interazione nella storia

1.3.2 Il concetto dì interattività

2. Le interfacce

2.1. L'interfaccia ? la sua evoluzione in campo informatico

2.2. Le interfacce grafiche

2.2.1 Il sistema operativo e i software per il computer

2.2.2 lI concetto di virtuale

2.2.3 Il concetto della manipolazione diretta

2.3. Le interfacce fisiche

3. La progettazione e il computer

3.1. La progettazione con il computer

3.1.1 Introduzione

3.1.2 La progettazione

3.1.3 Il computer come strumento di progettazione

3.2. I software per la progettazione

3.3. La realtà virtuale

3.3.1 La realtà virtuale come tecnologia

3.3.2 Accenni all'Augmented Reality

3.3.3 Interattività, navigazione,manipolazione e immersione

3.4. Uno sguardo ai sensi

4. Gli strumenti per la progettazioni al computer

4.1. Tre mesi alle porte di Silicon VaIley

4.2. Introduzione ai casi di studio

4.3. I dispositivi alternativi al mouse

4.3.1 Logitech digital pen lo2

4.3.2 Luidia eBeam

4.3.3 Wacom Cintiq 2l UX

4.3.4 3M Touchsystems Cleartek II Touch Screen

4.4. I dispositivi per la Realtà Virtuale

4.4.1 NVis nVisor SX

4.4.2 Immersion GyberGlove

4.5. I dispositivi per la visualizzazione 3D

4.5.1 Stereographics CiystalEyes3

4.5.2 Sharp LL1513D

4.5.3 Elumens VisionStation display

4.5.4 Actuality System 3D Perspecta

4.6. Le interfacce aptiche

4.6.1 Immersion MicroScribe

4.6.2 SensAble Phantom Omni

4.7 Dispositivi particolari I

4.7.1 Fogscreen

4.7.2 IO2Technology HelioDisplay

4.7.3 M.I.T Tangibile Media Group Illuminating Clay

4.8. Osservazioni conclusive

5. Casi di studio sperimentale

5.1. Introduzione

5.2. L'interazione bimanuale

5.2.1 Introduzione all'interazione bimanuale

5.2.2 I dispositivi per la mano non dominante e interfacce di input3D

5.3. I motion controller

5.3.1 Storia dei motion controller

5.3.2 SpaceBall5000

5.4. La sperimentazione con lo SpaceBall5000

5.4.1 Il mio percorso personale

5.4.2 Caso di studio 1: workshop comunicare il progetto

5.4.3 Caso di studio 2: borsisti del Ladipro

5.4.4 Caso di studio 3: studio di architettura

5.4.5 Caso di studio 4: PininfarinaExtra

5.5. Osservazioni conclusive

5.6. Allegati

6. Conclusioni

7. Bibliografia

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Filmografia

I film da me visionati hanno rappresentato fonte di ispirazione per il mio lavoro.

Bigelow K., Strange Days, 145 min, U.S.A. 1995.

Cronemberg O., Existenz, 97 min., Canada U.K. 1999.

Proyas A., I, Robot, 115 min., U.S.A. 2004.

Spielberg S., Artificial Intelligence:AI, 146 min, U.S.A. 2001.

Spielberg S., Minority Report, 145 min., U.S.A. 2002.

Wachowski A., Wachowski L., The Matrix, 136 min., U.S.A. 1999.

Wachowski A., Wachowskl L., The Matrix Reloaded, 139 min., U.S.A 2003.

Wachowski A. Wachowskl L., The Matrix Revolutions, 129 min., U.S.A. 2003.

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