Západočeská univerzita v Plzni Fakulta aplikovaných věd Katedra informatiky a výpočetní techniky. haptického pera

Západoˇceská univerzita v Plzni Fakulta aplikovaných vˇed Katedra informatiky a výpoˇcetn´ı techniky

Bakal´ aˇ rsk´ a pr´ ace Ohmatáván´ı a modifikace geometrických model˚ u pomoc´ı haptického pera

Plzeˇ n, 2013

Barbora Jansk´ a

Prohl´ aˇ sen´ı Prohlaˇsuji, ˇze jsem bakaláˇrskou práci vypracovala samostatnˇe a v´ yhradnˇe s pouˇzit´ım citovan´ ych pramen˚ u.

V Plzni dne 10.kvˇetna 2013

Barbora Janská

Podˇ ekov´ an´ı T´ımto bych chtˇela podˇekovat vedouc´ı práce Prof. Dr. Ing. Ivanˇe Kolingerové za jej´ı trpˇelivost a podnˇetné rady a pˇripom´ınky a Ing. Václavu Purchartovi za cenné rady a pomoc pˇri vytváˇren´ı práce.

Anotace C´ılem této práce bylo navrˇzen´ı a vytvoˇren´ı aplikace pro ohmatáván´ı geometrick´ ych model˚ u pomoc´ı haptického pera. Práce se soustˇred´ı na ohmatáván´ı 3D model˚ u lidsk´ ych hlav poskytnut´ ych Ing. Petrem Mart´ınkem, a to pomoc´ı dvou r˚ uzn´ ych knihoven z knihovny OpenHaptics firmy SensAble. Prvn´ı ˇcást je zamˇeˇrena na prozkoumán´ı moˇznost´ı a v´ yhod ˇci nev´ yhod vyˇsˇs´ı knihovny HLAPI, která umoˇzn ˇuje haptické renderován´ı pomoc´ı OpenGL geometrick´ ych primitiv. S pomoc´ı této knihovny je vytvoˇrena aplikace pro ohmatáván´ı 3D model˚ u hlav vˇcetnˇe odliˇsen´ı r˚ uzn´ ych haptick´ ych materiál˚ u pro vlasy, k˚ uˇzi a vousy. V druhé ˇcásti jsou pak popsány klady a zápory niˇzˇs´ı knihovny HDAPI. Bˇehem vytváˇren´ı aplikace pro ohmatáván´ı 3D model˚ u hlav s pouˇzit´ım této knihovny bylo nutné vyˇreˇsit v´ ypoˇcet koliz´ı haptického pera s 3D modelem pro haptickou odezvu. Dosaˇzené v´ ysledky byly otestovány uˇzivateli. Zpracované v´ ysledky test˚ u jsou uvedeny na konci této práce.

Abstract The goal of this thesis was to design and implement an application for touching geometrical models using haptic pen. The work concentrates on touching 3D models of human heads provided by Ing. Petr Mart´ınek, using two different libraries from the library OpenHaptics of SensAble company. The first part is focused on exploring the possibilities and advantages or disadvantages of the higher library HLAPI, that allows the haptic rendering using OpenGL geometric primitives. By using this library there has been created an application for touching 3D head models including differentiation of various haptic materials for hair, skin and beard. The second part then describes the pros and cons of the lower library HDAPI. During the creation of application for touching 3D head models using this library it was necessary to resolve the calculation of the collisions of the haptic pen with the 3D model for haptic feedback. The results were user tested. Processed results of the tests are included at the end of this thesis.

Obsah ´ 1 Uvod

1

2 Haptika 2.1 Pouˇzité haptické zaˇr´ızen´ı . . . 2.2 Dostupné knihovny . . . . . . 2.2.1 Knihovna CHAI 3D . . 2.2.2 Knihovna OpenHaptics

2 2 3 3 4

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

3 Navrˇ zen´ eˇ reˇ sen´ı 3.1 Popis ˇreˇsen´ı pomoc´ı knihovny HLAPI . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Formát soubor˚ u s 3D modely hlav . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Naˇcten´ı troj´ uheln´ıkové s´ıtˇe (3D modelu) . . . . . . . . . . 3.1.3 Vykreslen´ı 3D kurzoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Struktura programu pouˇz´ıvaj´ıc´ıho knihovnu HLAPI . . . . . . . . 3.2.1 Struktura tˇr´ıdy pro naˇcten´ı PLY . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Inicializace OpenGL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3 Nastaven´ı HLAPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4 Namapován´ı haptiky na grafické prostˇred´ı . . . . . . . . . 3.2.5 Vykreslen´ı grafiky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.6 Haptické renderován´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.7 Vykreslen´ı 3D kurzoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Zhodnocen´ı dosaˇzen´ ych v´ ysledk˚ u implementace s vyuˇzit´ım knihovny HLAPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Popis ˇreˇsen´ı pomoc´ı knihovny HDAPI . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Vykreslen´ı 3D kurzoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Haptická smyˇcka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Struktura programu pouˇz´ıvaj´ıc´ıho knihovnu HDAPI . . . . . . . . 3.5.1 Tˇr´ıda pro operace s vektory . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2 Nastaven´ı HDAPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.3 Namapován´ı haptiky na grafické prostˇred´ı . . . . . . . . . 3.5.4 Vykreslen´ı 3D kurzoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.5 Implementace haptické smyˇcky a plánovaˇce . . . . . . . . . 3.5.6 Poˇca´teˇcn´ı postup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.7 Vylepˇsené ˇreˇsen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 6 7 8 8 9 10 13 15 15 15 17 19 19 20 20 20 22 22 22 23 23 24 26 31

4 Uˇ zivatelsk´ e testy 4.1 V´ ysledky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34 36

5 Z´ avˇ er

47

Seznam obr´ azk˚ u

48

Reference

50

A Pˇ r´ıloha - dotazn´ık

51

´ 1 Uvod

1

1

´ Uvod

V souˇcasné dobˇe jsou aplikace haptiky a haptická zaˇr´ızen´ı v popˇred´ı zájmu mnoha v´ yzkumn´ ych skupin a pracoviˇst’. Vytvoˇrené aplikace uˇzivatel˚ um umoˇzn ˇuj´ı umocnit dojem z interakce s poˇc´ıtaˇcem ˇci nˇejak´ ym zaˇr´ızen´ım, a to pˇridán´ım dalˇs´ıho smyslového vjemu - hmatu. T´ım je umoˇznˇeno posunut´ı hranice simulac´ı i interaktivn´ıho ovládán´ı na zcela novou u ´roveˇ n. Napˇr´ıklad zapojen´ı haptick´ ych zaˇr´ızen´ı v medic´ınˇe umoˇzn ˇuje simulovat chirurgické zákroky tak, jakoby byly opravdu provádˇeny. V dálkovém ovládán´ı zaˇr´ızen´ı pak operátor˚ um tato zaˇr´ızen´ı umoˇzn ˇuj´ı poc´ıtit zpˇetnou vazbu efektor˚ u dan´ ych zaˇr´ızen´ı. C´ılem této práce bylo navrhnout a realizovat aplikaci vyuˇz´ıvaj´ıc´ı haptického pera. Tato aplikace umoˇzn ˇuje ohmatáván´ı 3D model˚ u lidsk´ ych hlav, vˇcetnˇe zprostˇredkován´ı rozd´ıln´ ych vjem˚ u pˇri ohmatáván´ı r˚ uzn´ ych povrch˚ u (vlasy, vousy). Bˇehem návrhu bylo potˇreba prostudovat moˇznosti existuj´ıc´ıch knihoven pro zpˇetnou vazbu, a poté po v´ ybˇeru té nejvhodnˇejˇs´ı knihovny provést vlastn´ı implementaci.

2 Haptika

2

2

Haptika

S pouˇzit´ım haptické technologie (haptiky) lze doc´ılit ohmatáván´ı virtuáln´ıch objekt˚ u uˇzivatelem. Tato technologie je zaloˇzena na hmatové zpˇetné vazbˇe. Umoˇzn ˇuje uˇzivateli pomoc´ı uplatˇ nován´ı sil, vibrac´ı a pohyb˚ u poc´ıtit hmatov´ y kontakt s ohmatávan´ ym objektem a pˇr´ıpadnˇe s n´ım i pohybovat. Jak pro v´ yzkumné, tak pro komerˇcn´ı u ´ˇcely existuje mnoho haptick´ ych zaˇr´ızen´ı, která umoˇzn ˇuj´ı uˇzivatel˚ um hmatovou odezvu pˇri dotyku virtuáln´ıch tˇeles. Pozn.: Slovo haptika je ˇreckého p˚ uvodu a znamená smysl pro dotek.

2.1

Pouˇ zit´ e haptick´ e zaˇ r´ızen´ı

Pro u ´ˇcely své bakaláˇrské práce jsem pouˇzila haptické zaˇr´ızen´ı dostupné na katedˇre informatiky a v´ ypoˇcetn´ı techniky na Západoˇceské univerzitˇe. Jedná se o zaˇr´ızen´ı PHANTOM Omni od firmy Sensable viz Obr.2.1. Toto haptické zaˇr´ızen´ı, které lze nazvat haptick´ ym perem, má ˇsest stupˇ n˚ u volnosti pro sn´ımán´ı pozice a dvˇe integrovaná tlaˇc´ıtka na stylusu, která se daj´ı uˇzivatelem naprogramovat na r˚ uzné události. Rozsah pohybu zaˇr´ızen´ı je omezen na pohyb ruky a jej´ı otáˇcen´ı v zápˇest´ı. Podrobné parametry zaˇr´ızen´ı je moˇzné nalézt v Tabulce 2.1.

Obrázek 2.1: Haptické zaˇr´ızen´ı PHANTOM Omni [Zdroj: www.sensable.com]

2 Haptika Pracovn´ı plocha zpˇetné vazby Váha Nomináln´ı rozliˇsen´ı polohy Tˇren´ı Maximáln´ı s´ıla Souvislá s´ıla (24h) Tuhost v ose X Tuhost v ose Y Tuhost v ose Z Setrvaˇcnost Silová zpˇetná vazba Rozhran´ı

3 > 160 W x 120 H x 70 D mm 3 lbs 15 oz > 0.055 mm < 0.26 N 3.3 N > 0.88 N > 1.26 N / mm > 2.31 N / mm > 1.02 N / mm ∼ 45 g x, y, z IEEE-1394 FireWire port: 6-pin to 6-pin

Tabulka 2.1: Technické specifikace haptického zaˇr´ızen´ı PHANTOM Omni [Zdroj dat: www.sensable.com]

2.2

Dostupn´ e knihovny

Pro vytvoˇren´ı aplikace, která bude umoˇzn ˇovat ohmatáván´ı virtuáln´ıch objekt˚ u pomoc´ı manipulace se zvolen´ ym haptick´ ym zaˇr´ızen´ım, lze vyuˇz´ıt nˇekterou z dostupn´ ych haptick´ ych knihoven. V pr˚ ubˇehu anal´ yzy jsem uvaˇzovala o následuj´ıc´ıch dvou knihovnách. 2.2.1

Knihovna CHAI 3D

CHAI 3D je multi-platformn´ı opensource sada knihoven pro haptické renderován´ı, která je vyuˇz´ıvána v mnoha v´ yzkumn´ ych a v´ yrobn´ıch projektech, jako napˇr´ıklad v simulátorech nebo lékaˇrsk´ ych aplikac´ıch. CHAI 3D je napsána v jazyce C++ a je urˇcena pro vytváˇren´ı aplikac´ı, které kombinuj´ı 3D modelován´ı se silovou zpˇetnou vazbou. Pouˇz´ıvá velké mnoˇzstv´ı algoritm˚ u pro renderován´ı s´ıly, které umoˇzn ˇuj´ı programátor˚ um snadno vyv´ıjet sofistikované simulace se schopnost´ı integrované silové zpˇetné vazby. OpenGL grafické jádro poskytuje základy pro snadné vykreslován´ı virtuáln´ıch prostˇred´ı pomoc´ı speciáln´ıho 3D grafického akceleraˇcn´ıho hardwaru. V´ıce informac´ı o této knihovnˇe lze nalézt na webov´ ych stránkách, viz [1].

2 Haptika

2.2.2

4

Knihovna OpenHaptics

Tato knihovna je poskytována firmou SensAble (nejnovˇejˇs´ı verze 3.1) a skládá se z nˇekolika knihoven. Tˇemi jsou QuickHaptics micro API, Haptic Device API (HDAPI) a Haptic Library API (HLAPI). Jednotlivé knihovny jsou uspoˇra´dány dle Obr.2.2. Podrobné informace o této knihovnˇe je moˇzné nalézt na stránkách firmy Sensable [4].

Obrázek 2.2: Uspoˇra´dán´ı jednotliv´ ych knihoven v OpenHaptics

QuickHaptics micro API Tato knihovna je nejnovˇejˇs´ı ze zm´ınˇen´ ych knihoven. Je implementována v C++. Umoˇzn ˇuje snadné a rychlé vytváˇren´ı haptick´ ych aplikac´ı nebo pˇridáván´ı haptiky do jiˇz existuj´ıc´ıch aplikac´ı. D´ıky vestavˇen´ ym geometrick´ ym parser˚ um a inteligentn´ım v´ ychoz´ım parametr˚ um je moˇzné vytvoˇrit haptické/grafické aplikace s minimáln´ım mnoˇzstv´ım kódu. Definuje ˇctyˇri základn´ı funkˇcn´ı tˇr´ıdy: • DeviceSpace - pracovn´ı prostˇred´ı, v nˇemˇz se m˚ uˇze haptické zaˇr´ızen´ı pohybovat

2 Haptika

5

• QHRenderer - základn´ı tˇr´ıda pro QHWin32 a QHGLUT. Vytvoˇren´ı okna, které vykresl´ı tvary z pohledu kamery a umoˇzn´ı uˇzivateli c´ıtit tyto tvary pomoc´ı hmatového zaˇr´ızen´ı. • Shape - základn´ı tˇr´ıda pro jeden ˇci v´ıce geometrick´ ych objekt˚ u, které jsou renderovány jak graficky tak hapticky. • Cursor - grafické znázornˇen´ı koncového bodu haptického pera

Haptic Device API (HDAPI) Tato knihovna poskytuje n´ızko´ urovˇ nov´ y pˇr´ıstup k haptickému zaˇr´ızen´ı a umoˇzn ˇuje programátorovi pˇr´ımo generovat s´ılu a mˇenit konfiguraci runtime chován´ı. Vyˇzaduje implementaci efektivn´ıch algoritm˚ u pro renderován´ı s´ıly a algoritm˚ u pro detekci koliz´ı. Zároveˇ n se programátor mus´ı starat o synchronizaci jednotliv´ ych vláken. HDAPI neumoˇzn ˇuje implementaci reakc´ı na události.

Haptic Library API (HLAPI) Tato knihovna poskytuje oproti HDAPI vysoko´ urovˇ nové haptické renderován´ı. Vyuˇz´ıvá OpenGL API. Umoˇzn ˇuje pouˇz´ıt OpenGL kód jak pro grafické, tak pro haptické renderován´ı. V´ ypoˇcet haptického renderován´ı je zaloˇzen na geometrick´ ych primitivech, transformac´ıch a vlastnostech materiálu. V´ yraznˇe zjednoduˇsuje synchronizaci grafick´ ych a haptick´ ych vláken. Dále umoˇzn ˇuje implementaci reakc´ı na události, coˇz usnadˇ nuje implementaci komplikovan´ ych haptick´ ych interakc´ı, jako napˇr´ıklad dot´ ykán´ı se geometrie, stisknut´ı tlaˇc´ıtek a pohyb s objektem.

Vˇsechny tyto knihovny je moˇzno v aplikaci propojit a vyuˇz´ıvat tak vlastnost´ı vˇsech knihoven. HLAPI je postavena na HDAPI, proto m˚ uˇze programátor pˇri vytváˇren´ı aplikace zaloˇzené na HLAPI vyuˇz´ıt ˇcást funkˇcnosti z HDAPI. HDAPI je nutné pouˇz´ıt pro inicializaci a konfiguraci popisovaˇce haptického zaˇr´ızen´ı (HDD). Ten je pak vyuˇz´ıván HL haptick´ ym renderov´ ym kontextem (HHLRC) pro rozhran´ı s haptick´ ym zaˇr´ızen´ım. T´ım je programátorovi umoˇznˇeno ˇr´ıdit chován´ı haptického zaˇr´ızen´ı.

3 Navrˇzené ˇreˇsen´ı

3

6

Navrˇ zen´ eˇ reˇ sen´ı

C´ılem této práce bylo navrˇzen´ı a vytvoˇren´ı aplikace pro ohmatáván´ı virtuáln´ıch geometrick´ ych model˚ u pomoc´ı haptického pera. Pro testován´ı této aplikace jsem mˇela za u ´kol pouˇz´ıt 3D modely lidsk´ ych hlav. Tyto triangularizované modely jsou v´ ysledkem diplomové práce Ing. Petra Mart´ınka [5]. Pro realizaci ˇreˇsen´ı jsem si vybrala knihovnu OpenHaptics od firmy SensAble, jej´ımˇz v´ yrobkem je i pouˇz´ıvané haptické zaˇr´ızen´ı, a to pro v´ıce moˇznost´ı v rozd´ılnosti pˇr´ıstup˚ u k haptickému renderován´ı neˇz tomu je u knihovny CHAI 3D. Nejprve jsem se rozhodla vyuˇz´ıt moˇznost´ı vyˇsˇs´ı knihovny HLAPI, s n´ıˇz jsem jiˇz mˇela zkuˇsenost z pˇredmˇetu KIV/PRJ5, pro jej´ı vysoko´ urovˇ nov´ y pˇr´ıstup k haptickému renderován´ı a pro moˇznost vyuˇzit´ı OpenGL kódu. V´ ypoˇcet s´ıly zpˇetné vazby haptického zaˇr´ızen´ı je moˇzné v tomto pˇr´ıpadˇe ovlivˇ novat pouze nastaven´ım vlastnost´ı ohmatávaného materiálu, coˇz s nejvˇetˇs´ı pravdˇepodobnost´ı nebude pro tuto aplikaci postaˇcuj´ıc´ı vzhledem k tomu, ˇze bude tˇreba napodobit r˚ uzné materiály, jako jsou vlasy a vousy. Aby bylo moˇzné implementovat vlastn´ı v´ ypoˇcet s´ıly, bude potˇreba vyuˇz´ıt moˇznost´ı knihovny HDAPI. Vˇsechny aplikace byly vytváˇreny ve v´ yvojovém prostˇred´ı Microsoft Visual Studio 2010, pomoc´ı nˇejˇz je moˇzné kompilovat program i se vˇsemi nutn´ ymi soubory z knihovny OpenHaptics verze 3.1.

3.1

Popis ˇ reˇ sen´ı pomoc´ı knihovny HLAPI

ˇ sen´ı se skládá z následuj´ıc´ıch ˇcást´ı. Nejprve je naˇctena troj´ Reˇ uheln´ıková s´ıt’ 3D modelu hlavy pomoc´ı upravené tˇr´ıdy p˚ uvodnˇe vytvoˇrené Ing. Purchartem. Tuto troj´ uheln´ıkovou s´ıt’ poté pouˇz´ıvám pro grafickou vizualizaci 3D modelu a téˇz pˇri haptickém renderován´ı, kdy je pomoc´ı knihovn´ıch funkc´ı uloˇzena geometrie jednotliv´ ych troj´ uheln´ık˚ u troj´ uheln´ıkové s´ıtˇe a tato s´ıt’ je následnˇe hapticky vyrenderována. Dále je zapotˇreb´ı vykreslit 3D kurzor, kter´ y znázorˇ nuje polohu haptického pera ve virtuáln´ım prostˇred´ı, kde je um´ıstˇen virtuáln´ı objekt odpov´ıdaj´ıc´ı naˇctenému modelu.


3.1.1

7

Form´ at soubor˚ u s 3D modely hlav

Triangularizované modely jsou uloˇzeny ve formátu PLY (Polygon File Format), kter´ y slouˇz´ı pro ukládán´ı grafick´ ych objekt˚ u popsan´ ych jako soubor polygon˚ u. Tento formát m˚ uˇze obsahovat r˚ uzné vlastnosti, jako je barva, normála nebo souˇradnice textur. V hlaviˇcce PLY souboru jsou vypsány vˇsechny druhy parametr˚ u, které jsou v nˇem obsaˇzeny. Poté jsou po ˇra´dkách vypsány souˇradnice vrchol˚ u spolu s jejich vlastnostmi, následuj´ı v´ ypisy jednotliv´ ych stˇen (polygon˚ u), kde je u kaˇzdé stˇeny popsáno, z kolika vrchol˚ u se skládá a jaké jsou indexy tˇechto vrchol˚ u. Hlaviˇcka soubor˚ u s modely hlav má následuj´ıc´ı strukturu. Tato struktura se u r˚ uzn´ ych model˚ u liˇs´ı pouze v poˇctu vrchol˚ u a troj´ uheln´ık˚ u: ply format ascii 1.0 comment VCGLIB generated element vertex 32334 property float x property float y property float z property float nx property float ny property float nz property uchar red property uchar green property uchar blue property uchar alpha property float texture_u property float texture_v element face 64544 property list uchar int vertex_indices end_header

Soubor tedy obsahuje souˇradnice vrchol˚ u spolu s jejich normálami, barvami, pr˚ uhlednost´ı, texturov´ ymi souˇradnicemi a indexy vrchol˚ u, z nichˇz se skládaj´ı jednotlivé polygony. Oˇcekáváme, ˇze vˇsechny polygony, ze kter´ ych se model skládá, jsou troj´ uheln´ıky. Jiná moˇznost v této práci nen´ı oˇsetˇrena.


3.1.2

8

Naˇ cten´ı troj´ uheln´ıkov´ e s´ıtˇ e (3D modelu)

Pro naˇcten´ı 3D modelu ze souboru jsem pouˇzila tˇr´ıdu vytvoˇrenou Ing. Purchartem v jazyce C++, kterou bylo potˇreba upravit pro danou strukturu PLY souboru. Troj´ uheln´ıková s´ıt’ je vytvoˇrena ze samostatn´ ych troj´ uheln´ık˚ u. Souˇradnice jednotliv´ ych vrchol˚ u troj´ uheln´ık˚ u jsou naˇcteny ze souboru a jsou uloˇzeny do pˇripravené struktury. Aby bylo moˇzné z jednotliv´ ych vrchol˚ u poskládat vˇsechny troj´ uheln´ıky, je potˇreba pro kaˇzd´ y troj´ uheln´ık znát indexy (poˇradové ˇc´ıslo) tˇr´ı vrchol˚ u, z nichˇz má b´ yt sestaven. Tyto indexy jsou také naˇcteny ze souboru. Poté jiˇz staˇc´ı pouze pouˇz´ıt nˇekolik OpenGL pˇr´ıkaz˚ u (v´ıce v kapitole 3.2.5), které pospojuj´ı jednotlivé vrcholy do troj´ uheln´ık˚ u a troj´ uheln´ıky zobraz´ı. Pro grafickou vizualizaci je nav´ıc naˇctena normála a barva vrcholu. U nˇekter´ ych 3D model˚ u hlav jsou jednotlivé vrcholy obarveny podle um´ıstˇen´ı vlas˚ u a vous˚ u na modelu. 3.1.3

Vykreslen´ı 3D kurzoru

Haptické renderován´ı geometrie (v naˇsem pˇr´ıpadˇe troj´ uheln´ık˚ u) se provád´ı pomoc´ı proxy metody. Proxy je zástupn´ y bod haptického zaˇr´ızen´ı. Poloha tohoto bodu je omezena pouze na vnˇejˇs´ı plochu ohmatávan´ ych objekt˚ u. Tento bod se stále aktualizuje tak, aby odpov´ıdal poloze haptického zaˇr´ızen´ı, ale zároveˇ n nezasahoval do vytvoˇren´ ych objekt˚ u. Zat´ımco skuteˇcná poloha haptického zaˇr´ızen´ı m˚ uˇze b´ yt uvnitˇr objektu, proxy bod bude vˇzdy mimo. Pokud se haptické pero nedot´ yká tvaru, bude zástupn´ y bod um´ıstˇen v poloze haptického zaˇr´ızen´ı. Pˇri kontaktu s objektem vˇsak poloha haptického zaˇr´ızen´ı pronikne skrz plochu, ale proxy z˚ ustane na jej´ım povrchu. S´ıla zpˇetné vazby, která je odes´ılána na haptické zaˇr´ızen´ı, je vypoˇc´ıtána natahován´ım virtuáln´ı soustavy pruˇzina-tlumiˇc mezi polohou haptického zaˇr´ızen´ı a pozic´ı proxy - viz Obr.3.1, kde Proxy Position je pozice proxy bodu, New Haptic Device Position je aktuáln´ı poloha haptického zaˇr´ızen´ı a damper-spring je soustava pruˇzina-tlumiˇc. Pro vykreslen´ı 3D kurzoru je zapotˇreb´ı pouze naˇc´ıst souˇradnice proxy bodu, kde má b´ yt kurzor vykreslen, a urˇcit mˇeˇr´ıtko kurzoru, protoˇze bude vykreslen jako 3D objekt ve scénˇe.


9

Obrázek 3.1: Znázornˇen´ı proxy bodu [Zdroj: http://geomagic.com/files/4013/ 4851/4367/OpenHaptics_ProgGuide.pdf]

3.2

Struktura programu pouˇ z´ıvaj´ıc´ıho knihovnu HLAPI

Aplikace je implementována v jazyce C++. Souˇca´st´ı programu pro haptické renderován´ı je i upravená tˇr´ıda pro naˇcten´ı PLY souboru. Haptická ˇca´st programu a grafická vizualizace jsou obsaˇzeny v souboru Touch.cpp. Typick´ y HL program má strukturu znázornˇenou na Obr.3.2. Program lze tedy kromˇe naˇcten´ı PLY souboru rozdˇelit na nˇekolik d´ılˇc´ıch ˇca´st´ı. Tˇemi jsou nastaven´ı OpenGL a HLAPI, namapován´ı pracovn´ıho prostˇred´ı haptického zaˇr´ızen´ı na grafické prostˇred´ı a pak opakovanˇe prob´ıhaj´ıc´ı vykreslen´ı grafiky, haptiky a 3D kurzoru.


10

Obrázek 3.2: Typická struktura HL programu [Zdroj: http://geomagic.com/ files/4013/4851/4367/OpenHaptics_ProgGuide.pdf]

3.2.1

Struktura tˇ r´ıdy pro naˇ cten´ı PLY

Naˇcten´ı 3D modelu zajiˇst’uje tˇr´ıda, jeˇz se skládá ze souboru PlyFile.cpp a pˇr´ısluˇsného hlaviˇckového souboru PlyFile.h. P˚ uvodn´ı tˇr´ıda poskytnutá Ing. Purchartem umoˇzn ˇovala jen naˇcten´ı PLY souboru, kter´ y obsahoval kromˇe hlaviˇcky pouze souˇradnice vrchol˚ u a indexy vrchol˚ u kaˇzdého polygonu. Bylo zde zajiˇstˇeno i prohozen´ı y-ových souˇradnic se z-ovými souˇradnicemi pro potˇreby OpenGL souˇradnicového systému a také seˇrazen´ı podle hloubky (z-ové souˇradnice) pomoc´ı algoritmu quicksort - viz [6]. Soubor obsahoval i normalizaci souˇradnic vrchol˚ u. Pro naˇcten´ı PLY souboru s 3D modelem bylo potˇreba upravit tuto tˇr´ıdu tak, aby kromˇe naˇcten´ı souˇradnic vrchol˚ u umoˇzn ˇovala i uloˇzen´ı jejich normál, barev a


11

texturov´ ych souˇradnic. Barvy vrchol˚ u urˇcuj´ı um´ıstˇen´ı vlas˚ u a vous˚ u na obliˇceji. Alpha sloˇzka je u kaˇzdého vrcholu rovna 255, nen´ı tedy nutné ji ukládat. Zároveˇ n jsem tˇr´ıdu modifikovala tak, aby bylo moˇzné model uloˇzit do stejného souboru s jiˇz pˇrehozen´ ymi souˇradnicemi y a z a seˇrazen´ ymi vrcholy podle hloubky. T´ım bylo doc´ıleno vˇetˇs´ı rychlosti pˇri naˇc´ıtán´ı modelu, protoˇze vzhledem k vˇetˇs´ımu poˇctu vrchol˚ u je doba jejich seˇrazen´ı velmi dlouhá. D´ıky moˇznosti uloˇzen´ı jiˇz upraveného modelu poté staˇc´ı jen naˇc´ıst ze souboru poˇzadované hodnoty. Pro v´ ybˇer moˇznosti, zda chceme model uloˇzit nebo pouze naˇc´ıst, slouˇz´ı parametr konstruktoru action: static const int ACTION_LOAD = 1; static const int ACTION_SAVE = 2; PlyFile(std::string path, int action); Souˇradnice vrchol˚ u, jejich barvy a texturové souˇradnice jsou pro kaˇzd´ y vrchol uloˇzeny do struktury vertex: typedef struct { float x,y,z; float nx,ny,nz; int r,g,b; float u,v; } vertex; kde parametry x, y a z jsou souˇradnice daného vrcholu, nx, ny a nz souˇradnice jeho normály, r, g, b sloˇzky jeho barvy a u a v jeho texturové souˇradnice. Vˇsechny vrcholy uchované v této struktuˇre jsou postupnˇe pˇridávány do kontejneru jazyka C++ typu vector pojmenovaného vertices. Naˇc´ıtán´ı parametr˚ u vrchol˚ u ze souboru a jejich následné ukládán´ı do kontejneru prob´ıhá v metodˇe loadFile(std::string path), která se automaticky vykoná po zadán´ı akce naˇcten´ı do konstruktoru a jej´ımˇz atributem je cesta k souboru s modelem. Po naˇcten´ı vˇsech vrchol˚ u je v metodˇe zajiˇstˇeno i naˇcten´ı index˚ u polygon˚ u. Indexy vrchol˚ u kaˇzdého troj´ uheln´ıku jsou naˇcteny do struktury int3:


12

typedef struct { int a,b,c; } int3; kde parametry a, b a c jsou jednotlivé indexy vrchol˚ u daného troj´ uheln´ıka. Pro kaˇzd´ y troj´ uheln´ık jsou takto uloˇzené informace o jeho vrcholech postupnˇe pˇridávány do kontejneru vector s názvem faces. V metodˇe loadFile je nejprve naˇctena hlaviˇcka s informac´ı o poˇctu vrchol˚ ua poˇctu troj´ uheln´ık˚ u do promˇenn´ ych vertexCount a faceCount. Dále jiˇz prob´ıhá postupné naˇc´ıtán´ı parametr˚ u vrchol˚ u a index˚ u troj´ uheln´ıku podle v´ yˇse zm´ınˇeného postupu, které vypadá takto: int alpha; for (int i=0; i> v->x >> v->y >> v->z; //normaly f >> v->nx >> v->ny >> v->nz; //barvy f >> v->r >> v->g >> v->b; //skip alphy f >> alpha; //textur. souradnice f >> v->u >> v->v; this->vertices.push_back(v); } int vertCount;


13

for (int i=0; i> vertCount; if(vertCount != 3) { cout << "vertCount: "<< vertCount << endl; } int3 *face = new int3; f >> face->a >> face->b >> face->c; this->faces.push_back(face); }

Do promˇenné vertCount se naˇc´ıtá prvn´ı hodnota z ˇrádky, která informuje o poˇctu vrchol˚ u polygonu. Je zde provedena kontrola, zda jsou vˇsechny polygony troj´ uheln´ıky. Pokud tomu tak nen´ı, pouze se vyp´ıˇse poˇcet vrchol˚ u daného polygonu.

3.2.2

Inicializace OpenGL

Ve svém programu jsem nejprve provedla inicializaci OpenGL, jako je nastaven´ı velikosti okna, nastaven´ı glut funkc´ı a nastaven´ı barvy pozad´ı. V programu je vytvoˇrena struktura udrˇzuj´ıc´ı informace o rozmˇerech a textu okna, o poloze pˇredn´ı a zadn´ı oˇrezávac´ı roviny a o pozorovac´ım u ´hlu - viz následuj´ıc´ı kód. typedef struct { int width; int height; char* title; float field_of_view_angle; float z_near; float z_far; } glutWindow;


14

Mezi glut funkce, které jsou v programu nastavovány patˇr´ı nastaven´ı okna, kde jsou pouˇzity atributy struktury glutWindow: glutInitWindowSize(win.width,win.height); glutCreateWindow(win.title);

Dále je inicializován poˇca´teˇcn´ı zobrazovac´ı reˇzim pomoc´ı funkce glutInitDisplayMode(GLUT RGB | GLUT DOUBLE | GLUT DEPTH) , kde GLUT RGB znamená zobrazen´ı vˇsech tˇr´ı sloˇzek barvy, GLUT DOUBLE pouˇzit´ı okna s dvojit´ ym bufferem a GLUT DEPTH umoˇzn´ı pouˇzit´ı depth (hloubkového) bufferu. Dalˇs´ımi funkcemi, které jsou nastaveny jsou glutDisplayFunc(render), kde je jako zobrazovac´ı funkce nastavena funkce render, která obsahuje vykreslen´ı grafiky a haptiky, a glutReshapeFunc(glutReshape), kde je jako obnovovac´ı funkce nastavena glutReshape. V této metodˇe je nastavena ˇcást okna, do které se bude kreslit, pomoc´ı glViewport(). Dále je zde nastaven´ı maticového reˇzimu projekce pomoc´ı glMatrixMode(GL PROJECTION), perspektivy pomoc´ı gluPerspective() a pohledu na scénu pomoc´ı funkce gluLookAt(). Inicializace OpenGL prob´ıhá pˇredevˇs´ım v metodˇe initGL, kde je pro vykreslován´ı povolen hloubkov´ y buffer a nastavena funkce pro tento buffer, nastaven zp˚ usob v´ ypoˇctu perspektivy, urˇcena hodnota hloubky pouˇzitá, kdyˇz je tento buffer vymazán a nastavena barva pozad´ı - viz následuj´ıc´ı kód. glDepthFunc(GL_LEQUAL); glEnable(GL_DEPTH_TEST); glHint( GL_PERSPECTIVE_CORRECTION_HINT, GL_NICEST ); glClearDepth( 1.0f ); glClearColor(0, 0, 0, 0);

Je zde um´ıstˇeno i nastaven´ı osvˇetlen´ı, které je nejprve nutné povolit. Poté je jiˇz nastavena poloha svˇetla. glEnable(GL_LIGHTING);


15

float lightPos[4] = {0, 0, 0.5, 0.0}; glLightfv(GL_LIGHT0, GL_POSITION, lightPos); glEnable(GL_LIGHT0);

3.2.3

Nastaven´ı HLAPI

Dále je v programu provedeno nastaven´ı HLAPI v metodˇe initHL, kde je inicializován popisovaˇc haptického zaˇr´ızen´ı a následnˇe pˇredán haptickému renderovému kontextu - viz následuj´ıc´ı kód. ghHD = hdInitDevice(HD_DEFAULT_DEVICE); ghHLRC = hlCreateContext(ghHD); hlMakeCurrent(ghHLRC); 3.2.4

Namapov´ an´ı haptiky na grafick´ e prostˇ red´ı

Pro definován´ı jednotného namapován´ı pracovn´ıho prostoru na pozorovac´ı souˇradnice grafické vizualizace tak, aby tento prostor zcela obklopoval rozsah projekce, tedy aby vˇse, co je viditelné, bylo také hmatatelné, je pouˇzita funkce hluFitWorkspace() s projekˇcn´ı matic´ı, která definuje rozsah projekce - viz následuj´ıc´ı kód.

hlMatrixMode(HL_TOUCHWORKSPACE); hluFitWorkspace(projection);

3.2.5

Vykreslen´ı grafiky

Pro vykreslen´ı troj´ uheln´ıkové s´ıtˇe 3D model˚ u hlav jsem v programu pouˇzila pˇr´ıkazy knihovny OpenGL. V programu je implementována struktura udrˇzuj´ıc´ı informace o souˇradnic´ıch vrcholu: struct VertexCoords{ GLfloat x; GLfloat y;


16

GLfloat z; };

Vˇsechny souˇradnice vrchol˚ u jsou do pole tˇechto struktur s názvem vertexArray postupnˇe pro kaˇzd´ y vrchol naˇcteny ze struktury vertex nacházej´ıc´ı se ve tˇr´ıdˇe PlyFile. Z této struktury jsou zároveˇ n naˇcteny normály vrchol˚ u do pole s názvem normals a barvy do pole s názvem colors. Indexy vrchol˚ u jednotliv´ ych troj´ uheln´ık˚ u jsou naˇcteny ze struktury int3 do pole s názvem indexes, které je typu GLuint (OpenGL integer bez znaménka). Vykreslen´ı troj´ uheln´ıkové s´ıtˇe je pak uskuteˇcnˇeno pomoc´ı OpenGL vertex array, normal array a color array, kdy jsou jednotlivé pointery nastaveny na pole vrchol˚ u, normál a barev. Poté je pomoc´ı funkce glDrawElements() s pouˇzit´ım pole index˚ u vykreslena celá troj´ uheln´ıková s´ıt’. Kód pro vykreslen´ı celé troj´ uheln´ıkové s´ıtˇe vypadá takto: //Povoleni vertex, normal a color array. glEnableClientState(GL_VERTEX_ARRAY); glEnableClientState(GL_NORMAL_ARRAY); glEnableClientState(GL_COLOR_ARRAY); glColorPointer(3, GL_FLOAT, 0, colors); glNormalPointer(GL_FLOAT, 0, normals); glVertexPointer(3, GL_FLOAT, 0, vertexArray);

glDrawElements(GL_TRIANGLES, triCount*3, GL_UNSIGNED_INT, indexes); // Deaktivace vertex, normal a color array po vykresleni. glDisableClientState(GL_VERTEX_ARRAY); glDisableClientState(GL_NORMAL_ARRAY); glDisableClientState(GL_COLOR_ARRAY);


3.2.6

17

Haptick´ e renderov´ an´ı

Veˇskeré haptické renderován´ı je obsaˇzeno v haptickém rámci mezi pˇr´ıkazy hlBeginFrame() a hlEndFrame(). Prvn´ı z tˇechto pˇr´ıkaz˚ u zjist´ı aktuáln´ı stav haptického renderován´ı. Jakmile je haptika vykreslena, pˇr´ıkaz konce rámu synchronnˇe vyhodnot´ı dynamické zmˇeny pozice haptického zaˇr´ızen´ı. Pro haptické vykreslen´ı ploch a objekt˚ u skládaj´ıc´ıch se z r˚ uzn´ ych geometrick´ ych primitiv je nutné pouˇz´ıt tzv. renderován´ı tvar˚ u. Geometrie jednotliv´ ych tvar˚ u je specifikována pomoc´ı OpenGL pˇr´ıkaz˚ u a mus´ı b´ yt ohraniˇcena pˇr´ıkazy hlBeginShape() a hlEndShape(). HLAPI pak pouˇz´ıvá tuto geometrii pro haptické renderován´ı. To se m˚ uˇze d´ıt dvˇema r˚ uzn´ ymi zp˚ usoby. Bud’ s pouˇzit´ım depth bufferu nebo feedback bufferu. Pokud HLAPI zachyt´ı geometrii pouˇzit´ım OpenGL depth bufferu, bude se moci uˇzivatel ve v´ ysledné aplikaci dot´ ykat pouze viditeln´ ych ploch objekt˚ u. Pokud v programu nastav´ıme pouˇzit´ı OpenGL feedback bufferu pro zachycen´ı geometrie, m˚ uˇze uˇzivatel ve v´ ysledném programu ohmatávat napˇr´ıklad i tunel. Ve svém programu pouˇz´ıvám feedback buffer, protoˇze umoˇzn ˇuje pouˇzit´ı OpenGL vertex array. OpenGL pˇr´ıkazy pro vykreslen´ı haptiky jsou témˇeˇr stejné jako pro vykreslen´ı grafiky, pouze bez pouˇzit´ı normál a barev vrchol˚ u. Pro nastaven´ı vlastnost´ı ohmatávaného materiálu jsem vyuˇzila fakt, ˇze vrcholy modelu jsou obarveny podle um´ıstˇen´ı vlas˚ u a vous˚ u. V oblasti 3D modelu hlavy, kde nejsou vlasy ani vousy, maj´ı vrcholy ˇsedou barvu. Vrcholy v oblasti vlas˚ u jsou obarveny ˇcervenou barvou a v oblasti vous˚ u zelenou barvou. Aby bylo moˇzné pro kaˇzdou z tˇechto tˇr´ı oblast´ı nastavit jiné vlastnosti materiálu, bylo tˇreba rozdˇelit troj´ uheln´ıky podle barevného rozliˇsen´ı. To jsem zajistila rozdˇelen´ım pole indexes na tˇri dalˇs´ı pole. V cyklu, kter´ y postupnˇe procház´ı indexy vrchol˚ u pro kaˇzd´ y troj´ uheln´ık, je zjiˇstˇeno, jakou barvu dan´ y troj´ uheln´ık má. Troj´ uheln´ık se m˚ uˇze skládat z vrchol˚ u maximálnˇe dvou r˚ uzn´ ych barev, jelikoˇz oblasti vlas˚ u a vous˚ u spolu nesoused´ı. Pro kaˇzd´ y troj´ uheln´ık je spoˇctena pˇrevládaj´ıc´ı barva jeho vrchol˚ u a tento troj´ uheln´ık, pˇresnˇeji indexy jeho vrchol˚ u, je následnˇe zaˇrazen do jednoho z kontejner˚ u typu vector s názvy vecIndexesS (ˇsedivé troj´ uheln´ıky), vecIndexesR (ˇcervené troj´ uheln´ıky), vecIndexesG (zelené troj´ uheln´ıky).


18

Typ vector je zde zvolen kv˚ uli moˇznosti dynamické zmˇeny jeho velikosti, jelikoˇz nen´ı známo, kolik troj´ uheln´ık˚ u které barvy je, jinak by bylo tˇreba cel´ y cyklus zopakovat. Z tˇechto ”vector˚ u” jsou pak indexy vrchol˚ u troj´ uheln´ık˚ u pouze pˇrekop´ırovány do pol´ı s názvy indexesS, indexesR a indexesG, aby bylo moˇzné je pouˇz´ıt pro vytvoˇren´ı troj´ uheln´ıkové s´ıtˇe pomoc´ı OpenGL pˇr´ıkazu glDrawElements. Kaˇzdá oblast modelu hlavy mus´ı b´ yt zvláˇst’ uzavˇrena mezi pˇr´ıkazy pro definován´ı tvaru (hlBeginShape() a hlEndShape()), aby bylo moˇzné kaˇzdé oblasti nastavit jin´ y materiál. Proto jsou nav´ıc vygenerována jedineˇcná id s názvy ShapeIdS, ShapeIdR a ShapeIdG, které je nutné pouˇz´ıt v pˇr´ıkazu hlBeginShape(). V haptickém rámci jsou tedy pro kaˇzd´ y tvar nastaveny jiné vlastnosti tak, aby co nejv´ıce pˇripom´ınaly k˚ uˇzi, vlasy ˇci vousy. Vlastnosti pro ˇsedivé troj´ uheln´ıky, tedy k˚ uˇzi, jsou nastaveny takto: hlMaterialf(HL_FRONT_AND_BACK, hlMaterialf(HL_FRONT_AND_BACK, hlMaterialf(HL_FRONT_AND_BACK, hlMaterialf(HL_FRONT_AND_BACK,

HL_STIFFNESS, 0.5f); //tuhost HL_DAMPING, 0.9f); //tlumeni HL_STATIC_FRICTION, 0.17f); //treni HL_DYNAMIC_FRICTION, 0.95f);

Materiálové parametry ˇcerven´ ych troj´ uheln´ık˚ u, tedy vlas˚ u, jsem nastavila následuj´ıc´ım zp˚ usobem. hlMaterialf(HL_FRONT_AND_BACK, hlMaterialf(HL_FRONT_AND_BACK, hlMaterialf(HL_FRONT_AND_BACK, hlMaterialf(HL_FRONT_AND_BACK,


Materiálové vlastnosti zelen´ ych troj´ uheln´ık˚ u, které znázorˇ nuj´ı um´ıstˇen´ı vous˚ u, jsou nastaveny takto: hlMaterialf(HL_FRONT_AND_BACK, hlMaterialf(HL_FRONT_AND_BACK, hlMaterialf(HL_FRONT_AND_BACK, hlMaterialf(HL_FRONT_AND_BACK,



3.2.7

19


Po vykreslen´ı haptiky a grafiky je vykreslen 3D kurzor reprezentuj´ıc´ı polohu haptického pera. Kurzor je vykreslen na pozici proxy bodu, jehoˇz polohu z´ıskáme pomoc´ı následuj´ıc´ıch pˇr´ıkaz˚ u: HLdouble proxyxform[16]; hlGetDoublev(HL_PROXY_TRANSFORM, proxyxform);

3.3

Zhodnocen´ı dosaˇ zen´ ych v´ ysledk˚ u implementace s vyuˇ zit´ım knihovny HLAPI

V´ ysledná aplikace umoˇzn ˇuje uˇzivateli ohmatávat 3D model hlavy, a to bez proniknut´ı dovnitˇr modelu s v´ yjimkou u ´st, kde docház´ı k proniknut´ı kurzorem znázorˇ nuj´ıc´ım polohu haptického pera dovnitˇr modelu. Vzhledem k moˇznosti nastaven´ı pouze ˇctyˇr vlastnost´ı materiálu nen´ı v´ ysledn´ y dojem bl´ızk´ y realitˇe, coˇz bylo zároveˇ n otestováno uˇzivateli, viz kapitola 4. Vlastnosti, které je moˇzno nastavit, jsou pouze tuhost, tlumen´ı a statické a dynamické tˇren´ı. Pomoc´ı tˇechto parametr˚ u lze nastavit pouze odpor ˇci pˇrilnavost modelu. Nelze tak napodobit vystupuj´ıc´ı materiál, jako jsou napˇr´ıklad vousy. Z tohoto d˚ uvodu jsem aplikaci pro ohmatáván´ı 3D model˚ u hlav implementovala i s pouˇzit´ım niˇzˇs´ı knihovny HDAPI.


3.4

20

Popis ˇ reˇ sen´ı pomoc´ı knihovny HDAPI

Na rozd´ıl od vyˇsˇs´ı knihovny HLAPI mus´ı b´ yt v programu vytvoˇreném s pouˇzit´ım HDAPI implementován vlastn´ı v´ ypoˇcet detekce koliz´ı haptického pera s modelem a v´ ypoˇcet s´ıly. Grafická vizualizace modelu hlavy je ˇreˇsena stejnˇe jako u aplikace, která vyuˇz´ıvá HLAPI, a to pomoc´ı OpenGL - viz kapitola 3.2.5. Naˇcten´ı 3D model˚ u hlav je implementováno také stejn´ ym zp˚ usobem jako v programu vyuˇz´ıvaj´ıc´ım HLAPI s pouˇzit´ım tˇr´ıdy obsaˇzené v PlyFile.cpp a PlyfFile.h - viz kapitola 3.2.1. 3.4.1


3D kurzor je vykreslen na pozici haptického pera v prostˇred´ı, ve kterém se nacház´ı virtuáln´ı objekt. Pro vykreslen´ı 3D kurzoru je zapotˇreb´ı pouze naˇc´ıst transformaˇcn´ı matici haptického pera, která shromaˇzd’uje informace o poloze a natoˇcen´ı haptického zaˇr´ızen´ı v jeho vlastn´ıch souˇradnic´ıch. Proto mus´ı b´ yt OpenGL matice pˇrenásobena matic´ı, která transformuje OpenGL souˇradnice do souˇradnic zaˇr´ızen´ı, na nˇeˇz je pak aplikována zmiˇ novaná transformaˇcn´ı matice haptického zaˇr´ızen´ı. Jakmile je známo, kde má b´ yt kurzor vykreslen, je urˇceno mˇeˇr´ıtko kurzoru pomoc´ı pˇrevodn´ı matice mezi OpenGL souˇradnicemi a souˇradnicemi haptického zaˇr´ızen´ı. 3.4.2

Haptick´ a smyˇ cka

Jak jiˇz bylo zm´ınˇeno, v programu je tˇreba implementovat vlastn´ı detekci koliz´ı haptického pera s virtuáln´ım objektem a vlastn´ı v´ ypoˇcet s´ıly. To je zajiˇstˇeno v haptické smyˇcce, která je plánovaˇcem spouˇstˇena s vysokou frekvenc´ı, tedy velmi ˇcasto tak, aby byla spoˇc´ıtána zpˇetná s´ıla i pˇri sebemenˇs´ı zmˇenˇe polohy haptického pera. Pokud by tomu tak nebylo, rozd´ıl mezi silami by byl moc velk´ y a dojem z ohmatáván´ı virtuáln´ıho objektu by nebyl dostateˇcnˇe hladk´ y. Detekce koliz´ı haptického zaˇr´ızen´ı s troj´ uheln´ıkovou s´ıt´ı byla v této práci ˇreˇsena ˇ ast programu souvisej´ıc´ı s nastaven´ım HDAPI a hapdvˇema r˚ uzn´ ymi zp˚ usoby. C´ tickou smyˇckou je vˇsak shodná u obou ˇreˇsen´ı a bude proto popsána pouze jednou.


21

Poˇ c´ ateˇ cn´ı ˇ reˇ sen´ı detekce koliz´ı Poˇcáteˇcn´ı pˇr´ıstup k ˇreˇsen´ı detekce koliz´ı spoˇc´ıval v poˇc´ıtán´ı pr˚ useˇc´ık˚ u paprsku, kter´ y je vytvoˇren na základˇe znalosti pozice haptického pera a jeho smˇerového vektoru, se vˇsemi troj´ uheln´ıky tvoˇr´ıc´ımi model hlavy. Pozici haptického pera i jeho natoˇcen´ı v prostoru je moˇzné z´ıskat z jeho transformaˇcn´ı matice. Tu bylo vˇsak potˇreba pˇrevést do stejného souˇradnicového systému, ve kterém je um´ıstˇen virtuáln´ı model hlavy. Pokud byly nalezeny nˇejaké pr˚ useˇc´ıky paprsku s troj´ uheln´ıky, bylo zjiˇstˇeno, jak daleko se nacház´ı od pozice haptického pera. Nacházel-li se pr˚ useˇc´ık dostateˇcnˇe bl´ızko, byla pro nˇej spoˇc´ıtána v´ ysledná s´ıla, která mˇela smˇer normály troj´ uheln´ıku. Velikost této s´ıly byla urˇcena v závislosti na vzdálenosti ˇ ım bl´ıˇze se pero nacházelo, t´ım vˇetˇs´ı byla silová zpˇetná pera od pr˚ useˇc´ıku. C´ vazba. Postupné zvˇetˇsován´ı s´ıly pˇri pˇribliˇzován´ı haptického pera k povrchu modelu je nutné, aby haptické pero nevyvinulo najednou velikou s´ılu a neuskoˇcilo proti uˇzivateli. Tento zp˚ usob detekce koliz´ı vˇsak neumoˇzn ˇuje dot´ ykán´ı se modelu stranou haptického pera, jelikoˇz pero a t´ım pádem i paprsek jsou natoˇceny mimo model hlavy a nejsou nalezeny ˇzádné pr˚ useˇc´ıky. Teprve jakmile se haptick´ ym perem pronikne skrze model, je nalezen pr˚ useˇc´ık, v´ ysledná s´ıla je spoˇc´ıtána jako maximáln´ı a pero uskoˇc´ı. Zároveˇ n kv˚ uli vysoké frekvenci spouˇstˇen´ı v´ ypoˇctu haptické smyˇcky a vysokému poˇctu troj´ uheln´ık˚ u, pro které je poˇc´ıtán pr˚ useˇc´ık s paprskem haptického pera, je haptické renderován´ı velmi pomalé a nest´ıhaj´ı se tak poˇc´ıtat pr˚ useˇc´ıky dost ˇcasto. Proto bylo toto ˇreˇsen´ı optimalizováno tak, aby se poˇc´ıtaly pr˚ useˇc´ıky paprsku pouze s troj´ uheln´ıky, jejichˇz prvn´ı vrchol (uloˇzen v poli indexes jako prvn´ı) se od pera nacházel do nˇejaké maximáln´ı vzdálenosti. Vylepˇ sen´ eˇ reˇ sen´ı detekce koliz´ı Kv˚ uli jiˇz zm´ınˇen´ ym problém˚ um s prvn´ım ˇreˇsen´ım jsem se rozhodla pro implementaci odliˇsného zp˚ usobu detekce koliz´ı. Ten je zaloˇzen na poˇc´ıtán´ı vzdálenost´ı tˇeˇziˇst’ jednotliv´ ych troj´ uheln´ık˚ u celého modelu od pozice haptického pera, která mus´ı b´ yt opˇet pˇrevedena do stejného souˇradnicového systému, jako je virtuáln´ı model. Pokud je nˇekterá z tˇechto vzdálenost´ı dostateˇcnˇe malá a haptické pero se tedy nacház´ı v bl´ızkosti daného troj´ uheln´ıku, je spoˇc´ıtána kolmá vzdálenost od


22

roviny, v n´ıˇz troj´ uheln´ık leˇz´ı. Tato vzdálenost je poté opˇet pouˇzita pro v´ ypoˇcet silové zpˇetné vazby. Smˇer s´ıly je urˇcen normálou, která je spoˇc´ıtána pomoc´ı barycentrick´ ych souˇradnic, pro jejichˇz v´ ypoˇcet je nutné spoˇc´ıtat kolm´ y pr˚ umˇet polohy haptického pera do roviny troj´ uheln´ıku (tedy vlastnˇe pr˚ useˇc´ık této roviny s pˇr´ımkou urˇcenou pozic´ı pera a normálou troj´ uheln´ıku.) Barycentrické souˇradnice urˇcuj´ı váhu normál jednotliv´ ych vrchol˚ u, které jiˇz známe a z nichˇz je poˇc´ıtána v´ ysledná normála. Pokud se pr˚ useˇc´ık nacház´ı mimo troj´ uheln´ık, je smˇer s´ıly urˇcen normálou nejbliˇzˇs´ıho vrcholu troj´ uheln´ıku.

3.5

Struktura programu pouˇ z´ıvaj´ıc´ıho knihovnu HDAPI

Tato aplikace je, stejnˇe jako program vytvoˇren´ y ve vyˇsˇs´ı knihovnˇe HLAPI, implementována v jazyce C++. Souˇcást´ı programu pro haptické renderován´ı je jiˇz dˇr´ıve zm´ınˇená tˇr´ıda pro naˇcten´ı PLY souboru a také tˇr´ıda pro základn´ı operace s vektory. Haptická ˇcást programu a grafická vizualizace jsou opˇet obsaˇzeny v souboru Touch.cpp. Kód v tomto souboru lze rozdˇelit do nˇekolika d´ılˇc´ıch ˇca´st´ı. Jak jiˇz bylo ˇreˇceno, nastaven´ı OpenGL a vykreslen´ı grafiky jsou stejné jako u aplikace pouˇz´ıvaj´ıc´ı vyˇsˇs´ı knihovnu HLAPI. Dalˇs´ımi d˚ uleˇzit´ ymi ˇca´stmi programu jsou nastaven´ı HDAPI, namapován´ı pracovn´ıho prostˇred´ı haptického zaˇr´ızen´ı na grafické prostˇred´ı, vykreslen´ı 3D kurzoru a implementace haptické smyˇcky a plánovaˇce této smyˇcky. 3.5.1

Tˇ r´ıda pro operace s vektory

Tato tˇr´ıda mi byla poskytnuta Ing. Purchartem a je rozdˇelena do soubor˚ u Vector3.cpp a Vector3.h. Definuje datov´ y typ Vector3, kter´ y se skládá ze tˇr´ı souˇradnic vektoru a pro nˇejˇz jsou implementovány r˚ uzné operace, vˇcetnˇe sˇc´ıtán´ı vektor˚ u, násoben´ı vektoru konstantou, skalárn´ıho souˇcinu vektor˚ u, vektorového souˇcinu ˇci normalizace vektoru. 3.5.2

Nastaven´ı HDAPI

Abychom mohli pouˇz´ıt moˇznosti knihovny HDAPI, je tˇreba ji nejprve inicializovat. To je provedeno v metodˇe initHD, kde je inicializováno haptické zaˇr´ızen´ı,


23

povolena silová zpˇetná vazba zaˇr´ızen´ı a je zde také spuˇstˇen plánovaˇc haptické smyˇcky: HHD ghHD = hdInitDevice(HD_DEFAULT_DEVICE); hdEnable(HD_FORCE_OUTPUT); hdStartScheduler(); 3.5.3

Namapov´ an´ı haptiky na grafick´ e prostˇ red´ı

Pro správné namapován´ı pracovn´ıho prostoru haptického zaˇr´ızen´ı na pozorovac´ı souˇradnice grafické vizualizace tak, aby zcela obklopoval rozsah projekce, je pouˇzita funkce hduMapWorkspaceModel(), která vypoˇcte transformaˇcn´ı matici pro pˇrevod mezi souˇradn´ ymi systémy grafické vizualizace a haptického pera. Parametry této metody jsou projekˇcn´ı matice, modelview matice a matice, do n´ıˇz chceme uloˇzit v´ ysledek: hduMapWorkspaceModel(modelview, projection, workspacemodel); Je zde nastaveno i mˇeˇr´ıtko 3D kurzoru, pro jehoˇz v´ ypoˇcet je nutné pouˇz´ıt viewport matici a transformaˇcn´ı matici spoˇc´ıtanou v pˇredchoz´ım kroku. Zajiˇst’uje to metoda hduScreenToWorkspaceScale(), jej´ıˇz parametry jsou uspoˇra´dány podle následuj´ıc´ıho kódu. screenTworkspace = hduScreenToWorkspaceScale( modelview, projection, viewport, workspacemodel); 3.5.4


3D kurzor je vykreslen na pozici haptického pera v prostˇred´ı, ve kterém se nacház´ı virtuáln´ı objekt. Toho doc´ıl´ıme tak, ˇze vynásob´ıme aktuáln´ı OpenGL matici transformaˇcn´ı matic´ı workspacemodel a t´ım pˇrevedeme grafick´ y souˇradnicov´ y systém na systém haptického pera. Poté staˇc´ı jiˇz jen vynásobit matic´ı haptického zaˇr´ızen´ı state.transform. V´ yslednou polohu, na n´ıˇz je kurzor vykreslen, nastav´ıme tedy pomoc´ı následuj´ıc´ıch pˇr´ıkaz˚ u: glMultMatrixd(workspacemodel); glMultMatrixd(state.transform);


3.5.5

24

Implementace haptick´ e smyˇ cky a pl´ anovaˇ ce

Haptická smyˇcka je volána v plánovac´ım vláknˇe, které zas´ılá haptickému zaˇr´ızen´ı aktualizace s´ıly s frekvenc´ı pˇribliˇznˇe 1000 Hz. Proto má toto vlákno velmi vysokou prioritu. Pokud je v aplikaci nutné zjistit stav haptického zaˇr´ızen´ı, jako jeho polohu, natoˇcen´ı ˇci nastavenou s´ılu, je tˇreba tento dotaz provést uvnitˇr tohoto plánovac´ıho vlákna, jelikoˇz stav zaˇr´ızen´ı se mˇen´ı velmi ˇcasto. Ve svém programu zjiˇst’uji tento stav zaˇr´ızen´ı pomoc´ı typické ”callback” metody, jeˇz je plánovaˇcem volána. Kód struktury udrˇzuj´ıc´ı informaci o stavu zaˇr´ızen´ı je následuj´ıc´ı: struct DeviceState { hduVector3Dd position; HDdouble transform[16]; hduVector3Dd force; }; Struktura obsahuje informaci o pozici, transformaˇcn´ı matici a aktuáln´ı nastavenou s´ılu haptického zaˇr´ızen´ı. Metoda pro zjiˇstˇen´ı tohoto stavu v plánovac´ım vláknˇe vypadá takto: HDCallbackCode HDCALLBACK DeviceStateCallback(void *pUserData) { DeviceState *pState = static_cast(pUserData); hdGetDoublev(HD_CURRENT_POSITION, pState->position); hdGetDoublev(HD_CURRENT_FORCE, pState->force); hdGetDoublev(HD_CURRENT_TRANSFORM, pState->transform); return HD_CALLBACK_DONE; } Návratová hodnota metody je HD CALLBACK DONE, coˇz znamená, ˇze metoda probˇehne pouze jednou a jiˇz nen´ı plánovaˇcem pˇreplánována. Tato metoda je volána


25

u jiˇz zmiˇ novaného vykreslován´ı 3D kurzoru, kde je potˇreba právˇe transformaˇcn´ı matice zaˇr´ızen´ı: DeviceState state; hdScheduleSynchronous(DeviceStateCallback, &state, HD_DEFAULT_SCHEDULER_PRIORITY);

Metoda hdScheduleSynchronous zajiˇst’uje volán´ı metody pro zjiˇstˇen´ı stavu plánovaˇcem synchronnˇe, coˇz znamená ˇze aplikaˇcn´ı vlákno ˇceká, dokud volán´ı této metody nen´ı dokonˇceno. Naproti tomu asynchronn´ı volán´ı se vrac´ı okamˇzitˇe, jakmile je naplánováno. K asynchronn´ımu volán´ı docház´ı u haptické smyˇcky: gSchedulerCallback = hdScheduleAsynchronous( ForceCallback, 0, HD_DEFAULT_SCHEDULER_PRIORITY);

Hlaviˇcka metody haptické smyˇcky vypadá následovnˇe: HDCallbackCode HDCALLBACK ForceCallback(void *data)

V metodˇe je nejprve nastaven popisovaˇc haptického zaˇr´ızen´ı pomoc´ı pˇr´ıkazu: HHD hHD = hdGetCurrentDevice();

Poté je spoˇc´ıtána a nastavena v´ ysledná s´ıla zaˇr´ızen´ı a nakonec je vrácena hodnota HD CALLBACK CONTINUE, která zajiˇst’uje, ˇze je smyˇcka pˇreplánována a pobˇeˇz´ı znovu bˇehem dalˇs´ıho tiku plánovaˇce. Samotn´ y v´ ypoˇcet a nastaven´ı s´ıly zpˇetné vazby haptického zaˇr´ızen´ı je uzavˇren do haptického rámce mezi pˇr´ıkazy hdBeginFrame(hHD) a hdEndFrame(hHD). V tomto rámci je zajiˇstˇen nemˇenn´ y stav haptického zaˇr´ızen´ı, aby s n´ım mohlo b´ yt pracováno a následnˇe nastavena nová s´ıla. Obsah haptického rámce je tedy odliˇsn´ y pro r˚ uzné zp˚ usoby detekce koliz´ı a v´ ypoˇctu v´ ysledné s´ıly.


3.5.6

26

Poˇ c´ ateˇ cn´ı postup

Jak jiˇz bylo pˇredesláno v kapitole 3.4.2, tento pˇr´ıstup spoˇc´ıvá v poˇc´ıtán´ı pr˚ useˇc´ık˚ u paprsku haptického pera se vˇsemi troj´ uheln´ıky modelu hlavy. Smˇ er a pozice pera Pro urˇcen´ı paprsku haptického pera je tˇreba znát jeho polohu a smˇer, a to ve stejn´ ych souˇradnic´ıch jako je model hlavy. Tyto u ´daje o haptickém zaˇr´ızen´ı je moˇzné z´ıskat z jeho matice, vypov´ıdaj´ıc´ı o aktuáln´ım stavu. Abychom tuto matici pˇrevedli do stejného souˇradnicového systému jako jsou souˇradnice modelu, je tˇreba transformaˇcn´ı matici workspacemodel, která zajiˇst’uje pˇrevod mezi souˇradn´ ymi systémy, vynásobit matic´ı haptického zaˇr´ızen´ı. Z v´ ysledné matice jiˇz dostaneme polohu i smˇerov´ y vektor haptického pera podle následuj´ıc´ıho kódu. GLdouble *result = multMatrices(workspacemodel,transform); //poloha pera position = Vector3(result[12], result[13], result[14]); //smerovy vektor pera direction = Vector3(result[8], result[9], result[10]) * (-1);

V´ ypoˇ cet pr˚ useˇ c´ıku paprsku s troj´ uheln´ıkem Pro kaˇzd´ y troj´ uheln´ık je nalezen pr˚ useˇc´ık s paprskem haptického pera, pokud nˇejak´ y existuje. Tento v´ ypoˇcet prob´ıhá v metodˇe getIntersect(), jej´ımiˇz parametry jsou vrcholy daného troj´ uheln´ıku a smˇer a pozice pera. Zp˚ usob v´ ypoˇctu pr˚ useˇc´ıku je pˇrevzat´ y z [7]. Nejdˇr´ıve je potˇreba zjistit, zda paprsek prot´ıná rovinu, v n´ıˇz leˇz´ı dan´ y troj´ uheln´ık. Pokud ne, neprot´ıná paprsek ani troj´ uheln´ık. Je-li vˇsak nalezen pr˚ useˇc´ık, staˇc´ı jen zjistit, zda leˇz´ı uvnitˇr troj´ uheln´ıku. Nejprve je vypoˇctena normála troj´ uheln´ıku jako vektorov´ y souˇcin vektor˚ u hran troj´ uheln´ıku:


27

Vector3 u = V1 - V0; Vector3 v = V2 - V0; Vector3 n = Vector3::cross(u, v);

Poté je pomoc´ı skalárn´ıho souˇcinu normály se smˇerov´ ym vektorem haptického pera urˇceno, zda paprsek prot´ıná rovinu. b = Vector3::dot(n,direction); if (fabs(b) < SMALL_NUM) {...}

Pokud je v´ ysledná hodnota nulová (menˇs´ı neˇz velmi malé ˇc´ıslo - vyhnut´ı se pˇreteˇcen´ı pˇri dˇelen´ı), znamená to, ˇze je smˇerov´ y vektor kolm´ y k normále troj´ uheln´ıku, tedy rovnobˇeˇzn´ y s rovinou troj´ uheln´ıku. Jakmile je zjiˇstˇeno, ˇze paprsek prot´ıná rovinu, vypoˇcte se pr˚ useˇc´ık následovnˇe: w0 = position - V0; a = - Vector3::dot(n,w0); r = a / b; Vector3 I = position + (direction * r);

Dále jiˇz zb´ yvá pouze zjistit, zda vypoˇcten´ y pr˚ useˇc´ık leˇz´ı uvnitˇr troj´ uheln´ıku. Definujeme si vektor w jako (I − V 0) a spoˇcteme barycentrické souˇradnice s a t, pˇriˇcemˇz w = su + tv. Odvozen´ı polohy pr˚ useˇc´ıku I pomoc´ı barycentrick´ ych souˇradnic s a t je znázornˇeno na Obr.3.3, kde V0 , V1 a V2 jsou vrcholy daného troj´ uheln´ıku, n normála troj´ uheln´ıku, u a v vektory hran troj´ uheln´ıku a bod P je poloha haptického pera.


28

Obrázek 3.3: Znázornˇen´ı v´ ypoˇctu pr˚ useˇc´ıku

Barycentrické souˇradnice vypoˇcteme podle vzorc˚ u

(u.v)(w.v) − (v.v)(w.u) (u.v)2 − (u.u)(v.v) (u.v)(w.u) − (u.u)(w.v) t= (u.v)2 − (u.u)(v.v)

s=

(3.1)

Pokud s ≥ 0, t ≥ 0 a zároveˇ n s + t ≤ 1, pr˚ useˇc´ık leˇz´ı uvnitˇr troj´ uheln´ıku. V programu je v´ ypoˇcet barycentrick´ ych souˇradnic implementován následovnˇe. float uu, uv, vv, wu, wv, D; uu = Vector3::dot(u,u); uv = Vector3::dot(u,v); vv = Vector3::dot(v,v); w = I - V0; wu = Vector3::dot(w,u); wv = Vector3::dot(w,v); D = uv * uv - uu * vv; float s, t; s = (uv * wv - vv * wu) / D;


29

if (s < 0.0 || s > 1.0) return 0; }

{

t = (uv * wu - uu * wv) / D; if (t < 0.0 || (s + t) > 1.0) return 0; }

// I je vne T

{ // I je vne T

Pokud je zjiˇstˇeno, ˇze existuje pr˚ useˇc´ık paprsku s troj´ uheln´ıkem, je uloˇzen do kontejneru typu vector s názvem intersections. V´ ypoˇ cet parametru t Po dokonˇcen´ı cyklu pro v´ ypoˇcet pr˚ useˇc´ık˚ u se vˇsemi troj´ uheln´ıky modelu je pro vˇsechny nalezené pr˚ useˇc´ıky, pokud nˇejaké existuj´ı, vypoˇcten parametr t podle parametrické rovnice pˇr´ımky:

− X = A + t.→ u ,

(3.2)

− kde X je nalezen´ y pr˚ useˇc´ık, A pozice pera a → u smˇerov´ y vektor pera. Rovnici staˇc´ı spoˇc´ıtat pouze pro x-ovou souˇradnici, parametr t mus´ı b´ yt pro vˇsechny souˇradnice stejn´ y. Z vypoˇc´ıtan´ ych parametr˚ u pr˚ useˇc´ık˚ u je vybrán nejmenˇs´ı a otestován, zda je menˇs´ı neˇz definovaná konstanta EPS T, která je rovna 0.02 a která oznaˇcuje nejvˇetˇs´ı moˇznou vzdálenost pera od povrchu modelu, pro kterou se provede v´ ypoˇcet silové zpˇetné vazby. Pokud parametr t splˇ nuje podm´ınku, je pouˇzit pro v´ ypoˇcet s´ıly. V´ ypoˇ cet s´ıly Jej´ı smˇer je urˇcen normálou troj´ uheln´ıku, která mus´ı b´ yt normalizována. V´ yslednou s´ılu vypoˇcteme podle vzorce: → − − F =→ n .(EP S T − |t|)2 .

1 , (EP S T )2

(3.3)

− kde → n je normála daného troj´ uheln´ıku a EP S T je jiˇz dˇr´ıve definovaná konstanta,


30

která je maximáln´ı hodnotou parametru |t|, pro kter´ y se provád´ı v´ ypoˇcet s´ıly. T´ım je zajiˇstˇeno postupné zvyˇsován´ı s´ıly pˇri pˇribliˇzován´ı haptického pera k modelu a to se zvyˇsuj´ıc´ı se rychlost´ı. Optimalizace v´ ypoˇ ctu s´ıly V´ ysledkem dosavadn´ıho postupu bylo velmi pomalé poˇc´ıtán´ı pr˚ useˇc´ık˚ u a tedy i v´ ysledné s´ıly. To jsem vylepˇsila tˇremi r˚ uzn´ ymi zp˚ usoby. Prvn´ı vylepˇsen´ı spoˇc´ıvá v tom, ˇze pokud byl v pˇredeˇslém poˇc´ıtán´ı pr˚ useˇc´ık˚ u nalezen nˇejak´ y dostateˇcnˇe bl´ızk´ y pr˚ useˇc´ık, je uloˇzen do pamˇeti troj´ uheln´ık, ve kterém se pr˚ useˇc´ık nacház´ı, a normála, která byla pro tento troj´ uheln´ık spoˇc´ıtána. Pˇri dalˇs´ım hledán´ı pr˚ useˇc´ık˚ u se nejprve zjist´ı, zda se paprsek pera prot´ıná se stále stejn´ ym troj´ uheln´ıkem, a také, zda je parametr t, vypoˇcten´ y pomoc´ı nového useˇc´ıky paprsku pr˚ useˇc´ıku, menˇs´ı neˇz EPS T. Pokud ano, nen´ı jiˇz tˇreba poˇc´ıtat pr˚ s ostatn´ımi troj´ uheln´ıky a s´ılu lze vypoˇc´ıst pouze na základˇe znalosti pˇredeˇslé normály a nového parametru t. Dalˇs´ı optimalizac´ı je u ´plné vynechán´ı v´ ypoˇctu s´ıly na 70 iterac´ı haptické smyˇcky, kdy z˚ ustane zachována pˇredeˇslá s´ıla. Také pokud bˇehem v´ ypoˇctu pr˚ useˇc´ık˚ u nen´ı ˇza´dn´ y nalezen, je k poˇctu iterac´ı, které se maj´ı vynechat, pˇriˇcteno 200 iterac´ı. Posledn´ı optimalizace spoˇc´ıvá v tom, ˇze je pˇred v´ ypoˇctem pr˚ useˇc´ıku pro kaˇzd´ y troj´ uheln´ık zkontrolováno, zda jeho prvn´ı vrchol v poˇrad´ı spadá do sféry o polomˇeru 0.05 se stˇredem na pozici haptického pera. To znamená, ˇze je pro kaˇzd´ y z tˇechto vrchol˚ u zjiˇstˇena jejich vzdálenost od pozice haptického pera, a pokud je menˇs´ı neˇz dan´ y polomˇer, je pro náleˇzej´ıc´ı troj´ uheln´ık proveden v´ ypoˇcet pr˚ useˇc´ıku s paprskem pera.


3.5.7

31

Vylepˇ sen´ eˇ reˇ sen´ı

Druh´ y zp˚ usob ˇreˇsen´ı detekce koliz´ı spoˇc´ıvá ve v´ ypoˇctu vzdálenost´ı tˇeˇziˇst’ vˇsech troj´ uheln´ık˚ u od polohy haptického pera. V´ ypoˇ cet tˇ eˇ ziˇ st’ troj´ uheln´ık˚ u Tˇeˇziˇstˇe vˇsech troj´ uheln´ık˚ u jsou spoˇc´ıtána pouze jednou na zaˇca´tku aplikace pˇri naˇc´ıtán´ı modelu, a to podle vzorce:

T =

V0+V1+V2 , 3

(3.4)

kde V 0, V 1 a V 2 jsou vrcholy daného troj´ uheln´ıku. Vzd´ alenost bod˚ u Poté je pro kaˇzd´ y troj´ uheln´ık spoˇc´ıtána vzdálenost jeho tˇeˇziˇstˇe od pozice haptického pera podle vzorce pro Eukleidovskou vzdálenost:

q D = (Tx − Px )2 + (Ty − Py )2 + (Tz − Pz )2 ,

(3.5)

kde T je tˇeˇziˇstˇe troj´ uheln´ıku a P poloha pera. Ze zjiˇstˇen´ ych vzdálenost´ı je vybrána ta nejmenˇs´ı. Pokud je tato hodnota menˇs´ı neˇz konstanta EPS T, která je zde rovna 0.025, je pro dan´ y troj´ uheln´ık vypoˇctena v´ ysledná s´ıla. V´ ypoˇ cet parametru t K v´ ypoˇctu s´ıly je opˇet potˇreba vypoˇc´ıst parametr t, kter´ y je zde urˇcen jako kolmá vzdálenost haptického pera od roviny troj´ uheln´ıku. Abychom mohli tuto vzdálenost spoˇc´ıtat, je tˇreba nejprve vytvoˇrit vektor z bodu troj´ uheln´ıku k bodu polohy haptického pera. Poté je jiˇz moˇzné vzdálenost spoˇc´ıtat jako skalárn´ı souˇcin vytvoˇreného vektoru s normálou roviny troj´ uheln´ıku. Velikost této vzdálenosti


32

bude rovna maximálnˇe EPS T. Aby se s´ıla postupnˇe zvyˇsovala i po proniknut´ı skrze model, kde je parametr t záporn´ y, je k nˇemu pˇriˇctena konstanta EPS T, takˇze hodnota v´ ysledného parametru je v rozmez´ı h0, 2 EPS T i . V´ ypoˇ cet norm´ aly Aby byla hmatová odezva co nejhladˇs´ı, je normála, která je pouˇzita k v´ ypoˇctu smˇeru s´ıly, vypoˇctena pomoc´ı barycentrick´ ych souˇradnic troj´ uheln´ıku, které urˇcuj´ı váhu normál vˇsech tˇr´ı vrchol˚ u. Nejprve je tˇreba vypoˇc´ıtat kolm´ y pr˚ umˇet polohy haptického pera do roviny troj´ uheln´ıku, tedy vlastnˇe pr˚ useˇc´ık roviny s pˇr´ımkou urˇcenou pozic´ı pera a opaˇcnou normálou roviny. Pro tento u ´ˇcel jsem pouˇzila jiˇz dˇr´ıve pouˇzitou a implementovanou metodu pro v´ ypoˇcet pr˚ useˇc´ıku paprsku s troj´ uheln´ıkem. Pokud v´ ysledn´ y pr˚ useˇc´ık neleˇz´ı uvnitˇr troj´ uheln´ıku, je jako normála urˇcuj´ıc´ı smˇer s´ıly pouˇzita normála vrcholu, kter´ y leˇz´ı nejbl´ıˇze pr˚ useˇc´ıku. Pokud se vˇsak pr˚ useˇc´ık nacház´ı uvnitˇr troj´ uheln´ıku, jsou spoˇcteny barycentrické souˇradnice podle vzorc˚ u:

A(p, q1 , q2 ) A(q0 , q1 , q2 ) A(p, q2 , q0 ) = A(q0 , q1 , q2 ) A(p, q0 , q1 ) = , A(q0 , q1 , q2 )

a0 = a1 a2

(3.6)

kde A(p, qi , qj ) je obsah troj´ uheln´ıku tvoˇreného vrcholy p, qi a qj , viz Obr.3.4. Jin´ y v´ ypoˇcet barycentrick´ ych souˇradnic neˇz v kapitole 3.5.6 je zde zvolen z d˚ uvodu, ˇze je potˇreba tˇr´ı souˇradnic, z nichˇz kaˇzdá je pouˇzita jako váhov´ y koeficient normály jednoho z vrchol˚ u troj´ uheln´ıka pˇri v´ ypoˇctu v´ ysledné normály. V´ ysledkem pˇredchoz´ıho v´ ypoˇctu barycentrick´ ych souˇradnic byly pouze dvˇe souˇradnice a slouˇzily jako váhové koeficienty vektor˚ u hran troj´ uheln´ıku pro urˇcen´ı polohy bodu uvnitˇr nebo vnˇe troj´ uheln´ıku.


33 q2

p

q1

q0

Obrázek 3.4: Ukázka rozdˇelen´ı troj´ uheln´ıku pro v´ ypoˇcet barycentrick´ ych souˇradnic Tyto souˇradnice urˇcuj´ı relativn´ı polohu pr˚ useˇc´ıku vzhledem k vrchol˚ um troj´ uheln´ıku. Jsou to tedy váhové koeficienty, které jsou pouˇzity pro v´ ypoˇcet v´ ysledné normály: → − − − − n = a0 → n0 + a1 → n 1 + a2 → n2

(3.7)

V´ ypoˇ cet s´ıly Silová zpˇetná vazba je spoˇctena podle vzorce (s max. velikost´ı s´ıly 1.6 N):

→ − − F =→ n .(2EP S T − t)2 .

1 .1.6 , (2EP S T )2

(3.8)

− kde → n je normála daného troj´ uheln´ıku a 2EP S T je maximáln´ı hodnota parametru t. Optimalizace Aby byl v´ ypoˇcet s´ıly rychlejˇs´ı, je v programu provedeno následuj´ıc´ı vylepˇsen´ı. Pokud nen´ı ˇza´dná z vypoˇc´ıtan´ ych kolm´ ych vzdálenost´ı haptického pera od roviny troj´ uheln´ıku menˇs´ı neˇz EPS T, pˇriˇcte se k iterac´ım, kdy se nepoˇc´ıtá nová s´ıla, 200 iterac´ı. Po spoˇc´ıtán´ı s´ıly jsou také pˇridány tˇri dalˇs´ı iterace, bˇehem kter´ ych se nepoˇc´ıtá nová s´ıla.

4 Uˇzivatelské testy

4

34

Uˇ zivatelsk´ e testy

V´ ysledky své práce jsem pˇredloˇzila k otestován´ı skupinˇe uˇzivatel˚ u, kteˇr´ı zároveˇ n vyplnili pˇripraven´ y dotazn´ık - viz pˇr´ıloha. Testy zahrnovaly pˇreváˇznˇe ukázky z vyˇsˇs´ı knihovny HLAPI. Nejprve byl uˇzivatel˚ um spuˇstˇen program bez grafické vizualizace, pouze s vykreslen´ ym 3D kurzorem, aby mˇel uˇzivatel pˇribliˇznou pˇredstavu, v jaké ˇcásti OpenGL projekce se haptické pero nacház´ı - viz Obr.4.1. V tomto programu byl bud’ hapticky vyrenderován deformovan´ y elipsoid nebo lidská hlava s obliˇcejem. Uˇzivatelé mˇeli poznat, zda je ohmatávan´ y model modelem hlavy ˇci ne, a urˇcit, do jaké m´ıry je to poznat.

Obrázek 4.1: Ukázka aplikace urˇcené pro uˇzivatelské testy bez grafické vizualizace, pouze s vykreslen´ ym 3D kurzorem

V dalˇs´ı ˇca´sti testu jiˇz byl uˇzivateli zobrazen model hlavy a uˇzivatel mˇel na základˇe hmatového dojmu urˇcit, zda má tento model vlasy a vousy - viz Obr.4.2. Pro kaˇzd´ y z tˇechto materiál˚ u pak byla v dotazn´ıku poloˇzena otázka, na kolik je materiál podobn´ y realitˇe.


35

Obrázek 4.2: Ukázka aplikace urˇcené pro uˇzivatelské testy, kde je zobrazen a ohmatáván model lidské hlavy

Dále byla uˇzivatel˚ um najednou spuˇstˇena dvˇe okna. V jednom byly zobrazeny dva modely, model hlavy muˇze a model hlavy ˇzeny - viz Obr.4.3. V druhém oknˇe byl zobrazen pouze kurzor a byl zde hapticky vyrenderován jeden ze zobrazen´ ych model˚ u z prvn´ıho okna. Uˇzivatelé mˇeli poznat, kter´ y ze zobrazen´ ych model˚ u ohmatávaj´ı, a opˇet urˇcit, nakolik je to poznat. Posledn´ı ˇca´st´ı uˇzivatelského testu bylo ohodnocen´ı vˇerohodnosti ohmatáván´ı modelu hlavy v aplikaci vytvoˇrené za pouˇzit´ı niˇzˇs´ı knihovny HDAPI a detekce koliz´ı pomoc´ı poˇc´ıtán´ı tˇeˇziˇst’.


36

Obrázek 4.3: Ukázka aplikace urˇcené pro uˇzivatelské testy, kde jsou zobrazeny modely hlav muˇze a ˇzeny

4.1

V´ ysledky

Uˇzivatelsk´ ych test˚ u se z´ uˇcastnilo celkem 21 uˇzivatel˚ u. Kaˇzd´ yu ´ˇcastn´ık vyplnil pˇripraven´ y dotazn´ık. Vyhodnocen´ım vˇsech dotazn´ık˚ u jsem dospˇela k následuj´ıc´ım závˇer˚ um. V prvn´ı aplikaci, kdy uˇzivatelé nevidˇeli ohmatávan´ y model, byl virtuáln´ım objektem deformovan´ y elipsoid. Poznalo to pˇribliˇznˇe 57% vˇsech dotázan´ ych viz Obr.4.4. Takto mal´ y poˇcet správn´ ych odpovˇed´ı m˚ uˇze b´ yt zp˚ usoben t´ım, ˇze nˇekteˇr´ı uˇzivatelé si pod modelem lidské hlavy mohli pˇredstavovat pouze jej´ı tvar bez pˇr´ıtomnosti obliˇceje. Druhou otázku k této aplikaci, kde mˇeli uˇzivatelé urˇcit, do jaké m´ıry je poznat, co ohmatávaj´ı, jsem vyhodnotila zvláˇst’ pro uˇzivatele se správnou a se ˇspatnou odpovˇed´ı, aby bylo zˇrejmé, která skupinka si svou odpovˇed´ı byla v´ıce jistá. Z Obr.4.5 a Obr.4.6 je patrné, ˇze vˇetˇsina uˇzivatel˚ u se ˇspatnou odpovˇed´ı ohodnotila m´ıru své jistoty ˇc´ıslem 2. Naproti tomu uˇzivatelé se správnou odpovˇed´ı vˇetˇsinou zakrouˇzkovali ˇc´ıslo 3 nebo 4, z ˇcehoˇz je moˇzné usoudit, ˇze si svou odpovˇed´ı byli o nˇeco jistˇejˇs´ı.


100

37

Otázka č.1 - Identifikace modelu hlavy

80 57,14

60 [%]

42,86 40 20 0 špatně

správně Odpověď

Obrázek 4.4: Pˇri ohmatáván´ı deformovaného elipsoidu dosahovala u ´spˇeˇsnost pˇribliˇznˇe 57%

100 80

Otázka č.1 - Jistota respondentů se špatnou odpovědí 55,56

60 [%] 40

22,22 20

11,11

11,11 0,00

0 1

2

3

4

5

Hodnocení

Obrázek 4.5: Percentuáln´ı rozdˇelen´ı respondent˚ u podle m´ıry jejich jistoty pˇri ˇspatné odpovˇedi na prvn´ı otázku, pˇriˇcemˇz 1 - málo, 5 - velmi


100 80

38

Otázka č.1 - Jistota respondentů se správnou odpovědí

60 [%] 40 20

33,33

33,33

16,67 8,33

8,33

0 1

2

3

4

5

Hodnocení

Obrázek 4.6: Percentuáln´ı rozdˇelen´ı respondent˚ u podle m´ıry jejich jistoty pˇri správné odpovˇedi na prvn´ı otázku, pˇriˇcemˇz 1 - málo, 5 - velmi

Z v´ ysledk˚ u otázky t´ ykaj´ıc´ı se druhé aplikace, která byla u ´plnˇe stejná jako ta prvn´ı s jedin´ ym rozd´ılem, ˇze uˇzivatelé tentokrát ohmatávali model lidské hlavy, je patrné, ˇze model poznalo jiˇz v´ıce uˇzivatel˚ u, a to témˇeˇr 81% - viz Obr.4.7. Velk´ y rozd´ıl v´ ysledk˚ u prvn´ı a druhé aplikace dokazuje, ˇze vˇetˇsina uˇzivatel˚ u si jiˇz u druhého modelu uvˇedomila, ˇze souˇca´st´ı modelu lidské hlavy by mˇel b´ yt i obliˇcej. Stejnˇe jako u v´ ysledk˚ u prvn´ı aplikace jsem i zde rozdˇelila vyhodnocen´ı otázky, kde mˇeli uˇzivatelé ohodnotit, do jaké m´ıry je to poznat, mezi uˇzivatele se ˇspatnou a se správnou odpovˇed´ı. I zde m˚ uˇzeme usoudit na základˇe Obr.4.8 a Obr.4.9, ˇze uˇzivatelé, kteˇr´ı odpovˇedˇeli správnˇe, si svou odpovˇed´ı byli v´ıce jisti, neˇz ti, kteˇr´ı nepoznali, ˇze jde o model lidské hlavy.


100

39

Otázka č.2 - Identifikace modelu hlavy 80,95

80 60 [%] 40 19,05 20 0 správně

špatně Odpověď

Obrázek 4.7: Pˇri ohmatáván´ı modelu hlavy dosahovala u ´spˇeˇsnost témˇeˇr 81%

100 80

Otázka č.2 - Jistota respondentů se špatnou odpovědí

60

50,00

50,00

[%] 40 20 0,00

0,00

0,00

4

5

0 1

2

3 Hodnocení

Obrázek 4.8: Percentuáln´ı rozdˇelen´ı respondent˚ u podle m´ıry jejich jistoty pˇri ˇspatné odpovˇedi na druhou otázku, pˇriˇcemˇz 1 - málo, 5 - velmi


100 80

40


60 [%] 35,29

40

29,41 17,65

20

17,65

0,00 0 1

2

3

4

5

Hodnocení

Obrázek 4.9: Percentuáln´ı rozdˇelen´ı respondent˚ u podle m´ıry jejich jistoty pˇri správné odpovˇedi na druhou otázku, pˇriˇcemˇz 1 - málo, 5 - velmi

U tˇret´ı aˇz páté aplikace mˇeli uˇzivatelé za u ´kol poznat, zda má ohmatávan´ y model vlasy a vousy. V´ ysledky jsem shrnula tak, ˇze jsem uˇzivatele rozdˇelila podle toho, zda u vˇsech tˇr´ı aplikac´ı správnˇe rozeznali pˇr´ıtomnost vlas˚ u ˇci vous˚ u nebo ne. V´ ysledky jak pro vlasy tak pro vousy jsou pˇrekvapivˇe podobné. U vˇsech tˇr´ı aplikac´ı poznalo správnˇe pˇr´ıtomnost vlas˚ u témˇeˇr 83% a vous˚ u taktéˇz témˇeˇr 83% respondent˚ u - viz Obr.4.10 a Obr.4.11.


100 80

41

Otázka č.3-5 - Rozpoznání přítomnosti 82,54 vlasů

60 [%] 40 17,46

20 0 správně

špatně Odpověď

Obrázek 4.10: Pˇr´ıtomnost vlas˚ u na modelu hlavy poznalo témˇeˇr 83% respondent˚ u

100 80

Otázka č.3-5 - Rozpoznání přítomnosti 82,54 vousů

60 [%] 40 17,46

20 0 správně

špatně Odpověď

Obrázek 4.11: Pˇr´ıtomnost vous˚ u na modelu hlavy poznalo témˇeˇr 83% respondent˚ u


42

V ˇsesté aplikaci mˇeli uˇzivatelé ohodnotit vˇerohodnost jednotliv´ ych materiál˚ u. Nejlépe byla hodnocena k˚ uˇze - viz Obr.4.14. V´ ysledky hodnocen´ı vlas˚ u se podezˇrele podobaj´ı normáln´ımu rozdˇelen´ı - viz Obr.4.12. Nejh˚ uˇre vˇsak dopadlo ohodnocen´ı vous˚ u - viz Obr.4.13. Mysl´ım, ˇze se zde nen´ı ˇcemu divit, jelikoˇz materiály bylo moˇzné nastavit pouze mˇenˇen´ım ˇctyˇr r˚ uzn´ ych vlastnost´ı.

100 80

Otázka č.6 - Ohodnocení věrohodnosti vlasů

60 [%] 40

33,33 23,81

20

23,81

9,52

9,52

0 1

2

3

4

5

Hodnocení

Obrázek 4.12: Percentuáln´ı rozdˇelen´ı respondent˚ u podle hodnocen´ı vˇerohodnosti vlas˚ u, pˇriˇcemˇz 1 - nejménˇe vˇerohodné, 5 - nejv´ıce vˇerohodné


100 80

43

Otázka č.6 - Ohodnocení věrohodnosti vousů

60 [%]

42,86 40 20

14,29

9,52

19,05

14,29

0 1

2

3

4

5

Hodnocení

Obrázek 4.13: Percentuáln´ı rozdˇelen´ı respondent˚ u podle hodnocen´ı vˇerohodnosti vous˚ u, pˇriˇcemˇz 1 - nejménˇe vˇerohodné, 5 - nejv´ıce vˇerohodné

100 80

Otázka č.6 - Ohodnocení věrohodnosti kůže

60 [%]

42,86 40

28,57 19,05

20

9,52 0,00

0 1

2

3

4

5

Hodnocení

Obrázek 4.14: Percentuáln´ı rozdˇelen´ı respondent˚ u podle hodnocen´ı vˇerohodnosti k˚ uˇze, pˇriˇcemˇz 1 - nejménˇe vˇerohodné, 5 - nejv´ıce vˇerohodné


44

U sedmé aplikace uˇzivatelé urˇcovali na základˇe obrazového podkladu, zda ohmatávaj´ı hlavu muˇze nebo ˇzeny. Správnou odpovˇed´ı bylo, ˇze virtuáln´ım modelem je model ˇzeny. Poznalo to témˇeˇr 67% respondent˚ u. Z Obr.4.16 a Obr.4.17 vˇsak vypl´ yvá, ˇze at’ odpovˇedˇeli uˇzivatelé správnˇe ˇci ˇspatnˇe, ani v jednom pˇr´ıpadˇe si t´ım nebyli vˇetˇsinou pˇr´ıliˇs jisti.

100 80

Otázka č.7 - Identifikace hlavy muže/ženy 66,67

60 [%] 40

33,33

20 0 MUŽ - špatně

ŽENA - správně Odpověď

Obrázek 4.15: Pˇri ohmatáván´ı modelu ˇzenské hlavy dosahovala u ´spˇeˇsnost témˇeˇr 67%


100 80

45

Otázka č.7 - Jistota respondentů se špatnou odpovědí

60 [%]

42,86 40

28,57

20

14,29

14,29

4

5

0,00 0 1

2

3 Hodnocení

Obrázek 4.16: Percentuáln´ı rozdˇelen´ı respondent˚ u podle m´ıry jejich jistoty pˇri ˇspatné odpovˇedi na sedmou otázku, pˇriˇcemˇz 1 - málo, 5 - velmi

100 80


60 [%] 35,71

40 21,43 20

21,43

14,29 7,14

0 1

2

3

4

5

Hodnocení

Obrázek 4.17: Percentuáln´ı rozdˇelen´ı respondent˚ u podle m´ıry jejich jistoty pˇri správné odpovˇedi na sedmou otázku, pˇriˇcemˇz 1 - málo, 5 - velmi


46

U osmé aplikace uˇzivatelé hodnotili vˇerohodnost aplikace pouˇz´ıvaj´ıc´ı niˇzˇs´ı knihovnu HDAPI. Z v´ ysledk˚ u nen´ı patrné, ˇze by se uˇzivatelé na ohodnocen´ı shodovali - viz Obr.4.18.

100 80

Otázka č.8 - Ohodnocení aplikace používající nižší knihovnu HDAPI

60 [%] 40

28,57

28,57 19,05

20

14,29

9,52

0 1

2

3

4

5

Hodnocení

Obrázek 4.18: Percentuáln´ı rozdˇelen´ı respondent˚ u podle hodnocen´ı vˇerohodnosti aplikace pouˇz´ıvaj´ıc´ı knihovnu HDAPI, pˇriˇcemˇz 1 - nejménˇe vˇerohodné, 5 - nejv´ıce vˇerohodné

5 Závˇer

5

47

Z´ avˇ er

V´ ysledkem mé práce jsou tˇri r˚ uzné aplikace pro ohmatáván´ı 3D model˚ u hlav. Jedna za pouˇzit´ı knihovny HLAPI a druhé dvˇe za pouˇzit´ı niˇzˇs´ı knihovny HDAPI pouze s rozd´ılnou detekc´ı koliz´ı a v´ ypoˇctem silové zpˇetné vazby. Po srovnán´ı tˇechto aplikac´ı jsem doˇsla k závˇeru, ˇze nejvˇerohodnˇejˇs´ıho ohmatáván´ı dosahuje prvn´ı aplikace. Je to dáno t´ım, ˇze jsou v HLAPI jiˇz vestavˇené efektivn´ı algoritmy pro detekci koliz´ı a v´ ypoˇcet s´ıly. Proto jsem se mohla vˇenovat i nastaven´ı vlastnost´ı materiál˚ u. Niˇzˇs´ı knihovna má podle mého názoru vˇsak vysok´ y potenciál v tom, ˇze je zde moˇzné nastaven´ı vlastn´ı s´ıly, a tedy snad i vˇerohodnˇejˇs´ı hmatové odezvy materiál˚ u. Aplikace vytvoˇrené v niˇzˇs´ı knihovnˇe se také velmi liˇs´ı. V programu obsahuj´ıc´ım v´ ypoˇcet tˇeˇziˇst’ je haptická smyˇcka mnohem rychlejˇs´ı, prob´ıhá proto ˇcastˇeji a v´ ysledn´ y dojem silové zpˇetné vazby je mnohem spojitˇejˇs´ı neˇz u druhé aplikace. V´ yslednou aplikaci v niˇzˇs´ı knihovnˇe by bylo moˇzné pro dokonalejˇs´ı hmatovou odezvu vylepˇsit následovnˇe. Bylo by tˇreba zde vytvoˇrit systém, kter´ y nedovol´ı uˇzivateli proniknout haptick´ ym perem dovnitˇr modelu. Vhodn´ ym ˇreˇsen´ım by byla implementace systému pruˇziny a tlumiˇce, jako je tomu u vyˇsˇs´ı knihovny HLAPI, viz kapitola 3.1.3.

Seznam obrázk˚ u

48

Seznam obr´ azk˚ u 2.1 2.2 3.1 3.2 3.3 3.4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14

Haptické zaˇr´ızen´ı PHANTOM Omni [Zdroj: www.sensable.com] . 2 Uspoˇrádán´ı jednotliv´ ych knihoven v OpenHaptics . . . . . . . . . 4 Znázornˇen´ı proxy bodu [Zdroj: http://geomagic.com/files/4013/ 4851/4367/OpenHaptics_ProgGuide.pdf] . . . . . . . . . . . . . 9 Typická struktura HL programu [Zdroj: http://geomagic.com/ files/4013/4851/4367/OpenHaptics_ProgGuide.pdf] . . . . . . 10 Znázornˇen´ı v´ ypoˇctu pr˚ useˇc´ıku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Ukázka rozdˇelen´ı troj´ uheln´ıku pro v´ ypoˇcet barycentrick´ ych souˇradnic 33 Ukázka aplikace urˇcené pro uˇzivatelské testy bez grafické vizualizace, pouze s vykreslen´ ym 3D kurzorem . . . . . . . . . . . . . . 34 Ukázka aplikace urˇcené pro uˇzivatelské testy, kde je zobrazen a ohmatáván model lidské hlavy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Ukázka aplikace urˇcené pro uˇzivatelské testy, kde jsou zobrazeny modely hlav muˇze a ˇzeny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Pˇri ohmatáván´ı deformovaného elipsoidu dosahovala u ´spˇeˇsnost pˇribliˇznˇe 57% . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Percentuáln´ı rozdˇelen´ı respondent˚ u podle m´ıry jejich jistoty pˇri ˇspatné odpovˇedi na prvn´ı otázku, pˇriˇcemˇz 1 - málo, 5 - velmi . . 37 Percentuáln´ı rozdˇelen´ı respondent˚ u podle m´ıry jejich jistoty pˇri správné odpovˇedi na prvn´ı otázku, pˇriˇcemˇz 1 - málo, 5 - velmi . . 38 Pˇri ohmatáván´ı modelu hlavy dosahovala u ´spˇeˇsnost témˇeˇr 81% . . 39 Percentuáln´ı rozdˇelen´ı respondent˚ u podle m´ıry jejich jistoty pˇri ˇspatné odpovˇedi na druhou otázku, pˇriˇcemˇz 1 - málo, 5 - velmi . 39 Percentuáln´ı rozdˇelen´ı respondent˚ u podle m´ıry jejich jistoty pˇri správné odpovˇedi na druhou otázku, pˇriˇcemˇz 1 - málo, 5 - velmi . 40 Pˇr´ıtomnost vlas˚ u na modelu hlavy poznalo témˇeˇr 83% respondent˚ u 41 Pˇr´ıtomnost vous˚ u na modelu hlavy poznalo témˇeˇr 83% respondent˚ u 41 Percentuáln´ı rozdˇelen´ı respondent˚ u podle hodnocen´ı vˇerohodnosti vlas˚ u, pˇriˇcemˇz 1 - nejménˇe vˇerohodné, 5 - nejv´ıce vˇerohodné . . . 42 Percentuáln´ı rozdˇelen´ı respondent˚ u podle hodnocen´ı vˇerohodnosti vous˚ u, pˇriˇcemˇz 1 - nejménˇe vˇerohodné, 5 - nejv´ıce vˇerohodné . . . 43 Percentuáln´ı rozdˇelen´ı respondent˚ u podle hodnocen´ı vˇerohodnosti k˚ uˇze, pˇriˇcemˇz 1 - nejménˇe vˇerohodné, 5 - nejv´ıce vˇerohodné . . . . 43

Seznam obrázk˚ u

4.15 Pˇri ohmatáván´ı modelu ˇzenské hlavy dosahovala u ´spˇeˇsnost témˇeˇr 67% . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.16 Percentuáln´ı rozdˇelen´ı respondent˚ u podle m´ıry jejich jistoty pˇri ˇspatné odpovˇedi na sedmou otázku, pˇriˇcemˇz 1 - málo, 5 - velmi . 4.17 Percentuáln´ı rozdˇelen´ı respondent˚ u podle m´ıry jejich jistoty pˇri správné odpovˇedi na sedmou otázku, pˇriˇcemˇz 1 - málo, 5 - velmi . 4.18 Percentuáln´ı rozdˇelen´ı respondent˚ u podle hodnocen´ı vˇerohodnosti aplikace pouˇz´ıvaj´ıc´ı knihovnu HDAPI, pˇriˇcemˇz 1 - nejménˇe vˇerohodné, 5 - nejv´ıce vˇerohodné . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

44 45 45

46

Reference

50

Reference [1] CHAI 3D. [online]. 2012. [cit. 2013-05-10]. Dostupné na: http://www.chai3d.org/ [2] Force Dimension. Chai3D overview [online]. 2012. [cit. 2013-01-03]. Dostupné na: http://www.forcedimension.com/chai3d-overview [3] Senasable Technologies. PHANTOM Omni haptic device [online]. 2012. [cit. 2013-01-03]. Dostupné na: http://www.sensable.com/haptic-phantom-omni.htm [4] Senasable Technologies. OpenHaptics Toolkit [online]. 2013. [cit. 2013-05-10]. Dostupné na: http://geomagic.com/en/products/open-haptics/overview [5] MARTÍNEK Petr. Programové vybaven´ı pro sestavován´ı identikit˚ u, diplomová práce, Západoˇceská univerzita v Plzni, 2012 [6] WEISSTEIN, Eric W. Quicksort. [online]. 2013 [cit. 2013-05-10]. Dostupné na: http://mathworld.wolfram.com/Quicksort.html [7] SUNDAY Dan. Intersections of Rays and Triangles(3D). [online]. 2013 [cit. 2013-05-10]. Dostupné na: http://geomalgorithms.com/a06- intersect-2.html [8] SensAble Technologies. Openhaptics toolkit - Programmer’s guide [online]. 2013 [cit. 2013-05-10]. Dostupné na: http://www.geomagic.com/files/4013/4851/4367/OpenHaptics ProgGuide.pdf [9] CASILLAS Miguel. Half-Space Test [online]. 2010-06-15 [cit. 2013-05-10]. Dostupné na: http://www.miguelcasillas.com/?p=43 ´ ´ Martina. Multimorphing - Barycentrické souˇradnice v n-´ [10] MALKOV A uheln´ıku [online]. 2013 [cit. 2013-05-10]. Dostupné na: http://home.zcu.cz/ mmalkov/index.php?stranka=multimorphing

A

Pˇ r´ıloha - dotazn´ık Věk: ….

Je váš obor informatika?

Vyšší knihovna HL

1) Je ohmatávaný model modelem lidské hlavy? Do jaké míry je to poznat? : (1 – málo, 5 – velmi)

1 2

1 2

ANO

NE

ANO

NE

Student: ANO

3 4 5

2) Je ohmatávaný model modelem lidské hlavy? Do jaké míry je to poznat? : (1 – málo, 5 – velmi)

Pohlaví: M – Ž

3 4 5

3) Má ohmatávaný model hlavy vousy?

ANO

NE

Má ohmatávaný model hlavy vlasy?

ANO

NE


ANO

NE


ANO

NE


ANO

NE


ANO

NE

6) Ohodnoťte věrohodnost materiálů (1 – nejméně věrohodné, 5 – nejvíce věrohodné): Vlasy: 1 2 3 4 5 Vousy:

1 2 3 4 5

Kůže:

1 2 3 4 5

7) Který ze zobrazených modelů myslíte, že ohmatáváte, mužskou nebo ženskou hlavu? MUŽE

ŽENU

Do jaké míry je to poznat? : (1 – málo, 5 – velmi)

1 2

3 4 5

Nižší knihovna HD 8) Ohodnoťte ohmatávání modelu hlavy (1 – nejméně věrohodné, 5 – nejvíce věrohodné): 1

2

3 4 5

NE

Západočeská univerzita v Plzni Fakulta aplikovaných věd Katedra informatiky a výpočetní techniky. haptického pera

Recommend Documents