Ideazione di sistemi distribuiti collaborativi basati su realta aumentata mobile: Un caso di studio, con approfondimento relativo al livello della cooperazione

Dall'inizio del nuovo millennio lo sviluppo di tecnologie nel campo del mobile computing, della rete internet, lo sviluppo dell'Internet of things e pure il cloud computing hanno reso possibile l'innovazione dei metodi di lavoro e collaborazione. L'evoluzione del mobile computing e della realtà aumentata che sta avvenendo in tempi più recenti apre potenzialmente nuovi orizzonti nello sviluppo di sistemi distribuiti collaborativi. Esistono oggi diversi framework a supporto della realtà aumentata, Wikitude, Metaio, Layar, ma l'interesse primario di queste librerie è quello di fornire una serie di API fondamentali per il rendering di immagini 3D attraverso i dispositivi, per lo studio dello spazio in cui inserire queste immagini e per il riconoscimento di marker. Questo tipo di funzionalità sono state un grande passo per quanto riguarda la Computer Graphics e la realtà aumentata chiaramente, però aprono la strada ad una Augmented Reality(AR) ancora più aumentata. Questa tesi si propone proprio di presentare l'ideazione, l'analisi, la progettazione e la prototipazione di un sistema distribuito situato a supporto della collaborazione basato su realtà aumentata. Lo studio di questa applicazione vuole mettere in luce molti aspetti innovativi e che ancora oggi non sono stati approfonditi né tanto meno sviluppati come API o forniti da librerie riguardo alla realtà aumentata e alle sue possibili applicazioni.

Ideazione di sistemi distribuiti collaborativi basati su realta aumentata mobile: un caso di studio, con approfondimento relativo all'interfaccia utente

L'obiettivo di questa tesi è quello di esplorare l'ideazione di sistemi software collaborativi innovativi basati su smart-glasses e forme di realtà aumentata mobile. In particolare, è stato formulato un caso di studio che cattura alcuni aspetti essenziali di questi sistemi: un'applicazione nel quale più utenti dotati di smart glasses si muovono in una zona precisa cercando di raggiungere tutti i punti d'interesse preimpostati in fase di inizializzazione e ottendendo le ricompense contenute dentro agli scrigni situati nei suddetti punti. Lo specifico caso di studio si occupa di approfondire gli aspetti relativi all'Interfaccia Utente, mentre precedentemente erano state affrontate le parti riguardanti la comunicazione e la cooperazione. L'applicazione è location-based e si serve delle tecniche di geolocalizzazione GPS ed è hands-free perché l'interfaccia grafica è mostrata all'utente tramite lo schermo degli smart-glasses.

Progettazione e sviluppo di applicazioni di augmented reality interattive

Nel 2011, circa 5 milioni di persone usavano regolarmente applicativi mobi-le basati su qualche forma di realtà aumentata. Secondo alcune previsioni entro il 2020 servizi che sfruttano questa tecnologia avranno una base di utenti che rasenta un settimo della popolazione mondiale, rendendo di fatto la realtà aumentata l’ottavo mezzo di comunicazione di massa dopo la stampa, l’audio registrato, il cinema, la radio, la televisione, internet ed infine i servizi multimediali mobile. La tesi si propone di illustrare le caratteristiche di questa tecnologia distinguendo varie tecniche e strumenti a disposizione degli sviluppatori per costruire l’esperienza di augmented reality. Entrando nel merito dello sviluppo software si analizza una architettura di riferimento proposta per sistemi di realtà aumentata e pattern per lo sviluppo dei diversi componenti. Infine vengono confrontati gli SDK oggi più diffusi cercando di evidenziarne caratteristiche comuni e peculiarità.

Progettazione e realizzazione di uno smart distributed system per il controllo degli accessi in ambito aziendale

Il lavoro svolto è dedicato alla realizzazione ed implementazione di un sistema distribuito "smart" per il controllo degli accessi. Il progetto sviluppato è inquadrato nel contesto di "SPOT Software", che necessita di migliorare il processo aziendale di controllo accessi e gestione presenze al fine di aumentarne usabilità ed efficienza. Saranno affrontate in generale le tematiche di Internet of Things, Smart Building, Smart City e sistemi embedded, approfondendo il ruolo delle tecnologie di comunicazione NFC e BLE, al centro di questo lavoro. Successivamente sarà discussa la progettazione di ognuno dei tre nodi del sistema, motivando le scelte tecnologiche e progettuali: Web application, Smart device e Smartphone app.

The road to augmented reality: a comprehensive study of hardware and applications over the last ten years

Augmented reality has been growing extensively over the years in all aspects and multiple fields. My aim in this paper is to present a comprehensive study on augmented reality(AR) hardware and its applications from early developments to the possible future trends. Particularly my research is more focused on last 11 years(2012-2022), where I systematically reviewed 30 research papers per year to get a clear knowledge on trends of AR. A total of 330 publications were reviewed and grouped according to their application. The review's main contribution is to show the entire landscape of AR research and to provide a broad view of how it has evolved. Along with various AR glasses history and specifications are presented in detail. In the penultimate chapter I explained my methodology of research following my analysis from the past to the present along with my thoughts for the future. To conclude my study, In the final chapter I made some statements about possible future with AR, VR and XR(extended reality).

Enhanced switchgear connection testing through augmented reality: early developments

Augmented reality is an emerging field of interactive design in which virtual material is seamlessly blended with displays of real world environments. The tremendous potential of augmented reality has begun to be explored with the emergence of personal mobile devices capable of constructing engaging augmented reality experiences. This work is part of a project aiming at using augmented reality goggles to bring advance information to the user interacting with switch-gear during automation cabling. In particular we will be focusing on the recognition and definition of the figures of the component on the AR device. In this part we are using standard camera that allows us to get real images and helps us to localize the gearbox in space through ARUCO marker and we can exploit in order to re-project the actual shape of the component that are currently interested in manipulation by exploiting the data provided by the database. The experiments are carried out using the camera to get the images of the real world switch-gear and re-project those images with the component superimposed on it. Using transforms of the database we did localization to re-project the rendered image of component exactly on the real world component, which can be further integrated in AR goggles to see the component superimposed in real-time.

Augmented Reality for Airport Control Tower: Analysis and Implementation of Safety Nets

With the development of new technologies, Air Traffic Control, in the nearby of the airport, switched from a purely visual control to the use of radar, sensors and so on. As the industry is switching to the so-called Industry 4.0, also in this frame, it would be possible to implement some of the new tools that can facilitate the work of Air Traffic Controllers. The European Union proposed an innovative project to help the digitalization of the European Sky by means of the Single European Sky ATM Research (SESAR) program, which is the foundation on which the Single European Sky (SES) is based, in order to improve the already existing technologies to transform Air Traffic Management in Europe. Within this frame, the Resilient Synthetic Vision for Advanced Control Tower Air Navigation Service Provision (RETINA) project, which saw the light in 2016, studied the possibility to apply new tools within the conventional control tower to reduce the air traffic controller workload, thanks to the improvements in the augmented reality technologies. After the validation of RETINA, the Digital Technologies for Tower (DTT) project was established and the solution proposed by the University of Bologna aimed, among other things, to introduce Safety Nets in a Head-Up visualization. The aim of this thesis is to analyze the Safety Nets in use within the control tower and, by developing a working concept, implement them in a Head-Up view to be tested by Air Traffic Control Operators (ATCOs). The results, coming from the technical test, show that this concept is working and it could be leading to a future implementation in a real environment, as it improves the air traffic controller working conditions also when low visibility conditions apply.

Ideazione di sistemi distribuiti collaborativi basati realta aumentata mobile: un caso di studio, con approfondimento relativo al livello delle comunicazioni

Il grande sviluppo a cui stiamo assistendo negli ultimi anni nell'ambito delle tecnologie mobile e del wearable computing apre le porte a scenari innovativi e interessanti per quanto riguarda sistemi distribuiti collaborativi. Le persone possono sempre più facilmente cooperare e scambiarsi informazioni grazie a queste nuove tecnologie e si può pensare allo sviluppo di sistemi che permettano forme molto avanzate di collaborazione facendo leva sull'aspetto hands-free, ovvero sulla possibilità di utilizzare dispositivi che liberino le mani, come i moderni smart-glasses. Per lo sviluppo di tali sistemi è necessario però studiare nuove tecniche e architetture, in quanto gli strumenti ad oggi a disposizione a supporto della realtà aumentata non sembrano essere del tutto adeguati per tale scopo. Infatti piattaforme come Wikitude o Layar, seppure offrano potenti tecniche di riconoscimento di markers e immagini e di rendering, non offrono quella dinamicità fondamentale per un sistema distribuito collaborativo. Questo scritto ha lo scopo di esplorare questi aspetti mediante l'ideazione, l'analisi, la progettazione e la prototipazione di un semplice caso di studio ispirato a sistemi collaborativi distribuiti basati su realtà aumentata. In particolare in questo lavoro si porrà l'attenzione sul livello delle comunicazioni e delle infrastrutture di rete.

An Embedded In-Cabin Lightweight High-Performance 3D Gaze Estimation System

Gaze estimation has gained interest in recent years for being an important cue to obtain information about the internal cognitive state of humans. Regardless of whether it is the 3D gaze vector or the point of gaze (PoG), gaze estimation has been applied in various fields, such as: human robot interaction, augmented reality, medicine, aviation and automotive. In the latter field, as part of Advanced Driver-Assistance Systems (ADAS), it allows the development of cutting-edge systems capable of mitigating road accidents by monitoring driver distraction. Gaze estimation can be also used to enhance the driving experience, for instance, autonomous driving. It also can improve comfort with augmented reality components capable of being commanded by the driver's eyes. Although, several high-performance real-time inference works already exist, just a few are capable of working with only a RGB camera on computationally constrained devices, such as a microcontroller. This work aims to develop a low-cost, efficient and high-performance embedded system capable of estimating the driver's gaze using deep learning and a RGB camera. The proposed system has achieved near-SOTA performances with about 90% less memory footprint. The capabilities to generalize in unseen environments have been evaluated through a live demonstration, where high performance and near real-time inference were obtained using a webcam and a Raspberry Pi4.

Virtual sensing technology applied to a swarm of autonomous robots.

This thesis proposes a novel technology in the field of swarm robotics that allows a swarm of robots to sense a virtual environment through virtual sensors. Virtual sensing is a desirable and helpful technology in swarm robotics research activity, because it allows the researchers to efficiently and quickly perform experiments otherwise more expensive and time consuming, or even impossible. In particular, we envision two useful applications for virtual sensing technology. On the one hand, it is possible to prototype and foresee the effects of a new sensor on a robot swarm, before producing it. On the other hand, thanks to this technology it is possible to study the behaviour of robots operating in environments that are not easily reproducible inside a lab for safety reasons or just because physically infeasible. The use of virtual sensing technology for sensor prototyping aims to foresee the behaviour of the swarm enhanced with new or more powerful sensors, without producing the hardware. Sensor prototyping can be used to tune a new sensor or perform performance comparison tests between alternative types of sensors. This kind of prototyping experiments can be performed through the presented tool, that allows to rapidly develop and test software virtual sensors of different typologies and quality, emulating the behaviour of several hardware real sensors. By investigating on which sensors is better to invest, a researcher can minimize the sensors’ production cost while achieving a given swarm performance. Through augmented reality, it is possible to test the performance of the swarm in a desired virtual environment that cannot be set into the lab for physical, logistic or economical reasons. The virtual environment is sensed by the robots through properly designed virtual sensors. Virtual sensing technology allows a researcher to quickly carry out real robots experiment in challenging scenarios without all the required hardware and environment.

Studio del modello Augmented Worlds per l'ingegneria di sistemi software basati su realtà aumentata: esplorazioni basate su Unity e Android

Negli ultimi anni il crescere della capacità di calcolo dei dispositivi e il diminuire delle loro dimensioni ha permesso di far nascere idee innovative e di esplorare più in dettaglio alcuni settori. Uno di questi è sicuramente quello della realtà aumentata (Augmented reality), infatti, la discussione su questo argomento nasce già negli anni 40 del novecento, ma, per mancanza di mezzi tecnologici adeguati, solo ora si iniziano a realizzare le prime applicazioni che si basano su questa idea e il grande pubblico inizia ad interessarsi all'argomento. La costruzione di applicazioni di realtà aumentata, al momento, è basata sull'utilizzo di alcuni framework che mettono a disposizione dello sviluppatore alcune funzioni molto comuni in questi software, come il tracking di marker e l'utilizzo di bottoni virtuali. Questi strumenti, seppur comodi, non garantiscono sempre la buona progettazione dell'applicazione e tendono a unire insieme parti di logica applicativa e di grafica. Per questo motivo, anche nella ricerca, si stanno cercando di studiare dei metodi in grado di permettere una divisione ottimale dei compiti in modo da ottenere un software riusabile e facilmente mantenibile, ma che permetta anche di sfruttare appieno le potenzialità dell'AR attraverso, per esempio, sistemi distribuiti. Un framework concettuale che rientra in questa categoria è sicuramente quello degli Augmented Worlds, mondi virtuali collegati a quello fisico che ne incrementano le caratteristiche e le possibilità tramite la presenza di entità aumentate. La tesi, quindi, si propone di sviluppare un prototipo di un framework con le caratteristiche sopra citate di estendibilità, utilizzando le piattaforme in questo momento a disposizione e ispirandosi alla visione degli Augmented Worlds.

Applicazioni di Mixed Reality e Microsoft Hololens: studio e riprogettazione del concetto di ologramma e della relativa gestione all'interno di un'applicazione olografica.

La tesi presenta una panoramica sull'augmented, virtual e mixed reality, descrivendone le caratteristiche e le modalità di sviluppo. Come caso di studio viene analizzato il dispositivo Microsoft Hololens, descrivendone le caratteristiche concettuali, hardware e software. Per le applicazioni di questo dispositivo viene effettuata una riprogettazione della gestione e del concetto di ologramma all'interno di un'applicazione olografica, analizzandone i motivi e i vantaggi. E' fornita una overview sui dettagli implementativi della riprogettazione al fine di chiarire ogni aspetto dell'applicazione.

Analisi delle performance di sistemi di Mixed Reality cooperativi in rete locale

Siamo sempre stati abituati fin dal principio ad interagire con l’ambiente che ci circonda, utilizzando gli oggetti fisici presenti attorno a noi per soddisfare le nostre esigenze, ma se esistesse di più di questo? Se fosse possibile avere attorno a noi oggetti che non sono propriamente corpi fisici, ma che hanno un comportamento coerente con l’ambiente circostante e non venisse percepita la differenza tra essi e un vero e proprio oggetto? Ci si sta riferendo a quella che oggi viene chiamata Mixed Reality, una realtà mista resa visibile tramite appositi dispositivi, in cui è possibile interagire contemporaneamente con oggetti fisici e oggetti digitali che vengono chiamati ologrammi. Un aspetto fondamentale che riguarda questa tipologia di sistemi è sicuramente la collaborazione. In questa tesi viene esaminato il panorama delle tecnologie allo stato dell'arte che permettono di vivere esperienze di Collaborative Mixed Reality, ma soprattutto ci si concentra sulla progettazione di una vera e propria architettura in rete locale che consenta la realizzazione di un sistema condiviso. Successivamente all'applicazione di varie strategie vengono valutati i risultati ottenuti da rigorose misurazioni, per determinare scientificamente le prestazioni dell'architettura progettata e poter trarre delle conclusioni, considerando analogie e differenze rispetto ad altre possibili soluzioni.