Realtà aumentata per dispositivi android: lo stato dell'arte

Obiettivo di questa tesi è quello di illustrare il mondo della realtà aumentata (AR) ed in particolare delle tecnologie software disponibili per lo sviluppo di applicazioni su dispositivi Android. Si partirà dal darne una definizione e riassumerne i principali fatti storici, all'illustrarne i vari hardware disponibili sul mercato e le tecnologie software per sviluppare progetti. Non verranno tralasciati utilizzi e settori di ricerca, e si presenterà poi il sistema operativo Android. Dopo uno sguardo alla sua architettura e alle sue caratteristiche, nonché al linguaggio di programmazione Java, cardine per lo sviluppo in questo sistema, si presenteranno alcune API dell'SDK nativo che si rivelano utili per lo sviluppo di applicazioni per la realtà aumentata. Infine, verrà presentato un approfondimento sull'SDK Metaio.

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.

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.

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.

Sistemi hands-free basati su smart-glass a supporto di attivita di customer care di un'impresa

Da alcuni anni in ambito business ed enterprise si sta diffondendo l'utilizzo di dispositivi wearable al fine di rendere più efficiente ed efficace la gestione di molteplici attività e processi aziendali. I sistemi hand-held comunemente utilizzati in ambito lavorativo, tra cui smartphone e tablet, spesso non risultano idonei in contesti in cui un operatore debba interagire con il dispositivo mentre ha le proprie mani impegnate con attrezzature e strumenti di lavoro. I sistemi hands-free rimediano a tali problematiche supportando tecniche di interazione non convenzionali che consentono all'operatore di mantenere libere le proprie mani durante la consultazione del dispositivo e di rimanere concentrato sull'attività che sta svolgendo. I sistemi basati su smart-glass, oltre ad offrire funzionalità hands-free, presentano l'ulteriore vantaggio di poter presentare all'interno del campo visivo dell'utente importanti informazioni di supporto inerenti all'attività che sta svolgendo, avvalendosi anche dell'utilizzo di tecnologie di realtà aumentata. La sinergia tra dispositivi basati su smart-glass e tecniche di realtà aumentata sta destando un crescente interesse sia in ambito accademico che industriale; esiste la possibilità che in un prossimo futuro questa tipologia di sistemi divenga la nuova piattaforma computazionale enterprise di riferimento. L'obiettivo di questo lavoro di tesi è stato lo studio e la progettazione di una soluzione hands-free basata su smart-glass in grado di supportare alcune attività di customer care del Gruppo Loccioni, una società che si occupa dello sviluppo di sistemi automatici di misura e controllo per migliorare la qualità, l'efficienza e la sostenibilità di prodotti, processi ed edifici. In particolare, il sistema sviluppato ha consentito di migliorare la gestione dei processi di manutenzione e riparazione degli impianti energetici sostenibili che il Gruppo Loccioni installa presso le sedi di imprese clienti.

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.

Realizzazione di un'applicazione mobile Android basata su interazioni con interfacce API di diversi servizi.

La grande crescita e l'enorme distribuzione che hanno avuto negli ultimi tempi i moderni devices mobile (smartphones, tablet, dispositivi wearable, etc...) ha dato l'avvio ad un massiccio sviluppo di applicazioni mobile di qualunque genere, dall'health-care all'AR (Augmented Reality, realtà aumentata), dalle applicazioni social alle applicazioni che offrono servizi all'utente.

Applicazioni di realtà aumentata in ambito museale

La realtà aumentata, unitamente a quella mista, stanno rapidamente prendendo pieno all'interno di molti aspetti della vita umana. Scopo di questo lavoro è di analizzare tecnologie e tecniche esistenti al fine di applicarle ad un caso reale, la rilevazione e la sovrapposizione di un oggetto digitale tridimensionale ad uno presente in un museo.

Evoluzione delle user interface: dalla metafora del desktop al Wearable Computing

Negli ultimi decenni abbiamo assistito ad una graduale evoluzione delle interfacce utente e della tecnologia. Sono stati introdotti nuovi dispositivi mobile e wearable che negli ultimi anni hanno subito un incremento tecnologico esponenziale arrivando a fondersi con la vita di tutti i giorni. Le classiche interfacce grafiche WIMP, la metafora del desktop e le linee guida di progettazione fino ad ora sviluppate non risultano ideali per la nuova tecnologia di wearable computing. Il proposito che la tesi vuole andare ad affrontare è proprio quello di indagare lo sviluppo di nuove user inteface basate sulla tecnologia wearable ed in particolare per smart glasses.

Sviluppo di funzionalità di Image Targeting con apps basate su realtà aumentata

Dopo una breve introduzione sulla realtà aumentata (definizione, storia e stato dell’arte) viene effettuata un'analisi delle librerie esistenti per l’implementazione su dispositivi mobile. Considerando compatibilità con i recenti SO, frequenza degli aggiornamenti, costi per le licenze e funzionalità offerte viene scelta la libreria Vuforia, originariamente sviluppata da Qualcomm e poi acquistata da PTC inc. Si conviene poi che le apps basate su realtà aumentata creano il contenuto “aumentato” in due maniere: o tramite riconoscimento di una specifica immagine oppure tramite localizzazione GPS. Di questi due metodi descritti, il primo risulta molto più affidabile e per questo viene sviluppata una app che crea un contenuto in 3D (aumentato) riconoscendo una immagine: funzionalità di Image Targeting. Il progetto considera le seguenti varianti: l’immagine da riconoscere, chiamata “target”, può essere in un database locale oppure cloud mentre il contenuto in 3D aumentato può essere sia statico che animato. Durante la fase di implementazione vengono fornite anche alcuni nozioni di base di Computer Graphic per il rendering del modello 3D. La tesi si conclude con una panoramica di apps presenti sullo store che funzionano secondo questo principio di Image Targeting, i possibili utilizzi in ambito educativo/ludico ed i costi di realizzazione.

Studio e sviluppo di un Framework in ambiente Android per la realizzazione di Interfacce Utente Innovative basate su Smart Glass

La tesi tratta dell'esplorazione di una possibile interfaccia utente per Smart Glass in un contesto di utilizzo hands-free con elementi virtuali appartenenti ad un sistema di riferimento solidale all'utente e non al dispositivo, e la conseguente realizzazione di un Framework per lo sviluppo di applicazioni Andoid rispondenti a tale interfaccia e relativo test.

Studio e Progettazione di Sistemi Hands-free basati su Tecnologie Wearable: Un Caso di Studio in Ambito Healthcare

Il percorso intrapreso per la scrittura della tesi, si snoda essenzialmente in due fasi e nove capitoli. La prima fase ha avuto come scopo l’analisi dal punto di vista tecnologico dell’evoluzione tecnologica avuta nel campo di realtà aumentata e dispositivi wearable in particolare orientandosi verso una tipologia di interazioni hands-free. Questo ha portato ad una ricognizione sullo stato dell’arte permettendo di attenere una base di conoscenza solida per la costruzione del sistema presentato all’interno del caso di studi. I capitoli successivi, in particolare dal quinto, introducono alla seconda fase ed hanno lo scopo di progettare e realizzare il sistema proposto, partendo da un’attenta analisi delle caratteristiche richieste passando per la prototipazione e successiva definizione delle caratteristiche atte alla valutazione del sistema stesso.

A Portable Image Overlay Projection Device for Computer-Aided Open Liver Surgery

Image overlay projection is a form of augmented reality that allows surgeons to view underlying anatomical structures directly on the patient surface. It improves intuitiveness of computer-aided surgery by removing the need for sight diversion between the patient and a display screen and has been reported to assist in 3-D understanding of anatomical structures and the identification of target and critical structures. Challenges in the development of image overlay technologies for surgery remain in the projection setup. Calibration, patient registration, view direction, and projection obstruction remain unsolved limitations to image overlay techniques. In this paper, we propose a novel, portable, and handheld-navigated image overlay device based on miniature laser projection technology that allows images of 3-D patient-specific models to be projected directly onto the organ surface intraoperatively without the need for intrusive hardware around the surgical site. The device can be integrated into a navigation system, thereby exploiting existing patient registration and model generation solutions. The position of the device is tracked by the navigation system’s position sensor and used to project geometrically correct images from any position within the workspace of the navigation system. The projector was calibrated using modified camera calibration techniques and images for projection are rendered using a virtual camera defined by the projectors extrinsic parameters. Verification of the device’s projection accuracy concluded a mean projection error of 1.3 mm. Visibility testing of the projection performed on pig liver tissue found the device suitable for the display of anatomical structures on the organ surface. The feasibility of use within the surgical workflow was assessed during open liver surgery. We show that the device could be quickly and unobtrusively deployed within the sterile environment.

Evaluation of a portable image overlay projector for the visualisation of surgical navigation data: phantom studies

Presenting visual feedback for image-guided surgery on a monitor requires the surgeon to perform time-consuming comparisons and diversion of sight and attention away from the patient. Deficiencies in previously developed augmented reality systems for image-guided surgery have, however, prevented the general acceptance of any one technique as a viable alternative to monitor displays. This work presents an evaluation of the feasibility and versatility of a novel augmented reality approach for the visualisation of surgical planning and navigation data. The approach, which utilises a portable image overlay device, was evaluated during integration into existing surgical navigation systems and during application within simulated navigated surgery scenarios.

Endoscopic Image Overlay for the Targeting of Hidden Anatomy in Laparoscopic Visceral Surgery

Limitations associated with the visual information provided to surgeons during laparoscopic surgery increases the difficulty of procedures and thus, reduces clinical indications and increases training time. This work presents a novel augmented reality visualization approach that aims to improve visual data supplied for the targeting of non visible anatomical structures in laparoscopic visceral surgery. The approach aims to facilitate the localisation of hidden structures with minimal damage to surrounding structures and with minimal training requirements. The proposed augmented reality visualization approach incorporates endoscopic images overlaid with virtual 3D models of underlying critical structures in addition to targeting and depth information pertaining to targeted structures. Image overlay was achieved through the implementation of camera calibration techniques and integration of the optically tracked endoscope into an existing image guidance system for liver surgery. The approach was validated in accuracy, clinical integration and targeting experiments. Accuracy of the overlay was found to have a mean value of 3.5 mm ± 1.9 mm and 92.7% of targets within a liver phantom were successfully located laparoscopically by non trained subjects using the approach.