Paikkatietoikkuna - Positio_3_2010_Lisää

Datan visualisointi helpottaa ja nopeuttaa tunnetusti asioiden ymmärtämistä. Yksi edistynyt visualisointitapa on luoda 3D-virtuaaliympäristö, jossa käyttäjä voi liikkua eli vaihdella katselupistettään.

Virtuaalitodellisuudessa (Virtual Reality) 3D-malleja visualisoidaan niin realistisesti, että käyttäjä tuntee liikkuvansa todellisuudessa. Peleissä visualisoidaan mielikuvitusmaailmoja, mutta useimmiten kyseessä on oikea, mallinnettu todellisuus. Myös näkymätöntä tietoa voidaan visualisoida, esimerkiksi suunnitteilla oleva rakennus tai jonkun suureen mitattu arvo näytettynä mittauspaikalla.

Tunnetuin esimerkki virtuaalitodellisuudesta on Google Earth. Muun muassa Helsingistä on jo hyvä virtuaalimalli, joka sisältää 3D-rakennukset. Tarjolla on paljon muutakin paikkaan sidottua tietoa, kuten linkkejä kauppojen webbisivuille.

Lisätyssä todellisuudessa (Augmented Reality) virtuaalimallissa liikkuminen kytketään käyttäjän katseen liikkeisiin oikeassa todellisuudessa, jolloin virtuaaliobjektit näyttävät kiinnittyvän oikeaan maailmaan. Tämä tapahtuu piirtämällä virtuaaliobjekteja elävään videokuvaan. Esimerkiksi suunniteltu rakennus visualisoidaan oikealle paikalleen, jolloin sen ympärillä voi kävellä ja sitä voi katsella eri puolilta.

Käyttäjän superkatse

Google Earth -ympäristön käyttökelpoisuus lisätyssä todellisuudessa on helppo kuvitella. Kun oikeassa Helsingissä kävelevän käyttäjän liike ja katseen suunta kytketään Google Earthin virtuaali-Helsinkiin, voidaan käyttäjälle luoda ”superkatse”. Jos käyttäjälle näytetään esimerkiksi linkit-taso, hän kaupan suuntaan katsoessaan näkeekin linkin ko. kaupan webbisivuille. Toisin sanoen katsoessaan katua pitkin hän näkee yhdellä silmäyksellä, mitä palveluita sen varrella on!

Muun muassa navigoinnissa olisi paljon etua siitä, että näkymää voisi helposti vaihtaa lisätyn ja virtuaalitodellisuuden välillä. Helsingissä kävelevä käyttäjä voisi halutessaan nousta lentoon eli nähdä paikkansa kaupungin kattojen yläpuolelta tai katsoa, miltä maisemat näyttävät kadun toisessa päässä ennen kuin päättää kävellä sinne.

On todennäköistä, että virtuaaliympäristöjen käyttö tietojen esittämisessä lisääntyy edelleen, sillä grafiikkakorttien tehostuminen mahdollistaa mallien realistisen ulkonäön ja sujuvan mallissa liikkumisen. Valmiita käyttökelpoisia 3D-malleja syntyy myös yhä helpommin muun muassa suunnittelun oheistuotteena. Lisäksi internetissä on yhä enemmän paikkaan sidottua tietoa, jota voi visualisoida.

Silmälasinäytöt tulossa

Yksinkertaisin virtuaaliympäristön näyttötapa on tietokoneen monitori. Se on kuitenkin vain pieni ikkuna virtuaalimaailmaan. Tehokännyköiden etuna on helpompi liikuteltavuus. Lisäksi kännykän kompassilla ja paikannuksella saadaan ainakin summittaista tietoa käyttäjän paikasta. Hienompi tapa on koko seinän kokoinen näyttö, joka voidaan edelleen laajentaa monen seinän näytöillä (”CAVE”).

Edellä mainituista puuttuu kuitenkin syvyysvaikutelma. Se voidaan saada aikaan näyttämällä kuvat stereona, mutta silloinkin katselupiste on tarkasti oikea vain yhdessä huoneen pisteessä. Kaikkein realistisin tapa on tehdä näyttöhuone yhdelle käyttäjälle, jonka katseen suuntaa ja paikkaa seurataan. Silloin osa virtuaaliympäristössä liikkumisestakin tapahtuu luontevasti päätä liikuttamalla.

Koska näyttöhuone kykenee palvelemaan täydellisesti vain yhtä käyttäjää, silmälasinäytöt olisivat ehkä parempi ratkaisu, kunhan ne saadaan toteutettua kohtuulliseen hintaan. Lisätyn todellisuuden tarkasteluun soveltuvat puoliläpinäkyvät silmälasinäytöt ovat jo tulossa markkinoille. Tulevaisuudessa ne varmaankin yhdistyvät älykännyköihin, jolloin saadaan yhdistettyä käyttäjän liikkuvuus ja virtuaalitodellisuuden realistisuus.

Kari Rainio toimii erikoistutkijana VTT ICT:ssä (Mediateknologiat) eritysalanaan virtuaalitodellisuus (VR = Virtual Reality) ja lisätty todellisuus (AR = Augmented Reality), sähköposti: kari.rainio[at]vtt.fi

---

Virtuaali- ja lisätyn todellisuuden sovelluksia

Virtuaali- ja lisättyä todellisuutta on VTT:llä sovellettu mm. rakennusteollisuuden, konepajateollisuuden ja kaukokartoituksen projekteissa. Valmista 3D-dataa on jo kohtuullisesti tarjolla, mutta työläitä formaattimuunnoksia tarvitaan yhä usein.

Esimerkkejä projekteista:

AugAsse
Monimutkaisen teknisen laitteen kokoonpanon ohjeistaminen lisätyn todellisuuden avulla. Seuraavaksi asennettava osa näytetään.

EU Talos
Rajavalvontaan käytetyn robottiauton esittäminen virtuaali¬todellisuudessa. Käytetään sekä operoinnin harjoitteluun että varsinaiseen operointiin.

SmartAlarm
Helsingin keskustan tulvasimulointi rankkasateen sattuessa ja sen esittäminen virtuaali-todellisuudessa.

AR4BC
Suunnitteilla olevan rakennuksen esittäminen lisätyssä todellisuudessa rakennusprojektin eri vaiheissa.

Plamos
Tehtaan anturien mittaustulosten esittäminen huoltomiehelle mobiilisti lisätyssä todellisuudessa.

Dibitassut
Piirrossarjahahmon esittäminen katsojille lisätyssä todellisuudessa (PC + webbikamera + ladattavissa oleva ohjelma).

---

Ohjelmointityökaluja ja kirjastoja

Ohjelmakirjastoja

Datan visualisointiin tarkoitettuja ohjelmakirjastoja ovat mm. Google Visualisation API, InfoVis, Prefuse Visualisation Toolkit. Lisää löytyy googlaamalla ”16 Javascript Libraries for Visualizations” ja ”20 Fresh JavaScript Data Visualization Libraries”.

Kirjastot vaativat jonkin verran ohjelmointia, yleensä Javalla tai JavaScriptillä, ja ne toimivat webbiselaimessa. Useimmissa on mukana tuki myös 3D-visualisoinneille.

Syvällisempää ohjelmointia vaativat virtuaaliympäristöjen luontiin tarkoitetut kirjastot. Ne ovat ominaisuuksiltaan monipuolisempia, mutta ohjelmankehitys on työläämpää ja hitaampaa. Suosittu 3D-grafiikkaohjelmakirjasto on OpenSceneGraph. Siinä ohjelmointikielenä on C++. Muita vaihtoehtoja ovat mm. OGRE ja Delta3D, jotka ovat ilmaisia open source -kirjastoja.

Microsoft tarjoaa Windows-ympäristöön useita ohjelmakirjastoja hieman eri tarkoituksiin. Ohjelmointi tapahtuu .NET-kielillä. XAML ja WPF (Windows Presentation Foundation) -kirjastoilla voi luoda 3D-objekteja käyttöliittymään, SilverLight-kirjastolla tehdään webbiselaimeen 3D-grafiikkaa, animointeja yms. ja DirectX, XNA -kirjastoilla 3D-pelejä ja virtuaaliympäristöjä. Näistä monista voi ladata perusversion ilmaiseksi.

Työkaluja vaativaan käyttöön

Ns. korkean tason työkalut tarjoavat enemmän ominaisuuksia ja mahdollisuuksia mutta ovat usein melko kalliita. Joistain on myös halvempia akateemisia lisenssejä.

VTK (Visualization Toolkit) on C++-kirjasto datan visualisointiin. Siinä on kytkennät Tcl/Tk-, Python- ja Java-komentorivikieliin, jolloin eri visualisointeja voi kokeilla myös interaktiivisesti.

MatLab on interaktiivinen ympäristö matemaattiseen laskentaan ja tulosten visualisointiin. Siihen saa laajennuksia ns. Toolkiteillä, joita on esimerkiksi kuvan-käsittelyyn. Kaupallisten modulien lisäksi tarjolla on käyttäjien tekemiä ohjelmia ja moduleita.

R Project ja GNU Octave ovat ilmaisia matematiikkaohjelmia, joiden käyttö on varsin samanlaista kuin MatLabin.

Virtools ja EonReality ovat työkaluja interaktioiden määrittelyyn eli siihen, kuinka malli reagoi käyttäjän toimiin. Simulointien tai vaikkapa autopelien teko onnistuu fysiikkamoottorilla. Virtuaaliympäristön luodaan vuokaavio-ohjelmoinnilla ja raahaamalla hiirellä 3D-objekteja näyttämölle. Tarjolla on plug-init webbiselaimeen, jolloin tehdyt simulaatiot, pelit tai virtuaali¬ympäristöt voi julkaista netissä. Ohjelmilla ei voi tehdä uusia 3D-kappaleita, vaan ne pitää tuoda muista ohjelmista. Mukana on kuitenkin laaja kirjasto valmiita 3D-kappaleita - huonekaluja, ihmishahmoja jne. Pelien lisäksi näillä työkaluilla tehdään mm. tuote-esittelyitä nettiin ja virtuaalimuseoita.

---

Monissa visualisointiprojekteissa 3D-mallit saadaan valmiina esimerkiksi suunnitteluohjelmista. Silti usein tarvitaan myös uusien objektien mallintamista, jotta syntyisi vakuuttava 3D-virtuaalimaailma.

Monet käyttävät mallintamiseen 3dsMaxia tai Catiaa. Ne ovat laajoja ja monipuolisia 3D-mallinnusohjelmia, joita monet ohjelmat ja kirjastot tukevat. Nämäkin työkalut ovat melko kalliita. Blender on ilmainen open source -vaihtoehto.

Kevyempänä vaihtoehtona 3D-mallinnukseen voi harkita Google Earthin SketchUp-apuohjelmaa, jonka perusversio on ilmainen. Se on helppokäyttöinen 3D-mallinnusohjelma, jota on käytetty Google Earthin ”terästämiseen”, erityisesti rakennusten mallintamiseen. Sen etuna on kytkentä paikkatietoon ja Google Earthiin. Google Earthistä ja SketchUpista on myös kaupalliset versiot yritysten paikkatietoon perustuvien järjestelmien pohjaksi.

22.9.2010 10:02