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Universidad Simón BolívarDepartamento de Computación y Tecnología de la Información

Computación Gráfica II

3D User Interfaces

Integrantes:

Javier VargasJosé Luigi Giannandrea

Sartenejas, 15 de Febrero de 2011

3D User Interfaces

Contenido

Interfaces de usuario 3D y videojuegos

Definiciones

Interfaces 3D en videojuegos

Técnicas de Interacción espacial 3D

Interfaces Basadas en Bosquejos para Computación Gráfica

Modelado de Formas 3D

Animación

Editores Especializados


Interfaces de usuario 3D y

videojuegos


¿Que es una interfaz de usuario 3D?

Es una interfaz de usuario que implica interacción humano-computadora en la cual las tareas del usuario son llevadas a cabo en un contexto espacial tridimensional a través de dispositivos de entrada 3D o 2D con mapeo directo a 3D.

Comprende tanto dispositivos de entrada como técnicas de interacción para la manipulación efectiva de contenido 3D altamente dinámico generado por computadora.


¿Que es una interfaz de usuario 3D?



Existen tres tipos de interacción básicos:

1) Mapeo de dispositivos de entrada 2D y botones para controlar el ambiente 3D.

Ej.: Teclado, ratón, joysticks yjoypads.

Método tradicional. Usado desde elinicio de los videojuegos.




2) Simulación del mundo real a través de replicas de objetos existentes.

Ej.: Lo guitarra de Guitar Hero yvolantes de conducción.

No necesariamente proveeninteracción 3D pero si permitenuna experiencia más realista.




3) Verdadero seguimiento en tres dimensiones de los movimientos del usuario y sus gestos.

Ej.: Sony EyeToy, Microsoft Kinect (basados puramente en cámaras), PlayStation Move (basado en cámara y control remoto) y Wiimote (basado puramente con control remoto).

El usuario controla el juego con su cuerpo.


Técnicas de interacción espacial 3D

Cuatro tareas básicas (se combinan para lograr tareas más complejas):

1. Navegación: Movimiento de un lugar a otro.

2. Selección: Escogencia de un objeto o conjunto de objetos con algún propósito.

3. Manipulación: Cambio en las propiedades de un objeto o conjunto de objetos (frecuentemente posición y orientación).

4. Control del sistema: Cambio de estado del sistema o modo de interacción. (Ej. en 2D: Menús y líneas de comando).


Técnicas de interacción espacial 3D: Navegación

La navegación se basa en desplazamiento, viaje de un lugar a otro. Existen varios asuntos que considerar en una interfaz 3D: Velocidad y aceleración, rotación del mundo, restricciones del movimiento y condiciones de la entrada.

Cuatro de las más comunes técnicas de navegación 3D son:

1. Gaze-Directed Steering

2. Pointing

3. Map-Based Travel

4. “Grabbing the air”



Gaze-Directed Steering (Dirección guiada por la vista):

El usuario se mueve en la dirección a la que apuntan sus ojos (cabeza). Es probablemente la técnica más común. Fácil de implementar y de usar. Su desventaja es que algunas veces se encuentra limitada de forma en que el usuario no puede mirar hacia los lados mientras se mueve en una dirección.



Pointing:

Técnica de direccionamiento en la cual el usuario continuamente especifica la dirección de movimiento. Similar a Gaze-Directed Steering pero sigue la orientación de las manos para determinar la dirección de movimiento. Puede ser dificil de aprender para algunos usuarios, pero es mas flexible que el movimiento guiado por la vista.



Map-based Travel :

Técnica basada en un objetivo. El usuario se representa como un icono en un mapa 2D. Para moverse el usuario arrastra este icono desde una posición hasta otra y al soltarlo el sistema anima de forma suave el movimiento del usuario desde la posición inicial hasta la posición final.



Grabbing the air:

Usa la metáfora de tomar literalmente el mundo a tu alrededor (usualmente un espacio vacío) y halarte a ti mismo a través de él usando gestos de las manos. Similar a subir por una cuerda solo que la cuerda existe en cualquier lado y te lleva en cualquier dirección.


Técnicas de interacción espacial 3D: Selección

Es el proceso de accesar a un objeto o conjunto de objetos en un ambiente 3D. Íntimamente relacionado con manipulación.

¿Como expresar que quieres seleccionar un objeto? Presionando un botón, a través de un gesto o un comando de voz.

Retroalimentación al usuario dependiendo del objeto que está a punto de seleccionar.

Diversas técnicas. Muchas requieren un avatar (representación virtual) de la mano del usuario. La mayoría basadas en algoritmos eficientes de intersección y listas de objetos seleccionables en la escena (para no hacer pruebas sobre todos los objetos del mundo).



Cuatro técnicas comunes:

1. Virtual Hand (Mano virtual )

2. Ray-casting

3. Occlusion (Oclusión)

4. Arm extensión (Extensión de brazo)



Virtual Hand:

Técnica más común. Basada en el “contacto directo” de la mano de usuario con los objetos virtuales. En ausencia de retroalimentación táctil la selección se lleva a cabo interceptando la mano virtual (que se encuentra en la misma posición de la mano real) con un objeto virtual.



Ray-casting:

Otra técnica común. Usa la metáfora de un rayo que se extiende al infinito a partir de la mano. El primer objeto interceptado por el rayo es elegible para la selección. Es una técnica eficiente y requiere que el usuario varíe solo dos grados de libertad (rotación horizontal y vertical de la muñeca) contra los 3 grados requeridos por la técnica Virtual Hand.



Técnicas de oclusión:

Trabajan en el plano de la imagen. Los objetos son seleccionados cuando son cubiertos o tapados por la mano virtual desde el punto de vista del usuario. Geométricamente esto significa que un rayo emana del ojo del usuario atraviesa la mano y luego intercepta al objeto.



Arm-Extension:

Basada en la mano virtual simple pero usa un mapeo no lineal entre la mano física y la mano virtual, de forma que el alcance del usuario se ve extendido.


Técnicas de interacción espacial 3D: Manipulación

Íntimamente relacionada (co-dependiente) con la técnica de selección utilizada. Cuando un objeto es manipulado debe desactivarse la técnica y la retroalimentación de la selección.

¿Qué pasa cuando el objeto se suelta?

¿Permanece en su última posición? ¿Se adhiere a un GRID? ó ¿cae por gravedad hasta colisionar con algún otro objeto solido?

Los requerimientos de la aplicación determinan el comportamiento.



Tres técnicas comunes:

1. HOMER

2. Scaled-World Grab

3. World in Miniature (Mundo en miniatura)



HOMER (Hand-Centered Object Manipulation Extending Ray-Casting):

Utiliza la técnica de ray-casting para la selección y una vez seleccionado el objeto mueve la mano virtual hasta el objeto para una manipulación orientada a la mano. Se basa en un mapeo lineal de la posición de la mano real.



Scaled-World Grab:

Se utiliza normalmente con la técnica de oclusión para la selección. Cuando se hace la selección el usuario es escalado en un valor mayor a o igual a 1 (se hace más grande) o el mundo es escalado en un valor menor o igual a 1 (se hace mas pequeño) de forma que la mano virtual toque el objeto que está ocultando.



Scaled-World Grab:

Si el usuario no se mueve (y no usa lentes estereoscópicos) no hay percepción del escalamiento. Por otro lado cuando el usuario mueve bien sea la mano o la cabeza se da cuenta de que es un gigante y puede manipular el objeto directamente.



World-in-Miniature (WIM):

En esta técnica se usa una “casa de muñecas” (dollhouse) para representar el mundo. A través de esta el usuario manipula indirectamente los objetos en el ambiente. Cada objeto en el WIM se selecciona usando la técnica de la mano virtual y al mover alguno de ellos el efecto es el de mover el objeto (de tamaño real) en el mundo siguiendo una correspondencia. Incluso esta técnica se puede usar para navegación incluyendo una representación del usuario en el WIM. En este caso la navegación se hace de manera similar a la navegación basada en mapas pero incluyendo una tercera dimensión.



World-in-Miniature (WIM):


Técnicas de interacción espacial 3D: Control del sistema

Provee un mecanismo para introducir comandos de modo que el usuario pueda cambiar tanto el estado del sistema como el modo de interacción con el mismo.

El usuario selecciona un comando de un conjunto de estos.

Menús gráficos, comandos de voz, gestos, herramientas de selección. Técnicas se basan en selección.

Requiere una buena retroalimentación visual puesto que el usuario necesita saber no solo lo que está seleccionando sino también lo que sucederá si lo selecciona.



Menús Gráficos:

Son los equivalentes 3D de los menús 2D.

Se distinguen tres tipos:

1. Hand-Oriented Menus

2. Converted 2D Menus

3. 3D Widgets



Comandos de voz:

Permite la inicialización, selección y ejecución de comandos.

Técnica poderosa: Libera al usuario de usar sus manos o gestos corporales y es natural.

Sin embargo:

Puede ser agotadora para el usuario y no puede ser usada en todos los contextos.



Comandos de voz:

Vocabulario limitado.

El usuario necesita aprender los comandos antes de poder usarlos.

Problemas si la lista de comandos es muy grande.

Normalmente no hay representaciones visuales para los comandos de voz.

Necesita de retroalimentación que indique que el comando ha sido aceptado (normalmente sonidos).



Gestos y posturas:

Usa la metáfora de la mano como la herramienta (la mano literalmente se convierte en la herramienta).

Los gestos se corresponden con los comandos.

Es una técnica poderosa.

Sin embargo:

El usuario debe aprender todas las posturas y gestos.

Puede ser agotadora para el usuario.



Gestos y posturas:

Normalmente el usuario no puede tener acceso a un menú grafico cuando trabaja con gestos.

Se necesita de una fuerte retroalimentación.



Herramientas:

Físicas: Utilería (Objetos del mundo real duplicados en el mundo virtual). Forma relacionada con la función que cumplen. Multiplexados en espacio: Solo realizan una acción. Multiplexados en tiempo: Realizan varias acciones a lo largo del tiempo. (Mouse) Pueden ser usadas sin verlas. (Ej.: Pen and Tablet).

Virtuales: Herramientas que solo existen en el mundo virtual. (Ej.: Correa de herramientas). El usuario debe poder ver la herramienta para poder usarla.



Herramientas:

Físicas



Herramientas:

Virtuales

Interfaces Basadas en Bosquejos

3

Interfaces Basadas en Bosquejos para

Computación Gráfica


3


Tiene su fundamento en el hecho de ofrecer una interfaz más

natural y similar al comportamiento entre humanos al momento

de comunicar sus ideas.


3


También persigue evitar en la medida de lo posible el manejo

explícito de las profundidades en ciertos casos, haciendo esto

por inferencia.


3


Este tipo de interfaces podemos encontrarlas en sistemas de:

• Modelado de Formas 3D

• Animación

• Editores Especializados


3.1



3.1


Se refiere a los métodos mediante los cuales se permite la

representación de formas en tres dimensiones de acuerdo a

especificaciones hechas por el usuario, complementadas o no

con sugerencias del sistema.


3.1


Se pueden subdividir en grupos como:

• Métodos Arquitectónicos

• Métodos de Forma Libre

• Métodos de Deformación

3.1.1

Modelos Arquitectónicos


Son métodos de diseño de formas, donde el objetivo básico es

la creación de modelos en tres dimensiones a partir de

primitivas básicas, en dos dimensiones.

El sistema termina de interpretar la creación de la 3ra

dimensión basada en inferencia o por selección directa del

usuario.

3.1.1



Algunas técnicas que implementan este modelo son:

• SKETCH

• Interfaz de Sugerencias

3.1.1.1

SKETCH

SKETCH

Mediante la especificación de algunos trazos en dos dimensiones,

se infiere el resto de la figura en tres dimensiones.

Se considera que cada objeto esta encima de otro.

Ejemplos usando SKETCH

3.1.1.1

SKETCH

3.1.1.2

Interfaz de Sugerencias


El usuario provee algunas pistas acerca de lo que desea diseñar.

Posteriormente el sistema muestra una serie de sugerencias

posibles, que permiten al usuario elegir la mas adecuada y eliminan

la posibilidad de ambigüedad.

3.1.1.2



El sistema presenta las distintas alternativas en miniatura y con un

simple click se completa la interacción.

El sistema permite ser ampliado con módulos de sugerencias más

avanzados, que agregarán poder a la forma de interacción.

3.1.1.2

Ejemplos usando Interfaz de Sugerencias


3.1.2

Modelos de Forma Libre

Modelos de Forma Libre

Existen modelos de interacción que permiten la creación de formas

libres, donde la decisión de diseño depende más del usuario.

La inferencia del trazo en tres dimensiones sigue siendo definido

por el sistema.

Como ejemplos tenemos:

3.1.2.1

Sistema Teddy

Sistema Teddy

Con este sistema el usuario modela mediante trazos parte de la

geometría en 2D.

Al concluir el trazado, el sistema genera la forma en tres

dimensiones, para recomenzar el ciclo.

Se crean modelos de mallas poligonales de baja densidad, y con la

limitante de modelado de superficies con topología esférica.

3.1.2.1

Sistema Teddy

Sistema Teddy

Especialmente se ve su aplicación en algunos video juegos para la

creación de personajes por parte del jugador.

3.1.2.2

Mallado de Fibras

Mallado de Fibras

Este método permite al usuario especificar los contornos de figuras

a través de curvas de control, que pasarán a definir la imagen 3D.

Una vez establecidas las curvas de control por parte del usuario, el

mallado se obtiene por métodos de optimización.

3.1.2.3

Plushie

Plushie

Este sistema mediante trazos simples, también genera la imagen

correspondiente en tres dimensiones.

Esta orientado al diseño de juguetes de peluche, dado que computa

al momento del trazado los recortes que serían necesarios para el

juguete físico.

3.1.2.3

Plushie

Plushie

Ejemplo de uso de Plushie

3.1.3

Técnicas de Deformación

Técnicas de Deformación

Las deformaciones de un modelo también requieren de una interfaz

que permita hacer realidad los cambios que se persiguen.

Muy ligado al tema de animación

Entre estas técnicas tenemos:

3.1.3.1

Bosquejo de Esqueleto


El usuario realiza el trazado inicial que define el esqueleto del

modelo.

El trazado anterior se convierte en un punto de origen y referencia.

El usuario dibuja la posición destino, mediante un segundo trazo.

El sistema realiza la deformación del esqueleto y por ende, del

modelo

3.1.3.1



Ejemplos de deformación por bosquejo de esqueleto.

3.1.3.2

Bosquejo de Silueta

Bosquejo de Silueta

En este método el usuario selecciona una región a la que se

aplicará la deformación.

Posteriormente, mediante otro trazo se dibuja la silueta resultante

deseada.

El sistema realiza la deformación, preservando en la medida de lo

posible la distorsión que pueda generarse entre ambas siluetas.

3.1.3.2

Bosquejo de Silueta

Bosquejo de Silueta

Ejemplos de deformación por bosquejo de silueta.

3.2

Técnicas de Animación

Técnicas de Animación

Igualmente existen técnicas de animación que utilizan como entrada

interfaces que trabajan a través de bosquejos.

El usuario puede realizar los trazos iniciales y finales, dejando como

tarea al sistema el resto del trabajo.

Entre ellas tenemos:

Control de Poses Articuladas

El Usuario define mediante trazos simples la geometría del objeto

que desea animar posteriormente.

Se trazan las articulaciones y el proceso se repite en varios cuadros

similares a los “key frames”

El sistema halla por métodos de optimización el resto del

movimiento y genera una animación.

3.2.1



Ejemplo de Control de Poses articuladas

3.2.1


Trazado de Movimiento

Este modelo permite al usuario, una vez creada la representación

que quiere animar, recrear la misma simplemente especificando el

camino que dicho objeto debe seguir.

Tiene una serie de movimientos predefinidos y consideraciones

físicas para poder lograr el efecto animado.

3.2.2



Ejemplo de Trazado de Movimiento

3.2.2


Animación por Actuación

Se refiere al método por el cual el usuario especifica una serie de

manejadores (puntos de control) sobre el objeto.

Al mover los manejadores se puede establecer un cambio sobre la

geometría, dejando para el sistema la generación de las poses

intermedias

3.2.2

Animación por Actuación

3.3

Editores de Propósito Especial

Editores de Propósito Especial

Se refiere a modelos de aplicaciones que permiten crear y

manipular objetos que tienen geometrías complejas.

Entre los casos más destacados tenemos:

• Modelado de Arboles y Flores

• Diseño y manipulación de vestuario

3.3.1

Modelado de Arboles y Flores


Para el caso de Arboles, el usuario dibuja la silueta de las

ramificaciones en un plano.

El sistema se encarga de lanzar aleatoriamente ramas en todas

direcciones y de acuerdo a ciertos parámetros se crean las hojas

del mismo.


Para el caso de flores, el sistema provee herramientas para la

creación de los distintos elementos de la flor (pétalos, estambres)

La creación de dichos elementos se hace también por trazos

simples. Una vez completados los elementos, el sistema ensambla

el resultado.

3.3.1


3.3.2

Diseño y Manipulación de Vestuario


Este caso es complejo también por la complejidad de la física del

material.

En el diseño de vestuario, el usuario especifica la forma del traje

con trazos sobre el personaje.

3.3.2



Para manipular el vestuario, el usuario establece marcas sobre el

vestido diseñado y sobre el objeto a vestir.

El sistema adosa el vestuario de la manera más adecuada,

cumpliendo con la especificación.

3.4

Ventajas y Desventajas

Ventajas y Desventajas de Métodos por Bosquejos

• Ventajas:

- Interacción más simple con las herramientas de diseño.

- Abstracción mayor en el modelado de objetos complejos.

- Velocidad en la creación de objetos.

• Desventajas:

- Baja complejidad y detalle de los modelos generados en algunos

casos.

Contenido Próxima Exposición

Contenido Próxima Exposición:

Introducción a los dispositivos Hápticos de Interacción.

Sistemas de entretenimiento actuales (Nintendo Wii, Microsoft

Kinect y PlayStation Move):

Caracteristicas

¿Cómo funcionan?

¿En que se diferencian?

Ejemplos

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