3° Convegno Tecnico Scientifico
Torino 3, 4, 5 Novembre 2003
Ricostruzione Tridimensionale di Acrobazie Aeree su Web:
Il caso di studio delle Frecce Tricolori
Luca Chittaro, Stefano Burigat, Jacopo Cuttini
HCI Lab, Dept. of Math and Computer Science
University of Udine
via delle Scienze 206, 33100 Udine, Italy
+39 0432 558450
[email protected], [email protected]
ABSTRACT
In questo articolo verrà descritto il lavoro effettuato per ricostruire, attraverso l’utilizzo di
tecnologie standard per lo sviluppo di contenuti tridimensionali su Web, alcune delle acrobazie
aeree compiute dalla Pattuglia Acrobatica Nazionale “Frecce Tricolori”. Il risultato finale del
progetto è stata la realizzazione di un sito Internet che permette agli utenti di entrare in un
ambiente virtuale nel quale sono spettatori attivi delle evoluzioni aeree. L’esperienza accumulata
durante la realizzazione di questo lavoro e la risoluzione dei problemi incontrati ha consentito di
individuare gli aspetti critici nella realizzazione di questo tipo di progetti al fine di predisporre
metodologie di sviluppo adeguate a future implementazioni.
Introduzione
La disponibilità di tecnologie per la realizzazione di contenuti tridimensionali su Web consente
ormai di sviluppare simulazioni realistiche di eventi complessi e di renderle usufruibili al pubblico
attraverso Internet. In quest’ottica, abbiamo sviluppato un progetto mirato alla ricostruzione 3D di
alcune delle evoluzioni aeree compiute dalla Pattuglia Acrobatica Nazionale “Frecce Tricolori”.
Il lavoro ha portato alla creazione di un sito Internet, disponibile all'indirizzo
http://frecce3d.uniud.it, attraverso il quale gli utenti possono prendere visione dei risultati ottenuti,
diventando spettatori attivi di un mondo virtuale tridimensionale al cui interno vengono effettuate le
manovre acrobatiche.
Nei successivi paragrafi descriveremo brevemente quali sono le funzionalità del sito, quale
metodologia è stata utilizzata per lo sviluppo e, soprattutto, quali sono state le maggiori
problematiche affrontate durante la realizzazione del progetto.
Funzionalità del sito
Una volta entrati nel sito Internet (di cui, in Figura 1, possiamo vedere la homepage italiana) gli
utenti hanno la possibilità di selezionare l'evoluzione aerea che desiderano vedere oppure possono
esaminare da vicino il modello virtuale del velivolo utilizzato dalla Pattuglia Acrobatica,
l’Aermacchi MB 339 (si veda Figura 2).
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Figura 1 – L’homepage italiana del sito
Figura 2 – Il modello dell'Aermacchi MB 339
Nel primo caso, l’utente viene inserito all’interno di un ambiente virtuale e, attraverso l’utilizzo
delle funzionalità messe a disposizione da un Browser VRML, può assistere alle acrobazie della
Pattuglia da vari punti di vista privilegiati da terra (Figura 3) o su “elicotteri” virtuali (Figura 4), ed
ha la possibilità di stare seduto negli abitacoli degli aerei, girando la testa a piacimento verso gli
altri velivoli che volano in formazione per sperimentare virtualmente le sensazioni visive e spaziali
provate dai piloti (Figura 5).
Per rendere il sito accessibile anche agli utenti meno esperti, l'interazione con l'ambiente virtuale è
stata semplificata al massimo. Al di là della capacità di cambiare punto di vista, non sono, infatti,
richieste competenze particolari in quanto le inquadrature delle evoluzioni sono dinamiche ed
autonome e non necessitano quindi di alcun intervento da parte dell'utente.
L'intero ambiente è stato inoltre progettato cercando di ottenere il maggiore realismo possibile al
fine di ricreare l'atmosfera di una vera esibizione. A questo fine, ad esempio, è stata parzialmente
ricostruita una base aeronautica sopra la quale vengono eseguite le evoluzioni, sono stati integrati i
suoni prodotti dagli aerei, sono state riprodotte le scie di fumo che caratterizzano le evoluzioni della
Pattuglia, sono state accuratamente ricreate le livree dei singoli velivoli.
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Figura 3 - Visuale da terra
Figura 4 – Visuale da un “elicottero” virtuale
Figura 5 – Visuale dall’abitacolo di un aereo
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Metodologia di sviluppo del progetto
Lo sviluppo del progetto è avvenuto in quattro fasi:
1. Acquisizione dei dati tecnici necessari attraverso incontri mirati con i piloti della Pattuglia.
2. Ricostruzione, in linguaggio VRML [1], del velivolo, dell’ambiente e delle evoluzioni
acrobatiche.
3. Processo iterativo di verifica di conformità all'esibizione originale, mediante beta-testing da
parte dei piloti e successivi raffinamenti.
4. Ottimizzazione del codice.
Nella prima fase sono state identificate le manovre acrobatiche da riprodurre e, in base a queste, si è
proceduto all’acquisizione dei dati necessari alla definizione delle traiettorie. Oltre alle informazioni
fornite direttamente dai piloti, concernenti soprattutto i punti di riferimento utilizzati durante il volo
ed i dati posizionali relativi a quest'ultimi, ci si è avvalsi dell'analisi di filmati video che
riproducevano le evoluzioni da diversi punti di vista.
La seconda fase ha riguardato lo sviluppo effettivo dell’ambiente virtuale, del velivolo e delle
manovre acrobatiche, utilizzando il linguaggio VRML, che rappresenta attualmente la principale
tecnologia per la creazione di contenuti 3D per il Web, ed una serie di applicazioni che hanno
facilitato la modellazione geometrica degli oggetti.
I risultati ottenuti sono stati quindi iterativamente valutati dai piloti per individuare eventuali
correzioni da apportare, fino ad ottenere un mondo virtuale che coincidesse il più possibile con la
reale esperienza di un'esibizione della pattuglia.
L’ultima fase ha riguardato l’ottimizzazione del codice ai fini del suo uso da parte di utenti Internet.
Infatti, nello sviluppo di contenuti Web 3D, la ricerca del realismo entra spesso in conflitto con la
scarsa potenza dei computer usati dagli utenti finali: è quindi indispensabile sia limitare le
dimensioni dei file da scaricare che il carico computazionale richiesto dall’animazione 3D.
Problematiche affrontate
Le problematiche affrontate durante lo sviluppo del progetto sono state numerose e di natura
estremamente diversa.
La costruzione dell’ambiente virtuale e del modello dell’aereo ha richiesto un tempo notevole a
causa della mancanza di adeguati strumenti di sviluppo per il linguaggio VRML. I tool esistenti,
infatti, non sono particolarmente adatti alla creazione di progetti complessi, mancando di
funzionalità adeguate alla gestione di mondi virtuali di ampie dimensioni contenenti oggetti
dinamici. Ciò ha costretto a lunghe fasi di modifica manuale del codice per ottenere i risultati
desiderati. Si è inoltre dovuti procedere alla creazione di texture adeguate da applicare agli oggetti
al fine di ottenere un ambiente realistico e di alto impatto visivo.
L’implementazione delle traiettorie degli aerei ha richiesto un processo manuale di posizionamento
ed orientamento degli stessi nello spazio seguendo le indicazioni ricavate dalla prima fase di
sviluppo del progetto. La mancanza di dati numerici precisi da poter utilizzare ha costretto ad
un’implementazione basata sull’impiego di punti di riferimento visuali e quindi alla necessità di
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effettuare numerosi controlli e conseguenti modifiche per correggere eventuali anomalie. Per
semplificare, in parte, il lavoro necessario durante questa fase, è stato sviluppato un tool di gestione
delle traiettorie che consentiva la generazione automatica della traiettoria di un aereo a partire da
quella dell'aereo simmetrico durante il volo della Pattuglia in formazione.
Le stesse problematiche incontrate durante lo sviluppo delle traiettorie sono emerse anche per
quanto riguarda la predisposizione di telecamere dinamiche che consentono l’osservazione delle
evoluzioni. Anche queste sono state posizionate manualmente nello spazio in modo da inquadrare
costantemente gli aerei durante le loro manovre. Inoltre, sono state implementate in modo da
consentire di osservare le scene da punti di vista spettacolari ma, quando possibile, mantenendo
nell'inquadratura dei punti di riferimento a terra in modo che fosse semplice per l'utente
comprendere quale fosse il posizionamento degli aerei nello spazio virtuale (si vedano, ad esempio,
le Figure 4 e 6).
L’impossibilità di implementare efficientemente in VRML sistemi di particelle in tempo reale ha
portato alla necessità di ideare un algoritmo per la simulazione del fumo basato sull’utilizzo di
superfici bidimensionali che consentisse di ottenere un buon effetto visivo nonostante la particolare
implementazione utilizzata. Anche in questo caso, come in precedenza per gli aerei e le telecamere,
è stata necessaria una fase di generazione manuale delle traiettorie coperte dal fumo. Il risultato
finale è comunque apprezzabile e se ne può vedere un esempio nelle Figure 3, 5 e 6.
Figura 6 – Risultato dell’implementazione del fumo
La necessità di rendere l'ambiente virtuale accessibile da Internet ha altresì obbligato ad effettuare
un'approfondita fase di testing a causa della eterogeneità delle piattaforme (diverse schede grafiche,
diversi browser Internet, diversi sistemi operativi) su cui il mondo può essere eseguito. Questo ha
fatto emergere un certo numero di problemi, soprattutto nel rendering, che si è cercato di risolvere
prima della pubblicazione on-line. Sebbene non sia stato possibile garantire il perfetto
funzionamento in ogni possibile configurazione d'uso, nondimeno le modifiche apportate in questa
fase hanno limitato al minimo le disomogeneità di comportamento fra piattaforme diverse.
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Ringraziamenti
Il Cap. Pil. Alessandro Fiaschi ha fatto da beta-tester del software realizzato, fornendoci preziose
indicazioni perchè la nostra realtà virtuale riproducesse la sua realtà "reale".
Il Cap. Andrea Saia ha svolto una costante funzione di collegamento fra il team universitario ed il
team acrobatico.
Ringraziamo il Comandante de Rinaldis e tutti i piloti della Pattuglia Acrobatica Nazionale per la
disponibilità e le informazioni tecniche che ci hanno fornito.
Ringraziamo infine Roberto Ranon che ha realizzato la parte HTML del sito.
Bibliografia
1. VRML97 International
vrml97/index.htm
Standard,
URL:http://www.web3d.org/technicalinfo/specifications/