Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Σχολή Ηλεκτρ. Μηχ/κών και Μηχ/κών Υπολογιστών

Μεταπτυχιακό Μάθημα:
ΕΙΚΟΝΙΚΗ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ -
ΑΠΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

Ακαδημαϊκό Έτος 2008-09

• Περιεχόμενο (Στόχοι μαθήματος, Διδάσκοντες, Αναλυτική Περιγραφή, Οργάνωση)
  
  
• Εκπαιδευτικό υλικό (Διαφάνειες διαλέξεων, Βιβλιογραφία, Εργασίες/Ασκήσεις)
  
  
• Ανακοινώσεις - What's new
  
  8/07/2009: Ανακοινώθηκε η δεύτερη από τις υποχρεωτικές ασκήσεις του μαθήματος.
  
  8/07/2009: Είναι διαθέσιμες σε ηλεκτρονική μορφή οι διαφάνειες των διαλέξεων του μαθήματος, για την 3η ΕΝΟΤΗΤΑ (3D animation).
  
  27/05/2007: Ανακοινώθηκαν οι προτεινόμενες εργασίες του μαθήματος.
  
  27/05/2009: Ανακοινώθηκε η πρώτη από τις υποχρεωτικές ασκήσεις του μαθήματος.
  
  27/05/2009: Είναι διαθέσιμες σε ηλεκτρονική μορφή οι διαφάνειες των διαλέξεων του μαθήματος, για την 1η ΕΝΟΤΗΤΑ (εισαγωγή) και την 2η ENOTHTA (3D γραφικά με υπολογιστή: μοντελοποίηση και απόδοση).
  
  
• Υποχρεωτικές Ασκήσεις προς παράδοση
  
  
• Προτεινόμενες Εξαμηνιαίες Εργασίες
  
  
• Χρησιμες διευθύνσεις στο Διαδίκτυο
  
  

Περιεχόμενο

    Κων/νος Τζαφέστας
    Επίκουρος Καθηγητής ΕΜΠ
    Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχ/κών και Μηχ/κών Υπολογιστών
    Γραφείο: Κτήριο Ηλεκτρολόγων, 2ος όροφος, γραφείο 21.36
    Τηλ. (γραφείο) 210-772 3687,
     ktzaf@softlab.ntua.gr
     http://www.softlab.ece.ntua.gr/~ktzaf

Αναλυτική περιγραφή μαθήματος

1. ΕΝΟΤΗΤΑ 1: Εισαγωγή στην Εικονική Πραγματικότητα (ΕΠ) (Virtual Reality - VR)

   • Βασικές Έννοιες και Αρχές
   • Διατάξεις και Τεχνολογίες Συστημάτων ΕΠ
   • Γενική Επισκόπηση Πεδίων Εφαρμογών ΕΠ

2. ΕΝΟΤΗΤΑ 2: Τριδιάστατα Γραφικά με Υπολογιστή

   • Μοντελοποίηση 3Δ Γραφικών (3D graphics modeling)
   • Αλγόριθμοι και Τεχνικές Απόδοσης 3Δ Γραφικών (3D graphics rendering)

3. ΕΝΟΤΗΤΑ 3: Θέματα 3D Animation - μοντελοποίηση και υλοποίηση

   • Κινηματική και Δυναμική μοντελοποίηση - Αρθρωτή κίνηση
   • Ελαστικότητα και Δυναμική Παραμόρφωση
   • Αλγόριθμοι Εντοπισμού Συγκρούσεων - Εφαρμογές VR

4. ΕΝΟΤΗΤΑ 4: Απτικά Συστήματα (Haptics)

   • Προδιαγραφές και Κατηγοριοποίηση Απτικών Συστημάτων
   • Θέματα Ελέγχου Απτικών Διατάξεων
   • Αίσθηση και Αντίληψη Αφής στον Ανθρωπο
   • Ανθρώπινος Παράγοντας - Αξιολόγηση Απτικών Συστημάτων

5. ΕΝΟΤΗΤΑ 5: Εφαρμογές ΕΠ και Απτικών Συστημάτων

   • Ιατρικές Εφαρμογές
   • Εφαρμογές Τηλερομποτικής / Τηλε-εργασίας
   • Εφαρμογές στην Εκπαίδευση
   • Αλλες εφαρμογές και ερευνητικά πεδία ...

Ωρολόγιο πρόγραμμα

Εκπαιδευτικό υλικό

Οδηγίες για να "κατεβάσετε" σε ηλεκτρονική μορφή τα αρχεία .pdf:
Download .pdf files, κάνοντας "δεξιό click" με το ποντίκι (πάνω στο link του αρχείου), και εν συνεχεία επιλέγοντας --> "Save Link As..." to download and save file locally on disk, and then open it locally using Adobe Acrobat Reader

• Διαφάνειες διαλέξεων

  Οι διαφάνειες των διαλέξεων του μαθήματος θα διατίθενται εδώ σταδιακά on-line σε ηλεκτρονική μορφή (PDF αρχεία).
  (απαιτείται ο κωδικός ασφαλείας του μαθήματος για την πρόσβαση)
  
  

  
  
  • Είναι διαθέσιμες σε ηλεκτρονική μορφή οι διαφάνειες των διαλέξεων για την 1η ENOTHTA:
    Εισαγωγή στην Εικονική Πραγματικότητα (PDF, 2.67Mb)
    
    
    
    
  • Είναι διαθέσιμες σε ηλεκτρονική μορφή οι διαφάνειες των διαλέξεων για την 2η ENOTHTA:
    3D Γραφικά μέσω υπολογιστή - Μοντελοποίηση και Οπτική Απόδοση (PDF, 2.84Mb)
    
    
    
    
  • Είναι διαθέσιμες σε ηλεκτρονική μορφή οι διαφάνειες των διαλέξεων για την 3η ENOTHTA:
    3D Animation - Θέματα Μοντελοποίησης και Υλοποίησης (PDF, 1.6Mb)
    
    
    

• Γενική βιβλιογραφία (Εισαγωγικά και Γενικά Συγγράματα σε Θέματα Εικονικής Πραγματικότητας)

  Συγγράμματα
  
  1. Grigore Burdea and Philippe Coiffet, Virtual Reality Technology, John Wiley 2003 (2nd edition).
  2. Richard Bartle, Designing Virtual Worlds, New Riders 2003.
  3. John Vince, Virtual Reality Systems, Addison-Wesley 1995.
  4. Grigore Burdea, Force and Touch Feedback for Virtual Reality, John Wiley, 1996.
  5. Karen Carr and Rupert England (eds.), Simulated and Virtual Realities, Taylor and Francis 1995.

• Βιβλιογραφία σε θέματα 3Δ Γραφικών Υπολογιστή

  Συγγράμματα
  
  1. F.S. Hill, Jr., Computer Graphics Using OpenGL, Prentice Hall 2001.
  2. L. Ammeraal, Computer Graphics for Java Programmers, John Wiley & Sons, 1998.
  3. E. Angel, Interactive Computer Graphics: A Top-Down Approach Using Open GL, 3rd Edition, Reading MA: Addison Wesley, 2002.
  4. D. Foley, et al., Introduction to Computer Graphics, Addison-Wesley, 1994.
  5. A. Watt, M. Watt, Advanced Animation and Rendering Techniques, ACM Press, Addison-Wesley Publishing 1992.

Ασκήσεις προς παράδοση

• 'Ασκηση 1 (προγραμματιστική): Να κατασκευαστεί (με χρήση της βιβλιοθήκης γραφικών OpenGL) ένα πολυεδρικό μοντέλο τριδιάστατου αντικειμένου αποτελούμενο από μια μορφή παραμετροποιήσιμης κωνικής επιφανείας, και να προγραμματιστεί, με χρήση της βιβλιοθήκης GLUT, μια απλή αλληλεπιδραστική εφαρμογή οπτικής απόδοσης με, κατά την επιλογή σας, διαδραστικά μεταβαλλόμενα κάποια χαρακτηριστικά της εικονικής κάμερας (απλή εικονική πλοήγηση).
  (Παράδοση: έως το τέλος Ιουνίου)
  
  
  Ένα μικρό δείγμα κώδικα (sample source code) (.cpp file, με χρήση C/OpenGL/GLUT/GLu), για τη διευκόλυνση στην εκπόνηση της πρώτης άσκησης.
  (απαιτείται κωδικός ασφαλείας για την πρόσβαση)
  
  Σχετικές χρήσιμες διευθύνσεις στο Διαδίκτυο (βιβλιοθήκες γραφικών OpenGL/GLUT), για διευκόλυνση στην εκπόνηση των ασκήσεων του μαθήματος.
  
  
• 'Ασκηση 2 (προγραμματιστική): Να κατασκευαστεί πρόγραμμα διαδραστικού animation (κινηματικής προσομοίωσης) μιας αρθρωτής κινηματικής αλυσίδας με 2 περιστροφικούς βαθμούς ελευθερίας (2 αρθρώσεις, και 2 κινούμενοι σύνδεσμοι).
  (Επεξήγηση: με mouse-drag λειτουργία κατά x ή y, μπορεί να προσδίδεται κίνηση στην αρθρωτή δομή, επιλέγοντας έναν από δύο τρόπους ελέγχου: (α) σε μεμονωμένες αρθρώσεις, και (β) κατά x/y, αντίστοιχα, του τελικού σημείου της κινηματικής αλυσίδας. Στόχοι της άσκησης: (i) ο σωστός χειρισμός της στοίβας μητρώων μετασχηματισμών της OpenGL, για την ορθή απόδοση αρθρωτών κινηματικών περιορισμών, και (ii) η επίλυση των κινηματικών σχέσεων για τον (β) τρόπο animation.
  (Παράδοση: έως το τέλος Ιουλίου)
  
  

Εξαμηνιαίες Εργασίες Μαθήματος

• Προγραμματιστική Εργασία 1: Διαδραστική Προσομοίωση Κλασσικών Φυσικών Μοντέλων (mass, damper, friction, spring) σε Εικονικό Περιβάλλον - Εφαρμογή Απλών Τεχνικών Collision Detection και Υλοποίηση σε περιβάλλον GLuT / OpenGL.
  
  
• Προγραμματιστική Εργασία 2: Διαδραστική Προσομοίωση μιας Ανοικτής Κινηματικής Αλυσίδας σε Εικονικό Περιβάλλον (kinematic simulation of an open kinematic chain in a virtual environment) - Υλοποίηση σε περιβάλλον GLuT / OpenGL.
  
  
• Προγραμματιστική Εργασία 3: Διαδραστική Προσομοίωση Παραμορφώσιμης Επιφανείας (deformable surface) σε Εικονικό Περιβάλλον με Εφαρμογή Απλών Τεχνικών Collision Detection και Υλοποίηση σε περιβάλλον GLuT / OpenGL.
  
  
  Σχετικές χρήσιμες διευθύνσεις στο Διαδίκτυο για την εκπόνηση των προγραμματιστικών εργασιών.
  
  
  _______________
  
  
• Βιβλιογραφική Εργασία 1. "Επαυξημένη Πραγματικότητα και Εφαρμογές: Βιβλιογραφική Επισκόπηση"
  (Augmented Reality and Applications)
  
  Σχετικές Δημοσιεύσεις:
  
  • Azuma, R.T., "A Survey of Augmented Reality," Presence: Teleoperators and Virtual Environments 6, 4 (August 1997), 355-385. (pdf, 470KB)
    
  • R. Azuma, et al., "Recent Advances in Augmented Reality," IEEE Computer Graphics and Applications 21, 6 (Nov/Dec 2001), 34-47.
    (pdf, 2.2MB)
    
  
  
• Βιβλιογραφική Εργασία 2. "Ιατρικές Εφαρμογές Απτικών Συστημάτων: Βιβλιογραφική Επισκόπηση"
  (Medical Applications of Haptic Devices)
  
  Ενδεικτική Σχετική Εργασία:
  • U. Kuhnapfel et al., "HapticIO: Haptic Interface System for Virtual Reality Training in Minimally Invasive Surgery Simulation" (pdf)
  
  
• Βιβλιογραφική Εργασία 3. "Επισκόπηση 'Εξωσκελετικών' Απτικών Τεχνολογιών"
  (Exoskeleton Haptic Devices)
  
  Ενδεικτικές Σχετικές Δημοσιεύσεις :
  • J.C. Perry, J. Rosen, "Design of a 7 Degree-of-Freedom Upper-Limb Powered Exoskeleton," Proceedings of the 2006 BioRob Conference, Pisa, Italy, February, 2006. (pdf)
    
  • N.G. Tsagarakis, D. Caldwell, 2003, "Development and Control of a 'Soft-Actuated' Exoskeleton for Use in Physiotherapy and Training," Autonomous Robots, vol 15, 21-33. (pdf)

• Βιβλιογραφική Εργασία 4. "Απτική Ανάδραση Αίσθησης Αφής σε Εικονικό Περιβάλλον: Επισκόπηση Τεχνολογιών"
  (Tactile Haptic Display in Virtual Environments: Survey of Technologies)
  
  Ενδεικτική Σχετική Εργασία:
  • Benali-Khoudja, M. and Hafez, M. and Alexandre, J.-M. and Kheddar, A., "Tactile interfaces. A state-of-the-art survey", 35th International Symposium on Robotics (ISR'04) , 721--726, 2004. (pdf)
  
  

Διάφορες χρήσιμες διευθύνσεις στο Διαδίκτυο

• ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΕΣ 3D COLLISION DETECTION
  • Collision Detection/Proximity Query Packages (H-COLLIDE, RAPID/PQP/V-COLLIDE, SWIFT/I-COLLIDE):
    http://www.cs.unc.edu/~geom/collide/packages.html
    
    • Related publication: Ming C. Lin, Dinesh Manocha, "Collision and Proximity Queries," in: Handbook of Discrete and Computational Geometry: Collision detection, 2003 (pdf, 840KB)
  • ColDet 3D Collision Detection: http://sourceforge.net/projects/coldet
    
  
  
• GLUT and OpenGL Utility Libraries:
  
  • http://www.opengl.org/resources/libraries/