Forskningsdagene 2005 i Maridalen

Arkitektur- og designhøgskolen i Oslo (AHO) er sammen med Institutt for energiteknikk (IFE) plukket ut som ett av seks blant over tredve innsendte forslag til aktivitet for Forskningsdagene 2005.

Fra klokken 12 og så lenge det er lyst denne dagen vil ansatte og studenter fra AHO og IFE demonstrere resultatet av ett års samarbeid mellom arkeologer, arkitekter og teknologer. Vandrende med briller rundt ruinen vil en med egne øyne - og overført på skjerm - kunne se kirken slik den så ut da den var nybygd for 750 år siden! Du finner programmet for dagen her: Program: Maridalen. Mer om arrangementet på Forskningsrådet sine sider: Invitasjon: Forskningsdagene

En utvidet virkelighet som gjenskaper fortiden og skaper fremtiden

Utvidete virkelighet er et samlebegrep for en type visualiseringsteknologi som blander virtuell virkelighet med faktisk virkelighet. En bruker også ofte den engelske betegnelsen augmented reality (AR) for denne teknologien. Konseptet er basert på en type virtuell virkelighetsbrille med glass som en kan se gjennom.

Den som tar på seg en slik brille vil se gjennom glasset som en vanlig brille. Ved å koble brillen til en datamaskin kan vi i tillegg få lagt bildegrafikk på brilleglasset over det man ser på ”utsiden” av brillen. Det mest kjente eksempelet er muligens jagerflypiloter som får vist sikteinstrumenter på brillene i hjelmen sin.

Å se det usynlige

Det å kunne se det usynlige har alltid opptatt menneskene. Ved Institutt for energiteknikk i Halden har vi blant annet benyttet AR-teknologien til å vise stråling i kjernekraftanlegg som ikke er synlig for det blotte øye.

Med dette ønsker vi å oppnå at de som skal oppholde seg i områder som er utsatt for stråling skal få en bedre forståelse av hvilke områder de helst skal unngå for å minimalisere den strålingen de blir utsatt for. Denne måten å bruke teknologien på har også vist seg interessant innen romfart og oljevirksomheten. Andre målbare ting som øyet ikke kan se som faremomenter og temperatur vil da kunne vises på brillen.


Bilder: Institutt for energiteknikk

Vi gjenskaper fortiden!

Et annet område hvor vi tror teknologien kan brukes er innen arkitektur og historieforskning. Ved å ta i bruk brilleteknologien kan vi gjenskape historiske bygninger i terrenget på samme måte som vi kan vise nye bygninger på den plassen de skal ligge. Sammen med AHO og Maridalens Venner holder vi nå på med et prosjekt hvor vi gjenskaper Margaretakirken i Maridalen utenfor Oslo. Dette er en gammel middelalderkirke. Ideen er at vi skal kunne gå rundt kirkeruinene som fortsatt ligger der og ved hjelp av AR-teknologien kunne se kirken slik vi mener den så ut da den ble bygget i ca. år 1250.


Bilder: Alexander Somma

AR-teknologi og posisjonering

Hvordan er det så mulig at vi klarer å vise ting i den virkelige verden som ikke finnes? Foruten selve brilleteknologien, er det helt nødvendig å kunne vite så nøyaktig som mulig posisjonen samt hoderetning til den personen som bærer brillene. Teknikken som brukes her kaller vi posisjonering, og det er dette punktet som har gitt forskerne de største utfordringene så langt.

Det har vært mange forskjellige metoder for posisjonering som har vært utviklet og brukt på dette området. Eksempler er markører kombinert med kameragjenkjenning, sensorer basert på ultralyd, satelittposisjonering (f.eks. GPS), magnetiske sensorer og sensorer som baserer seg på treghetsprinsipper. Felles for disse er at alle metodene har svakheter og styrker alt avhengig av hva man ønsker å bruke dem til. Eksempler på faktorer en må ta hensyn til når en velger posisjoneringssystem er pris, hvor nøyaktig posisjonen kan bestemmes, hvor raskt vi kan få posisjonen samt forholdene på det stedet en ønsker å bruke systemet (f.eks. ute eller inne).

Visuelle sensorer

Sammen med forskere fra Kyoto Universitetet i Japan ser vi på en posisjoneringsteknologi som er basert på markører og kameragjenkjenning – også kalt visuelle sensorer. Disse kunstige markørene er plassert i omgivelsene hvor vi ønsker å bestemme posisjonen. Posisjonen og rotasjonen av markørene gjenkjennes ved hjelp av digital bildegjenkjenning. Beregninger i et dataprogram gir så posisjonen til kamera sett i forhold til omgivelsene. Denne metoden er ganske nøyaktig og stabil, men avstanden mellom kamera og omgivelser er relativt kort. Dersom en ønsker å bruke denne teknikken i store områder må en bruke svært mange markører. Posisjon og rotasjon på alle disse markørene på måles nøyaktig, og det sier seg selv at dette er en arbeidsskrevende oppgave.

I vårt tilfelle med Margaretakirken i Maridalen har vi utviklet en metode for visuelle sensorer hvor vi kan få stor avstand mellom markørene og kamera. Dette for at vi skal kunne gå rundt i slottsruinene og se kirken i sine naturlig omgivelser uten å måtte bruke uendelig mange små markører. Måten vi vil få dette til på er å bruke runde markører i stedet for firkantede som tradisjonelt har vært brukt. Siden avstanden mellom våre markører og kamera blir ganske stor, gir firkantede markører problemer i bestemmelse av posisjon og rotasjon i kameragjenkjenningen. Metoden med runde markører gjør oss i stand til å bestemme senter for markøren med stor nøyaktighet. Så, når markørene kan bli gjenkjent og posisjonen til hver av dem er kjent i omgivelsene på forhånd, kan vi regne ut posisjon og rotasjon på kameraet ved hjelp av en metode som kalles triangulering.

En rund markør består av en svart yttersirkel og en hvit sentersirkel med et mønster av svarte og hvite vifteformede figurer. Disse figurene bestemmer et binært mønster ut i fra sammensetningen.


Bilder: Kyoto Universitetet og Institutt for energiteknikk

Dersom vi deler innersirkelen opp i 9 vifter, så kan vi bruke 56 markører samtidig, med 11 vifter så gir det 188 markører. Det antallet vi trenger bestemmes ut i fra forhold i omgivelsene som lys og avstand mellom det vi ønsket å vise og kamera. Du kan lese mer om posisjoneringsteknologien i del 2 (Circular markers) av denne rapporten: Development of a Tracking Method for Augmented Reality Applied to Nuclear Plant Maintenance Work (engelsk, pdf-fil).

Å skape fremtiden

Når nye bygninger og skal planlegges, er det viktig at arkitektens ideer og planer blir fullt ut forstått av planmyndigheter, politikere og av publikum. Det som legges til grunn for beslutninger i plan- og bygningssaker i dag er tradisjonelle kart og dokumenter. Vi vet at disse planene ofte er vanskelige å forstå for de som skal fatte beslutninger og publikum. For å bedre forståelsen lager planleggerne perspektivtegninger og statiske modeller av planene. Men fremdeles ser vi i praksis at beslutningstakere og publikum blir overrasket når bygget står der ferdig. Dette skyldes for det meste mangel på erfaring i å forstå plantegningene og proporsjonene en kan lese ut i fra disse. Den beste løsningen ville vært å lage fullskala modeller av de foreslåtte tegningene, men det er i de fleste tilfeller ikke mulig - hva med en globus i full størrelse?

Det sies ofte at et bilde sier mer enn tusen ord. Erfaring har vist oss at en virtuell modell sier mer enn et bilde, og en utvidet virkelighetsmodell kan igjen si mer enn en virtuell modell. Ved å bruke en utvidet virkelighetsmodell kan en vise fullskala planer og prosjekter på den plassen bygget skal ligge. Dermed kan alle som skal ha en mening om prosjektet ha de samme muligheter til å uttale seg, og på denne måten forbedre kommunikasjonen med arkitektene. I tillegg kan vi også vise det usynlige som akustikk, støy, forurensning, bevegelsesmønstre og så videre.

Veien videre

Vi har snakket om bruk i industrien og innen arkitektur. Men det er også andre områder hvor teknologien kan brukes som underholdning og kultur. Et eksempel i så måte er en diplomoppgave ved Arkitektur- og designhøgskolen i Oslo hvor lyd kan vises som former i rommet ved hjelp av utvidet virkelighetsteknologi. Det er den kjente norske komponisten Arne Nordheim som har laget musikken.

Videre tenker vi oss at teknologien kan brukes av alle byplanleggere og offentlige etater hvor det er viktig at man har det beste beslutningsgrunnlaget når bestemmelse skal tas. Da er det viktig at utstyret er lett å sette opp og bruke uten at en trenger å være ekspert, samt at utstyret er robust og tåler vær og vind. Her ligger det også store utfordringer.

Det er også viktig at vi ikke innfører ny teknologi bare for teknologien skyld, men at vi har en mulighet til å sjekke at teknologien faktisk løser de problemer den var ment å løse og ikke innfører nye. Ved Halden Menneske-Maskin Laboratorie ved IFE i Halden har våre psykologer muligheten til å utføre vitenskapelige tester for å sjekke nettopp dette.

Selv om vi i tilfellet med Margaretakirken i Maridalen har valgt å bruke runde visuelle sensorer, så vil det være naturlig å se på andre teknologier også, og gjerne kombinasjoner av disse. Det kanskje viktigste ved det arbeidet som er beskrevet her, er det at flere fagområder som arkitektur, historikere, psykologer og visualiseringsteknologi jobber sammen for å løse oppgaver det ville være vanskelig å løse alene.