Izdelava lastne večdotične mize

Večdotične mize in podobne delovne površine se vedno bolj širijo tudi v vsakdanje življenje. Vse več in več podjetij razvija takšne mize z uporabo različnih tehnologij, a še vedno velja, da so te rešitve zelo drage in si jih lahko privoščijo le redki. Navdušenci nad tehnologijo so tako za konjiček začeli razvijati tudi lastne veliko cenejše rešitve. Sčasoma se je oblikovala skupnost, ki takšne ljubitelje združuje in povezuje. Spletna stran skupnosti je dosegljiva na nuigroup.com.

Zamisel o izdelavi lastne večdotične mize se nam je v Laboratoriju za računalniško grafiko in multimedije Fakultete za računalništvo in informatiko Univerze v Ljubljani porodila že davnega leta 2006, ko sva se dva člana laboratorija navdušila nad zamislijo ob gledanju posnetkov raziskovalca Jeffersona Y. Hana z Univerze v New Yorku, ki je demonstriral uporabno implementacijo nove tehnologije. Že takrat smo začeli načrtovati lastno mizo in ocenjevati stroške za izdelavo prototipa. V naslednjem letu je podjetje Microsoft predstavilo lastno implementacijo tehnologije pod imenom Microsoft Surface (pod istim imenom zdaj tržijo serijo tabličnih računalnikov). Njihova rešitev je takrat stala 16 tisoč evrov, za nas nepredstavljiv znesek.

Izdelava načrta

Preden smo se lotili izdelave mize, smo dodobra preučili, kaj vse bomo potrebovali pri delu. Tako smo zasnovali osnovno ohišje, sestavljeno iz aluminijastega okvira in lesenih stranic, ki naj bi rabilo kot podlaga za mizo in bi obenem skrivalo v sebi tudi vse potrebne naprave. Tehnologija FTIR, ki smo jo uporabili za implementacijo delovanja mize, je bila predstavljena v septembrski številki. Za potrebe izvedbe te tehnologije potrebujemo: pleksisteklo, prosojno projekcijsko platno ali folijo, okvir, sestavljen iz diod IR LED, kamero, sposobno zajema svetlobe IR, projektor za prikaz slike, napajalnik in računalnik. Poleg naštetega potrebujemo še gradivo za izdelavo ohišja mize, h kateremu sodijo aluminijasti profili, plošče iz vezanega lesa, ogledalo, kolesa, ventilatorji, vijaki in orodje.

Najdražja stvar s seznama je nedvomno projektor. Na našo srečo smo imeli v laboratoriju starejši in dotrajan projektor, ki je bil idealen za izdelavo takega prototipa. Večji strošek je predstavljal še namensko izdelan napajalnik, namenjen napajanju okvira diod IR LED in ventilatorjev v ohišju, ki nas je olajšal za nekaj več kot 200 evrov, saj je bil narejen posebej za potrebe naše mize. Okoli 100 IR LED diod in nekaj uporov je pri domačih trgovcih stalo skupaj okoli 100 evrov (cenejša alternativa je za posameznika kitajska roba), akrilno steklo, veliko 80 cm × 60 cm, okoli 35 evrov, Playstation Eye kamera okoli 20 evrov, ogledalo okoli 5 evrov. Preostali strošek so predstavljali aluminijasti profili in les, to je skupaj stalo okoli 150 evrov. V prototipni mizi smo uporabili starejši računalnik, ki je prav tako ležal v laboratoriju. Cena projekta je bila tako ocenjena na okoli 1800 evrov in je bila za izdelavo delujočega prototipa tudi realna.

Preden smo se lotili izdelave, smo najprej naredili 3D model ohišja mize in preučili zmogljivosti in lastnosti našega projektorja. Zelo pomembno je, da ima projektor čim širši kot (da je torej slika pri čim krajši razdalji čim večja), saj lahko s tem višino mize dodatno znižamo in bo miza priročnejšo za uporabo. Načrt zgornje površine mize predstavlja slika 1, na kateri je prikazana sestavljena površina z že vdelanim steklom in diodami IR. Površina je obenem tudi prostor, kamor bo projicirana slika projektorja. Slika 2 prikazuje ogrodje mize, sestavljeno iz aluminijastih profilov. Stranske in spodnja stranica zaradi boljše vidljivosti niso prikazane.

Slika1: 3D model zgornje ploskve mize, ki vsebuje akrilno steklo, obdano z diodami IR LED.

Slika2: Različni pogledi na ogrodje mize, sestavljeno iz aluminijastih profilov.

Izdelava mize

Izdelave mize smo se lotili v domači kleti enega izmed sodelujočih pri projektu, kjer smo imeli na razpolago prostor in orodje. Ko smo pripravili načrte za izdelavo, smo se najprej lotili izdelave delovne površine mize, v katero je vpeto steklo, obdano z diodami IR.

Delovna površina

Osnovni okvir delovne površine nam je prijazno izdelal sosed - mizar in je zasnovan, kot je prikazano na sliki 1. Tu naj na kratko povzamemo delovanje tehnologije FTIR. V akrilno steklo od strani usmerimo IR izvore svetlobe in s tem dosežemo, da se zaradi popolnega odboja svetloba v steklo ujame in iz njega pobegne šele na drugem robu. Tako je treba za enakomerno razporeditev svetlobe po stekleni površini okoli stekla enakomerno razporediti izvore IR svetlobe, v našem primeru diode IR LED. To smo dosegli tako, da smo steklo obdali s tankimi lesenimi deščicami, vanje pa smo v enakomernih razdaljah izvrtali luknje za diode IR. V našem primeru smo uporabili 80 diod IR LED in jih med seboj vezali, kot je prikazano na sliki 4.

Slika3: Prikaz vezave diod IR LED in uporov.

Vezava diod v prikazano shemo je zahtevala kar nekaj spajkanja. To nam je zaradi neveščih rok vzelo kar nekaj časa. Za zajem slike smo v prvem prototipu uporabili staro odsluženo spletno kamero Logitech Quickcam Pro 4000 in ji odstranili filter IR in vstavili filter vidne svetlobe. Filter IR je večinoma, tudi v kasneje uporabljeni kameri Playstation Eye, v obliki predleče, ki jo lahko bolj ali manj enostavno odstranimo iz samega objektiva kamere. Postopek je destruktiven in ga tistim, ki želijo kamero kdaj kasneje uporabljati še za kaj drugega, odsvetujemo. Da pa kamere ne bi več motila svetloba vidnega dela spektra, smo v objektiv dodali preprost filter vidne svetlobe. V ta namen smo uporabili izpostavljen 35 mm fotografski film, ki v dveh do treh slojih vidne svetlobe skoraj ne prepušča več, prepušča pa svetlobo IR.

Slika 4: Razdiranje kamere in vstavitev fotografskega filma kot filtra vidnega spektra svetlobe.

Po uspešno dokončanem okviru smo lahko opravili prve preizkuse delovanja sistema. Okvir smo dvignili od tal, ga priključili na napetost, podenj postavili kamero brez filtra IR in preverili, ali se na zajeti sliki prikažejo svete točke na mestih, kjer se stekla dotaknemo. To je prikazano na sliki 5.

Slika 5: Preizkus delovanja delovne površine mize (Avtor: Luka Čehovin)

Na tem mestu smo se lotili tudi izdelave projekcijske površine, na kateri se kasneje prikazuje slika projektorja. Najprej smo za to površino uporabili polprosojen papir in ga na eni strani zelo enakomerno namazali z raztopljenim silikonskim gelom. Površino, premazano s silikonskim gelom, smo položili na steklo. Ob pritisku s prstom na površino papirja smo tako na nekem mestu ustvarili neravno prosojno ploskev, kjer so v steklo ujeti IR žarki pobegnili iz stekla in se razpršili. Del se jih odbije tudi proti kameri. To zaznamo kot svetle točke na sliki kamere. Kasneje smo polprosojni papir zaradi neodpornosti nadomestili s prosojnim projekcijskim platnom, na katero je bil nanesen silikonski gel. V zadnji nadgradnji mize smo projekcijsko platno nadomestili s samolepilno projekcijsko folijo na spodnji strani stekla. Uporabnik se zdaj z rokami dotika stekla brez dodatnega vmesnega sloja silikonskega gela.

Ogrodje mize

Po uspešno končani izdelavi delovne površine mize je sledila izdelava ogrodja mize. Pri izdelavi ogrodja je bilo treba paziti na to, da smo projektor, zrcalo in kamero postavili v ohišje tako, da se niso motili med seboj in si prekrivali površin.

Kamero smo namestili na dno mize in poskrbeli, da je zajemala celotno odprtino v okviru, ki jo prekriva steklo. Pri namestitvi projektorja moramo paziti, da ne zakrijemo vidnega polja kamere in da ga namestimo tako, da bomo deformacijo slike lahko odpravili z nastavitvami projektorja pri trapezoidnosti prikazane slike. Priporočamo, da se najprej lotite nameščanja projektorja in zrcala in šele, ko ustrezno nastavite sliko, namestite še kamero. Za doseganje nižje višine mize lahko na projektor namestite tudi predlečo, ki sliko dodatno razširi in s tem skrajša potrebno razdaljo od projektorja do projekcijske površine.

Ker je celotno ogrodje zasnovano kot kvader, je v njem še vedno dovolj prostora, da vanj shranimo osebni računalnik v običajnem ohišju, pa tudi napajalnik in vso potrebno napeljavo. Dokončana miza je prikazana na sliki 6.

Slika 6: Dokončana večdotična miza

Programska oprema

Za samo delovanje mize pa seveda ni dovolj zgolj strojna oprema, temveč je treba za uporabo prilagoditi tudi programsko opremo. V našem primeru smo vzpostavili delovanje mize v operacijskih sistemih Microsoft Windows 7 in Ubuntu Linux.

Ob uporabi oken smo delovanje večdotičnosti povezali neposredno z operacijskim sistemom. Tako lahko v oknih za upravljanje poljubnih aplikacij uporabimo kar v sistem vgrajeni večdotični vmesnik. Pri tem smo uporabili izdelek skupnosti za naravne vmesnike (NUI Group), imenovan CCV (Community Core Vision). Aplikacija omogoča, da iz zajete slike kamere ob pomoči tehnik računalniškega vida izloči svetle točke, ki predstavljajo od prstov odbito svetlobo IR. Vmesnik aplikacije je prikazan na sliki 7. Nadalje smo prek t. i. "multi-mouse" gonilnika omenjeno aplikacijo sistemu predstavili kot množico "mišk". Sistem zna uporabo več navideznih "mišk" predstaviti kot eno samo večdotično vhodno napravo. Prav tako sistem Windows 7 že zna delati s takim vhodom in v aplikacijah izvajati akcije, ki ustrezajo določeni gesti uporabnika na površini mize.

Slika 7: Zaslonski posnetek aplikacije CCV, ki prikazuje delovanje na vseh treh glavnih platformah Windows, Linux in OsX. (Vir: ccv.nuigroup.com)

Na več težav smo naleteli pri vgradnji večdotičnosti v sistemu Ubuntu Linux. Čeprav je ista aplikacija CCV na voljo tudi za operacijski sistem Linux, je bila v času naše uporabe še v povojih. Tako je bilo treba programsko kodo ročno prevajati in poskrbeti tudi, da je sistem našel kamero Playstation Eye. V sistemu Linux večdotičnosti nismo mogli povezati neposredno s samim operacijskim sistemom. Tako smo se odločili za rešitev z uporabo javanske večdotične knjižnice MT4j (Multitouch for Java), dosegljive na spletni strani www.mt4j.org. V zadnjem času je razvoj knjižnice nekoliko zastal, a je za demonstracijo in izvedbo različnih večdotičnih scenarijev še vedno priročna.

Raba

Na fakulteti izdelan prototip večdotične mize uporabljamo predvsem pri predstavitvah zanimivih tehnologij študentom in obiskovalcem. Prav tako študentom omogočamo, da v okviru seminarskih nalog in lastnih projektov mizo uporabijo pri izdelavi in testiranju aplikacij. Površina, občutljiva za dotik, meri kar 80 cm × 60 cm. To omogoča, da mizo hkrati uporablja več uporabnikov. Raziskujemo tudi možnosti, kako bi eno večjo površino uporabili za interakcijo med več uporabniki. Na temo večdotičnih tehnologij razpisujemo tudi diplomske naloge, pri čemer lahko študenti sami predlagajo nove pristope k reševanju določene težave ali pa na obstoječo platformo prenesejo že uveljavljeni pristop.

Večdotične tehnologije so v javnosti najbolje predstavljene s prisotnostjo pametnih telefonov in tabličnih računalnikov. Tehnologija postaja vedno bolj dostopna tudi po cenovni plati in torej ni več daleč čas, ko bomo lahko večdotične vmesnike uporabljali tudi v domačem okolju. Izdelovalci gospodinjskih naprav že vrsto let preverjajo možnosti vgradnje takih vmesnikov v različne naprave domačega gospodinjstva, kot so hladilniki, kuhinjski pulti, pečice ipd. Uporabnost preprostih večdotičnih vmesnikov je dodaten izziv izdelovalcem, razvijalcem pa v dodatno vzpodbudo, da tehnologijo naredijo še bolj preprosto in cenovno dostopno.