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Las ciencias de la simulación

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Una introducción a las señales visuales, de movimiento, audibles y hápticas necesarias para ambientes inmersivos por David Hambling.

El Link “Blue Box”, el primer entrenador de vuelo efectivo, se creó a fines de la década de 1920 cuando los aviones habían estado volando durante más de 20 años. Este es un fuerte indicio de que un simulacro efectivo puede ser más difícil de construir que lo real.

En la vida real, la vista desde la cabina no es tan clara como un videojuego. Crédito de la imagen: CAE.

Nuestros sentidos, aguzados por millones de años de evolución, no pueden ser engañados fácilmente, lo que dificulta dar una impresión realista de volar alto mientras todavía está firmemente enraizado en el suelo. La simulación efectiva requiere señales visuales, de movimiento y audibles, todas completamente integradas. Incluso fallas menores pueden resultar en enfermedades del simulador, haciendo que la simulación sea inútil. Otros errores pueden provocar una mala capacitación y hacer que la simulación sea peor que inútil. Las normas para la simulación son, por lo tanto, necesariamente altas.

Ver es creer

Antes de la década de 1980, se creó un video de vuelo simulado al mover una cámara montada en un pórtico sobre un terreno de modelo a escala y proyectar la imagen en una pantalla. Las computadoras del día simplemente no podían manejar el volumen de datos necesarios para simular paisajes en tiempo real. Desde entonces, la capacidad de procesamiento ha aumentado dramáticamente y se pueden generar escenas convincentes en tiempo real.

Una pantalla visual tiene tres características clave: resolución, campo de visión y frecuencia de actualización. La demanda de potencia informática se multiplica a medida que mejoran, superando incluso a la Ley de Moore, que ha proporcionado computadoras cada vez más baratas. Como resultado, la asequibilidad sigue siendo un problema.

Los pilotos pueden obtener señales de movimiento y distancia incluso con gráficos vectoriales simples, pero una pantalla efectiva debe proporcionar imágenes detalladas y nítidas. Al igual que los televisores se han actualizado a HD y luego a 4K, los simuladores tienen una resolución más alta que nunca. La resolución de las pantallas curvas que envuelven al espectador se expresa en términos del ángulo ocupado por cada píxel, o minutos de arco por par de líneas ópticas.

“La pantalla perfecta es aquella en la que la agudeza de la pantalla coincide con la de los pilotos, que es de aproximadamente dos minutos de arco por línea óptica por par”, dice Phil Perey, jefe de Tecnología para Defensa y Seguridad de CAE (Montreal, Canadá). “El Santo Grial es poder igualar eso en un simulador, pero hacerlo hoy es caro”.

Los simuladores civiles suelen tener una resolución de aproximadamente cuatro a cinco minutos de arco por par de líneas, mientras que los simuladores militares tienden a ser más detallados de tres a cuatro.

En general, los pilotos civiles solo necesitan ver y responder a objetos comparativamente grandes como las pistas, por lo que la resolución extrema no es esencial. Sin embargo, el detalle debe ser lo suficientemente bueno para transmitir la textura de la superficie de abajo. La textura del paisaje, ya sea bosque, montañas o llanuras, proporciona una fuerte indicación visual de la altitud y la velocidad. Si la simulación no proporciona esto, los pilotos no pueden recoger la técnica.

Los simuladores militares requieren una mayor resolución porque están entrenando para un rol bastante diferente. “Los pilotos militares necesitan una buena agudeza visual para detectar aviones a distancia e identificarlos rápidamente como amigos o enemigos”, dice Perey.

Esto requiere gráficos de alta fidelidad para representar pequeños objetos en el borde de la visibilidad, ya sean aviones o vehículos en tierra. Las pantallas militares deben admitir, por ejemplo, tareas cruciales como distinguir un tanque T64 ruso de un Abrams M1 estadounidense desde una distancia.

Un desafío importante para la incorporación de la capacitación basada en Google de VR es agregar retroalimentación háptica realista. Crédito de la imagen: HaptX.

Campo visual de visión

El campo de visión también es más exigente para las simulaciones militares que para el sector civil. Los simuladores de aviones requieren un campo de visión horizontal de 220 grados y de 60 grados, pero las aeronaves militares, especialmente los helicópteros, requieren una mayor extensión para un realismo completo. Los pilotos de helicópteros necesitan ventanas de mentón, ventanas laterales y ventanas elevadas para darse cuenta de la situación.

En lugar de tener solo unas cuantas pantallas, algunos simuladores proyectan la escena en un domo, brindando una vista horizontal de 360 grados con 135 grados verticales, esencialmente permitiendo que el piloto gire su cabeza y vea una simulación realista dondequiera que mire.

Peter Morrison, co-CEO de Bohemia Interactive Solutions (Winter Park, Florida, EE. UU.), Afirma que este tipo de requisito ahora se puede cumplir mejor con la realidad virtual (VR), que proporciona una inmersión total a un costo menor que los sistemas de proyección tradicionales.

Frecuencia de actualización visual (refresh rate)

Las pantallas de video no se mueven; más bien, muestran una sucesión de imágenes rápidamente para dar la ilusión de movimiento, utilizando el mismo principio que los fotogramas que pasan por un proyector de películas de antaño. En la década de 1990, los simuladores de vuelo se actualizaron típicamente a 30 Hz, es decir, 30 veces por segundo. Esto no era ideal, una limitación de la potencia de cómputo disponible, pero realizable. El estándar ahora es de 60 Hertz, lo mismo que la televisión.

Sin embargo, las pantallas más grandes con resoluciones más altas requieren velocidades de cuadro más altas, de lo contrario las imágenes comienzan a verse desiguales. El problema ocurre especialmente con escenas que cambian rápidamente, como el vuelo cerca del suelo o los rápidos movimientos de giro en un helicóptero. En tales situaciones, la cantidad de píxeles que un objeto desplaza en cada fotograma hace que el movimiento sea desigual, por lo que se necesitan mayores tasas de actualización.

“Varios estudios científicos dicen que a medida que la resolución mejora, hay que mejorar la frecuencia de actualización”, dice Perey. “El nuevo estándar es de 120 Hertz para helicópteros y aviones rápidos”.

Mundos Virtuales

Incluso con una resolución y frecuencia de actualización ideales y un campo de visión envolvente, una pantalla es tan buena como la que muestra. En la vida real, la vista desde una cabina no es tan clara como un videojuego.

“Cuando estás a 40,000 pies, la bruma se interpone en el camino”, dice Morrison.

El efecto, conocido como perspectiva aérea, hace que los objetos distantes se fundan con la bruma del fondo, pierden contraste y detalles y adquieren un tinte azulado. El efecto varía en función de las condiciones atmosféricas y la dirección de la luz, lo que genera importantes demandas en el procesamiento.

En cuanto a los detalles del terreno, las simulaciones civiles se centran en los aeropuertos, asegurando que las representaciones sean precisas y actualizadas. Hay menos interés en lo que se encuentra entre los sitios de aterrizaje.

Por el contrario, los pilotos militares necesitan tener objetos realistas en el suelo en todas partes. En vuelos de bajo nivel, las casas, las carreteras y los árboles proporcionan una referencia para la altura, la tasa de cambio de altitud y el ángulo en el que la aeronave se acerca al suelo. Deben representarse con precisión para que los pilotos desarrollen su juicio, de lo contrario, pueden confiar demasiado en los instrumentos o leer mal las señales en el vuelo real.

Las simulaciones militares modernas no solo muestran características fijas, sino un entorno dinámico completo. Morrison dice que sus simulaciones incluyen un “patrón de vida” con barcos, tráfico y hasta peatones visibles desde corta distancia.

Es cada vez más importante que los entrenadores militares representen partes específicas del mundo con precisión en lugar de terreno genérico. Perey da el ejemplo de un reciente ejercicio de la Fuerza Aérea Canadiense Real entrenando a pilotos de Chinook para operaciones de socorro en Mali. La simulación precisa de las condiciones en el terreno permitió que los pilotos obtuvieran una experiencia valiosa antes de que se desplegaran en la misión, de modo que para el momento en que se desplegaron estaban preparados para las condiciones que encontrarían.

La capacidad de proporcionar recreaciones detalladas y precisas de lugares reales es un área clave de la competencia para simuladores militares.

Efectos de Sonido

El sonido proporciona a los pilotos una importante conciencia situacional. Mucho de esto es simplemente confirmatorio; el aumento del empuje trae un cambio correspondiente en el sonido del motor, y esto aumenta el efecto inmersivo. El sonido del motor también puede alertar a los pilotos de los problemas antes de que aparezcan en los instrumentos.

Nuestros dos oídos nos dan un talento natural para la localización, detectando la fuente de un sonido. La tecnología de sonido comercial se ha adaptado para equipar a los simuladores con una serie de altavoces para dar la impresión de sonido proveniente de cualquier dirección. Los altavoces de diferentes tamaños producen sonidos que cubren la gama completa de audición humana.

La startup suiza Somniacs creó el simulador de VR “Birdly” con “alas” que se pueden abrir. Crédito de la imagen: Somniacs.

Una experiencia de movimiento

Solo los efectos visuales pueden proporcionar la sensación de movimiento en un grado sorprendente. Vección es el término técnico para la sensación de movimiento en un tren estacionario cuando se observa que un tren adyacente comienza a moverse. Este tipo de indicaciones sensoriales cruzadas significa que “sentimos” un movimiento que no está realmente allí.

Martijn de Mooij, gerente de desarrollo técnico de Cruden, con sede en Ámsterdam, Países Bajos, dice que la inspección puede ser tan fuerte que en un simulador de puente que reproduce un barco grande, las personas pueden caerse como resultado del movimiento inexistente.

Las plataformas de movimiento completo proporcionan una sensación de movimiento más completa. Están diseñados para engañar a nuestros sentidos, en particular el sistema vestibular en el oído interno. Este tipo de simulador de movimiento se conoce como Plataforma Stewart y tiene seis tomas para ofrecer seis grados de libertad: tres rotacionales (giro, cabeceo y balanceo), más tres traslacionales (empuje (vertical), balanceo (de lado a lado) y oleada ( adelante o atrás).

Algunos movimientos de detección son a través de la piel, por lo tanto, la expresión de volar por el “asiento de los pantalones” en lugar de con instrumentos. La coordinación de la inclinación puede engañar a este sentido. Inclinar la plataforma hacia atrás pero manteniendo el nivel del horizonte visual es interpretado por el cerebro como una aceleración hacia adelante en lugar de inclinarse. Esta técnica, que crea la ilusión de la aceleración con la gravedad, puede no ser convincente para los usuarios que son particularmente sensibles a la aceleración.

El desafío es producir una sensación de movimiento, o más bien de aceleración, ya que el movimiento continuo en línea recta no se puede sentir, en una plataforma con un recorrido limitado. El enfoque estándar es filtrar los movimientos largos y de baja frecuencia y replicar solo las aceleraciones más rápidas que pueden ser reproducidas por un simulador.

Esto funciona bien para el entrenamiento, ya que nuestra capacidad para sentir la aceleración prolongada no es confiable. Durante una larga maniobra bancaria, los pilotos pueden perder por completo la sensación de banca, por lo que cuando se enderezan se siente como si estuvieran banqueando en la otra dirección. Hay un valor limitado en simular algo que los pilotos están entrenados para ignorar.

Cruden va un paso más allá en su búsqueda de movimiento, eliminando el movimiento que es irrelevante pero reproduciendo los aspectos que son vitales. En un simulador de conducción, puede ser la sensación de que las ruedas traseras comienzan a deslizarse.

“No se trata de tratar de replicar todo el movimiento del vehículo con la mayor precisión posible”, dice de Mooij, “se trata de darles a los conductores solo los fragmentos de movimiento del vehículo que realmente necesitan”.

Como muestra la visión, el sentido visual puede anular el oído interno. Después del movimiento inicial, el cerebro presta atención a la información visual y deja en blanco el sentido vestibular. Los simuladores de movimiento pueden aprovechar esto.

“Al hacer un giro, podemos proporcionar un inicio del movimiento de giro, que el cerebro detecta muy rápidamente, y luego hacemos el giro a medida que avanzas en la esquina de la pantalla, y el procesamiento visual de tu cerebro toma el control y dice: ‘Sí, voy a doblar una esquina’ ‘, dice Kia Cammaerts de Ansible Motion, Norwich, Reino Unido. “Podemos eliminar silenciosamente esa señal de movimiento sin que te des cuenta”.

Esta técnica puede proporcionar la sensación de mucho más movimiento que el conductor percibiría de otra manera.

Los generadores de imágenes, como VBS Blue IG, pueden transformar toda la tierra en hojas de hierba. Crédito de la imagen: BISim.

Algunas técnicas no se basan en una plataforma de movimiento completo. De Mooij dice que para las maniobras de frenado brusco, ajustan el cinturón de seguridad, dando una sensación muy efectiva de ser lanzado hacia adelante.

Muchos simuladores militares no tienen movimiento completo, ya que están más preocupados por el entrenamiento de la misión, que trata más sobre las interacciones y el panorama general de una operación en lugar de las minucias de volar. El valor del movimiento completo para los simuladores militares sigue siendo un tema de debate.

Cuando los simuladores van mal

La enfermedad del simulador es a veces un problema grave para las simulaciones militares, aunque no haya una descripción médica estricta o incluso una buena definición. Es un primo cercano del mareo por movimiento y el mareo, que también son poco conocidos. Aunque es esquivo de alguna manera, la enfermedad del simulador es muy fácil de inducir. El síntoma más obvio es la náusea, pero la enfermedad del simulador también puede involucrar visión borrosa, vértigo, mareo, fatiga y dolor de cabeza. Puede persistir después de abandonar la simulación, por lo general solo durante unos minutos, pero a veces durante varias horas.

La base de este tipo de dolencias es disputada. La teoría de la evolución sugiere que no nos hemos adaptado a los medios modernos de transporte. La teoría de los conflictos sensoriales sostiene que la diferencia entre los sentidos, una inconsistencia entre lo que vemos y lo que sentimos, por ejemplo, da lugar a la condición. La teoría de la inestabilidad postural es que la enfermedad surge de nuestra incapacidad para controlar la posición de nuestro cuerpo normalmente. La verdad puede ser una combinación de estos.

La investigación para erradicar la enfermedad del simulador ha sido empírica. En lugar de tratar de comprender los mecanismos exactos, el objetivo ha sido prevenir los síntomas. Los desarrolladores descubrieron que cualquier retraso entre el movimiento y la visión provocaba la enfermedad del simulador, un fuerte apoyo a la teoría de los conflictos sensoriales, y cuando se reducía la latencia con un procesamiento más potente, dejaba de ser un problema importante durante un tiempo.

El problema ha vuelto a surgir en los últimos años porque cuanto más inmersivo es un simulador, es más probable que cause enfermedades, más en los entornos de realidad virtual. Los auriculares de realidad virtual pueden causar enfermedades si hay un retraso de más de unos 50 milisegundos entre el usuario que mueve la cabeza y la pantalla que responde.

“Para prevenir la enfermedad del simulador, tienes que reforzar las señales visuales y de movimiento, debes hacer que sean un paso”, dice Morrison.
USAF Pilot Training Next Los estudiantes entrenan en un simulador de vuelo de realidad virtual en el Centro de Reserva de las Fuerzas Armadas en Austin, Texas. Crédito de la imagen: Fuerza Aérea de EE. UU. / Sean M. Worrell.

USAF Pilot Training Next Los estudiantes entrenan en un simulador de vuelo de realidad virtual en el Centro de Reserva de las Fuerzas Armadas en Austin, Texas. Crédito de la imagen: Fuerza Aérea de EE. UU. / Sean M. Worrell.

Aunque una resolución más alta requiere que las tasas de actualización más altas parezcan realistas, resulta que las tasas de actualización más bajas también contribuyen a la enfermedad del simulador. “La enfermedad del simulador se producirá cuando la velocidad de fotogramas comience a caer por debajo de unos 90 por segundo”, dice Morrison.

La solución simple, aunque costosa, es un procesamiento más rápido con menos latencia y velocidades de cuadro más altas. Sin embargo, en la práctica, también puede ser posible reducir la enfermedad del simulador al reducir la exposición. Perey señala que los copilotos tienen más probabilidades de sufrir, aparentemente porque tienen menos control. Pero su entrenamiento puede no requerir un entorno inmersivo, por lo que, en este caso, el problema se puede resolver al no poner copilotos en auriculares de realidad virtual.

Combatir la enfermedad del simulador sigue siendo un proceso esencial, aunque en gran parte empírico.

Tocando la realidad: cómo los hápticos pueden habilitar los cockpits virtuales

El aspecto táctil de las simulaciones suele ser proporcionado por hardware. Las carlingas de simulador actuales son reproducciones fieles de la realidad, hasta cada interruptor y botón.

La realidad virtual ofrece un nuevo paradigma. Tiene el potencial de recrear un entorno completo, no solo visual y auditivo, sino también táctil. En teoría, un piloto podría instalar una plataforma de realidad virtual y pasar a una simulación perfectamente recreada de cualquier cabina de un avión y tener la experiencia táctil completa de los controles operativos. No debería haber necesidad de un simulador separado para cada tipo de aeronave, ni tampoco de hardware externo.

“Los guantes VR actuales aún no han llegado”, dice Peter Morrison de Bohemia Interactive. “No puedes tocar y agarrar componentes”.

Morrison dice que su configuración de VR es “realidad mixta”, lo que otros podrían denominar realidad aumentada. El aspecto visual de la simulación es proporcionado por una pantalla VR, pero el operador se sienta en una cabina con los controles físicos correspondientes a la aeronave que se está simulando.

“Una vez que obtengamos mejores guantes VR, ciertamente los usaremos”, dice Morrison.

Proporcionar el tipo correcto de retroalimentación táctil es el grial del mundo de los guantes VR. El estándar actual es que los guantes estén equipados con motores vibradores para proporcionar una sensación de contacto. Esta es otra área en la que interviene la búsqueda sensorial cruzada, cuando se combina con el entorno visual VR, lo que incita al usuario a interpretar la vibración como el toque de un objeto sólido, aunque no haya resistencia. Poder sentir objetos en un mundo virtual a través del tacto es impresionante, pero la sensación no es del todo convincente. Compañías como Oculus están trabajando en guantes VR con “tendones” incorporados para agregar resistencia.

La startup francesa GoTouch VR (Villeneuve-d’Ascq, cerca de Lille) utiliza la tecnología de la punta de los dedos basada en la indentación de la piel. Esto aprovecha la ilusión que se produce cuando pasas los dedos por los dientes de un peine y parece sentir un bulto en movimiento debido a la forma en que se deforma la piel. Esta tecnología puede proporcionar la sensación de pequeños objetos detallados, y específicamente al tocar los botones. En 2018, GoTouch se asoció con la compañía estadounidense FlyInside (Nueva York) para demostrar un demostrador háptico para la capacitación de pilotos en la conferencia de defensa de Eurosatory. Sus guantes con tecnología VRTech dan la sensación de un clic al presionar un botón o al presionar un interruptor en el entorno simulado. Se dice que los clientes militares estadounidenses están probando la nueva tecnología.

Quizás los guantes VR más avanzados son los desarrollados por la compañía estadounidense HaptX (Seattle). “Los guantes le dan forma, tamaño, peso e incluso textura a los objetos virtuales”, dice Joe Michaels, director de ingresos (también conocido como desarrollo de negocios).

Esto se logra mediante microfluidos: un textil flexible de silicona que contiene actuadores neumáticos y microcanales. Cada guante contiene 130 de estos actuadores que empujan contra la piel del usuario, proporcionando la sensación de tocar un objeto. Además, un exoesqueleto en la parte posterior de cada mano puede proporcionar hasta cuatro libras de resistencia. Estos dos juntos dan retroalimentación táctil completa para objetos virtuales.

“Puede tomar un modelo 3D de cualquier aeronave y puede hacer que se pueda tocar fácilmente utilizando la tecnología HaptX”, dice Michaels. “Puedes hacer que cada botón y cambiar sean realistas”.

El próximo reto será reemplazar el yugo y el acelerador. Los guantes solos no pueden recrear la sensación en los brazos y hombros de descansar sobre un objeto. Lograr esto requerirá un exoesqueleto VR de cuerpo completo, algo en lo que HaptX ya está trabajando. En el corto plazo también habrá botas VR para operar pedales y controles de pie.

Michaels dice que ya ha habido un tremendo interés militar y apoyo para su trabajo. La comunidad militar vio el potencial para este tipo de desarrollo hace décadas, y la tecnología finalmente está alcanzando la visión. El fundador de HaptX, Jake Rubin, imaginó el día en que VR podría simular cualquier entorno, incluidos los controles de cualquier vehículo pasado, presente o futuro. Ese día ya está a la vista, aunque Michaels no estará limitado a un año.

“Será pronto”, dice Michaels. “Antes de lo que piensas.”

Publicado originalmente en el Número 3, 2019 de la revista MS&T.

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