miércoles, 13 de julio de 2016

Simulando la realidad: VisualMotion System (creando sensación de movimiento sin moverse)



FlyThisSim LLC se formó en 2006 con el objetivo de proporcionar simulaciones de software de bajo costo para sistemas Avidyne, Garmin y otros fabricantes de aviónica destinados a la aviación general. A medida que esta empresa de software fue creciendo, se ha ampliado el número de productos y hoy vende también productos a los entusiastas de la simulación, estamentos militares y centros de investigación. El VisualMotion System es un sistema de presentación visual para simuladores que da (según sus creadores) una magnífica sensación de movimiento.

La mayoría de las señales que el cerebro interpreta como movimiento vienen dadas a través de la percepción visual. Sólo un pequeño porcentaje en los cambios del vector gravitacional, proporcionados por los sistemas propioceptivos son realmente necesarios para percibir el movimiento. Siempre que la velocidad de refresco en la proyección de una simulación sea lo suficientemente fluida, rápida y consistente, el campo de visión real lo suficientemente grande y no haya otras señales contradictorias, la estimulación de la corteza visual en estas condiciones proporcionará todas las señales de movimiento necesarias para que nuestro cerebro crea que realmente nos estamos moviendo. En el mundo de ,os simuladores esto es realmente importante pues abarata gran parte de los costes de simulación. Según sus creadores VisualMotion de la casa FlyThisSim hace todo eso y más.

Se trata de un conjunto de monitores que forman un campo visual de 100 grados en el plano horizontal y 70 grados de campo de visión vertical. Este sistema fue originalmente diseñado para los simulador de helicóptero Robinson que tiene esta casa y varios clientes usuarios del TouchTrainer lo han solicitado como una opción para reemplazar el VisX debido al realismo adicional que proporciona. 




La psicofísica

Existen multitud de estudios relacionados con la percepción visual y como esta afecta a los aterrizajes. Generalmente los investigadores están de acuerdo en que lo mismo que en la conducción, la cuestión principal es "el flujo."

Cuando se conduce miramos hacia a delante. El volante se lleva solo de esta manera; es fácil permanecer en el centro de nuestro carril sin tener que mirar a izquierda y derecha. Podemos permanecer en el centro de la carretera incluso cuando se toma una curva o se tuerce en una esquina. Lo que sucede es que estamos percibiendo en todo momento el flujo de la escena visual y este nos ayuda a entender el movimiento. Los humanos somos muy buenos evaluando las tasas de cambio; podemos ser capaces de empezar a frenar modulando la desaceleración hasta parar en el punto deseado. Somos capaces de hacer esto inconscientemente, sin esfuerzo. Esta es también la forma en la que tomamos tierra en un avión. Percibiendo el flujo tenemos la capacidad de calcular el punto de contacto debajo de nosotros y esta experiencia coincide con los cambios en el flujo visual experimentados en la experiencia pasada. Es una cuestión de percepción y experiencia. Las tres imágenes siguientes ilustran el centro del flujo que es la dirección en la que nos estamos moviendo.


Los humanos somos tan buenos en la evaluación del ángulo y su tasa de cambio que, durante un aterrizaje, somos capaces de mover el centro del flujo desde el punto de contacto que hayamos pensado en la pista hasta el extremo más alejado de ella, y todo mientras controlamos la velocidad de descenso en la aproximación, enderezamos y ejecutamos la maniobra de recogida y toma de contacto. Pero ¿Cómo sabemos el mejor momento para empezar a efectuar una recogida? A medida que descendemos en una aproximación un buen indicio de que estamos entrando en el periodo denominado “flare” o recogida en castellano es la expansión acelerada de la anchura de la pista. En efecto, cuando nos acercamos a la pista esta parece ensancharse muy rápidamente. La cuestión es que existe una relación tangencial entre la altura encima de la pista de aterrizaje y el ángulo que forma la visión con los bordes de la pista. A medida que la altura sobre la pista disminuye, la anchura de esta comienza a parecernos que aumenta rápidamente. Existe un vídeo de la AOPA que muestra esto muy claramente: 


En la imagen se puede ver la relación tangencial entre el punto de vista y la anchura aparente de la pista mientras se desciende.


Es una ironía, ya que en realidad no somos capaces de percibir fácilmente la altura a la que estamos sobrevolando la pista o la anchura de esta, lo que hacemos realmente es percibir solamente los ángulos. Esto explica el error que algunos pilotos cometen cuando aterrizan en pistas que son más anchas o más estrechas de lo normal. Estos pilotos efectúan aterrizajes muy duros porque tratan de continuar bajando al ver la superficie de una pista estrecha y de la misma manera tienden a quedarse muy altos al ver una pista de aterrizaje muy ancha. La experiencia que se tiene aprendida depende de la anchura de la pista donde solamos aterrizar y se debe de volver a aprender para las pistas de otras anchuras. La textura, el ruido y los cambios que se producen en la escena ayudan a la percepción de la profundidad visual con una gran cantidad de señales. 

Las señales binoculares - las basadas ​​en la percepción de la información sensorial en tres dimensiones de ambos ojos no son muy aplicables en estos casos. Las señales monoculares, observadas con un solo ojo, se ven influidas por la el tamaño relativo de los objetos comunes como las señales y los edificios de la pista, el cómo un objeto oculta otro, (pasa por delante o parcialmente lo oculta), y otros junto con el paralaje. Automáticamente y a medida que nos movemos hacia adelante y movemos la cabeza de lado a lado evaluamos el movimiento relativo de los objetos distantes y cercanos.



La figura 4 muestra una maniobra de recogida en la que en un momento dado se ha dejado al avión volar por encima de la pista. La pista se ha ampliado según veníamos descendiendo, pero ahora si mantenemos la altitud su aparente anchura permanecerá constante. El flujo de la imagen es paralelo a los bordes de la pista y nuestro punto de contacto ahora se encuentra a lo lejos al final de la pista. Si mantenemos esta imagen, el avión aparentemente aterrizará por sí solo. Cuando hayamos fijado esta imagen en nuestra experiencia, y hayamos desarrollados las habilidades para volver a recrearla, entonces habremos aprendido a aterrizar.

Si se pudieran recrear estas mismas señales visuales en un simulador, mientras que se práctica el aterrizaje, sería en efecto, muy útil para el aprendizaje de los estudiantes-pilotos, ya que así podrían fijar sensaciones de cómo se debe de aterrizar.

Simuladores

Los simuladores se utilizan muy a menudo para investigar la percepción del aterrizaje. Sin embargo, los que se emplean normalmente para estos estudio son casi siempre simuladores muy caros de transporte civil, los llamados nivel D, que por lo general cuesta alrededor de 20 millones de dólares. Estos simuladores están aprobados por la autoridad de aviación civil porque cumplen con los estándares más altos de fidelidad. Esto es precisamente lo que necesita un piloto comercial para poder efectuar su primer aterrizaje antes de hacerlo realmente en un avión con pasajeros a bordo. 

Los simuladores nivel D generalmente requieren un montaje visual muy complejo con pantallas o proyecciones que proporcionen al menos 180 grados de campo de visión horizontal (Field of View o FOV) y 40 grados verticales, además de esto se requiere que la proyección tenga señales de textura visual para que el piloto pueda evaluar la tasa de descenso y que además proporcione una buena percepción de la profundidad durante el despegue y el aterrizaje. Algunas proyecciones visuales en la industria de la simulación utilizan 200 grados de campo de visión horizontal y 70 grados vertical. La sensación del paralaje que se crea al moverse no está disponible en simuladores que no cuenten con un sistema de seguimiento de la cabeza o un dispositivo similar. Estos aparatos son muy costosos, pero para el entrenamiento de pilotos privados no se requieren estas máquinas. 

Para que un dispositivo de entrenamiento sea aprobado por la FAA como un sistema de entrenamiento básico de avión (approved Basic Aircraft Training Device o BATD) o un dispositivo de entrenamiento de aeronaves (Approved Aircraft Training Device o AATD), el único requisito es que esté dotado de un sistema visual de suficiente calidad: "Un sistema visual independiente, en panel o pantalla que ofrezca señales realistas para reglas de vuelo visual diurnas y nocturnas (VFR) y reglas de vuelo instrumental (IFR), que pueda mostrar condiciones meteorológicas para mejorar la orientación visual de un piloto en el entorno de un aeropuerto.” 

No se hace mención del campo de visión, la textura o la tasa de actualización y refresco de pantalla. No hay ningún requisito para simular el despegue o aterrizar en un aeropuerto determinado con diferentes anchuras de pista.


En estos dispositivos básicos de entrenamiento se han encontrado carencias y problemas que sus hermanos mayores de Nivel D no tienen a la hora de entrenar los aterrizajes. La empresa que crea el sistema VisualMotion System ha creado algo muy parecido a lo que se puede obtener visualmente con sistemas mucho más caros.

El diseño de la compañía FlyThisSim tiene las siguientes especificaciones: 
  • A 100 grados horizontal y 60 grados de campo de visión vertical y un segundo sistema con 210 grados por 70 grados
  • Punto ocular del piloto compensado por lo que la pista aparece en la ubicación correcta; 
  • Una relación 1: 1 entre la imagen virtual y la real; 
  • La luminancia (la intensidad o el brillo de una imagen) es de 300 cd/m2. A esta densidad de 300 cd/m2 el ojo humano (el cerebro) alcanza su máxima precisión; 
  • Resolución de pantalla y distancia de visión establecida para 2 minutos de arco; 
  • Completo volumen de flujo visual sólo limitado por la propia estructura de la cabina; 
  • Sistema de gráficos de alta resolución compatible con subsistemas que puedan ejecutar simuladores como el X-Plane, donde se pueden generar escenas con un nivel muy realista en 3D con texturas complejas y máxima resolución de toda la escena a 60 Hz; 
  • Pantallas de visualización situados detrás de la cabina del piloto para proporcionar profundidad de movimiento con señales de paralaje para la percepción adecuada entre la estructura real de la cabina del simulador y la escena visual externa
Para saber más:

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