ITMI20100667A1 - Camera multisensoriale in particolare per addestramento e processo per la simulazione in tempo reale di scenari virtuali nella stessa - Google Patents

Description

CAMERA MULTISENSORIALE IN PARTICOLARE PER ADDESTRAMENTO E PROCESSO PER LA SIMULAZIONE IN TEMPO REALE DI SCENARI

VIRTUALI NELLA STESSA

La presente invenzione si riferisce a una camera multisensoriale e a un processo per la simulazione in tempo reale di scenari virtuali nella stessa, particolarmente ma non esclusivamente utili nell’ambito dell’addestramento professionale degli operatori d’emergenza quali i Vigili del Fuoco, la Protezione Civile e così via.

Oggigiorno il susseguirsi di innumerevoli situazioni di emergenza nell’ambito della protezione civile e della sicurezza, ha reso inderogabile la necessità di realizzare nuove metodologie di formazione e addestramento per i corpi professionali, atti a gestire tali criticità.

Tali metodologie di addestramento si propongono di fornire strumenti validi per valutare in maniera organica, oggettiva e sistematica le capacità cognitive e le abilità emotive degli operatori dell’emergenza, dislocati su tutto il territorio nazionale e internazionale, relativamente alla gestione di attività ad alto contenuto tecnico-operativo.

Pertanto, à ̈ necessario che le metodologie di addestramento siano di facile implementazione, e quindi poco costose nonché facilmente replicabili in ambito locale in maniera tale da consentire una corretta diffusione delle competenze tecniche su tutto il territorio mondiale.

Per affrontare in maniera adeguata i futuri possibili scenari di rischio in ambito internazionale, infatti, à ̈ necessario che tali metodologie di addestramento coinvolgano un elevato numero di operatori dell’emergenza in innumerevoli possibili situazioni di criticità.

Le metodologie di addestramento degli operatori dell’emergenza oggi note, prevedono l’esecuzione di simulazioni basate sulla ricostruzione indoor e/o outdoor di scenari in condizioni di criticità quali sono quelle che si sviluppano in seguito a un grande incendio o a una esplosione, o un terremoto e così via. Tali scenari di simulazione vengono preparati di solito in aree disabitate o comunque inaccessibili alla popolazione civile, ove vengono poi calate le squadre di operatori che, sfruttando al meglio le proprie competenze tecniche e tenendo sotto controllo le proprie reazioni emotive e fisiche, sono chiamate a dover gestire l’emergenza stessa.

Le metodologie di addestramento attualmente note soffrono, tuttavia, di alcuni inconvenienti dovuti principalmente al fatto che gli scenari critici da simulare non sono sempre ricostruibili.

Basti pensare all’impossibilità di ricostruire fedelmente, a esempio, una situazione critica innescata da un evento sismico di grosse dimensioni.

Accade così, che per questo tipo di avvenimenti estremi, il momento più importante di addestramento del soccorritore si verifica proprio in concomitanza con l’emergenza, con tutti i rischi che ne conseguono.

Inoltre, la ricostruzione manuale degli scenari à ̈ per sua natura unica e non riproducibile, poiché dipende dalle aree in cui viene attuata; questo rende incomparabili gli esiti, ai fini valutativi, di giornate di addestramento di squadre operative diverse che eseguono la stessa simulazione in posti differenti e quindi in scenari differenti.

E’ importante sottolineare, altresì, che le simulazioni di situazioni estreme, salvataggi e pericoli da fronteggiare realizzate oggi, risultano molto costose, perché necessitano di essere il più fedeli possibili, e quindi pericolose, dovendo mantenere elevati standard di sicurezza per il personale da addestrare.

Per tali simulazioni bisogna considerare che il raggiungimento di questa condizione di equilibrio tra realismo e sicurezza non à ̈ sempre facile da raggiungere e può capitare che per un eccesso di realismo, a esempio, si metta a repentaglio l’incolumità degli operatori di emergenza da addestrare, così come per un eccesso di misure di sicurezza si realizzano simulazioni poco realistiche e quindi poco utili per una valutazione oggettiva della preparazione degli operatori stessi.

Per ovviare a tali inconvenienti si potrebbero utilizzare le camere multisensoriali oggi note, che consentono di riprodurre, all’interno di ambienti chiusi, scenari virtuali tridimensionali sollecitando tutti i sensi di un operatore.

Tali camere multisensoriali note, tuttavia, non riescono a coinvolgere totalmente l’operatore, data la sua veste di spettatore e la totale mancanza di interattività.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di ideare una camera multisensoriale in grado di risolvere gli inconvenienti sopra citati della tecnica nota in una maniera estremamente semplice, economica e particolarmente funzionale.

Un altro scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire una camera multisensoriale in cui sia possibile rappresentare in tre dimensioni il più fedelmente possibile contesti emergenziali più ricorrenti, rispettando gli standard massimi di sicurezza.

Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di ideare un processo per la simulazione in tempo reale di scenari virtuali, che consenta di interagire con gli operatori da addestrare e di valutare in maniera oggettiva gli aspetti fisico-tecnici, psicofisici e gli indici di valutazione degli operatori stessi agenti in contesti di rischio identici in aree differenti.

Questi e altri scopi secondo la presente invenzione sono raggiunti realizzando una camera multisensoriale e un processo per la simulazione in tempo reale di scenari virtuali come esposto rispettivamente nelle rivendicazioni indipendenti 1 e 10.

Ulteriori caratteristiche della camera e del processo sono oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

Le caratteristiche e i vantaggi di una camera multisensoriale e di un processo per la simulazione in tempo reale di scenari virtuali secondo la presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, esemplificativa e non limitativa, riferita ai disegni schematici allegati nei quali:

- la figura 1 Ã ̈ una prima vista prospettica di una camera multisensoriale secondo la presente invenzione; - la figura 2 Ã ̈ una seconda vista prospettica ravvicinata e parziale della camera di figura 1;

- la figura 3 Ã ̈ una terza vista prospettica ravvicinata e parziale della camera di figura 1.

Con riferimento alle figure, viene mostrata una prima realizzazione preferita di una camera multisensoriale, complessivamente indicata con 10.

Tale camera multisensoriale comprende un primo ambiente chiuso 11 nel quale l’operatore in addestramento si reca per ricevere sollecitazioni multisensoriali, generate da mezzi per la sollecitazione multisensoriale 14-17, 19-21, e un secondo ambiente chiuso 12, che confina con il primo ambiente chiuso 11 per mezzo di una parete di confine 13 e nel quale vengono generate alcune delle suddette sollecitazioni multisensoriali recepite nel primo ambiente chiuso 11.

I mezzi per la sollecitazione multisensoriale 14-17, 19-21 comprendono almeno uno fra mezzi di proiezione tridimensionale 14, 15, 16, mezzi di diffusione acustica 19, mezzi per la generazione di correnti d’aria 17, 21 e mezzi di diffusione olfattiva 20.

Preferibilmente i mezzi di proiezione tridimensionale 14, 15, 16 sono collocati nel secondo ambiente chiuso 12 e comprendono un supporto per la proiezione video tridimensionale, come a esempio un pannello 14 per la proiezione frontale o la retroproiezione oppure un monitor LCD, e una sorgente di segnale video preferibilmente composta da una coppia di videoproiettori 15 e 16.

In una realizzazione alternativa à ̈ possibile utilizzare come mezzi di proiezione tridimensionale un sistema per la generazione e la proiezione di immagini mediante la tecnica dell’olografia tridimensionale.

Il pannello 14 può essere del tipo per la proiezione frontale o per la retroproiezione ed à ̈ integrato nella parete di confine 13 tra il primo 11 e il secondo ambiente chiuso 12.

Tale pannello 14 comprende una superficie rigida e senza giunture con preservazione del piano di polarizzazione del segnale ottico incidente.

Tale superficie rigida à ̈ preferibilmente metallizzata, nel caso di proiezione frontale, o nera, nel caso di retroproiezione.

Secondo una realizzazione preferita il pannello 14 à ̈ finalizzato alla retroproiezione, che avviene per effetto di una coppia di videoproiettori 15 e 16 posti nel secondo ambiente chiuso 12 a una distanza dalla parete di confine 13 tale da consentire la massima efficienza in termini di luminosità e definizione dell’immagine retroproiettata.

Tale coppia di videoproiettori 15 e 16 può essere allestita sostanzialmente in tre configurazioni differenti in maniera tale da costituire una catena video stereoscopica, avente un canale destro e un canale sinistro per la trasmissione simultanea di immagini.

Secondo una prima configurazione a due canali paralleli, i due videoproiettori 15 e 16 effettuano una scansione simultanea delle immagini provenienti da un primo canale destro e da un secondo canale sinistro della coppia di canali paralleli, assicurando una visualizzazione delle sequenze di immagini con una qualità elevata e quindi il mantenimento completo della colorimetria, un minimo crosstalk tra i due canali destro e sinistro e una riproduzione in alta definizione.

In una seconda possibile configurazione a due canali compressi su un unico canale, i due videoproiettori 15 e 16 multiplano i segnali video corrispondenti alle righe alternate che compongono le immagini in ingresso a un primo canale destro e a un secondo canale sinistro della coppia di canali.

In una terza possibile configurazione a due canali alternati nel tempo, si realizza un sistema temposequenziale in cui i due videoproiettori 15 e 16 effettuano una scansione e una trasmissione alternata delle immagini in ingresso a un primo canale destro e a un secondo canale sinistro della coppia di canali.

La seconda e la terza configurazione, diversamente dalla prima configurazione, consentono di disporre di supporti per la proiezione video tridimensionale compatti e poco costosi, quali a esempio monitor LCD, in luogo dei voluminosi pannelli 14 per proiezione frontale o retroproiezione, i quali sono tuttavia più performanti, in termini di risoluzione ed efficienza luminosa.

In tutte le configurazioni si fa riferimento, comunque, alla separazione dei due segnali ottici mediante polarizzazione circolare (destrorsa, sinistrorsa).

Tale specifica à ̈ finalizzata all'obiettivo primario di assicurare la massima qualità delle immagini in termini di colorimetria e di interferenza in corrispondenza del movimento rotatorio (tilt) della testa dell'osservatore.

Inoltre, à ̈ importante sottolineare la necessità per gli operatori di utilizzare occhiali polarizzati (circolarmente) esclusivamente di tipo passivo, atti a favorire la ricostruzione di un’immagine tridimensionale coerente ai propri occhi.

Tali occhiali polarizzati risultano, infatti, idonei per l’utilizzo in associazione ai supporti per la proiezione video tridimensionale 14 previsti (pannelli, monitor e così via), presentando nel contempo un peso (le lenti sono di solito costituite di materiale plastico) ed un costo minimo, considerando la prospettiva di dimostrazioni a un pubblico numeroso. La sollecitazione visiva derivante dalla ricostruzione tridimensionale di un possibile scenario realistico nel primo ambiente chiuso 11, per mezzo dei suddetti mezzi di proiezione tridimensionale 14, 15 e 16 à ̈ accompagnata da una sollecitazione tattile o più ampiamente definita cinestetica dovuta ai mezzi per la generazione di correnti d’aria 17, 21.

Tali mezzi per la generazione di correnti d’aria 17, 21 comprendono mezzi per la diffusione di correnti termiche 17, preferibilmente termoconvettori collocati nel secondo ambiente chiuso 12, e mezzi per l’aspirazione d’aria 21 associati al primo ambiente chiuso 11.

In particolare i mezzi per la diffusione di correnti termiche 17 sono disposti nei pressi della parete di confine 13 in corrispondenza di porzioni forate 18 e coperte da griglie, attraverso le quali à ̈ possibile immettere correnti termiche a differenti temperature nel primo ambiente chiuso 11.

Tale primo ambiente chiuso 11 comprende, altresì, mezzi di diffusione acustica 19 e mezzi di diffusione olfattiva 20.

Preferibilmente i mezzi di diffusione acustica 19 sono impianti del tipo dolby surround che consentono di ottenere un’ampia gamma di risposte sonore e di immergere completamente l’ascoltatore nel campo sonoro.

A tale scopo le pareti del primo ambiente chiuso 11 sono conformate e strutturate in maniera tale da isolare acusticamente l’ambiente stesso.

Secondo la presente invenzione, à ̈ prevista una serie di mezzi per l’acquisizione di dati 22, 23 relativi ad azioni di almeno un operatore, vantaggiosamente collocati in corrispondenza delle pareti e/o nel pavimento e/o nel soffitto del primo ambiente chiuso 11 della camera multisensoriale 10, per osservare il comportamento degli operatori da addestrare all’interno della camera stessa.

Tali mezzi per l’acquisizione di dati 22, 23 relativi ad azioni di almeno un operatore, comprendono mezzi di acquisizione video, preferibilmente una pluralità di videocamere 22, sensori di pressione 23, sensori di movimento e/o mezzi di acquisizione di segnali vocali. Per semplicità si sono illustrati, in figura 1 e figura 2, solamente i sensori di pressione 23 nel pavimento e la pluralità di videocamere 22 nelle pareti, mentre i sensori di movimento e i mezzi di acquisizione di segnali vocali non sono raffigurati.

Vantaggiosamente, inoltre, tali mezzi per l’acquisizione di dati 22, 23 relativi ad azioni di almeno un operatore, così come tutti i mezzi di sollecitazione multisensoriale 14-17, 19-21, sono collegati a mezzi di elaborazione (non illustrati), come a esempio un microprocessore, i quali sono in grado di pilotare i mezzi di sollecitazione multisensoriale 14-17, 19-21 sulla base dei dati acquisiti, per la generazione di un’interazione in tempo reale fra l’almeno un operatore e i mezzi di sollecitazione multisensoriale 14-17, 19-21.

Tali mezzi di elaborazione comprendono, infatti, mezzi software, atti a interpretare i dati acquisiti mediante i mezzi per l’acquisizione di dati 22, 23 relativi ad azioni di almeno un operatore, in modo tale da pilotare in tempo reale i mezzi di sollecitazione multisensoriale 14-17, 19-21 secondo schemi interattivi predeterminati e memorizzati in mezzi di memoria (non illustrati).

In particolare relativamente alla funzionalità visiva, i mezzi di proiezione tridimensionale 14, 15 e 16 sono pilotati dai suddetti mezzi di elaborazione in maniera tale da riportare la ricostruzione stereoscopica in modo perfettamente binoculare dando luogo a una visione tridimensionale che fornisce una profondità di immagine nel totale rispetto alla cromaticità di colori, rendendo così possibile una ricostruzione dello scenario particolarmente verosimile.

Relativamente alla funzionalità olfattiva, i mezzi di elaborazione consentono di governare il processo di emissione di fumo e/o di particolari odori attivando i mezzi di diffusione olfattiva 20 in maniera sincrona con la funzionalità visiva, con durate tali da riprodurre gli effetti e le conseguenze della dispersione di sostanze gassose e volatili, percepibili dall'uomo in forma realistica.

Relativamente alla funzionalità cinestetica, i suddetti mezzi di elaborazione permettono la ricostruzione di percezioni termiche e vibrazioni attraverso l’emissione e/o l’aspirazione, da parte dei mezzi per la generazione di correnti d’aria 17, 21, di flussi di aria, calda o fredda, con durate variabili e con intensità scalari in modo da determinare un insieme integrato di onde termiche e oscillazioni tali da ricreare, sull'operatore in addestramento, l'esposizione a fenomeni percettivi rilevanti per grandezze di soglia assoluta e soglia differenziale. Relativamente alla funzionalità uditiva i mezzi di elaborazione regolano l’azionamento dei mezzi di diffusione acustica 19 in maniera tale da riprodurre specifici effetti surround.

I mezzi di elaborazione implementano, quindi, un processo che permette la simulazione in tempo reale di scenari virtuali nella camera multisensoriale 10.

Tale processo comprende un primo passo che consiste nel riprodurre uno scenario virtuale per effetto dei mezzi di sollecitazione multisensoriale 14-17, 19-21.

Si ha poi una fase in cui i dati relativi ad azioni di almeno un operatore sono acquisiti, mediante i mezzi per l’acquisizione di dati 22, 23, e interpretati grazie a un’elaborazione eseguita dai mezzi software. Sulla base di schemi interattivi predeterminati e memorizzati in appositi mezzi di memoria, i mezzi di elaborazione pilotano in tempo reale i mezzi di sollecitazione multisensoriale 14-17, 19-21, compresi nella camera multisensoriale 10, per variare gli scenari ricostruiti in conseguenza delle azioni compiute dagli operatori.

Ciò rende l'ambiente virtuale assai realistico e permette di definire sia pure in ambito addestrativo, veri e propri protocolli di azione e di intervento, anche per quanto riguarda la gestione e il coordinamento di strutture complesse in cui sia necessario espletare funzioni di Comando, Controllo e Comunicazione.

La camera multisensoriale 10, secondo la presente invenzione, à ̈ in grado, quindi, di simulare in tempo reale, in tre dimensioni e in maniera interattiva i più diversi scenari operativi di crisi, dalle chiamate di allarme alla messa in opera delle operazioni di salvaguardia e soccorso.

In particolare, tale camera multisensoriale 10 à ̈ anche in grado di simulare più scenari tra loro concomitanti quali l’esplosione in impianti industriali con rilevanti effetti secondari come, a esempio, nubi tossiche ovvero emissione di sostanze nocive.

Dalla descrizione effettuata sono chiare le caratteristiche della camera multisensoriale e del processo oggetto della presente invenzione, così come sono chiari i relativi vantaggi.

Infatti, tale camera multisensoriale e il relativo processo per la simulazione in tempo reale di scenari virtuali sono in grado di ricostruire scenari critici negli ambienti più diversi (boschi e foreste, contesti urbani, impianti industriali, siti di interesse strategico, infrastrutture di trasporto - gallerie, viadotti, ponti e così via).

Inoltre, grazie alla vantaggiosa presenza dei mezzi per l’acquisizione di dati relativi ad azioni di almeno un operatore, tale camera multisensoriale permette di realizzare attività di addestramento sia a singoli operatori sia a strutture più complesse, quali squadre per l'intervento a terra, elicotteri e aerei, operatori per l'assistenza sanitaria e così via.

L’opportunità di effettuare simulazioni di eventi critici all’interno di uno spazio limitato assicura, inoltre, alti standard di sicurezza.

La camera multisensoriale secondo la presente invenzione consente, dunque, da una parte la valutazione dei parametri di rischio e delle distinte soglie di accettabilità di insiemi di grandezze che caratterizzano le rapide trasformazioni ambientali tipiche di una situazione emergenziale e dall’altra la valutazione oggettiva e sistematica delle capacità tecniche ed emotive degli operatori.

È chiaro, infine, che la camera multisensoriale e il processo per la simulazione in tempo reale di scenari virtuali così concepiti sono suscettibili di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell’invenzione; inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti. In pratica i materiali utilizzati, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze tecniche.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1) Camera multisensoriale (10) particolarmente per addestramento comprendente mezzi di sollecitazione multisensoriale (14-17, 19-21) collegati a mezzi di elaborazione atti a pilotare detti mezzi di sollecitazione multisensoriale (14-17, 19-21), caratterizzata dal fatto che detti mezzi di elaborazione sono in aggiunta collegati a mezzi per l’acquisizione di dati (22, 23) relativi ad azioni di almeno un operatore, detti mezzi di elaborazione pilotando detti mezzi di sollecitazione multisensoriale (14-17, 19-21) sulla base di detti dati acquisiti per la generazione di un’interazione in tempo reale fra detto almeno un operatore e detti mezzi di sollecitazione multisensoriale (14-17, 19-21).
2. 2) Camera multisensoriale (10) particolarmente per addestramento secondo la rivendicazione 1 caratterizzata dal fatto che detti mezzi di sollecitazione multisensoriale (14-17, 19-21) comprendono almeno un mezzo scelto dal gruppo costituito da: − mezzi di proiezione tridimensionale (14, 15, 16); − mezzi di diffusione acustica (19); − mezzi per la generazione di correnti d’aria (17, 21); − mezzi di diffusione olfattiva (20).
3. 3) Camera multisensoriale (10) particolarmente per addestramento secondo la rivendicazione 1 o 2 caratterizzata dal fatto che detti mezzi per l’acquisizione di dati (22, 23) relativi ad azioni di almeno un operatore comprendono almeno una pluralità di videocamere (22).
4. 4) Camera multisensoriale (10) particolarmente per addestramento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto che detti mezzi per l’acquisizione di dati (22, 23) relativi ad azioni di almeno un operatore comprendono sensori di pressione (23) e/o sensori di movimento e/o mezzi di acquisizione di segnali vocali.
5. 5) Camera multisensoriale (10) particolarmente per addestramento secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni caratterizzata dal fatto che detti mezzi di proiezione tridimensionale (14, 15, 16) comprendono due videoproiettori (15, 16) allestiti secondo una configurazione a due canali paralleli, detti videoproiettori (15, 16) effettuando una scansione simultanea di immagini provenienti da un primo canale destro e da un secondo canale sinistro di detta coppia di canali paralleli.
6. 6) Camera multisensoriale (10) particolarmente per addestramento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4 caratterizzata dal fatto che detti mezzi di proiezione tridimensionale (14, 15, 16) comprendono due videoproiettori (15, 16) allestiti secondo una configurazione a due canali compressi su un unico canale, detti videoproiettori (15, 16) multiplando segnali video corrispondenti a righe alternate che compongono le immagini in ingresso a un primo canale destro e a un secondo canale sinistro di detta coppia di canali.
7. 7) Camera multisensoriale (10) particolarmente per addestramento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4 caratterizzata dal fatto che detti mezzi di proiezione tridimensionale (14, 15, 16) comprendono due videoproiettori (15, 16) allestiti secondo una configurazione a due canali alternati nel tempo, detti videoproiettori (15, 16) realizzando un sistema tempo-sequenziale ed effettuando una scansione e una trasmissione alternata di immagini in ingresso a un primo canale destro e a un secondo canale sinistro di detta coppia di canali.
8. 8) Camera multisensoriale (10) particolarmente per addestramento secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni caratterizzata dal fatto che detti mezzi di proiezione tridimensionale (14, 15, 16) comprendono un pannello (14) del tipo per la retroproiezione comprendente una superficie rigida e senza giunture con preservazione del piano di polarizzazione del segnale ottico incidente.
9. 9) Camera multisensoriale (10) particolarmente per addestramento secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni caratterizzata dal fatto che detti mezzi di elaborazione comprendono mezzi software, atti a interpretare i dati acquisiti da detti mezzi per l’acquisizione di dati (22, 23) relativi ad azioni di almeno un operatore, in modo tale da pilotare detti mezzi di sollecitazione multisensoriale (14-17, 19-21) secondo schemi interattivi predeterminati e memorizzati in mezzi di memoria.
10. 10) Processo per la simulazione in tempo reale di scenari virtuali in una camera multisensoriale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti comprendente le fasi che consistono nel: − riprodurre uno scenario virtuale per effetto di detti mezzi di sollecitazione multisensoriale (14-17, 19-21); − acquisire dati relativi ad azioni di almeno un operatore mediante detti mezzi per l’acquisizione di dati (22, 23); − interpretare mediante detti mezzi software compresi in detti mezzi di elaborazione detti dati acquisiti; − pilotare in tempo reale, mediante detti mezzi di elaborazione, detti mezzi di sollecitazione multisensoriale (14-17, 19-21) sulla base di schemi interattivi predeterminati.