Figura 2. Ejemplo de Realidad Aumentada con ARDental.

Abstract

In this paper, we present the Augmented Reality (AR), a new technology that is causing a revolution in the way of perceiving the physical environment around us. Moreover, we introduce ARDental (figure 1), which is a new AR application in the dental area developed by the «University Institute of Control Systems and Industrial Computing (ai2)» of the «Technical University of Valencia (UPV)» and the «The Center of Higher Vocational Training Folguera-Vicent». This application is aimed to the dental teaching field. It combines real and virtual elements, it is interactive and the models are in 3D.

The 3D models are very important when the learning contents are very difficult to be acquired through 2D images or other classical teaching methods. This is the situation of the dental speciality.
By these reasons, this application will make easy the learning of contents and will improve the students’ skills with the help of a technology which will result natural and intuitive for them.

Introducción

Figura 1
Figura 1

En este artículo vamos a presentar una novedosa tecnología que está revolucionando la forma de ver el entorno físico que nos rodea y que es la Realidad Aumentada (RA). Además, vamos a introducir ARDental (figura 1) que es una nueva aplicación de RA en el campo dental desarrollada por el Instituto de Automática e Informática Industrial (ai2) de la Universidad Politécnica de Valencia y el Centro de Formación Folguera-Vicent. Dicha aplicación está orientada al campo de la educación dental, combina elementos reales y virtuales, es interactiva y los modelos son tridimensionales.
Los modelos tridimensionales son importantes cuando el contenido de aprendizaje es muy difícil de adquirir a partir de imágenes 2D u otros métodos tradicionales de aprendizaje. Éste es el caso de la especialidad dental.

Por tanto, esta aplicación facilitará la adquisición de conocimientos y mejorará el rendimiento del alumno/a con la ayuda de una tecnología que les resultará natural e intuitiva.

¿Qué es la Realidad Aumentada?

En 1992 Caudell crea el término de RA (Caudell & Mizell, 1992).

Una definición de RA, generalmente utilizada, fue dada en 1997 por Ronald Azuma (Azuma, 1997). La definición de Azuma indica que la RA:

• Combina elementos reales y virtuales.
• Es interactiva en tiempo real.
• Está registrada en 3D.

Figura 2. Ejemplo de Realidad Aumentada con ARDental.
Figura 2. Ejemplo de Realidad Aumentada con ARDental.

La RA (figura 2) es el término que se usa para definir una visión directa o indirecta de un entorno físico del mundo real, cuyos elementos se combinan con elementos virtuales para la creación de una realidad mixta en tiempo real. Para ello requiere dispositivos que añadan información virtual a la información física ya existente. Es decir, añadir una parte sintética virtual a lo real. Ésta es la principal diferencia con la realidad virtual, puesto que no sustituye la realidad física, sino que superpone datos generados por ordenador al mundo real.

Se puede entender mejor la relación entre las diferentes realidades utilizando el continuo de Realidad-Virtualidad de Milgram (Milgram & Kishino, 1994) (figura 3). El término de Realidad Mixta se usa para referirse a combinaciones de Realidad y Virtualidad, pero sin ser totalmente reales o totalmente virtuales. Es decir, es una escena que combina ambas, pero el grado de cada una de ellas puede depender desde tener prácticamente toda la imagen aumentada con una contribución, por ejemplo, del 95% de la escena real a una contribución del 5% de la escena real.

Antecedentes de la Realidad Aumentada

Cronología:

• 1962: Morton L. Heilig patentó en 1962 Sensorama, un simulador de moto en el que estimulaba varios sentidos: la vista, el oído y el olfato. También incluía vibraciones.
• 1968: Sutherland (1968) inventó el primer «casco» (HMD: Head-Mounted Display). Éste fue el primer dispositivo capaz de proporcionar una experiencia virtual inmersiva.
• 1989: Jaron Lanier popularizó el término de Realidad Virtual.
• 1992: Caudell acuña el término de RA (Caudell & Mizell, 1992).
• 1994: Milgram & Kishino (1994) definen el continuo de Realidad-Virtualidad.
• 1993: Feiner, MacIntyre & Seligmann (1993) presentaron KARMA (Knowledge-based Augmented Reality for Maintenance Assistance). KARMA fue un prototipo de RA para el mantenimiento de una impresora láser.
• 1997: Ronald Azuma (1997) especifica las características que debe cumplir un sistema de RA.
• 1999: Kato & Billinghurst (1999) crean ARToolKit, un software para desarrollar aplicaciones de RA. ARToolKit utiliza procesamiento de imagen y calcula, en tiempo real, la posición y orientación de la cámara respecto a marcadores físicos.
• 2000: Thomas et al. (2000) aplican la RA al popular juego Quake, desarrollando ARQuake. Los usuarios juegan en el mundo real.
• 2007: Wagner & Schmalstieg (2007) presentan ARToolKitPlus para desarrollar aplicaciones de RA en dispositivos móviles.
• 2012: Google presenta el proyecto Project Glass para desarrollar unas gafas de RA. Se prevé que la versión para consumidores esté disponible en 2014.
• 2013: Debido al gran potencial que ofrece la RA en general y, en particular, en el campo de la educación, se crea la aplicación ARDental para facilitar el estudio y la comprensión de la morfología dentaria.

Figura 3. Continuo de Realidad-Virtualidad de Milgram adaptado para la morfología dentaria.
Figura 3. Continuo de Realidad-Virtualidad de Milgram adaptado para la morfología dentaria.

Clasificación de los sistemas de Realidad Aumentada

No existe una única clasificación de los sistemas de RA, pero existen algunos términos que establecen cierta catalogación en base a distintos criterios:

Figura 4. Sistemas tradicionales de la enseñanza de la morfología dental.
Figura 4. Sistemas tradicionales de la enseñanza de la morfología dental.

• Según el entorno físico: se pueden diferenciar los sistemas dentro de recintos o cerrados, frente a los sistemas al aire libre o abiertos.
• Según la extensión que abarquen: pueden ser sistemas locales que se desarrollan en un ámbito acotado, ya sean cerrados o abiertos; o pueden ser ubicuos, los cuales vaya donde vaya el usuario estará inmerso en la aplicación. Normalmente este tipo de sistemas será móvil para poder acompañar al usuario allí donde vaya.
• Según la movilidad: se puede distinguir entre los sistemas móviles que el usuario puede llevar consigo y los sistemas espaciales, los cuales están fijos en el entorno, utilizando en ocasiones sistemas de proyección sobre superficies.
• Según el número de usuarios: están los individuales que son utilizados por un único usuario y los colaborativos que posibilitan la participación de más usuarios de forma simultánea.
• Según el tipo de colaboración: se puede distinguir entre los sistemas presenciales, en los que los usuarios interactúan estando físicamente en el mismo entorno, y los remotos en los que suele establecerse una comunicación a través de la red.

Dispositivos necesarios

Los dispositivos se pueden clasificar según el sentido estimulado. Actualmente existen dispositivos que estimulan la vista, el oído y el tacto. El resto de sentidos (gusto y olfato) únicamente disponen de prototipos experimentales.

Dispositivos visuales

Cascos o Head-Mounted Displays

Se realiza una estimulación separada para cada ojo con un elemento acoplado delante de cada uno de ellos. Se trata de dispositivos monousuario, que a priori no permiten compartir la experiencia. Un HMD es un dispositivo de visualización que permite reproducir imágenes creadas por ordenador sobre una pantalla muy cercana a los ojos.

Figura 5. Sistemas tradicionales de la enseñanza de la morfología dental.
Figura 5. Sistemas tradicionales de la enseñanza de la morfología dental.

Un HMD puede ser:

• Monocular: las imágenes creadas por ordenador sólo se reproducen para un ojo.
• Binocular: las imágenes creadas por ordenador se reproducen para los dos ojos. Si la imagen es diferente para cada uno de los ojos, la visión es estereoscópica.

Sistemas proyectivos

Se trata de sistemas que proyectan o retroproyectan sobre distintos tipos de superficies. Lo normal es que sea sobre pantallas reflectivas para la proyección y traslúcidas para la retroproyección.

Sistemas de sobremesa

Se trata de la proyección del mundo aumentado en un monitor, cuya visualización puede ser con o sin estereoscopía. Para la estereoscopía se pueden utilizar gafas o autoestereoscopía (3D sin gafas).

Dispositivos manuales

En esta categoría figuran todos los dispositivos que el usuario puede llevar en la mano, como Tablet PCs, PDAs o teléfonos móviles. Todos ellos combinan procesamiento, memoria, pantalla, tecnología de interacción y cámara en un único dispositivo.

Aplicaciones

La RA ofrece infinidad de nuevas posibilidades de interacción, que hacen que esté presente en diferentes y variados ámbitos, como son la arquitectura, el entretenimiento, la educación, el arte o la medicina, por citar algunos de ellos.

Proyectos educativos

Actualmente es creciente el número de aplicaciones de RA para proyectos educativos. En la educación en general las posibilidades son diversas, desde educación infantil hasta formación superior en todas las áreas y disciplinas.

Figura 6. Láminas de aprendizaje.
Figura 6. Láminas de aprendizaje.

La RA ya se puede encontrar en museos, monumentos en las ciudades, exposiciones, parques temáticos, etc. Estos lugares aprovechan las conexiones wireless para mostrar información sobre objetos o lugares, así como imágenes virtuales como, por ejemplo, ruinas reconstruidas o paisajes tal y como eran en el pasado. Además de escenarios completos, en RA se pueden apreciar e interactuar con los diferentes elementos. Por citar algunos ejemplos de aprendizaje, se han desarrollado aplicaciones de RA para aprender el interior del cuerpo humano (Juan et al., 2008), multiculturalidad (Furió et al. 2013a) o el ciclo del agua (Furió et al., 2013b).

Cirugía

La aplicación de RA en operaciones permite al cirujano superponer datos virtuales como, por ejemplo, la trayectoria a seguir o el objetivo (p.e. State et al., 1996).

Entretenimiento

En el campo del entretenimiento se ha hecho uso de la RA gracias a la proliferación de cámaras, tanto en PCs como en dispositivos móviles (consolas portátiles, móviles, etc.) y de dispositivos que han surgido en los últimos años (Eye Toy, Playstation Move, wii remote, Kinect, etc.). Thomas (2012) presentó un estado del arte para juegos que utilizaban Realidad Virtual, Realidad Mixta y RA.

Arquitectura

La RA es muy útil para visualizar virtualmente edificios históricos destruidos, así como proyectos de construcción que todavía están en los planos. Wang (2009) revisó las posibilidades de la RA en arquitectura, ingeniería y construcción.

Dispositivos de navegación

Los parabrisas de los automóviles se pueden usar como pantallas de visualización para proporcionar indicaciones de navegación e información de tráfico (p.e. un prototipo desarrollado por General Motors).

Publicidad

El marketing y la venta son dos de los campos que están explotando la tecnología de RA. Existen numerosas campañas de marketing que la emplean para llamar la atención sobre sus potenciales clientes. Por ejemplo, Axe que lanzó una campaña con RA en una estación de trenes en Londres.

Figura 7. Imagen más real de la morfología dental.
Figura 7. Imagen más real de la morfología dental.

También es posible incluir un marcador de RA en una tarjeta de visita, de modo que a partir de esa tarjeta se pueda acceder a contenidos ampliados.

Turismo

Con un dispositivo móvil (p.e. Smartphone) se puede detectar lo que se está viendo con la cámara y mostrar información relevante sobre el lugar (p.e. Kounavis et al., 2012).

Industria

En procesos de fabricación y mantenimiento, reparación, etc. (Schwald & Laval, 2003; Navab, 2003).

Psicología

En tratamientos de fobias como, por ejemplo, fobia a los animales pequeños (Juan et al., 2005; Juan & Joele, 2011; Juan & Calatrava, 2011) o acrofobia (Juan et al., 2006; Juan & Pérez, 2010).