Kopioi artikkelin PDF-versio
Kopioi artikkelin PDF-versio
Tietoliikenne on kasvamassa suurimmaksi liiketoiminnaksi ohi autoteollisuuden. Autoteollisuuden menestys on nojannut muotoilu- ja tekniikkatutkielmiin. Myös tietoliikenneala testaa markkinapalautetta ja valmistelee mielipidevaikuttajia konseptimalleilla, kuten CyPhone. Siitä on nyt valmistunut myös toimiva prototyyppi.
Liikkuvan tietoliikenteen kehitys yhä laajakaistaisempiin solukkoverkkoihin mahdollistaa lyhyen kantaman nopean tiedonsiirron ihmisen mukana kulkevassa henkilökohtaisessa solussa. Solu kommunikoi käyttäjän ympäristössä olevien älykkäiden antureiden kanssa muuttamalla visuaaliseen muotoon ympäristöstä saatavaa tietoa (esimerkiksi kahvikupin lämpötila tai auton polttoaineen määrä) lisätyn todellisuuden keinoin.
Älykäs elinympäristö
Oulussa tehtävä tutkimus keskittyy reaaliaikaiseen etäläsnäoloon ja lisätyn todellisuuden sovelluksiin sekä niiden reaaliaikavaatimusten toteutustekniikoihin. Tutkimus- ja kehitystyötä varten on rakennettu tulevaisuuden mediapuhelimen prototyyppi, joka on pienikokoinen digitaalisen stereokameran, silmikkonäytön, päällepuettavan tietokoneen ja laajakaistaisen matkapuhelimen yhdistelmä.
CyPhone-projektissa tutkimuksen ydinajatus on käyttää hyvin lyhyen kantaman radioliikenneverkkoa, joka liittää käyttäjän älykkääseen ympäristöön. Älykkäässä ympäristössä on joukko aktiivisia anturi- ja laskentalaitteita, jotka voivat tunnistaa käyttäjän läheisyyden ja identiteetin sekä välittää tietonsa käyttäjälle. Erilaisten näyttöjen ja muiden käyttöliittymälaitteiden sijasta vuorovaikutus kaikkien älykkäiden laitteiden kanssa hoidetaan lisätyllä todellisuudella, esimerkiksi läpikatseltavan silmikkonäytön ja matkapuhelimen tai kaukosäätimen avulla.
Liikkuvan virtuaali- tai lisätyn todellisuuden perusta on langaton pikosoluverkko, kuten Bluetooth. Pienestä solukoosta on virtuaalitodellisuudessa paljon hyötyä. Pienessä solussa on vähemmän käyttäjiä, joten siirtokapasiteetti käyttäjää kohden kasvaa suuremmaksi. Lisäksi tiedonsiirrossa voidaan käyttää korkeampaa taajuutta, joka mahdollistaa laajakaistaisemman tiedonsiirron. Hyvin korkeita taajuuksia ei yleensä käytetä matkapuhelinverkoissa signaalin nopean vaimenemisen vuoksi, mutta jos siirtoetäisyys on vain muutamia metrejä, vaimenemisen vaikutus on pieni. Henkilökohtaisen solun säde on kolmesta viiteen metriä, mikä mahdollistaa pienten hyvin matalatehoisten kädessä pidettävien päätelaitteiden valmistamisen.
Autoteollisuus on soveltanut pitkään menestyksekkäästi konseptimalleja, eli muotoilu- ja tekniikkatutkielmia, joita esitellään autonäyttelyissä ympäri maailmaa. Näiden avulla on mahdollista testata markkinapalautetta ja myös valmistella tiedotusvälineitä ja aktiivisia mielipidevaikuttajia tulevista malleista.
Konseptimallitekniikkaa voi soveltaa myös tulevaisuuden mediapuhelimen esittelyyn. Oulun yliopisto ja VTT Elektroniikka ovat yhteistyössä tietoliikennealan huippuyritysten Nokian, Soneran ja Polar Electron sekä Metsävainio Designin kanssa luoneet ja rakentaneet tulevaisuuden mediapuhelimen konseptimallin. Tämän konseptin pohjalta on nyt valmistunut myös ensimmäinen toimiva prototyyppi. Prototyyppiä käytetään kehitysympäristöä tulevaisuuden mediapuhelimen lisättyyn todellisuuteen perustuvien käyttöliittymä- ja palvelukonseptien suunnittelussa, kehittämisessä ja testauksessa.
Liikkuvan lisätyn todellisuuden haasteet
Tutkimusmielessä mielenkiintoisimpia ja haasteellisimpia tehtäviä ovat erilaisten lisätyn todellisuuden kommunikointi- ja laskentakuormamallien ja reaaliaikaisen käyttäytymisen selvittäminen ja ennustaminen. Etäläsnäolon ja virtuaalitodellisuuden sovelluksissa voidaan tunnistaa erilaisia reaaliaikaisuutta rajoittavia tekijöitä. Esimerkiksi sovellustenvälinen olion havaitsemisaika määrää, kuinka nopeasti etäläsnäolonäkymä siirtyy vastaanottajan halumaan kohteeseen tai paikkaan.
Uusimmissa tutkimuksissa on kokeiltu reaaliaikaista näkymästä riippumatonta kuvan luomista ympärisuuntaavasta videokuvasta. Siinä videokamera on suunnattu kohtisuoraan ylös- tai alaspäin ja 360-asteinen donitsimainen kuva ympäristöstä saadaan pallopeilin tai hyperbolisen peilin avulla. Sama kuva voidaan siirtää kaikille vastaanottajille, joista kukin laskee itselleen paikallisesti oman normaalinäkymänsä.
Yhteyden luonti ja siirtoviiveet julkisessa verkossa määräävät etäläsnäoloyhteyden kytkentä- ja käyttönopeuden. Siirtoa voidaan tehostaa lähetysnopeutta säätävillä kuljetusprotokollilla, jolloin vastaanottajan ei tarvitse ylläpitää suurta puskuria vastaanotettujen pakettien uudelleenjärjestykseen ja videonäytteiden synkronointiin.
Annotaatiopalvelut, kuten henkilökohtainen navigointi ja opastus, vaativat tiedon nopeaa päivitystä. Annotaatiohakusykli määrää, kuinka nopeasti päätelaite voi ottaa yhteyden virtuaalimaailman mallia ylläpitävään palvelimeen, joka sisältää tarvittavan älykkyyden maiseman luomiseen. Annotaation tahdistussykli määrää, kuinka nopeasti lisätyn todellisuuden annotaatiot päivittyvät suuntainformaation muuttuessa eli kuinka nopeasti ne pysyvät reaalimaailman tahdissa.
Paikallinen seuranta määrää kuinka nopeasti ja tarkasti käyttäjän liikkeet ja sijainti voidaan todeta paikannusjärjestelmän avulla. Paikallinen seuranta on paikannustarkkuuden, näytteistystaajuuden, suodatuksen, saavutettavissa olevien etäisyyksien sekä käyttäjän ja olioiden reaaliaikanopeuksien funktio. Tutkimushankkeessa pyritään syventämään ymmärrystä kuorman ja vasteaikojen ominaisuuksista ja niiden suhteesta aistittavaan palvelun laatuun. Tulokset ovat arvokkaita lisätyn todellisuuden palveluita, verkkoja ja päätelaitteita valmistaville yrityksille.
Lisätyn todellisuuden palveluita
Kiristyvä kilpailu vaatii suomalaiselta tietoteollisuudelta ja tietoliikenneoperaattoreilta erikoistumista ja uusien tuotekonseptien kehittämistä. Matkapuhelinjärjestelmien alalla lisäarvoa voidaan saada tarjoamalla asiakkaille räätälöityä laitteita ja uusia palveluita. CyPhone-konsepti toimii edelläkävijänä tarjoamalla testialustan monien mahdollisten lisäarvopalveluiden kokeilemiseen. Palvelut voidaan jakaa seuraaviin kategorioihin:
Henkilökohtainen navigointi
Yksi uusimmista ja lupaavimmista palvelukonsepteista on henkilökohtainen navigointi. Konferenssivierailija tai matkailija voi kysyä palveluntarjoajalta sijaintiaan tai reittiä oikeaan kohteeseen vieraassa kaupungissa.
Lisättyä todellisuutta voidaan soveltaa opastuksessa näyttämällä nuolilla ja teksteillä suuntaa ja etäisyystietoa käyttäjän virtuaalilasien tai tavallisten silmälasien näytöllä. Kukaan ei voi huomata henkilön olevan ulkopaikkakuntalainen, mikä auttaa häntä tuntemaan olonsa turvalliseksi ja varmaksi. Navigointipalveluista tulee suurella todennäköisyydellä arvokas lisäpalvelu matkapuhelimiin viiden kymmenen vuoden kuluessa, kun GPS-vastaanottimista tulee matkapuhelimen vakiovaruste.
CyPhone-prototyypissä käyttäjää seurataan differentiaali GPS:llä ja elektronisella kompassilla. Kompassi antaa katselusuunta- ja -korkeusinformaatiota, jonka perusteella lisätyn todellisuuden annotaatiot kohdistetaan oikeaan paikkaan.
Etäläsnäolo, teleoperointi ja kaupankäynti
Toinen uusi palvelukonsepti on liikkuva etäläsnäolo. Sitä voidaan hyödyntää kokouksissa ja uusissa työtavoissa, vartioinnissa, valvonnassa, ohjauksessa ja turvallisuuspalveluissa. Tulevaisuudessa etäläsnäolo voi edesauttaa vanhusten kotona asumista turvallisuuden parantuessa.
Etäläsnäoloa voidaan hyödyntää myös virtuaaliturismissa. Turisti voi tunnistaa ja tallentaa taidetta maailman kuuluisimmissa museoissa ja lähettää kokemuksensa kotiin reaaliajassa Internetin välityksellä. Etäläsnäolo on enemmän kuin pelkkä videoneuvotteluyhteys, koska se mahdollistaa älykkään ympäristötiedon välittämisen käyttäjälle videokuvan lisäksi.
Teleoperointi mahdollistaa etäläsnäolon lisäksi vuorovaikutuksen älykkäiden laitteiden kanssa. Esimerkiksi kotona päälle unohtunut kahvinkeitin voidaan käydä sammuttamassa puhelimella työmatkalla.
Elektronisessa kaupankäynnissä ja viihdepalveluissa on suuri mahdollisuus lisätyn todellisuuden hyödyntämiseen. Perusajatus on liittää tuotetietoa ja linkkejä fyysisiin reaalimaailman olioihin. Linkkien avulla kuluttaja voi saada lisätietoa tuotteen käytöstä, huollosta tai tavoittaa helposti tuotteen valmistajan. Hyödyntämällä päätelaitteen sijaintitietoa voidaan kehittää paikkasidonnaisia palveluita. Käyttäjä voi esimerkiksi ilmaista etsivänsä syötävää, jolloin läheisten ravintoloiden tarjoukset, ruokalistat ja sijainnit näkyvät matkaviestimessä. Sopivan paikan löydyttyä pöytävaraus onnistuu myös omalla matkaviestimellä.
CyPhonen ensimmäinen prototyyppi
Tutkimushanke edistyy portaittain konseptimallien testauksesta ja visualisoinnista, virtuaaliprototyyppeihin ja lopulta todellisiin laitteisiin. Tällä hetkellä CyPhone-mediapuhelimesta on luotu kolme konseptimallia ja yksi laiteprototyyppi.
Tulevaisuuden matkaviestinkonseptista on viime keväänä toteutettu ensimmäinen prototyyppi. Se on nopeilla tietoliikenneyhteyksillä, riittävällä laskentakapasiteetilla, silmikkonäytöllä ja paikannusjärjestelmällä varustettu puettava tietokone.
Tietotekniikan kehitys mahdollistaa jatkuvasti suuremman suorituskyvyn pakkaamisen pienempään tilaan. Se mikä kymmenen vuotta sitten vaati lipaston kokoisen kotelon, mahtuu nyt 3,7 litran tilavuuteen ja on tulevaisuudessa nykyisten matkapuhelimien kokoinen. Nyt rakennettu prototyyppi pohjautuu Intelin suoritinarkkitehtuuriin ja on toteutettu kaupallisilla PC/104+ -moduuleilla. Tällä tavoin saadaan kohtuullisin kustannuksin toteutettua riittävän pienikokoinen kannettava laite, joka soveltuu tulevaisuuden matkaviestimen prototyypiksi ja mukautuu helposti erilaisiin koesovelluksiin.
Liikkuvan lisätyn todellisuuden laitevaatimukset
Lisätty todellisuus tarkoittaa, että todellisen maailman näkymän sekaan on lisätty keinotekoisia tietokoneen tuottamia osia, esimerkiksi tekstiä, kuvaa tai ääntä. Lisätty todellisuus, ja erityisesti liikkuva lisätty todellisuus, jonka käyttäjä voi kulkea vapaasti, asettavat laitteistolle vaatimuksia, joita nykyiset matkaviestimet eivät täytä.
Jotta lisätty informaatio voidaan kohdistaa oikein, on käyttäjän sijainti ja katselusuunta tai matkaviestimen osoitussuunta tiedettävä. Tämä edellyttää kaikkialla toimivaa paikannusjärjestelmää. Ulkotiloissa paikannuksessa voidaan helposti hyödyntää satelliitteja, esimerkiksi GPS-järjestelmää, mutta sisätiloissa on käytettävä muita menetelmiä riittävän tarkan paikkatiedon saamiseksi.
Mikään nykyisistä paikannusjärjestelmistä ei täydellisesti täytä liikkuvan lisätyn todellisuuden vaatimuksia, mutta eri järjestelmiä yhdistämällä voidaan toteuttaa riittävät ominaisuudet tarjoava kokonaisuus. Prototyyppilaitteen suoritinyksikkö on varustettu suurella määrällä liityntöjä, joihin eri paikannuslaitteet, esimerkiksi satelliittipaikannin ja elektroninen kompassi, voidaan kytkeä.
Visuaalisen lisätyn todellisuuden informaation hyödyntämiseksi ja sijoittamiseksi oikeaan paikkaan käyttäjän näkökentässä käytetään useimmiten kevyttä läpikatseltavaa silmikkonäyttöä. Prototyyppilaitteessa käytetään optisesti läpikatsottavaa näyttöä, jossa keinotekoiset osat havaitaan todellisen maailman päällä. Toinen tapa toteuttaa läpikatsominen on kuvata maailmaa kameralla ja yhdistää lisättävä informaatio digitoituun kuvaan ennen sen esittämistä käyttäjälle. Tällöin kuitenkin tarvitaan enemmän laskentatehoa ja kamera, sekä stereonäkemisen mahdollistavassa järjestelmässä kaksi kameraa.
Paikkatietojen, videokuvan, äänen ja käyttäjän tietojen lähettämiseksi tulevaisuuden matkaviestimet tarvitsevat nopeat tietoliikenneyhteydet. Prototyyppilaitteelle asetettiin vaatimukseksi vähintään 100 kbit/s tiedonsiirtonopeus. Tietoliikenneyhteydeksi valittiin langaton lähiverkko, joka tarjoaa suuren siirtokapasiteetin ja vastaa useilta ominaisuuksiltaan matkaviestinverkkoihin tulevaa GPRS-palvelua. Langattoman lähiverkon rajallisen kuuluvuuden vuoksi prototyyppilaitteessa voidaan käyttää myös muita tiedonsiirtovälineitä, esimerkiksi GSM-dataa, jolloin nopeus tosin jää huomattavasti langatonta lähiverkkoa hitaammaksi.
Prototyyppilaitteen rakenne ja ominaisuudet
Kaupallisesti saatavat puettavat tietokoneet eivät sovellu tulevaisuuden matkaviestimen prototyyppiin, koska niiden laajennettavuus ja mukautuvuus erilaisiin sovelluksiin ei ole riittävä. Suoritinyksikkönä ei voitu hyödyntää myöskään kannettavia tietokoneita niiden rajallisen laajennettavuuden vuoksi. Laitteiston arkkitehtuuriksi valittiin pienikokoinen ja modulaarinen PC/104+, joka mahdollistaa erittäin hyvän laajennettavuuden. Moduulit on pakattu Parvuksen valmistamiin alumiinikoteloihin ja kiinnitetty tukevaan vyöhön. Laitteisto on siten kestävä sekä helppo pukea päälle ja kantaa mukana.
PC/104+-standardin mukaisissa moduuleissa on PC- ja ISA-väylien lisäksi PCI-väylä, joten niiden suorituskyky on riittävä myös videokuvan käsittelyn vaatimaan tiedonsiirtoon. Moduulien koko on vain 90 x 96 mm ja korkeus 15 mm, ja ne pinotaan päällekkäin ilman taustalevyä.
Arkkitehtuurin etuna on laitteiston päivityksen helppous. Haluttaessa voidaan koko suoritinmoduuli vaihtaa nopeampaan vain yksi kortti vaihdetaan toiseen ja laitteiston laskentateho kaksinkertaistuu. PC/104+ -moduulit on useimmiten suunniteltu mahdollisimman vähän tehoa vaativiksi. Tämä on erittäin tärkeä ominaisuus kannettavassa laitteessa, jossa kaikki energia täytyy joko kuljettaa mukana tai tuottaa itse.
Suoritinmoduulina on tällä hetkellä Ampron valmistama 133 MHz:n Pentium-kortti, joka päivitetään lähiaikoina 266 MHz:n Pentium MMX -korttiin. Päivityksen myötä laskentateho kasvaa, jolloin esimerkiksi videokuvaa kyetään pakkaamaan tehokkaammin. Tietoliikenneyhteytenä on BreezeComin 3 Mbit/s nopeuteen kykenevä SA-10D Pro langaton lähiverkkosovitin, joka on yhdistetty Ampron 10/100 Mbit/s Ethernet-sovittimeen. 10 Mbit/s tiedonsiirtonopeuteen kykenevien langattomien lähiverkkojen tullessa markkinoille vaihdetaan nykyinen sovitin nopeampaan PCMCIA-korttiin.
Silmikkonäyttö on Sonyn valmistama optisesti läpikatsottava Glasstron, jossa voidaan esittää 800x600 pisteen kuva molemmille silmille. Näytönohjaimena on 4 Mt:n muistilla ja CT65555-piirillä varustettu Adastra VGA104plus. Kuvandigitointikorttina on Imagenation PCX200, audiokorttina Ampron ESM ja ohjainlaitteena Interlink Electronicsin valmistama Versapad VP8000 -kosketuslevy.
Massamuistina käytetään IBM:n DTCA-24090 kiintolevyä, joskin massamuistin tehonkulutus voidaan pienentää neljäsosaan käyttämällä kalliimpaa Flash-muistia. Teholähdekorttina on Symmetricin DCP104-moduuli, josta saadaan + 5 V ja + 12 V jännitteet. 12 V jännitettä tarvitaan nykyiselle digitaalikameralle, mutta seuraavassa versiossa tullaan siirtymään pelkästään 5 V akkujännitteeseen, koska siten tehonkulutusta voidaan pienentää entisestään. Samalla akku toteutetaan aiempaa helpommin puettavaksi, pienikokoisemmaksi ja kevyemmäksi. Nykykokoonpanolla laitteiston toiminta-aika ilman tehonsäästötiloja on 2,5 tuntia. Tehonsäästötiloja hyödyntämällä toiminta aika kaksinkertaistuu viiteen tuntiin.
Lopullisen päätelaitteen kokoista koelaitetta ei palveluiden ja sovellusten testaamiseksi kannata valmistaa, sillä pieni koko asettaa aina rajoituksia laajennettavuudelle, muunneltavuudelle ja laitteen ominaisuuksille. Tulevaisuuden palveluiden, esimerkiksi henkilökohtaisen navigoinnin, testaaminen käytännössä on kuitenkin välttämätöntä niiden kehittämiseksi ja käyttökelpoisuuden arvioimiseksi. Tässä esitelty CyPhonen prototyyppilaitteisto on kehitetty tähän tarkoitukseen ja se soveltuu siihen hyvin.
Cyphone-konseptimallin toiminnallinen prototyyppi selkäreppuversiona, Sonyn silmikoilla ja opastussovelluksella varustettuna vietiin kenttäkokeisiin Oulun kävelykadulle alkusyksyllä. Opastussovellusta tullaan esittelemään myös kansainvälisessä IST'99-konferenssissa Helsingin messukeskuksessa 22.-24.11 osana Finnish Showroom näyttelyä.
Aiheesta enemmän
CyPhone-projekti: www.ee.oulu.fi/CyPhone.
VTT Elektroniikka: www.vtt.fi
Yhteystieto: petri.pulli@oulu.fi
Tutkimus: CyPhone
Yhteistyössä: Nokia Mobile Phones, VTT Elektroniikka ja Oulun Yliopisto.
Teknologiaohjelma: ETX, Telectronics