Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Rozšířená realita a RFID

V současné době jsme svědky stále intenzivnějšího pronikání pokročilé techniky do našich životů. Otázku, v jaké míře je tento trend pozitivní a žádoucí, zbytečný, nebo dokonce nebezpečný, ponecháme spíše filozofům, spisovatelům sci-fi a zejména úsudku každého ze čtenářů. V rámci tohoto článku jsme si dali za cíl seznámit vás s tím, co je rozšířená realita a jaké je její využití v průmyslové sféře i v běžném životě. Rozšířená realita navazuje na odborné zaměření, vize a snahu naší mezinárodní laboratoře RFID na VŠB –Technické univerzitě Ostrava o hledání synergie mezi rozšířenou realitou a metodou radiofrekvenční identifikace (RFID) zastřešenou komunikací v rámci internetu věcí (IoT).

Rozšířená realita

Rozšířená realita (AR, Augmented Reality, v češtině též RR) je definována jako zobrazení reálného světa rozšířené o další významné informace nebo objekty generované počítačem v reálném čase. Doplňující informace a objekty mohou být určeny pro jakýkoliv lidský smysl, avšak obvykle je za primární zdroj informací považován zrak – rozšíření reality tak tvoří především vizuální vjem. Názorným příkladem je využití elektronického hledáčku či displeje fotoaparátu k fotografování. V hledáčku nebo na displeji je vidět obraz reálné scény před objektivem fotoaparátu, který je doplněn o relevantní informace, jako jsou stav baterie, nastavení clony, režim fotoaparátu nebo počet zbývajících snímků (obr. 1).

Aby bylo možné rozšířenou realitu využívat, jsou zapotřebí vždy minimálně dva typy zařízení: snímací (digitální fotoaparát, kamera) a zobrazovací (displej, projektor). Ideální volbou jsou pro své kompaktní rozměry mobilní zařízení (chytré telefony, tablety, přenosné herní konzole), která nejen obsahují kameru a displej, ale zároveň disponují i potřebným výpočetním výkonem. Mnoho těchto zařízení má navíc i další senzory využitelné pro potřeby rozšířené reality, jako jsou elektronický kompas, gyroskop, akcelometr, přijímací jednotku GPS (Global Positioning System) a bezdrátové připojení k internetu. V blízké budoucnosti bude pravděpodobně možné se setkat se zařízeními v podobě „chytrých brýlí“ nebo s aktivními kontaktními čočkami pro zobrazení rozšířené reality (obr. 2).

Stále silnější průnik chytrých mobilních telefonů a tabletů do každodenního života člověka spolu s jejich cenovou dostupností zvětšuje potenciál využití rozšířené reality. Proto si nyní přiblížme několik oblastí uplatnění rozšířené reality, s nimiž se lze setkat již v současnosti.

Navigace a identifikace objektů

Mnoho uživatelů si zvyklo používat svůj mobilní telefon také jako navigaci do svého automobilu. Nyní díky využití rozšířené rea­lity pomůže i s lokalizací a rozpoznáváním objektů. Mobilní zařízení se zabudovaným přijímačem GPS a digitálním kompasem mohou určit svou aktuální polohu a směr natočení mobilního zařízení. Následně se tyto informace porovnají s databází objektů a výsledkem je možnost na displeji sledovat reálný obraz doplněný požadovanými informacemi o daném objektu.

Běžná navigace využívá klasické mapové podklady. S využitím rozšířené reality je místo toho na displeji mobilního zařízení prezentován obraz z kamery snímající cestu před uživatelem a do něj jsou přidány instrukce, kam má pokračovat. Pro navigaci u automobilů lze využít také průhledový displej (HUD, Head-Up Display) – obraz se promítá projektorem umístěným uvnitř přístrojové desky s intenzivním světelným zdrojem a průsvitným TFT (Thin-Film Transistor) displejem na přední sklo prostřednictvím speciálně tvarovaného zrcadla. Využití průhledového displeje přináší motoristům zlepšení ergonomie, zvýšení pohodlí a rovněž i zvýšení bezpečnosti.

Další užitečnou pomůckou pro lidi cestující po světě je průhledový překladač textu pracující v reálném čase. Stačí zamířit kameru na vybraný text a na displeji mobilního telefonu se zobrazí překlad textu do zvoleného jazyka. Existující zařízení využívá vlastní slovníky off-line, a nepotřebuje tedy připojení k internetu (obr. 3).

Marketing a průmysl

Ve zmíněném příkladu využití rozšířené reality u displeje fotoaparátu je pozice rozšiřujících informací s ohledem na potřebu snadné orientace v nabídce pevně zvolena a uživatel ji nemůže změnit. Rovněž je dobré zdůraznit, že doposud popisované příklady využívaly rozšíření obrazu o plošné (2D) objekty. Pro potřeby marketingu a podpory prodeje nebo v průmyslu je třeba zobrazit prostorové (3D) objekty, které jsou často pohyblivé nebo interaktivně mění svou polohu a tvar. K tomu je nejčastěji používán tzv. marker neboli značka. Marker mívá podobu jednoduchého piktogramu (obr. 4). Pozice markeru je pro zobrazovací zařízení určující k vytvoření obrazu rozšířené reality.

Poté, co snímací software lokalizuje v obrazu tento marker, vytvoří na jeho místě virtuální objekt. Různými náklony markeru lze docílit i interakce se zobrazeným objektem. Podobně lze vykreslit jakýkoliv 3D objekt a zajistit, že se stane součástí zobrazované reality. Markery pronikají na stránky časopisů nebo na obaly výrobků, aby uživateli zprostředkovaly cestu k dalším informacím či mu umožnily další využití koupeného produktu. Například v časopisech o automobilech si čtenář může sejmutím markeru mobilním telefonem prohlédnout detailně 3D model vybraného automobilu, nebo si dokonce vyzkoušet jeho řízení v některé z herních aplikací svázaných s markerem (obr. 5).

Zajímavá možnost využití markerů se nabízí v oblasti nakupování nábytku. V prázdném pokoji si zákazník na zem rozmístí několik papírových markerů, sejme je kamerou tabletu, na displeji si do pokoje umístí vybraný nábytek a při reálné procházce prázdným pokojem si na obrazovce vyzkouší vybrané kombinace a zhodnotí estetický dojem ještě před nákupem (obr. 6).

Podobné aplikace mohou být v průmyslu využity k lepší prezentaci technologických plánů a funkcí navrhovaných strojů a zařízení. Jak v akademické sféře, tak i v průmyslovém sektoru totiž platí, že sebelepší nápad je jen polovina úspěchu: velmi záleží na jeho prezentaci ostatním. Právě oblast kvalitní prezentace bez vysokých nákladů je jednou ze slibných možností využití rozšířené reality. Analogii aplikace pro rozmístění nábytku v domácnosti nebo kanceláři je možné v průmyslu snadno použít v prostředí prázdné výrobní haly, v níž projektanti naplánují celou výrobní linku a poté se společně s vedením společnosti projdou halou a podívají se na plánované rozmístění strojů. Přímo na místě si tak mohou uvědomit případné nedostatky, které by jinak odhalili až po nákupu a instalaci drahého reálného zařízení, a na základě těchto zjištění upravit plány (obr. 7).

Tutoriály

Mnoho firem používá principy štíhlé výroby, jejichž součástí je i princip 5S (z japonských hesel pro: rozděl, setřiď, uspořádej, zdokumentuj a dodržuj). Obecně lze princip 5S shrnout jako zachování pořádku na pracovišti, zajištění bezpečnosti a co nejnižší chybovosti pracovníků. Společnost BMW oznámila, že využívá rozšířenou realitu pro vizuální návody pro své mechaniky. Mechanik k tomu potřebuje brýle se sluchátky, díky nimž vidí a slyší pokyny pro přesný postup opravy automobilu, přičemž zároveň může požádat o radu, který nástroj pro daný krok opravy použít (obr. 8).

Podobné tutoriály lze používat i v jiných odvětvích lidské činnosti. Mohou sloužit jako tréninková a školicí zařízení pro studenty na školách, jako návody pro sestavování koupeného zboží (např. nábytku) nebo pro rychlý zácvik zaměstnanců na práci s novým zařízením.

Využití v reklamě a marketingu

Potenciál využití rozšířené reality v oblasti reklamy a marketingu je lákavý. Vznikají aplikace pro mobilní telefony, které uživatele informují o obchodech, službách a akcích v jeho okolí pokaždé, když se rozhlédne kolem sebe kamerou svého mobilního telefonu (obr. 9).

S rozšířenou realitou se pojí i pojem virtuální nakupování. Vznik e-shopů zjednodušil spotřebiteli nakupování z domova a obchodníkům zase snížil náklady na nájem a provoz kamenných prodejen. Dalším krokem k virtua­lizaci prodejny je nakupování pomocí mobilního telefonu. Zákazník se pohybuje po reálné prodejně, ovšem v regálech jsou umístěny pouze fotografie zboží a identifikátor, který si zákazník při nakupování vyfotí mobilním telefonem (obr. 10).

Rozšířená realita však může jít ještě dál. Dejme tomu, že se zákazníkovi nechce sedět u počítače, ale rád se obchodem prochází. Zároveň však chce spojit nakupování s příjemnou procházkou po louce a vyvenčením svého čtyřnohého přítele. Nasadí si speciální brýle nebo se na louku podívá kamerou svého mobilního telefonu a rázem kolem něj vyrostou regály, mezi kterými se projde a vybere si zboží. Virtuální nákup se automaticky přetvoří ve skutečnou objednávku a objednané zboží je zákazníkovi doručeno domů. 

Metoda RFID

Metoda radiofrekvenční identifikace (dále jen RFID) je určena k identifikaci objektů. Používá nosiče dat (tags), tj. zařízení, která mohou uchovávat data a vysílat je směrem ke čtecímu zařízení prostřednictvím rádiových vln. K popisu funkce RFID použijme porovnání s vlastnostmi identifikace pomocí čárového kódu. Nosič dat RFID rozšiřuje schopnosti čárových kódů v tom smyslu, že číselná struktura na něm umístěná je dostatečně velká k tomu, aby identifikovala každý jednotlivý označený kus jedinečným způsobem. V prostředí obchodních řetězců tedy např. dokáže serializovat každou konkrétní spotřebitelskou jednotku. Čtení je možné na výrazně větší vzdálenost, než tomu je u čárových kódů (až desítky metrů), navíc není nutná přímá viditelnost. Důležitou vlastností je také možnost přidat na nosič dat aktivní součásti pro sledování fyzikálních veličin, jako jsou teplota, tlak, vlhkost, akcelerace, rotace a další.

Technika RFID dovoluje číst několik nosičů dat najednou. Tato vlastnost velice urychlí a zefektivní identifikaci zboží naloženého např. na paletě. Oproti tomu identifikace zboží pomocí čárových kódů znamená postupné čtení čárových kódů jednoho po druhém.

Technika RFID umožňuje zapisovat či přepisovat data uložená na nosiči. Čárový kód umí pracovat pouze se statickými daty. Nosič dat RFID může být zapouzdřen do téměř libovolné fyzické schránky. Nosič může mít např. podobu samolepicího štítku (smart label), plastové kartičky, knoflíku, přívěsku na klíče apod. Fyzická podoba nosiče je tedy velmi variabilní, a je-li to žádoucí, lze je umístit do odolného pouzdra, které vydrží velmi nepříznivé podmínky: vysoké teploty, radiaci, chemické vlivy, prašné či jinak znečištěné prostředí.

Další přidanou hodnotou nosiče dat RFID může být jeho obtížná napodobitelnost a padělání. Zatímco u čárového kódu je snadné vytisknout přesnou kopii, u nosičů dat RFID je situace s kopírováním poněkud obtížnější. Nosič dat RFID v sobě může obsahovat několik úrovní ochrany, na jejichž prolomení jsou zapotřebí speciální znalosti a vybavení.

Specifickou vlastností nosiče dat RFID může být i jeho maskování. Může být např. ukryt pod lakem výrobku nebo přímo zalit do plastového výrobku jako jeho integrální součást a stát se pouhým okem nezjistitelný. To je vhodné v případě, že by klasický způsob identifikace narušoval estetický vzhled výrobku, např. u luxusního zboží.

U předchozích způsobů identifikace mohou být čtecí schopnosti omezeny vlivem zašpinění, poškození nebo vyblednutí. Nosiče dat RFID tyto problémy s čitelností nemají. Při fyzickém poškození antény nosič dat pracuje dál, pouze se zmenší jeho čtecí vzdálenost.

Internet věcí

Internet věcí (Internet of Things) je jev, který se začíná stále více objevovat v komunikacemi protkaném světě. Internet věcí lze definovat jako propojení různých informačních zdrojů do globální internetové sítě. Příkladem mohou být automobily s podporou automatického řízení. Nejenže bude palubní počítač znát přesnou cestu k cíli, ale také bude komunikovat s okolními automobily a přizpůsobovat jim rychlost a styl jízdy, pracovat s aktuálními informacemi o dopravní situaci, zjišťovat, kde je možné co nejlevněji natankovat či se najíst apod.

V prostředí internetu věcí má svou roli i technika RFID. Pro komunikaci technika RFID využívá síťovou službu Object Name Service (dále jen ONS). Tato služba je názvem i funkcí velmi podobná síťové službě Domain Name Service (DNS), kterou využívá každý uživatel internetu. DNS funguje tak, že nasměruje webový prohlížeč počítače na správný webový server, a uživatel se tak dostane na požadovanou internetovou stránku. DNS přeloží doménové jméno, které si uživatel snadno dokáže zapamatovat (www.vsb.cz), na IP adresu (158.196.149.22), se kterou zase dokážou pracovat počítačové servery. Systém DNS má svou vlastní síťovou topologii. Jestliže jeden ze serverů DNS neví, jak přeložit jméno na IP adresu, odešle dotaz na jiný server, dokud není nalezena správná odpověď.

Síťová služba ONS funguje analogicky: identifikátor nosiče dat RFID je přeložen do specifického tvaru a vyslán do sítě serverů, které prohledávají připojené informační systémy a vracejí v odpovědi zpět ty záznamy, v nichž se daný identifikátor vyskytl.

Synergický efekt

V článku byly zmíněny markery pro zobrazení prvků rozšířené reality. Markery v sobě ovšem nesou pouze vizuální informaci, která se spáruje se záznamem v aplikaci a ta je potom schopna vygenerovat 3D objekt. Marker slouží pro umístění či ovládání vytvořeného objektu. Samotný marker však nese informaci o zobrazovaném objektu pouze v kombinaci s unikátní softwarovou aplikací. Dejme tomu, že marker má tvar čtverce a snímají jej dva uživatelé. Aplikace v mobilním telefonu prvního uživatele pod tímto tvarem vygeneruje např. model automobilu, pro mobilní telefon druhého uživatele s jinou aplikací však bude tento čtverec generovat jiný objekt nebo nevygeneruje nic.

Naše snahy jsou namířeny k použití markerů rozšířené reality v kombinaci s nosiči dat RFID na pozadí markeru. Díky tomu by identifikátor v nosiči dat RFID mohl nést přesné informace o objektu, který se má vykreslit, a úloha markeru by nadále spočívala jen v umístění 3D objektu do dané pozice. Komunikace při vyhledávání 3D objektů by byla realizována pomocí internetu věcí, a tak by bylo zajištěno, aby na všech zobrazovacích jednotkách daný marker zobrazoval správné objekty a informace. Je to významný posun od kapacitně náročných „tlustých“ klientů nainstalovaných na zařízeních uživatelů ke cloudovému principu a „tenkým“ jednoduchým klientům, sbírajícím informace ze sítě.

V laboratoři ILAB RFID na VŠB-TUO se snažíme nalézt možnosti propojení zmiňovaných metod k zajištění ještě vyšší přidané hodnoty a dalšímu rozšíření potenciálu využití techniky automatické identifikace. Silně si uvědomujeme skutečnost, že masové rozšíření chytrých mobilních telefonů otevřelo možnosti, které si zatím ani nedovedeme plně uvědomit. Hranice využití rozšířené reality jsou omezené pouze lidskou představivostí.

Ing. Filip Beneš, Ing. Lukáš Kubáč, doc. Dr. Ing. Vladimír Kebo, VŠB-TU Ostrava

Obr. 1. Elektronický hledáček a displej digitál­ního fotoaparátu

Obr. 2. Aktivní kontaktní čočky pro zobrazení rozšířené reality

Obr. 3. Využití rozšířené reality pro překlad

Obr. 4. Marker pro rozšířenou realitu

Obr. 5. Marker se zobrazeným 3D modelem

Obr. 6. Aplikační program pro vizualizaci nábytku

Obr. 7. Design průmyslové haly pomocí rozšířené reality

Obr. 8. Videomanuál při opravě automobilu

Obr. 9. Využití rozšířené reality v marketingu

Obr. 10. Nákup ve virtuálním obchodě

Obr. 11. Nosič dat RFID