Conceptos Fundamentales De La Simulacion.docx

Conceptos Fundamentales Simulación En esta etapa, se explica qué es la simulación con el fin de que más adelante se tenga una noción clara de lo que significa la realidad virtual aplicada como herramienta de simulación. Dado que esta utilización de la realidad virtual es la que ha dado origen a la mayor parte de la tecnología asociada, a las aplicaciones y a ciertos conceptos, se considera esencial entender qué es la simulación para poder entender los orígenes, la evolución y la situación actual de la realidad virtual. Pero además, también se debe tener en cuenta que las aplicaciones de simulación, abonadas por la industria de Hollywood, es lo que ha contribuido en mayor grado a promover el sensacionalismo en la realidad virtual y por esta razón es muy importante conocer el tema y poder discernir entre lo que es fantasía y lo que realmente es factible. En otras palabras, es esencial para conocer las restricciones que se encuentran cuando la realidad virtual es vista únicamente como herramienta de simulación y se intenta aplicar como tal en ámbitos que no son de simulación.

¿Qué es simulación? Aunque la mayoría de la gente tiene una ligera idea de lo que es la simulación, existe mucha confusión de términos y conceptos que se aclararán en esta etapa. Por ejemplo, podemos pensar en los juegos de niños donde actúan como si fuesen vaqueros (cowboys) en un pueblo del Oeste Americano de hace un siglo. Pero esta intuición a menudo no se corresponde con la definición formal de simulación. Lo que usualmente sí se tiene claro es que cada vez resulta más importante en el mundo de la ciencia y la tecnología, la economía, las ciencias sociales, etc. Es una herramienta básica en investigación y es esencial como herramienta de entrenamiento. La teoría que hay detrás es antigua ya que toda se basa en la definición de modelos matemáticos y estadísticos, y en el estudio de la evolución de estos modelos a lo largo de un período determinado de tiempo. No obstante, la simulación ha avanzado de forma realmente importante a partir de la explosión de las herramientas informáticas, por la facilidad que supone generar los resultados y tratar los datos y los cálculos complejos. De hecho, la simulación está estrechamente ligada al inicio de la informática con las simulaciones de balística para aplicaciones militares a mediados de los cuarenta. La simulación por ordenador es la intersección de tres herramientas de investigación o aproximaciones analíticas (WHICKER, SIGELMAN, 1991): modelado,simulación de sistemas, uso de un ordenador, las cuales definimos más abajo. El Modelo

Mientras que en simulación fuera del ordenador se requiere montar una réplica física de lo que se quiere estudiar, lo que se conoce por maqueta, en simulaciones por ordenador es necesario definir un modelo a partir de reglas matemáticas y/o lógicas. Un modelo de simulación adquiere importancia y significado en virtud de su similitud con un fenómeno de interés determinado. ¿Pero, qué se entiende por similitud? La similitud del modelo respecto al fenómeno de origen se clasifica en los siguientes tipos: Similitud Física: este es el tipo de similitud que más se asocia cuando se habla de simulación en general y concretamente en realidad virtual aplicada a la simulación, aunque no por esto es más importante que los otros tipos. Este tipo comprende diversas componentes de similitud que pueden ser o no importantes en cada caso: visual, sonora, mecánica, química, táctil, etc. Similitud Probabilística: este tipo proviene del comportamiento del fenómeno de origen. La disciplina de la estadística conocida por análisis de probabilidad se encarga de estudiar la probabilidad con que un fenómeno tiende a manifestarse. Por lo tanto, la similitud probabilística hace referencia a las propiedades funcionales del fenómeno de estudio. Similitud Conceptual: esta similitud hace referencia a las estructuras internas del fenómeno de estudio y a como están organizadas. Por esta razón, se pueden definir la siguientes propiedades de la similitud conceptual: asociativa, por analogía, estructural, etc. Así pues, las nociones de modelo y simulación, que a menudo se tienden a confundir, en realidad están relacionadas de forma que (WHICKER, SIGELMAN, 1991): Un modelo es una representación de la estructura a simular. Es decir, una definición estática que define estructuras, parámetros y funciones (o algoritmos). Una simulación, en cambio, es una representación de la estructura en acción. Es decir, cuando se hace evolucionar el modelo a lo largo del tiempo, partiendo de un estado inicial, alimentándolo con una información de entrada y obteniendo una información de salida que serán los resultados a analizar. Existen diversas clasificaciones de modelos según el enfoque deseado: Clasificación Formal de modelos (WHICKER, SIGELMAN, 1991): Modelos Físicos: Son aquellos que pretenden ser una réplica física del sistema estudiado. Por ejemplo: un túnel de viento, el cual puede ser construido tanto físicamente como mediante una aplicación de realidad virtual. En los dos

casos, son un modelo de un mismo fenómeno de estudio; concretamente la dinámica de fluidos del aire. Modelos Esquemáticos: Son aquellos que presentan ciertas características del sistema. Por ejemplo: el plano de un edificio, donde se está perdiendo cierta información volumétrica, de materiales, etc., pero en cambio nos aporta una información de organización espacial. Modelos Simbólicos: Son aquellos que codifican mediante algún lenguaje matemático o informático las características del sistema. Por ejemplo, unas fórmulas de comportamiento económico, donde el fenómeno de origen no tiene unas propiedades físicas, sino que es fruto de una organización social. Clasificación Funcional de modelos (POOLE, SZYMANKIEWICZ, 1977): Modelos Intuitivos: Están basados en la experiencia y están presentes detrás de toda decisión diaria que requiere una consideración rápida. Por ejemplo: “¿Tomo el metro o el autobús para ir a tal sitio?” Modelos Analíticos: Se basan en el estudio de problemas no restringidos por un tiempo de decisión y donde cualquier error es potencialmente muy costoso: “¿Compro un coche funcional y pequeño para ir al trabajo y aparcar fácilmente, o bien uno grande y amplio para poder salir con la familia los fines de semana?” Modelos Numéricos: Se basan en aquellos problemas de los cuales no tenemos la información relevante o bien esta es demasiado compleja. En este caso es necesario identificar las componentes más importantes del problema, las fuerzas que intervienen, y las relaciones entre componentes y fuerzas: “¿Invierto mi dinero en la bolsa o los pongo a plazo fijo en el banco?

Tipos de simulaciones En este punto, en que ya se ha definido lo que se entiende por modelo y por simulación, se pasará a ver qué tipos generales de simulación se definen habitualmente: Persona - Persona: Simulaciones de tipo social en las que se estudian las reacciones de personas o colectivos. Por ejemplo: entrenamiento de entrevistas de trabajo. Se sitúa a dos personas en los papeles de entrevistador y entrevistado y después de actuar durante un período de tiempo, se intercambian los papeles para poder entender los procesos inversos. De Sistema: Simulaciones donde se reproduce físicamente un sistema físico, químico, biológico, etc., bajo unas condiciones controladas. Por ejemplo, una reacción química de la naturaleza controlada en situación de laboratorio.

Persona - Ordenador: Simulaciones donde la persona responde a unas cuestiones planteadas por el ordenador. Por ejemplo, entrenamiento mediante juegos de estrategia financiera, simuladores de vuelo, etc. Por Ordenador: No requieren interacción. A partir de una entrada, un programa (conjunto de reglas de decisión) la transforma obteniendo una salida. Usualmente responden a sistemas estocásticos, es decir, basados en probabilidad. Los dos últimos tipos son los que incumben a está asignatura: personaordenador y por ordenador. Como veremos, las diferencias entre estos dos tipos son muy grandes, pero los dos pueden utilizar tecnología de realidad virtual. Simulación por ordenador En el ámbito científico y técnico, cuando se habla de simulación, a menudo se sobrentiende que se está haciendo referencia a la simulación por ordenador(WHICKER, SIGELMAN, 1991; MCHANEY, 1991; RIPLEY, 1987; MATLOFF, 1988; POOLE, SZYMANKIEWICZ, 1977; JORBA, MASDEMONT, 1995; SHANNON, 1975). Así pues, ¿para qué puede resultar útil la simulación por ordenador? La simulación, por lo general, intenta responder la pregunta: ¿Qué pasaría si... ? Por ejemplo, sea un científico que se encuentra delante de un problema que no entiende y desea probar diversas teorías y obtener diversos resultados con un objetivo final: entender lo que pasa detrás del problema planteado. Esta situación puede venir definida por dos posibles enfoques: (a) puede ocurrir que el científico simplemente no sabe si “aquello” se podrá conseguir, (b) o bien puede ocurrir que el científico tenga la necesidad de que “aquello” ocurra pero no sabe como. Así pues, en el enfoque inicial de una simulación, el objetivo debe ser uno de los dos siguientes (MCHANEY, 1991): ¿Puede “esto” funcionar? Se estudia el caso haciendo una simulación para saber si se pueden alcanzar unos objetivos. ¡Esto debe funcionar! Se estudia qué parámetros pueden variar en el sistema actual para conseguir los objetivos. En el proceso de consecución de los objetivos, la simulación ofrece las ventajas siguientes (MCHANEY, 1991): 

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Que se puede aplicar cuando no es práctico experimentar con el sistema real en su entorno natural, ya sea por cuestiones de seguridad, de tamaño, de tiempo, etc. Que la simulación es el único medio que permite investigar las características de diseño de un sistema determinado, es decir, que

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permite descomponerlo y analizarlo por partes. Por lo tanto fuerza la especificación detallada del sistema y en consecuencia del problema. Que se puede aplicar cuando no existen técnicas matemáticas o analíticas para el problema tratado. Debido a esto se experimentan nuevas técnicas, algoritmos, etc. Que se puede aplicar cuando se ha de evaluar un sistema utilizando medidas estadísticas. Que se puede aplicar cuando es necesario simular un período de tiempo muy largo de forma comprimida, o viceversa. Que permite detectar problemas no previstos debido al análisis que se realiza del funcionamiento del modelo.

No obstante, en este proceso también aparecen desventajas. Las más importantes son: El desarrollo es complejo, caro y lento. El modelado tan solo da resultados aproximados. En este sentido hay dos ideas clave que a menudo se pasan por alto: Nunca se podrá tener el modelo perfecto. Nunca se debe confundir el modelo con el fenómeno original. Si se basan en generadores de números aleatorios, los resultados deben ser evaluados con herramientas estadísticas complejas para poder comprobar que se modela correctamente el entorno de evolución del fenómeno de origen. No es una herramienta de optimización, es decir, se pueden obtener respuestas a los problemas, pero se debe ser consciente que no necesariamente son las óptimas. De hecho pueden estar muy alejadas de los procesos óptimos. Se debe validar el modelo. Esto, cuando ya se dispone del sistema de origen se puede realizar comparando las entradas, las salidas y los pasos intermedios del sistema original respecto a las del modelo de la simulación, aunque esto resulta de gran complejidad. No obstante, en muchos casos, la simulación se realiza en una fase previa a la construcción o puesta en marcha del sistema que se está evaluando y en este caso, validar el modelo puede ser una tarea imposible. Tipos de simulaciones por ordenador Tal y como se ha expuesto ya, las simulaciones por ordenador son simulaciones en las que no interviene la interacción de una persona. Así pues, estos procesos en los que se definen unos datos iniciales (el estado inicial) y a partir de unos algoritmos se les hace evolucionar durante un tiempo determinado, se pueden clasificar en tres tipos principales (MCHANEY, 1991):

Tipo Monte Carlo: En estas, en realidad no interviene el tiempo y se basan en la aleatoriedad y la probabilidad. Por ejemplo: el cálculo de los juegos de solitario con cartas, que pueden realizarse y los que no se puede. (Se puede encontrar una recopilación histórica de estos modelos en: http://landau.mines.edu/~jscales/inverse/node154.html) Simulaciones Continuas: Sistemas modelados por ecuaciones diferenciales o algebraicas que dependen del paso del tiempo de forma continua. Por ejemplo: Sistemas de simulación Depredador-Presa (también llamados sistemas Tom&Jerry). Por Eventos discretos: Se caracterizan por el paso de bloques de tiempo en los que se considera que “no pasa nada” y donde se puntúan eventos que cambian el estado del sistema. Sobre todo se basan en teoría de colas. Por ejemplo: El estudio, por simulación, de un peaje: las colas que genera, los horarios asociados a las colas, factores que afectan, etc. Los tres tipos de simulación por ordenador se apoyan sobre un gran corpus teórico estadístico y matemático que tiene una larga tradición y que por lo tanto dispone ya de unas herramientas de análisis muy potentes y que se benefician enormemente de la capacidad de cálculo de los ordenadores. Elementos de una simulación por ordenador A continuación se analizan los elementos esenciales que componen una simulación por ordenador (WHICKER, SIGELMAN, 1991). De esta forma se podrá, también, comparar en secciones posteriores con la estructura de una aplicación de realidad virtual. Asunciones: Son el conjunto de hipótesis sobre las que se basan todos los razonamientos que hacen referencia al fenómeno de estudio y que constituyen el esqueleto del modelo. Parámetros (o valores fijos): Aunque para un programador esta terminología podría dar lugar a confusión, en este caso los parámetros son las variables de control. Estos podrían variar afectando los resultados de diversas formas, pero se mantienen fijos con el propósito de observar claramente cómo las variables independientes (entradas) afectan las dependientes (salidas). Entradas (o variables independientes): Son los valores subministrados a la simulación en el momento de iniciarse todo el proceso. Corresponden a factores que se considera que afectan al fenómeno principal de interés: las variables dependientes (o salidas). Algoritmos: Convierten las entradas en salidas de acuerdo con unas reglas de decisión que el investigador ha especificado. Deben ser compatibles con las asunciones que definen el modelo. Se puede considerar que son operacionalizaciones de la estructura del modelo y de los procesos involucrados en el fenómeno de estudio.

Salidas (o variables dependientes): Son el foco de interés de la simulación y aquello que el científico analizará para poder extraer conclusiones sobre el fenómeno de estudio. Estas salidas son calculadas de forma endógena, es decir, a partir de los algoritmos que procesan las variables independientes(entradas) y sin ningún tipo de intervención externa a lo largo del proceso. Simulación persona-ordenador En este tipo de simulaciones [1], el ordenador sitúa la persona dentro de un contexto concreto y esta debe ir respondiendo y reaccionando para poder alcanzar un aprendizaje del tema, una habilidad manipulativa, un entrenamiento físico y/o cognitivo, etc. (WHICKER, SIGELMAN, 1991; EARNSHAW, GIGANTE, JONES, 1993; EARNSHAW, VINCE, JONES, 1995; KALAWSKY, 1993; VINCE, 1995; WAXELBLAT, 1993; etc.). Las simulaciones persona-ordenador acostumbran a desarrollarse entorno y con la ayuda de diversas ramas de la informática y la ciencia, como pueden ser: la inteligencia artificial, la propia realidad virtual, la sicología, etc., y casi siempre van encaminadas al entrenamiento y prácticas de operarios, técnicos, pilotos, etc., debido a las grandes prestaciones como herramienta educativa y didáctica. Un amplio abanico de ejemplos de este tipo de simulaciones se pueden ver en el módulo 5 “Aplicaciones de realidad virtual”. Por esta razón no entraremos en más detalle en esta subsección. Fases de diseño de una simulación Las fases principales de diseño de una simulación cualquiera (y por consiguiente también aplicable a las simulaciones por ordenador y a las simulaciones persona-ordenador) son, según Shannon (1975): Definición del Sistema: Determinación de fronteras, restricciones y variables que definen el sistema a ser modelado. En otras palabras, concreción del problema a estudiar. Formulación del Modelo: Reducción o abstracción del sistema del fenómeno de estudio a un diagrama de flujo, que recoja el flujo de información, las estructuras condicionales, los cálculos básicos, etc. Preparación de los Datos: Se identifican los datos requeridos por el modelo: tipos de datos, valores iniciales de variables clave, etc. Traslación del Modelo: Es la programación propiamente dicha (generación de código). Validación: Comprobación de que el modelo funciona. Se realiza a partir de datos de un caso real y se comparan los resultados obtenidos en la simulación con los obtenidos con el sistema del fenómeno de estudio. Evidentemente esto no es factible en simulaciones de sistemas aún no existentes.

Planificación Estratégica: Se diseña un experimento para poder obtener la información deseada, que supuestamente dará las claves para la comprensión del fenómeno de estudio. Planificación Táctica: Se diseñan ejecuciones concretas del experimento. Es decir, se preparan diversos conjuntos de variables independientes (entradas) sobre un mismo modelo para obtener distintos conjuntos de variables dependientes (salidas). Experimentación: Ejecución de los diversos pases por el experimento para obtener unos resultados concretos. Se hacen pruebas de sensitividad ajustando los parámetros. Interpretación: Usualmente los resultados obtenidos están lejos de ser claros y explícitos por sí mismos. Es necesario entonces, diseñar formas y estrategias para poder interpretar y comprender los resultados. Implementación: Llevar a cabo lo que se ha probado con la simulación. Documentación: Importantísima para facilitar el replicado de las pruebas realizadas y la extensión del modelo y el sistema. Se puede observar que la realidad virtual tiene un papel muy importante, no solo en la simulación en si misma, sino también en la interpretación de los resultados Presentación e interacción con las simulaciones La forma en que se presentan los datos y procesos de una simulación, y la forma en que se interactúa con una simulación, son de una enorme importancia, tanto por lo que se refiere a la posibilidad de gestionar grandes cantidades de datos de forma compacta, como por lo que refiere la comprensión de lo que está sucediendo en cada momento. Las dificultades que aparecen en estos procesos son: Dificultades del seguimiento e interpretación de una simulación    

Gran cantidad de parámetros y variables. Gran cantidad de datos de salida (resultados). A menudo los datos son abstractos y no pueden ser interpretados directamente. Interacción compleja con el sistema.

Con el propósito de superar estas dificultades se han desarrollado diversas técnicas de presentación e interacción que se resumen a continuación: Presentación de datos El campo de los gráficos por ordenador ha evolucionado mucho gracias a las necesidades de visualización de datos, la cual se ha beneficiado

recíprocamente de los avances en los gráficos por ordenador. Algunas técnicas de presentación son:         

Gráficas estadísticas. Representaciones y visualizaciones 3D y estereoscópicas. Sistemas de partículas. Mapeos de conjuntos de datos en coloraciones, densidades, sonidos, etc., especialmente optimizados para cada caso. Representaciones fotorealistas. Animaciones: grabadas o en tiempo real, secuenciadas o acumuladas. Tratamiento gráfico de los fractales. Sonido y procesado de señal. etc.

Interacción En el campo de la interacción, ha sido necesario proveer todo tipo de interfaces físicas y periféricos que permitiesen manipular los datos complejos y los procesos de las simulaciones. Por ejemplo: Robótica / Electrónica / Realidad Virtual:       

Aportan potentes interfaces físicas persona ordenador (periféricos). Sensores de posicionamiento y orientación. Cascos de visualización inmersiva. Sistemas de sensación de fuerza. Sistemas táctiles. Sistemas de audio espacializado. etc.

Informática: Aporta interfaces lógicas que traducen:  

acciones sobre los periféricos -> datos de entrada. (Mapeos de manipulación) datos de salida -> respuestas hardware. (Mapeos de percepción)

Peligros de la presentación Existen algunos puntos a tener en cuenta en los procesos de presentación e interacción: 

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Poca atención al diseño de la simulación. Si se da más atención a la presentación que al motor de la simulación se pueden obtener unos resultados muy bien presentados y muy inteligibles, pero totalmente erróneos y en consecuencia inservibles. Representaciones no correctas de los datos. A menudo ocurre que una representación de unos ciertos datos puede dar lugar a confusión o a falsas interpretaciones debido a los mapeos escogidos o a que la jerarquización de los datos no es adecuada.

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Eventos múltiples difíciles de captar. También, a menudo, puede ocurrir que no se sea capaz de representar de forma compacta los múltiples procesos y resultados que ocurren a lo largo de una simulación. A veces, aunque sea necesario, no se puede presentar la evolución de la simulación o los resultados a tiempo real. Cuando una simulación debe ejecutarse a un ritmo determinado, igual al del fenómeno de estudio (lo que se conoce como ejecución a tiempo real), puede ocurrir que efectivamente los algoritmos de cálculo consigan este objetivo, pero en cambio los algoritmos de presentación no. En esta situación, la falta de sincronismo entre ejecución y presentación puede ocultar o incluso falsear los resultados observados.

Terminología asociada a la RV Desde que en 1965 Ivan Sutherland, en su trabajo posdoctoral, estableció las bases de su “Ultimate Display”, se han ido sucediendo las diversas definiciones, términos y evoluciones de la tecnología que hoy día se conoce comúnmente por realidad virtual. Todo el proceso que ha seguido esta tecnología queda reflejado en las diversas definiciones que se han ido especificando. Debido a esto, las definiciones son, en sí mismas y como conjunto, definidoras de esta tecnología (ver módulo ¿Qué es y qué no es la realidad virtual?). Debido al nombre adoptado a partir de Lanier, la terminología alrededor de la realidad virtual ha sufrido un enturbiamiento que ha confundido conceptos y nomenclatura, incluso anteriores. Esta situación es parecida a la que se ha dado en otros ámbitos como el de la Inteligencia Artificial, donde la mala información y el sensacionalismo han difundido una idea distorsionada y falsa. Por esta razón resulta esencial esta sección en que se sitúan términos y aclaran conceptos que giran entorno de esta tecnología. Es necesario eliminar esta confusión y poder así encarar el resto de la asignatura con claridad de ideas. Realidad Artificial: Tal y como se ha visto en la introducción a esta asignatura, este binomio fue acuñado por Myron Krueger en 1975 como resultado de sus investigaciones con su sistema Video Place. Así pues, está íntimamente ligado a una cierta configuración de sistema, tanto en lo que se refiere al hardware como al tipo de interacción.

Esquema del Video Place de Myron Krueger: (1) la cámara capta la imagen del usuario (2) un ordenador procesa la imagen y la incorpora en un entorno digital (3) el resultado se proyecta sobre una pantalla (4) el usuario reacciona y vuelve a ser capturado por la cámara, cerrando así el ciclo.

Algunas imágenes de una de las experiencias realizadas en Video Place, llamada Criter: un pequeño personaje virtual interactua con la silueta del usuario. Este binomio se utiliza poco hoy día y no se puede considerar sinónimo de realidad virtual porque es, en realidad, tan solo una de las posibilidades tecnológicas y de sistema que pueden existir. Aunque muestra una gran variedad de aplicaciones, esta tecnología es a menudo olvidada en las definiciones de realidad virtual, con lo que se la deja fuera y se la margina, tal y como se verá más adelante al discutir qué es y qué no es la realidad virtual.

Telepresencia: Este término, introducido por Marvin Minsky (1980), se refiere a la tecnología que permite a un operario, explorar y controlar a distancia sistemas y entornos reales. El objetivo principal es posibilitar al operario realizar una tarea que no podría llevar a cabo de forma presencial debido a alguna de las siguientes razones: Peligrosidad del entorno: presencia de vapores o gases tóxicos, temperaturas muy altas o muy bajas, trabajo con substancias radiactivas, presión atmosférica alterada, etc. Dificultades espaciales: dificultad de acceso por distancia, espacios reducidos o incluso miniaturización, inestabilidad física del espacio, etc. Estos sistemas están compuestos generalmente por un sistema robótico semiautónomo. Este sistema acostumbra a disponer de:     

un sistema de “visión” mediante una o varias cámaras de vídeo (incluso en configuración estereoscópica) un sistema de captación de audio (uno o más micrófonos) un sistema de propulsión para su movilidad (ruedas, orugas, hélices, etc.) un sistema de manipulación para realizar la tarea (brazos robóticos, garras prensiles, etc.) un sistema de control remoto.

Posible sistema de Telepresencia Estos sistemas se pueden utilizar tanto en la tierra como en el agua, y tanto en nuestro planeta como en misiones espaciales. Algunas aplicaciones son: telemedicina o telecirugía, mantenimiento de almacenes de residuos nucleares, desactivación de coches bomba, etc. Así pues, se puede comprobar como esta tecnología no debe confundirse con la realidad virtual ya que todas las señales o estímulos que recibe el usuario, tienen su origen en el entorno físico, mientras que, como veremos más adelante, la realidad virtual genera todos los estímulos de forma digital.

Entornos Virtuales: A menudo se utiliza como un mal substituto o sinónimo de realidad virtual. En realidad se refiere a la geometría, parámetros y configuraciones estáticas que modelan un cierto entorno (sea simulado o no). El binomio no hace referencia a la experiencia del usuario con lo que no define las características de relación del usuario con el entorno. De hecho, un entorno virtual puede ser utilizado para una película con efectos especiales realizados por ordenador, que como veremos más adelante no se puede considerar realidad virtual. Se encuentran dos diferencias básicas entre entorno virtual y realidad virtual: La experiencia: se puede aplicar la analogía con modelo y simulación que ya se ha presentado en la sección anterior de este módulo. Es decir, que del mismo modo que el modelo es la definición estática de las reglas de un fenómeno de origen, el entorno virtual es también estático. En cambio, del mismo modo que la simulación es la puesta en marcha de ese modelo, la realidad virtual es la experiencia que se tiene de ese entorno virtual. Por experiencia se entiende la interacción a tiempo real (ver la etapa “Interacción con estímulos digitales generados a tiempo real”). El sujeto virtual: aunque esto se verá en detalle en un módulo posterior, debe notarse aquí, que la experiencia mencionada arriba, relaciona a la persona (usuario) con el entorno virtual de tal forma que debe definirse un modelo de sujeto virtual a través del cual el usuario puede experimentar el entorno según unas reglas de comportamiento y unas interfaces (ver el módulo “Fundamentos conceptuales de la realidad virtual”). Así pues, este binomio, aunque muy a menudo utilizado como sinónimo de realidad virtual, debe tenerse en cuenta tan solo como un elemento estático y no como la experiencia de realidad virtual.

Entornos Sintéticos: Este binomio proviene del ámbito militar norteamericano. La razón de usar sintéticos en vez de virtuales obedece a dos razones principales. Por un lado, desmarcarse de la corriente no militar de esta tecnología no queriendo utilizar el término virtual que consideran da una sensación de “irrealidad” la cual no quieren que se asocie a su gremio. Por otro lado, y como razón de más peso, este binomio ha sido heredado de los simuladores de vuelo previos a los ordenadores. Estos simuladores de vuelo constaban de una enorme maqueta sobre la cual, mediante un sistema de ejes y raíles se movía una cámara de vídeo controlada a distancia por el aprendiz de piloto. Era, en realidad, una forma particular de telepresencia. Aunque no utilice el término virtual, este binomio adolece de los mismos problemas de concepto que el anterior de Entornos Virtuales, debido a que también deja de lado la noción de experiencia y de sujeto virtual.

Realidad Aumentada: Este binomio, a menudo confundido con realidad virtual, es no obstante una tecnología hermana de esta última. La realidad aumentada se basa en sobreponer objetos generados por ordenador encima del entorno físico. Esto se consigue mediante un sistema de visualización especial, en forma de casco o de gafas, que permite al usuario tener una visión directa del entorno físico que le rodea a través de unas pantallas semitranslúcidas en las cuales también se pueden presentar imágenes generadas por el ordenador. Este sistema de visualización debe estar dotado de un sensor de orientación para que el sistema pueda saber en qué dirección está mirando el usuario y así generar los objetos virtuales en el lugar y momento adecuados (ver módulo “Fundamentos tecnológicos”). De esta forma, se está aumentando la cantidad de información de la realidad física local que rodea al usuario.

Esquema de combinación de imagen del entorno físico (la visión directa a través de las gafas) y de los gráficos generados por el ordenador (sobrepuestos mediante las pantallas translúcidas) en un sistema de realidad aumentada.

Así pues, la realidad aumentada se diferencia de la realidad virtual en que esta última se basa exclusivamente en generación de estímulos por ordenador y no sobreponiéndolos al entorno físico. Existen gran cantidad de aplicaciones, aunque pocas han conseguido salir del laboratorio debido a cuestiones técnicas aún por resolver. Algunos ejemplos son: estudio de posición de tumores en pacientes que han de ser operados, guía de ayuda de navegación (para pilotos militares o para “turismo aumentado”), guía de ayuda de mantenimiento de equipos complejos o en situaciones comprometidas, etc.

Ciberespacio: Este término a menudo se intercambia erróneamente por realidad virtual. El término fue acuñado por William Gibson (1984) en su novela “El Neuromante”. En ella describía el espacio intangible y difuso que es generado por una red de comunicaciones por ordenador. Un espacio que no está físicamente en ningún lugar concreto, pero que es accesible desde cualquier punto en que se conecte un ordenador a esta red. La confusión proviene del hecho que, en la novela de Gibson, la interfaz utilizada para acceder a esta red, era una sofisticada combinación de estímulos digitales que incluía visualización en tres dimensiones de los datos y entornos accesibles. Esto hizo asociar la interfaz de tipo realidad virtual al nombre de ciberespacio, cuando en realidad el término debía ser asociado a una potente red de comunicación.

Ciberespacio: el espacio intangible y difuso que es generado por una red de comunicaciones por ordenador. Hoy en día, ciberespacio se puede asociar al espacio formado por la red Internet, independientemente del tipo de interfaz utilizado.

Computación ubicua: Este binomio fue acuñado por ingenieros investigadores de Xerox en el Xerox PARC (Palo Alto Research Center) a finales de los ochenta. Este término no es confundido con realidad virtual. Se incluye en esta sección por el hecho que obedece a una filosofía inicialmente opuesta a la de la realidad virtual, y por lo tanto es una referencia importante. Estos investigadores afirmaban que la realidad virtual era una tecnología que ligaba al usuario irremisiblemente al sistema informático generador, a través de un “cordón umbilical” de cables difíciles de manipular. En cambio, ellos apostaban por una distribución de pequeños sistemas informáticos en los objetos cotidianos que nos rodean. De esta forma inalámbrica, los objetos adquieren una inteligencia, puntual pero dependiente del contexto, que nos habrá de ayudar en nuestras tareas diarias. Un ejemplo, muy sencillo pero muy claro, de esta idea sería el siguiente: A una taza común y corriente se le adapta un pequeño sistema de sensores y procesadores que analizan durante algún tiempo el tipo de líquidos que a una persona le gusta beber con esa taza, y la temperatura a la que puede o quiere beberlos. Así, si un día, en esa taza alguien sirve café y el dueño de la taza se dispone a beber, el sistema inteligente puede avisarle de que hay café en la taza recordándole que no le gusta, o bien, si el sistema sabe que a esa persona si le gusta el café, podría avisarle que está aún demasiado caliente y puede sufrir una quemadura. Con respecto a la evolución de las dos filosofías supuestamente enfrentadas, la situación actual es que de hecho están convergiendo. La tecnología de realidad virtual, como se verá a lo largo de esta asignatura, cada vez depende menos de sistemas complejos e incómodos, tanto por el hecho de la reducción en su tamaño, como por el hecho de que cada vez hay más periféricos inalámbricos, como también por el hecho de que los paradigmas de visualización han evolucionado de muy diversas maneras.

Definiciones en la historia Tal y como se ha expuesto en el módulo anterior, todo el proceso que ha seguido esta tecnología queda reflejado en las diversas definiciones que se han ido especificando a lo largo de su historia. Es en este sentido que el conjunto de definiciones formuladas por cada investigador son, en sí mismas y como conjunto, definidoras de esta tecnología. No obstante, las definiciones que se han ido sucediendo, han adolecido siempre de alguna carencia importante. Efectivamente, en algunos casos la definición se ligaba a una tecnología concreta del momento, con lo que al evolucionar la tecnología o aparecer sistemas nuevos, la definición quedaba obsoleta. En otros casos, la definición dejaba claramente fuera sistemas, conceptos y aplicaciones que deberían considerarse realidad virtual y que en cambio, según la definición, no lo eran. Sorprende este proceder en entornos

científicos en los que una de las preocupaciones principales es conseguir que las definiciones se formulen de forma que sean atemporales y universales.

Definiciones de algunos expertos A continuación se recogen algunas de las definiciones más relevantes de la historia de la realidad virtual para que el alumno tenga una visión de conjunto de lo que los expertos en el tema entienden (o han entendido) por realidad virtual. Esto no significa que sean las definiciones a adoptar. Muchas son demasiado restrictivas, o bien demasiado tendientes hacia la simulación, o demasiado dependientes de una tecnología concreta, o poco afinadas. Se analizarán y se destacarán los aspectos importantes.

Ivan Sutherland:

Ivan Sutherland: Investigador y co-fundador de Evans & Sutherland (http://www.es.com/) Aunque Sutherland no podía saber cómo sería la realidad virtual a principios del siglo XXI, ni tampoco sabía que se acabaría llamando realidad virtual, su intuición le llevó a dar una de las mejores definiciones, aún siendo la primera. Su definición fue formulada en su trabajo “Ultimate Display” como ya se ha mencionado en módulos anteriores. Aquí se presenta tan solo un fragmento que resulta especialmente interesante: “A display connected to a digital computer gives us a chance to gain familiarity with concepts not realizable in the physical world. It is a looking glass into a mathematical wonderland.” Un display conectado a un ordenador digital nos da la oportunidad de ganar familiaridad en conceptos no realizables en el mundo físico. Es un espejo que nos lleva hacia un país de maravillas matemáticas. (SUTHERLAND, 1965) Sutherland utiliza display de la forma más general posible, no haciendo solo referencia a la parte visual. De este modo está haciendo referencia de forma explícita a sistemas de interacción persona ordenador que permitan la mayor flexibilidad y naturalidad (esto se refuerza en otras partes de su texto que aquí no se han podido incluir por extensión).

Habla también de comprensión de conceptos, de especificidades de un medio, más que de una tecnología, con lo que deja abiertas muchas puertas a la exploración y experimentación. También hace referencia al mundo fantástico de Lewis Carroll (CARROLL, 1965) en el que se mezclan situaciones imposibles con lógicas y teorías matemáticas falsas, pero de gran coherencia en su contexto.

Myron Krueger:

Myron Krueger: Investigador y artista. Ya se ha introducido tanto el trabajo como la figura de Krueger. Ahora se verá su definición: “An artificial reality perceives a participant’s action in terms of the body’s relationship to a graphic world and generates responses that maintain the illusion that his actions are taking place within that world.” Una realidad artificial percibe las acciones del participante en términos de la relación de su cuerpo con un mundo gráfico y genera respuestas que mantienen la ilusión que sus acciones se están desarrollando dentro de este mundo. (KRUEGER, 1991) Resulta importante el hecho que el esquema de interacción de Krueger se plantea en términos de un sistema que percibe las acciones del usuario en relación al entorno virtual. De este modo se aproxima al modelo de interacción que se describe en el módulo “Fundamentos conceptuales de la realidad virtual”. En cambio es una lástima que Krueger restrinja su definición a un sistema visual e ignore los otros estímulos, ni que sea de forma potencial. No obstante, es importante notar que habla de sensación de inmersión cuando el tópico casco no aparece en la configuración del sistema ni se está aislando al usuario de su entorno físico.

Jaron Lanier:

Jaron Lanier: investigador y artista, fundador de VPL, Inc. En módulos anteriores se ha mencionado ya que Lanier acuñó el binomio realidad virtual. Aún así, sus definiciones siempre tienden a ser muy laxas. A continuación se da una de las más referenciadas: “We are speaking about a technology that uses computerized clothing to synthesize shared reality. It recreates our relationship with the physical world in a new plane, no more, no less. It doesn't affect the subjective world; it doesn't have anything to do directly with what's going on inside your brain. It only has to do with what your sense organs perceive. The physical world, the thing on the other side of your sense organs, is received through these five holes, the eyes, and the ears, and the nose, and the mouth, and the skin. “… clothing that you have to put on in order to perceive a different world than the physical world. “… an illusion is created that while you're moving around the virtual world is standing still.” Estamos hablando de una tecnología que utiliza vestimentas computerizadas para sintetizar realidades compartidas. Esta recrea nuestra relación con el mundo físico en un nuevo plano, ni más, ni menos. Esto no afecta nuestro mundo subjetivo; no tiene nada que ver directamente con lo que pasa en nuestro cerebro. Sólo tiene que ver con lo que tus órganos sensoriales perciben. El mundo físico, aquello que se encuentra del otro lado de tus órganos sensoriales, se recibe a través de cinco agujeros, los ojos, y las orejas, y la nariz, y la boca, y la piel. … vestimenta que debes ponerte para percibir un mundo distinto al mundo físico. … se crea la ilusión de que mientras te estas moviendo el mundo virtual resta quieto. (LANIER, 1988) Este enfoque de “recrear nuestra relación con el mundo físico” es muy interesante, entendiendo recrear como volver a crear la relación. Si se parte de la base que nos relacionamos constantemente con nuestro entorno físico mediante ciertas interfaces sensoriales, es lógico enfocar como base importante, nuestra relación respecto los entornos virtuales como una recreación, o seguramente mejor, una nueva aproximación a esta relación. No obstante, parece que Lanier se esté restringiendo al ámbito de la simulación.

Más aún cuando habla de ilusión, y esto no resulta ni general ni flexible cuando se quiere abrir la definición a aplicaciones de todos los ámbitos. Por otro lado, también es correcto su enfoque multisensorial que no restringe las experiencias a un solo canal.

Roy S. Kalawsky:

Roy S. Kalawsky: Director, Advanced Virtual Reality Research Centre de Loughborough University, R.U. (http://www.avrrc.lboro.ac.uk/index.html)

Kalawsky es uno de los investigadores en tecnología de realidad virtual más reconocidos en este ámbito. “Virtual environments are synthetic sensory experiences that communicate physical and abstract components to a human operator or participant. The synthetic sensory experience is generated by a computer system that one day may present an interface to the human sensory systems that is indistinguishable from the real physical world. Until then we have to be content with a virtual environment that approximates several attributes of the real world. However, it is feasible to synthesize a suitable facsimile of a real environment or some form of abstract environment.” Los entornos virtuales son unas experiencias sensoriales sintéticas que comunican componentes físicas o abstractas a un operador o participante humano. Esta experiencia sensorial sintética es generada por un ordenador que algún día podrá presentar una interfaz a los sistemas sensoriales humanos que será indiscernible del mundo físico real. Hasta entonces tendremos que contentarnos con un entorno virtual que aproxime diversos atributos del mundo real. No obstante, es factible sintetizar un facsímil apropiado de un entorno real o alguna forma de entorno abstracto. (KALAWSKY, 1993) En este caso también resulta importante la aproximación sensorial y la referencia a una interfaz que se comunique con nuestros canales sensoriales. No obstante, y teniendo en cuenta lo expuesto en la sección sobre simulación, se está confundiendo modelo con el fenómeno de origen (nuestro entorno físico) y por lo tanto se está prediciendo un futuro difícilmente alcanzable por cuanto el modelo siempre será, precisamente, un modelo de nuestro entorno físico. Además, dado el posicionamiento mirar sólo hacia el futuro, se está, de forma implícita, ignorando, e incluso rechazando, las posibilidades de la tecnología de realidad virtual actuales. De esta forma se pierden muchas

posibilidades de aprovechar el gran potencial de cada tecnología y cada etapa de estas, y tiende hacia una carrera sin sentido hacia una evolución no guiada de la tecnología y que, además, no tiene fin. Otro aspecto argumentable, es que utiliza el término interfaces sintéticas en vez de digitales. Tal y como se verá los estímulos sintéticos pueden ser generados de múltiples formas no necesariamente por ordenador. Si estamos hablando de realidad virtual, se debe hacer referencia a estímulos y interfaces digitales.

Michael A. Gigante:

Michael A. Gigante: Fundador del Advanced Computer Graphics Centre en Victoria, Australia Gigante es un investigador en gráficos por ordenador con un amplio currículum como editor de libros en este área. “The illusion of participation in a synthetic environment rather than external observation of such an environment. VR relies on three-dimensional (3D), stereoscopic, head-tracked displays, hand/body tracking and binaural sound. VR is an immersive, multi-sensory experience.” La ilusión de participación en un entorno sintético en oposición a una observación externa de este entorno. La realidad virtual depende de dispositivos de visión con sensor de orientación y visión tridimensional (3D) estereoscópica, sensores de movimiento de manos y cuerpo, y sonido biaural. La realidad virtual es una experiencia multisensorial e inmersiva. (GIGANTE, 1993) Esta definición resulta tremendamente restrictiva y ligada a unos periféricos y dispositivos muy concretos: el casco, el guante, etc. Como se verá más adelante, tampoco es correcto asociar la inmersión a la definición. En cambio la aproximación multisensorial es muy correcta.

Terry W. Rowley: Simulation Director de W Industries.

Rowley tiene una amplia experiencia en aplicaciones comerciales, industriales y lúdicas de la realidad virtual. “Our perception of the outside world is controlled by our five senses, through which we have built a world model over the years by our own experience. We interact with the real world by interpreting sensory inputs using our own model, which is in detail, different from everyone else’s. In practice, most features of these models are similar, so we interact with the real world in similar ways. If we have an inconsistent set of sensory inputs, they may cause disruption of the interpretation process and cause discomfort and disorientation. As long as the sensory inputs can be interpreted into a coherent result, this will be our picture of the current outside world, however fantastic it may appear, and will be our current reality. If the sensory inputs are being deliberately produced by a computer to represent some other environment, we call the current reality ‘virtual reality’.” Nuestra percepción del mundo exterior está controlada por nuestros cinco sentidos, a través de los cuales nos hemos construido un modelo de mundo a lo largo de los años y por nuestra propia experiencia. Interactuamos con el mundo real interpretando estímulos sensoriales utilizando nuestro propio modelo que, en detalle, es diferente del de el resto de personas. En la práctica, la mayor parte de características de estos modelos son similares, de forma que interactuamos con el mundo real de formas similares. Si recibimos un conjunto inconsistente de estímulos, pueden causar ruido en nuestro proceso de interpretación y causar incomodidad y desorientación. Mientras estos estímulos puedan ser interpretados de forma que obtengamos un resultado coherente, esto será nuestra imagen del mundo exterior en este instante, por muy fantástico que pueda parecer, y por lo tanto será nuestra realidad actual. Si estos estímulos se están produciendo de forma deliberada mediante un ordenador para representar algún otro entorno, llamamos a esta realidad instantánea, ‘realidad virtual’. (ROWLEY, 1993) Es remarcable el posicionamiento que relativiza la realidad y la sitúa en función de la percepción individual. Esto ayuda a entender porqué resulta inadecuado limitarse al ámbito de la simulación; es decir, no es ajustado hablar de una realidad única, ni tan solo de un modelo único, ya que el modelo que nos formamos está mediatizado por nuestra experiencia (contexto cultural y temporal) y nuestros sentidos particulares. El aspecto de coherencia es realmente muy acertado ya que no implica en ningún momento un ajuste a los modelos físicos utilizados como convención en simulación. Esto deja abiertas muchas posibles aplicaciones y visiones de la realidad virtual que le dan un gran potencial. Finalmente, da una definición de realidad virtual muy flexible, pero a la vez ajustada, asociándola a la generación deliberada de estímulos digitales (y no sintéticos).

John Vince:

John Vince: Investigador Jefe de Hughes Ltd., Profesor invitado de la University of Brighton, U.K. Consultor de investigación de Rediffusion Simulation Ltd. John Vince es uno de los pioneros en la investigación de los gráficos por ordenador y en su aplicación a los simuladores de vuelo. Su bibliografía en estos ámbitos es realmente extensa y destacable. “Such ‘Virtual Reality’ systems create a ‘cyberspace’ where it is possible to interact with anything and anyone on a virtual level. In these bizarre worlds, conventional laws of space and time need not hold - anything can be simulated, so long as it can be programmed.” Los sistemas de ‘realidad virtual’ crean un ‘ciberespacio’ en el que es posible interactuar con cualquier objeto y persona a nivel virtual. En estos mundos extraños, las leyes convencionales del espacio y el tiempo no necesariamente se cumplen –cualquier cosa puede ser simulada, mientras sea programable. (VINCE, 1995) Esta definición no es adecuada desde el punto de vista terminológico ya que, como se ha visto en el módulo anterior, ciberespacio no corresponde a la utilización que Vince hace del término. Además omite cualquier definición de la relación entre el usuario y el sistema. No obstante, es interesante observar cómo define la posibilidad de desarrollar una experiencia de realidad virtual en función de la programabilidad. Esto da un marco de referencia no sensacionalista y ajustado a las teorías de la calculabilidad en abstracto y lo desvincula de una tecnología concreta.

Jonathan Steuer:

Jonathan Steuer: Investigador en teoría de la comunicación y co-fundador de Cyborganic. Jonathan Steuer es un joven investigador que explora las tecnologías digitales desde el ámbito de la comunicación (un posicionamiento nada habitual y muy interesante). “The key to defining virtual reality in terms of human experience rather than technological hardware is the concept of presence. “Presence is defined as the sense of being in an environment. “Telepresence is defined as the experience of presence in an environment by means of a communication medium. “A 'virtual reality' is defined as a real or simulated environment in which a perceiver experiences telepresence.” La clave para definir la realidad virtual en términos de la experiencia humana en vez de un hardware tecnológico es el concepto de presencia. Presencia se define como la sensación de estar en un entorno. Telepresencia se define como la experiencia de presencia en un entorno, mediante un medio de comunicación. Una “realidad virtual” se define como un entorno real o simulado en el cual un perceptor experimenta telepresencia. (STEUER, 1992) Steuer comenta que esta definición no encaja exactamente con los usos habituales de los términos realidad virtual y telepresencia, y que es una definición muy amplia que incluye todo tipo de experiencias mediatizadas, pero que la plantea para sugerir visiones alternativas de la comunicación mediatizada. No obstante, esta definición presenta problemas más graves que estos que Steuer establece. Aunque la idea de desvincular la definición de una tecnología concreta es muy correcta, así como el esfuerzo de definir realidad virtual en términos de medios de comunicación, es en cambio muy poco acertada la idea de focalizar la definición sobre la percepción del entorno cuando no define un modelo de cómo una persona percibe ese modelo. Esta carencia provoca que se omita toda referencia a la interacción en la definición. Es decir, basa la definición sobre la presencia del usuario en el entorno virtual,

pero no explica cómo se vehicula esta presencia y por lo tanto el usuario queda desligado del entorno virtual.

Frank Biocca:

Frank Biocca: Investigador en Comunicación de masas en Michigan State University. De forma parecida a Steuer, Frank Biocca también analiza los medios digitales y sus propiedades, aunque él y sus colegas lo hacen desde la comunicación de masas. “Virtual reality is not a technology; it is a destination. “... we will always crave more convincing and exhilarating “essential copies”, more overwhelming sensations, more physical transcendence. “The phrase, virtual reality, increasingly refers not to a piece of technology but to an emerging communication system. “The ultimate goal of VR interface design is nothing less than the full immersion of the human sensorimotor channels into a vivid computer-generated experience.” La realidad virtual no es una tecnología; es una destinación. ... nosotros siempre desearemos “copias esenciales” más convincentes y excitantes, sensaciones más sobrecogedoras, más trascendencia física. La frase, realidad virtual, cada vez se refiere más, no a una pieza de tecnología, sino a un sistema de comunicación emergente. El objetivo final del diseño de interfaces de realidad virtual no es otro que la inmersión total de los canales sensoriales y motores del ser humano en una vívida experiencia generada por ordenador. (BIOCCA, KIM, LEVY, 1995; BIOCCA, LEVY, 1995). La idea de asociar la realidad virtual con la de perseguir la “copia esencial” (es decir, aquella copia del mundo físico que es indiscernible de el propio mundo físico) y la idea de hablar de vividez de les experiencias, nos parece que fuerza la definición a entrar en la búsqueda del fotorealismo y por lo tanto, como

muchos otros, lo está restringiendo tan solo a un segmento de aplicaciones posibles de la realidad virtual. La noción de duplicar nuestro mundo físico, la intención de mimesis no resulta muy agradable si se piensa que si tan perfecta es la copia, también se estarán incorporando los problemas que encontramos en nuestro mundo físico. Un relato de Jorge Luis Borges (BORGES, 1995) cuenta de un reino encontrado en ruinas debido a que su rey, tras pedir progresivamente un mapa más y más perfecto de su reino, acaba por pedir un mapa a escala real (escala 1:1). A causa de esto, su reino sucumbe bajo la presión y el ahogo del propio mapa. De esta forma el alumno deberá haber encontrado las siguientes carencias y aciertos en las definiciones: Carencias ý Ligar la definición a una tecnología concreta. ý No definir un modelo de interacción: usuario <-> entorno virtual

Aciertos þ Desvincular la realidad virtual de una tecnología y enfocar la definición colmo medio de comunicación. þ Ganar familiaridad con conceptos no realizables en mundo físico.

ý Incluir únicamente la parte visual þ Hablar de display en el sentido o de gráficos por ordenador (incluso limitando a gráficos 3D y con más amplio. estereoscopia). þ Definir una coherencia entre ý Restringir al ámbito de la estímulos. simulación. þ Definir potencial comunicativo -> ý Despreciar las posibilidades de la cada persona tiene un modelo de tecnología en cada punto de su "realidad" distinto -> aunque podemos evolución, intentando conseguir utilizar convenciones globales siempre algo más potente þ Relacionar definición con ý Incluir las propiedades de posibilidad de programarlo. inmersión y aislamiento del usuario respecto a su entorno físico como elementos esenciales de la definición. Tabla de carencias y aciertos en las definiciones de expertos.

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