Stima della Posa della Fotocamera WebXR: Sbloccare il Tracciamento della Posizione Reale della Fotocamera per Esperienze Immersive

I mondi digitale e fisico stanno convergendo sempre di più, spinti dai progressi nelle tecnologie immersive. In prima linea in questa rivoluzione c'è WebXR, un potente framework che consente agli sviluppatori di creare esperienze di realtà aumentata (AR), realtà virtuale (VR) e realtà mista (MR) direttamente all'interno dei browser web. Un componente critico alla base di queste esperienze immersive è la stima della posa della fotocamera. Questa tecnologia permette alle applicazioni di comprendere la posizione e l'orientamento del dispositivo dell'utente – e di conseguenza, il suo punto di vista – nello spazio del mondo reale. Questa capacità non si limita a posizionare oggetti virtuali; si tratta di fondere senza soluzione di continuità i contenuti digitali con il nostro ambiente fisico, creando interazioni che risultano intuitive e profondamente coinvolgenti. Per un pubblico globale, questo significa abbattere le barriere geografiche e offrire nuovi modi di interagire, imparare e connettersi.

Comprendere la Stima della Posa della Fotocamera in WebXR

In sostanza, la stima della posa della fotocamera si riferisce al processo di determinazione dei 6 gradi di libertà (6DoF) di una fotocamera nello spazio 3D. Ciò comporta il calcolo di due informazioni chiave:

• Posizione: Dove si trova la fotocamera lungo gli assi X, Y e Z.
• Orientamento: La rotazione della fotocamera attorno a questi assi (beccheggio, imbardata e rollio).

Nel contesto di WebXR, la 'fotocamera' è tipicamente il dispositivo mobile o il visore VR dell'utente. I sensori del dispositivo, come accelerometri, giroscopi, magnetometri e, sempre più spesso, le sue fotocamere integrate, lavorano di concerto per fornire i dati necessari a questi calcoli. Algoritmi sofisticati elaborano quindi questi dati dei sensori per ricostruire accuratamente la posa del dispositivo in tempo reale.

Il Ruolo dei Sensori

Gli smartphone moderni e i visori XR sono dotati di una suite di sensori fondamentali per la stima della posa della fotocamera:

• Unità di Misura Inerziale (IMU): Includono accelerometri (che misurano l'accelerazione lineare) e giroscopi (che misurano la velocità angolare). Le IMU forniscono dati ad alta frequenza cruciali per tracciare movimenti rapidi e cambiamenti di orientamento. Tuttavia, sono soggette a deriva nel tempo, il che significa che la loro precisione si degrada senza una correzione esterna.
• Magnetometri: Questi sensori misurano il campo magnetico terrestre, fornendo un riferimento stabile per la componente di imbardata (direzione) dell'orientamento.
• Fotocamere: Le fotocamere del dispositivo sono forse lo strumento più potente per una stima della posa robusta. Attraverso tecniche come l'Odometria Visiva Inerziale (VIO) e la Localizzazione e Mappatura Simultanea (SLAM), le fotocamere tracciano le caratteristiche del mondo reale. Riconoscendo queste caratteristiche in fotogrammi consecutivi, il sistema può dedurre come il dispositivo si è mosso e ruotato. Questi dati visivi aiutano a correggere la deriva intrinseca dei dati IMU, portando a un tracciamento più accurato e stabile.

L'Approccio di WebXR al Tracciamento della Posa

WebXR delega il complesso compito della fusione dei sensori e del calcolo della posa al browser e al sistema operativo sottostanti. Gli sviluppatori di solito non hanno bisogno di implementare l'elaborazione dei sensori a basso livello. Invece, l'API WebXR fornisce un modo semplice per accedere alla stima della posa della fotocamera:

            const frame = xrSession.requestAnimationFrame(animationFrameCallback);
const pose = frame.session.inputSources[0].gamepad.pose; // Esempio per la posa tipica di un controller

if (pose) {
  const position = pose.position;
  const orientation = pose.orientation;
  // Usa posizione e orientamento per renderizzare il contenuto virtuale
}

            

              
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Questa astrazione consente agli sviluppatori di concentrarsi sulla creazione di esperienze utente coinvolgenti piuttosto che impantanarsi in dettagli specifici dell'hardware. Il browser e la piattaforma si occupano del lavoro pesante di interpretare i dati dei sensori e fornire informazioni sulla posa coerenti, sebbene dipendenti dalla piattaforma.

Tecnologie Fondamentali per la Stima della Posa della Fotocamera in WebXR

Diverse tecniche chiave di visione artificiale e fusione dei sensori sono strumentali per ottenere una stima accurata della posa della fotocamera per WebXR. Sebbene gli sviluppatori non le implementino direttamente, comprenderle fornisce una visione preziosa delle capacità e dei limiti della tecnologia.

Odometria Visiva Inerziale (VIO)

La VIO è una pietra miliare del moderno tracciamento AR/VR. Combina i dati delle fotocamere del dispositivo con quelli della sua IMU per ottenere una stima del movimento più robusta e accurata di quanto ciascun sensore potrebbe fornire da solo.

• Come funziona: L'IMU fornisce stime di movimento a breve termine e ad alta frequenza, mentre i dati della fotocamera, elaborati tramite il tracciamento di caratteristiche visive, forniscono la correzione della deriva e la scala assoluta. Il sistema fonde costantemente questi due flussi di informazioni, utilizzando gli indizi visivi per correggere gli errori accumulati nel calcolo a stima dell'IMU.
• Vantaggi: La VIO è particolarmente efficace in ambienti con sufficienti caratteristiche visive. Può fornire una solida comprensione del movimento nello spazio 3D, inclusa la scala.
• Svantaggi: Le prestazioni possono degradare in condizioni di scarsa illuminazione, in ambienti poveri di caratteristiche (ad es. un muro bianco) o durante movimenti molto rapidi e imprevedibili in cui il tracciamento visivo fatica a tenere il passo.

Localizzazione e Mappatura Simultanea (SLAM)

SLAM è una tecnica più avanzata che consente a un dispositivo di costruire una mappa di un ambiente sconosciuto mentre traccia simultaneamente la propria posizione all'interno di quella mappa. Nel contesto di WebXR, SLAM è cruciale per comprendere la posizione dell'utente rispetto al mondo fisico.

• Come funziona: Gli algoritmi SLAM identificano e tracciano caratteristiche distintive nell'ambiente. Man mano che il dispositivo si muove, queste caratteristiche vengono osservate da diversi punti di vista. Analizzando i cambiamenti in queste caratteristiche, l'algoritmo può stimare la traiettoria della fotocamera e contemporaneamente costruire una rappresentazione 3D (una mappa) dell'ambiente. Questa mappa può quindi essere utilizzata per ri-localizzare il dispositivo con precisione, anche se perde temporaneamente traccia di ciò che lo circonda.
• Tipi di SLAM:
  • Visual SLAM (vSLAM): Si basa esclusivamente sui dati della fotocamera.
  • LIDAR SLAM: Utilizza sensori Light Detection and Ranging per informazioni di profondità più precise.
  • Inertial SLAM: Integra i dati IMU per una maggiore robustezza, spesso definito Visual-Inertial SLAM (VI-SLAM) quando sono coinvolte le fotocamere.
• Vantaggi: SLAM abilita esperienze AR persistenti, in cui il contenuto virtuale rimane ancorato a posizioni specifiche del mondo reale anche dopo la chiusura e la riapertura dell'applicazione. Consente anche interazioni più complesse, come posizionare oggetti virtuali su superfici reali che il sistema può riconoscere.
• Svantaggi: La costruzione e la manutenzione di una mappa possono essere computazionalmente intensive. L'accuratezza può essere influenzata da ambienti dinamici, texture ripetitive e cambiamenti di illuminazione.

Tracciamento Basato su Marcatori vs. Senza Marcatori

La stima della posa della fotocamera può essere ampiamente classificata in base alla sua dipendenza da marcatori predefiniti:

• Tracciamento Basato su Marcatori: Questo metodo prevede l'utilizzo di specifici marcatori visivi (come codici QR o immagini progettate su misura) che il sistema può facilmente rilevare e riconoscere. Una volta identificato un marcatore, la sua posizione e orientamento precisi nella vista della fotocamera sono noti, consentendo al sistema di calcolare la posa della fotocamera rispetto al marcatore. Questo è spesso molto accurato ma richiede che l'utente posizioni o interagisca con questi marcatori.
• Tracciamento Senza Marcatori: Questo è l'approccio più avanzato e ampiamente adottato per l'AR/VR generale. Si basa sull'identificazione e il tracciamento di caratteristiche naturali nell'ambiente, come descritto in VIO e SLAM. Il tracciamento senza marcatori offre un'esperienza utente più fluida e naturale poiché non richiede marcatori speciali.

Applicazioni Pratiche della Stima della Posa della Fotocamera in WebXR

La capacità di tracciare con precisione la posizione e l'orientamento di un dispositivo nel mondo reale apre una vasta gamma di applicazioni pratiche e coinvolgenti in vari settori e contesti a livello mondiale.

Esperienze di Realtà Aumentata (AR)

L'AR sovrappone informazioni digitali alla vista del mondo reale dell'utente. La stima della posa della fotocamera è fondamentale per far apparire queste sovrapposizioni stabili e posizionate correttamente.

• Retail ed E-commerce: Immagina di posizionare virtualmente i mobili nel tuo soggiorno prima di acquistarli, o di provare virtualmente abiti e accessori. Aziende come IKEA sono state pioniere in questo campo con app AR che consentono agli utenti di vedere come apparirebbero i mobili nelle loro case. Per un mercato globale, ciò riduce i resi e aumenta la fiducia dei clienti.
• Istruzione e Formazione: Modelli anatomici complessi possono essere esplorati in 3D, siti storici possono essere virtualmente ricostruiti sul posto e macchinari complessi possono essere visualizzati per scopi formativi. Uno studente di medicina a Mumbai potrebbe sezionare virtualmente un cuore umano insieme a un istruttore a Londra, vedendo lo stesso modello virtuale ancorato nei rispettivi spazi fisici.
• Navigazione e Sovrapposizioni di Informazioni: Le app di navigazione AR possono sovrapporre le indicazioni sulla vista della strada o fornire informazioni in tempo reale sui punti di interesse mentre gli utenti li guardano. Questo è prezioso per i turisti che esplorano città sconosciute o per i professionisti della logistica che navigano in complessi siti industriali.
• Giochi e Intrattenimento: I giochi AR possono portare personaggi ed elementi interattivi nell'ambiente fisico dell'utente, creando un gameplay davvero immersivo. Pokémon GO è un ottimo esempio che ha affascinato milioni di persone in tutto il mondo mescolando creature virtuali con luoghi del mondo reale.

Esperienze di Realtà Virtuale (VR)

Mentre la VR immerge completamente l'utente in un mondo digitale, il tracciamento accurato dei movimenti della testa e del controller (che si collega direttamente alla posa della fotocamera nel mondo virtuale) è fondamentale per un'esperienza convincente.

• Turismo Virtuale: Gli utenti possono esplorare terre lontane, siti storici o persino lo spazio esterno comodamente da casa loro. Le aziende che offrono tour virtuali delle piramidi di Giza o della foresta amazzonica forniscono esperienze immersive che trascendono i limiti dei viaggi fisici.
• Spazi di Lavoro Collaborativi: La VR consente ai team di incontrarsi in ambienti virtuali, interagire con modelli 3D e collaborare a progetti come se fossero nella stessa stanza. Ciò è particolarmente vantaggioso per i team distribuiti a livello globale, consentendo una comunicazione e una co-creazione più naturali. Architetti a Tokyo, ingegneri a Berlino e clienti a New York possono rivedere in modo collaborativo il progetto di un edificio in tempo reale all'interno di uno spazio virtuale condiviso.
• Applicazioni Terapeutiche: La VR è sempre più utilizzata nella terapia per fobie, PTSD e gestione del dolore. La capacità di controllare con precisione l'ambiente virtuale e l'interazione dell'utente al suo interno è fondamentale per un trattamento efficace.

Applicazioni di Realtà Mista (MR)

La MR fonde il mondo reale e quello virtuale, consentendo agli oggetti digitali di interagire ed essere influenzati dall'ambiente fisico. Ciò richiede un alto grado di precisione nella comprensione della posa dell'utente e dello spazio circostante.

• Progettazione Industriale e Prototipazione: Gli ingegneri possono visualizzare e interagire con prototipi in scala reale dei prodotti prima della produzione fisica, rendendo le iterazioni di progettazione più rapide ed economiche. Un produttore di automobili potrebbe consentire a designer in diversi continenti di scolpire e testare in modo collaborativo modelli di auto virtuali in uno spazio MR condiviso.
• Assistenza Remota: Gli esperti possono guidare i tecnici in loco attraverso complesse attività di riparazione o assemblaggio sovrapponendo istruzioni e annotazioni alla vista dell'attrezzatura del tecnico. Ciò riduce significativamente i tempi di inattività e i costi di viaggio per le operazioni globali.
• Produzione Intelligente: La MR può fornire agli addetti al montaggio istruzioni in tempo reale, liste di controllo e informazioni sul controllo qualità direttamente nel loro campo visivo, migliorando l'efficienza e riducendo gli errori nei complessi processi produttivi in diverse fabbriche globali.

Sfide e Considerazioni per le Implementazioni Globali

Sebbene il potenziale della stima della posa della fotocamera in WebXR sia immenso, diverse sfide e considerazioni sono cruciali per un'implementazione globale di successo.

Frammentazione dei Dispositivi e Prestazioni

Il mercato globale di smartphone e dispositivi XR è altamente frammentato. I dispositivi variano in modo significativo per potenza di elaborazione, qualità dei sensori e capacità della fotocamera.

• Discrepanze nelle Prestazioni: Un telefono di punta di fascia alta offrirà un'esperienza di tracciamento molto più fluida e accurata rispetto a un dispositivo di fascia media o più vecchio. Ciò può portare a una disparità nell'esperienza utente in diverse regioni e gruppi socio-economici. Gli sviluppatori devono considerare meccanismi di fallback o versioni delle loro esperienze ottimizzate per le prestazioni.
• Accuratezza dei Sensori: La qualità e la calibrazione di IMU e fotocamere possono differire tra i produttori e persino tra i singoli dispositivi. Ciò può influire sull'affidabilità della stima della posa, specialmente in scenari impegnativi.
• Supporto della Piattaforma: Il supporto di WebXR stesso varia tra browser e sistemi operativi. Garantire una funzionalità coerente nell'eterogeneo ecosistema web è una sfida continua.

Fattori Ambientali

L'ambiente fisico gioca un ruolo fondamentale nell'accuratezza delle tecnologie di tracciamento basate sulla visione.

• Condizioni di Illuminazione: Scarsa illuminazione, luce solare intensa o cambiamenti rapidi di illuminazione possono influire significativamente sulle prestazioni del tracciamento basato su fotocamera. Questa è una sfida in diversi climi globali e ambienti interni.
• Caratteristiche Visive: Ambienti con texture ripetitive, mancanza di caratteristiche distintive (ad es. un muro bianco) o elementi dinamici (ad es. folle di persone) possono confondere gli algoritmi di tracciamento. Ciò è particolarmente rilevante negli ambienti urbani rispetto ai paesaggi naturali, o nell'architettura moderna minimalista rispetto agli edifici storici ornati.
• Occlusione: Quando parti del mondo reale sono oscurate, o quando la fotocamera del dispositivo viene accidentalmente coperta, il tracciamento può essere perso.

Privacy e Sicurezza dei Dati

Le applicazioni AR e MR che mappano e analizzano l'ambiente dell'utente sollevano significative preoccupazioni sulla privacy.

• Raccolta Dati: Gli algoritmi di tracciamento spesso raccolgono dati sull'ambiente circostante l'utente, comprese le informazioni visive. È fondamentale essere trasparenti su quali dati vengono raccolti, come vengono utilizzati e come vengono protetti.
• Consenso dell'Utente: Ottenere il consenso informato per la raccolta e l'elaborazione dei dati è fondamentale, soprattutto date le diverse normative globali sulla protezione dei dati come il GDPR (Europa), il CCPA (California) e altre che stanno emergendo in tutto il mondo.
• Anonimizzazione: Ove possibile, i dati dovrebbero essere anonimizzati per proteggere la privacy dell'utente.

Latenza di Rete e Larghezza di Banda

Per esperienze AR/MR potenziate dal cloud o per sessioni collaborative, una connettività di rete affidabile e a bassa latenza è essenziale. Questo può essere una sfida significativa nelle regioni con infrastrutture internet sottosviluppate.

• Sincronizzazione Dati in Tempo Reale: Le esperienze MR collaborative, in cui più utenti interagiscono con gli stessi oggetti virtuali nei rispettivi spazi fisici, richiedono una sincronizzazione precisa dei dati di posa e della comprensione della scena. Un'alta latenza può portare a esperienze desincronizzate, rompendo l'illusione della presenza.
• Elaborazione in Cloud: L'elaborazione SLAM o AI più intensiva dal punto di vista computazionale potrebbe essere demandata al cloud. Ciò richiede una larghezza di banda sufficiente, che non è universalmente disponibile.

Sfumature Culturali e Accessibilità

Progettare esperienze immersive per un pubblico globale richiede sensibilità alle differenze culturali e un impegno per l'accessibilità.

• Localizzazione dei Contenuti: Contenuti virtuali, interfacce e istruzioni devono essere localizzati non solo linguisticamente ma anche culturalmente. Metafore visive, icone e modelli di interazione che sono intuitivi in una cultura potrebbero essere confusi o addirittura offensivi in un'altra.
• Accessibilità per Utenti Diversi: Considerare gli utenti con disabilità, diverse competenze tecniche e diverse capacità fisiche. Ciò include la fornitura di metodi di input alternativi, impostazioni visive regolabili e istruzioni chiare e universalmente comprensibili.
• Progettazione Etica: Assicurarsi che le esperienze immersive non sfruttino o rafforzino stereotipi dannosi e che siano progettate per essere inclusive e rispettose di tutti gli utenti.

Tendenze Future nella Stima della Posa della Fotocamera in WebXR

Il campo della stima della posa della fotocamera è in continua evoluzione, con diverse tendenze entusiasmanti pronte a migliorare ulteriormente le esperienze WebXR.

Miglioramenti con AI e Apprendimento Automatico

L'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico stanno giocando un ruolo sempre più significativo nel migliorare l'accuratezza, la robustezza e l'efficienza della stima della posa.

• Deep Learning per il Rilevamento di Caratteristiche: Le reti neurali stanno diventando eccezionalmente brave a identificare e tracciare caratteristiche salienti nelle immagini, anche in condizioni difficili.
• Tracciamento Predittivo: I modelli di ML possono imparare a prevedere le pose future della fotocamera basandosi su schemi di movimento passati, contribuendo a mitigare la latenza e a migliorare la fluidità del tracciamento, specialmente durante movimenti veloci.
• Comprensione Semantica degli Ambienti: L'AI può andare oltre la mappatura geometrica per comprendere il significato semantico di oggetti e superfici nell'ambiente (ad es. identificare un tavolo, un muro, un pavimento). Ciò consente interazioni più intelligenti, come oggetti virtuali che sanno di doversi appoggiare su un tavolo o rimbalzare realisticamente su un muro.

Progressi nell'Hardware

Le nuove generazioni di smartphone e dispositivi XR dedicati sono dotate di sensori e capacità di elaborazione più sofisticati.

• LiDAR e Sensori di Profondità: L'integrazione di scanner LiDAR e altri sensori di profondità nei dispositivi mobili fornisce informazioni 3D più accurate sull'ambiente, migliorando significativamente la robustezza di SLAM e VIO.
• Chip XR Dedicati: Chip progettati su misura per i dispositivi XR offrono un'elaborazione accelerata per i compiti di visione artificiale, consentendo una stima della posa più complessa e in tempo reale.
• IMU Migliorate: Le IMU di prossima generazione offrono una maggiore accuratezza e una minore deriva, riducendo la dipendenza da altre modalità di sensori per il tracciamento a breve termine.

Edge Computing ed Elaborazione sul Dispositivo

C'è una tendenza crescente a eseguire più elaborazioni direttamente sul dispositivo dell'utente (edge computing) piuttosto che fare affidamento esclusivamente sui server cloud.

• Latenza Ridotta: L'elaborazione sul dispositivo riduce significativamente la latenza, che è fondamentale per esperienze AR/VR reattive e immersive.
• Privacy Migliorata: L'elaborazione locale di dati sensibili dei sensori e ambientali può migliorare la privacy dell'utente minimizzando la necessità di inviare dati grezzi a server esterni.
• Funzionalità Offline: Le esperienze che si basano sull'elaborazione sul dispositivo possono funzionare anche senza una connessione internet costante, rendendole più accessibili a livello globale.

Standardizzazione Multipiattaforma e Interoperabilità

Man mano che WebXR matura, c'è una spinta verso una maggiore standardizzazione e interoperabilità tra diverse piattaforme e dispositivi.

• API Coerenti: Sono in corso sforzi per garantire che l'API WebXR fornisca un'interfaccia coerente per gli sviluppatori su vari browser e hardware, semplificando il processo di sviluppo.
• AR Cloud Condiviso: Il concetto di un 'AR cloud condiviso' immagina uno strato digitale persistente, collaborativo e ancorato spazialmente, accessibile da tutti i dispositivi. Ciò consentirebbe contenuti AR persistenti ed esperienze condivise tra diversi utenti e dispositivi.

Approfondimenti Pratici per Sviluppatori e Aziende

Per sviluppatori e aziende che desiderano sfruttare la stima della posa della fotocamera in WebXR, ecco alcuni approfondimenti pratici:

1. Dare Priorità all'Esperienza Utente Rispetto alla Competenza Tecnica: Sebbene la tecnologia sottostante sia complessa, l'esperienza dell'utente finale dovrebbe essere fluida e intuitiva. Concentratevi su come un tracciamento accurato della posa migliora la proposta di valore principale della vostra applicazione.
2. Testare su Diversi Dispositivi e Ambienti: Non dare per scontato che la tua esperienza funzionerà in modo identico su tutti i dispositivi o in tutte le località fisiche. Esegui test approfonditi su una gamma di hardware e in varie condizioni ambientali rappresentative del tuo pubblico globale di destinazione.
3. Adottare un Degrado Graduale: Progetta le tue applicazioni affinché funzionino, anche se con fedeltà ridotta, su dispositivi meno potenti o in condizioni di tracciamento non ideali. Ciò garantisce una più ampia accessibilità.
4. Sfruttare le Capacità della Piattaforma: WebXR è progettato per astrarre gran parte della complessità. Utilizza efficacemente le API fornite e affidati al browser e al sistema operativo per gestire la fusione dei sensori e la stima della posa.
5. Progettare per la Privacy fin dall'Inizio: Integra le considerazioni sulla privacy nel design della tua applicazione fin dall'inizio. Sii trasparente con gli utenti riguardo alla raccolta e all'uso dei dati.
6. Considerare la Localizzazione e l'Adattamento Culturale: Se ti rivolgi a un pubblico globale, investi nella localizzazione dei contenuti e assicurati che le tue esperienze siano culturalmente appropriate e accessibili a una vasta gamma di utenti.
7. Rimanere Informati sulle Tecnologie Emergenti: Il settore sta avanzando rapidamente. Tieniti aggiornato sulle nuove capacità hardware, sui progressi dell'IA e sugli standard web in evoluzione per garantire che le tue applicazioni rimangano competitive e sfruttino le ultime innovazioni.
8. Iniziare con Casi d'Uso Chiari: Identifica problemi o opportunità specifici che possono essere affrontati in modo unico da un tracciamento accurato della posa della fotocamera. Questo guiderà il tuo sviluppo e garantirà che tu stia costruendo soluzioni di valore.

Conclusione

La stima della posa della fotocamera in WebXR è una tecnologia trasformativa che colma il divario tra il mondo digitale e quello fisico. Tracciando accuratamente la posizione e l'orientamento di un utente in tempo reale, consente una nuova generazione di esperienze immersive che sono più interattive, informative e coinvolgenti che mai. Dal miglioramento delle esperienze di vendita al dettaglio e la rivoluzione dell'istruzione, all'abilitazione del lavoro collaborativo tra continenti e al miglioramento dell'efficienza industriale, le applicazioni sono vaste e in crescita. Sebbene persistano sfide legate alla frammentazione dei dispositivi, ai fattori ambientali e alla privacy, i continui progressi nell'IA, nell'hardware e negli standard web stanno continuamente spingendo i confini di ciò che è possibile. Man mano che il mondo diventa sempre più connesso e dipendente dall'interazione digitale, padroneggiare la stima della posa della fotocamera in WebXR non significa solo creare applicazioni innovative; si tratta di plasmare il futuro di come interagiamo con le informazioni, tra di noi e con il mondo che ci circonda su scala globale.