Rastreamento 57

O registro correto e consistente entre os objetos virtuais e o ambiente real é uma das mais importantes tarefas da RA. O rastreamento e o registro são os maiores desafios da pesquisa em RA atualmente. Muito esforço tem sido feito para melhorar a performance, a precisão e o custo de sistemas de rastreamento. Tais sistemas visam determinar continuamente a posição do usuário ou objeto real a ser usado como substituto do virtual no ambiente físico. Conforme Kirner e Siscoutto (2008), o rastreamento tem a função de identificar a posição da mão ou da cabeça do próprio usuário ou de algum objeto ligado a ele. Assim, é possível que o usuário controle o posicionamento de objetos virtuais e, com isso, possa movimentar-se de maneira a agarrá-los, movê-los ou soltá-los, por exemplo.

No que diz respeito ao método usado para calcular onde se adicionará o objeto virtual e a forma de rastreamento, Bimber e Raskar (2005) destacam a utilização de: marcadores, tecnologia de GPS e sensores infravermelhos. De forma correlata, Yabuki, Hamada e Fukuda (2012) classificam três métodos de rastreamento: 1) baseado em marcador - utiliza as tecnologias de rastreamento ótico para sobrepor objetos virtuais a um marcador, 2) GPS, giroscópios, acelerômetros e bússola; 3) pontos específicos na imagem do vídeo - utilizada por tecnologias sem marcadores que detectam características exclusivas de ambientes para estabelecer onde sobrepor os objetos virtuais. Tendo em vista que as tecnologias de rastreamento evoluem rapidamente, nesta pesquisa, será feita a classificação por métodos de rastreamento baseados em marcadores, em GPS, giroscópios, acelerômetros e bússola e demais técnicas.

2.3.3.1 Rastreamento baseado em marcadores

O rastreamento baseado em marcadores permite extrair de forma rápida a posição e orientação de marcadores por meio de tecnologias de rastreamento ótico. Por meio de um marcador é possível alterar determinados atributos como a visibilidade, translação e rotação de objetos virtuais. Ainda, por meio de script específico, é possível associar um movimento do marcador com alguma parte de uma animação específica (SANTIN; KIRNER, 2007). Para tanto, pode ser usado apenas uma câmera simples, representando uma opção de baixo custo (BIMBER; RASKAR, 2005).

Nas RA Tangíveis, o uso de marcadores é o método mais comum para interação. Assim, por meio do rastreamento óptico, nas RA Tangíveis, não é preciso usar dispositivos como luvas com sensores, nem wearable computers; os usuários interagem com a interface usando as mãos

livres. Isso faz com que os usuários se sintam à vontade para manipular marcadores fiduciais que estão associados a objetos virtuais.

Um marcador serve para orientar e posicionar objetos virtuais na cena. Com isto, o marcador passa a ser o meio de interação entre o usuário e o sistema, possibilitando que o usuário manipule o marcador e ao fazer isto, execute ações nos objetos virtuais exibidos na cena. Os marcadores permitem a localização precisa de pontos no espaço real e sua associação com o objeto virtual. Podem ser classificados em fiducial e natural. Um marcador fiducial é uma imagem com certo padrão visual reconhecido pelo sistema de RA, conforme mostra a Figura 13. Um marcador natural é uma imagem impressa que não possui algum padrão necessariamente.

Figura 13 - Exemplo de marcadores fiducial (esquerda) e natural (direita)

Fonte: À esquerda ID Marker e à direita Picture Marker da Metaio 7

Para a visualização da RA com marcadores, comumente são utilizados dispositivos especiais como head-mounted displays, dispositivos móveis digitais (ex. celulares), monitores de computador e projeções em telas. A Figura 14 mostra o uso de marcadores e, como dispositivo de visualização, a imagem projetada em uma tela.

Figura 14 - Utilização de marcadores e, como dispositivo de visualização, a imagem projetada na tela

Fonte: Autoria própria

Para utilização rastreamento ótico, Hölh (2009), lista mais de quatorze diferentes sistemas de RA que estão em desenvolvimento, como o AMIRE, APRIL, ARStudio, ARTag, ARTHUR, ARToolkit, CATOMIRE, DART, D’Fusion, DWARF, I4D, jARToolkit, Phidget Toolkit, Unifeye SDK, Tinmith. Cada software tem sua aplicação específica e alguns são distribuídos livremente.

Segundo Santin e Kirner (2008), o programa mais difundido é o ARToolkit. Esse tem sido desenvolvido desde 1999 no Human Interface Technology Laboratory (HITLab) na Washington University em Seattle, EUA e na Canterbury University em Christchurch, Nova Zelândia. É uma biblioteca de código aberto em linguagem C que permite aos programadores desenvolver aplicações de RA utilizando sua base. Possui rastreamento ótico que reconhece o marcador por meio de uma câmera e sobrepõe pelo objeto virtual correspondente (CUPERSCHMID; RUSCHEL; MARTINS, 2011).

Cuperschmid, Ruschel e Martins (2011) realizaram testes com quatro ferramentas: ARToolkit, BuildAR, FLARToolkit, NyARToolkit e FlarManager. O estudo demonstrou a necessidade de espelhar a imagem, adaptar múltiplos marcadores e permitir a visualização múltiplos formatos de arquivo. Como resultado desta avaliação e experimentação associadas, foi possível comparar as ferramentas quanto à facilidade de uso para exibição e manipulação de modelos virtuais. Das ferramentas experimentadas, o BuildAR permite o uso de múltiplos marcadores e apresentou os modelos virtuais com estabilidade satisfatória de imagem. Além disso, o estudo concluiu que essa ferramenta suporta vários formatos de arquivo (3DS, obj, etc.),

possui maior facilidade de uso e boa qualidade na imagem. Por esta razão, será utilizada nesta pesquisa.

2.3.3.2 Rastreamento baseado em GPS, giroscópios, acelerômetros e bússola

De acordo com Bimber e Raskcar (2005), soluções de rastreamento que não requerem marcadores, markeless tracking, são as mais desafiadoras e as mais promissoras para aplicações de RA futuras. Alta qualidade de rastreamento em grandes ambientes, como ambientes externos, é ainda muito difícil de alcançar, mesmo com tecnologias como GPS. Para utilização de tecnologia GPS, são utilizados, nos dispositivos móveis, aplicativos como Mixare®_{, Layar}®_, Wikitude® _{e Junaio}®_.

Quando não existe um elemento físico que faça a associação do elemento virtual com o real, se torna necessária a captura das coordenadas reais do usuário no mundo físico, o que permite que este caminhe pelo espaço visualizando as informações relacionadas ao ambiente, por exemplo: localizações de restaurantes, lojas, bares, entre outras funcionalidades (Figura 15). As informações são atualizadas em tempo real, ou seja, reflete ao usuário a visão real durante o passeio de acordo com seus movimentos, através do recebimento de sinal de GPS enquanto veste um HMD (BONSOR, 2009).

Figura 15 - Figura Uso prático de RA em ambiente externo

Fonte: Bonsor (2009)

Smartphones e tablets podem usar o georreferenciamento através da tecnologia GPS, do

posicionamento via WLAN, e de Cell-ID para determinar a posição (VON WATZDORF; MICHAHELLES, 2010). Em geral, aplicativos de RA usam o GPS para determinar a localização de pontos de interesse e modelos virtuais no espaço. O GPS é a tecnologia que tem maior

precisão e possui um desvio de cerca de 10 metros, mas requer vários segundos a minutos, para conseguir determinar a posição (BEHZADAN, 2011). No interior dos edifícios, esta tecnologia é ainda menos precisa, com um desvio de até 500 metros (JUNAIO, 2013).

Um exemplo que emprega o GPS do iPhone® _{para ler latitude, longitude e elevação para} obtenção dos dados de posição do equipamento, representando as coordenadas X, Y e Z é o sistema chamado MOOAR system (Multi-Object Oriented Augmented Reality system) (CHANG; TAN, 2010). Além destas coordenadas, a bússola digital e o acelerômetro do iPhone® _{são usados} para detectar a orientação do dispositivo. A Figura 16 mostra as coordenadas detectadas pelo GPS do iPhone® _{para obter os 6 graus de liberdade, que é fundamental para permitir interação} de RA no sistema móvel.

Figura 16 - Os 6 graus de liberdade (6DOF) do iPhone®

Fonte: Cuperschmid, Freitas e Ruschel (2012)

Khoury e Kamat (2009) destacam que em ambientes internos onde a localização exata do usuário pode não ser confiavelmente detectada pelo sinal de GPS, é mais comum o uso de marcadores, como já mencionado, porém já existem tecnologias sendo desenvolvidas para se obter melhores resultados.

2.3.3.3 Demais técnicas de rastreamento

Buscando maior precisão na localização dos objetos no espaço, Wang et al. (2012) propõem um sistema de RA operando em conjunto com o rastreamento e detecção tecnologias de sensores, tais como a Identificação de Frequência de Rádio (RFID), apontamento à laser, sensores e rastreadores de movimento.

Chi, Kang e Wang (2013) apresentam outras tecnologias de localização ao ar livre, tais como Banda Ultra-Larga (UWB) e código de barras que podem ser usados em conjunto com

sensores para fornecer a informação geométrica exata para gerar uma RA com informações do mundo real capturadas com câmeras e localizadores do tipo Laser Range.

A fim de localizar precisamente modelos de edificações no ambiente urbano, Yabuki, Hamada e Fukuda (2012) propuseram uma nova técnica de registro usando nuvem de pontos e pontos detectados no ambiente. Nesta abordagem, é possível ligar vários pontos captados na exibição de vídeo com os pontos correspondentes na nuvem de pontos. O sistema utiliza o princípio da fotogrametria para registrar os pontos com precisão. Com esta técnica é possível selecionar pontos de edificações existentes e pontos de verificação de erros e compará-los ao modelo original do edifício, Figura 17.

Figura 17 - Seleção de pontos de edificações existentes e pontos de verificação de erros para comparação

com o original

Fonte: Yabuki, Hamada e Fukuda (2012)

Em ambientes complexos, tais como canteiro de obras, Chi, Kang e Wang (2013) apontam que as técnicas de rastreamento sem marcador (markerless) são as mais apropriadas. As restrições relativas ao rastreamento devem evoluir à medida que as tecnologias forem desenvolvidas com o propósito de proporcionar maior precisão e liberdade ao usuário.

Nesta seção, foi realizada uma visão geral sobre a RA, contextualizando-a dentro do Contínuo Realidade-Virtualidade. Foram discutidas as características de interação e as técnicas de interação empregadas em aplicações de RA, com ênfase em interface Tangível e sistemas móveis. Os dispositivos de visualização e formas de rastreamento também foram discutidos. A

próxima seção apresenta alguns trabalhos que exploram o uso de RA em AEC e que de alguma forma se relacionam com esta pesquisa.