Construindo Ambientes com Realidade Aumentada Utilizando Sistemas de Partículas

(1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOI ´

AS – UFG

CAMPUS CATAL ˜

AO – CaC

DEPARTAMENTO DE CIˆ

ENCIA DA COMPUTAC

¸ ˜

AO – DCC

Bacharelado em Ciˆ

encia da Computa¸c˜

ao

Projeto Final de Curso

Construindo Ambientes com Realidade Aumentada

Utilizando Sistemas de Part´ıculas

Autor: Fábio Gomes de Assun¸cão Orientador: Márcio Antônio Duarte

(2)

F´abio Gomes de Assun¸c˜ao

Construindo Ambientes com Realidade Aumentada Utilizando Sistemas de Part´ıculas

Monografia apresentada ao Curso de Bacharelado em Ciência da Computa¸cão da Universidade Federal de Goiás Campus Catalão como requisito parcial para obten¸cão do t´ıtulo de Bacharel em Ciência da Computa¸cão

´

Area de Concentra¸cão: Computa¸cão Gráfica Orientador: Márcio Antônio Duarte

(3)

de Assun¸c˜ao, F´abio G.

Construindo Ambientes com Realidade Aumentada Utilizando Sistemas de Part´ıculas/Márcio Antônio Duarte- Catalão - 2008

N´umero de paginas: 87

Projeto Final de Curso (Bacharelado) Universidade Federal de Goi´as, Campus

Catalão, Curso de Bacharelado em Ciência da Computa¸cão, 2008.

Palavras-Chave: 1. Realidade Virtual. 2. Realidade Aumentada. 3. Sistemas de Part´ıculas

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F´abio Gomes de Assun¸c˜ao

Construindo Ambientes com Realidade Aumentada Utilizando Sistemas de Part´ıculas

Monografia apresentada e aprovada em de

Pela Banca Examinadora constitu´ıda pelos professores.

M´arcio Antˆonio Duarte – Presidente da Banca

Alexsandro Santos Soares

(5)

Dedico este trabalho aos meus pais. Que tanto me estimularam ao longo do curso, desde a aprova¸cão no vestibular até este momento de integraliza¸cão. Essa con-quista também é de vocês!

(6)

AGRADECIMENTOS

Acima de todos, a Deus. Minha fortaleza, meu guia. Por iluminar meus passos com sua prote¸c˜ao e sabedoria. Mostrando-me o caminho correto a seguir.

Aos meus pais, Antônio e Sidarly. Pela educa¸cão que me foi concedida, pelo apoio que me foi fornecido. Pelos conselhos que me foram dados, para que eu pudesse chegar até aqui. E especialmente pelo amor que me foi doado, me ensinando a cultivar as pessoas ao meu redor.

Ao meu irmão Ricardo, pela ajuda na hora de fazer escolhas, não apenas pela opinião, mas também pela experiência.

Aos amigos, que estiveram junto a mim, me encorajando para enfrentar os desafios. Sempre com discurso de motiva¸cão no in´ıcio de uma nova caminhada. Gostaria de falar de muitos, se poss´ıvel todos, mas em especial, não posso deixar de citar estes poucos: Jeferson Diniz, Jaqueline e Renata Guimarães, Claudeir Germano e Natasha Pimentel.

Aos colegas da gradua¸cão, que na maioria das vezes ajudaram de forma nobre. Riram comigo nos momentos de descontra¸cão. Brigaram comigo nos momentos de tensão. Estu-daram comigo nos momentos de dedica¸cão e agora, lutam junto comigo pelos seus t´ıtulos de bacharéis neste momento de conclusão.

Destes, em especial, agrade¸co à Mirian e Andréa Alves que se tornaram verdadeiras companheiras ao longo dessa jornada. E desde já digo: Não importa que estrada esco-lhamos para trilhar, quais caminhos iremos seguir daqui em diante, o que importa é o sentimento que já se concretizou, e que agora me ensina o significado da palavra amizade. Aos colegas de curso, que embora não estivessem sempre por perto, apareciam de al-guma forma quando eu precisava. Agrade¸co os bons momentos compartilhados comigo. Em especial Mayara Amaral, Marina Mendes, Rejane Gomes, Eduardo Ribeiro, Glenda Botelho, Leonardo Garcia, Douglas Cordeiro, Adair Borba, Rosângela Alves, Márcia Ribeiro, Lorena Teixeira, Amanda Cristina e Bruno Cal¸cado.

Ao meu orientador professor Ms. Márcio Antônio Duarte, pela paciência e dedica¸cão, pelas risadas e pelas pondera¸cões. Por toda a convivência e experiência oferecida durante a elabora¸cão deste trabalho.

Aos outros mestres da gradua¸c˜ao, que sempre tinham a acrescentar de alguma forma com suas coloca¸c˜oes.

Enfim, a todas as pessoas, mestres e amigos, familiares e colegas, que de qualquer forma, contribu´ıram para o meu crescimento profissional e pessoal, para minha forma¸c˜ao e para minha vida. Obrigado.

(7)

“Ao tomar uma sábia decisão, não olhes para trás. Ao alcan¸car o tão desejado objetivo, lembre-se dos que ficaram para trás. Ao vencer, ao final de uma grande luta, não abandone a quem lá de trás torceu muito por você”.

(8)

RESUMO

de ASSUNC¸ ˜AO, F. G. Construindo Ambientes com Realidade

Aumen-tada Utilizando Sistemas de Part´ıculas. Curso de Ciência da Computa¸cão, Campus Catalão, UFG, Catalão, Brasil, 2008, 87p.

Este trabalho apresenta a constru¸cão de ambientes virtuais através de técnicas de Real-idade Virtual (RV) e RealReal-idade Aumentada (RA)apresentando novas formas de intera¸cão através do uso de Sistemas de Part´ıculas (SP), visando conseguir maior aplica¸cão de sis-temas de RA, pois, a maioria destes sissis-temas aumentam a realidade através da inser¸cão de objetos virtuais estáticos com intuito de complementar uma cena. Com o uso de SP para modelagem de objetos virtuais, essas aplica¸cões ganharam um novo propósito, já que a intera¸cão direta do usuário com as informa¸cões virtuais garantida pelas técnicas de RV e RA agora se realizará com entidades virtuais que se encontram em constante movi-mento. A adequa¸cão destes métodos possibilita a constru¸cão de aplica¸cões naturalmente mais interativas. Como resultado, foi implementado um sistema utilizando a biblioteca ARToolKit, que permitiu o desenvolvimento de aplica¸cões de RA, e para modelagem dos SP, utilizou-se OpenGl.

(9)

Sum´

ario

1 Introdu¸cão 1 1.1 Motiva¸cão . . . 1 1.2 Objetivos . . . 4 1.3 Organiza¸cão da Monografia . . . 5 2 A Realidade Virtual 6 2.1 Introdu¸cão . . . 6

2.2 Hist´orico da Realidade Virtual . . . 7

2.3 Caracteriza¸c˜ao da Realidade Virtual . . . 9

2.4 Sistemas de Realidade Virtual . . . 10

2.4.1 Sistemas Imersivos e Sistemas N˜ao Imersivos . . . 10

2.4.2 Sistemas de Telepresen¸ca . . . 10

2.4.3 Sistemas Mistos - Imagens Reais e Imagens Virtuais . . . 11

2.4.4 Sistemas Distribu´ıdos e Sistemas Centralizados . . . 11

2.5 Dispositivos de Realidade Virtual . . . 12

2.5.1 A Vis˜ao e a Tridimensionalidade . . . 12

2.5.2 Dispositivos para Visualiza¸c˜ao . . . 12

2.5.3 Dispositivos de Rastreamento . . . 14

2.5.4 Luvas Digitais e o Tato Virtual . . . 14

2.5.5 Dispositivos Ac´usticos . . . 14

2.5.6 Dispositivos para Sistemas Baseados em Proje¸c˜ao . . . 15

2.6 Aplica¸c˜oes da Realidade Virtual . . . 15

2.6.1 Arquitetura e Projeto . . . 15

2.6.2 Aplica¸cões Médicas e na Área de Saúde . . . 16

2.6.3 Treinamento Profissional . . . 16

2.6.4 Tratamento de Fobias . . . 17

2.6.5 Area de Ind´´ ustria e Tecnologia . . . 17

2.6.6 Entretenimento . . . 17

(10)

3 A Realidade Aumentada 19

3.1 Introdu¸c˜ao . . . 19

3.2 A Realidade Misturada . . . 20

3.3 Caracteriza¸c˜ao da Realidade Aumentada . . . 20

3.4 Tipos de Sistemas de Realidade Aumentada e Seus Dispositivos . . . 21

3.4.1 Sistemas Imersivos e Sistemas N˜ao imersivos . . . 22

3.4.2 Sistemas de Vis˜ao ´Otica Direta . . . 22

3.4.3 Sistemas de Vis˜ao Direta por V´ıdeo . . . 23

3.4.4 Sistemas de Vis˜ao por V´ıdeo Baseada em Monitores . . . 23

3.4.5 Sistemas de Visão Ótica por Proje¸cão . . . 24

3.5 Componentes de um Sistema de Realidade Aumentada . . . 24

3.5.1 Hardware . . . 25

3.5.2 Software . . . 25

3.6 Realidade Aumentada x Realidade Virtual . . . 25

3.7 Aplica¸c˜oes da Realidade Aumentada . . . 26

3.7.1 Aplica¸c˜oes M´oveis . . . 26

3.7.2 Aplica¸c˜oes Colaborativas . . . 26

3.7.3 Aplica¸c˜oes Comerciais . . . 27

4 Os Sistemas de Part´ıculas 28 4.1 Introdu¸c˜ao . . . 28

4.2 Hist´orico dos Sistemas de Part´ıculas . . . 29

4.3 Caracteriza¸c˜ao dos Sistemas de Part´ıculas . . . 30

4.4 O Que ´e Uma Part´ıcula? . . . 31

4.4.1 Os Atributos de Uma Part´ıcula . . . 31

4.4.2 Simula¸c˜ao das Part´ıculas . . . 33

4.5 Gerando e Visualizando Imagens com Sistemas de Part´ıculas . . . 34

4.6 Tipo de Sistemas de Part´ıculas . . . 35

4.6.1 Sistemas de Part´ıculas Estoc´asticos . . . 35

4.6.2 Sistemas de Part´ıculas Estruturados . . . 35

4.6.3 Sistemas de Part´ıculas Dirigidos . . . 36

4.7 Vantagens dos Sistemas de Part´ıculas . . . 36

4.8 Aplica¸c˜oes dos Sistemas de Part´ıculas . . . 36

5 Tecnologias Relacionadas e Arquitetura Proposta 38 5.1 Introdu¸c˜ao . . . 38

5.2 O Software ARToolKit . . . 39

(11)

5.2.2 Alinhamento “Real x Virtual”com Cart˜oes Marcadores . . . 39

5.2.3 Funcionamento do ARToolKit . . . 40

5.2.4 Desenvolvimento de Aplica¸c˜oes Utilizando ARToolKit . . . 41

5.2.5 Vers˜oes do ARToolKit . . . 42

5.3 A OpenGL . . . 42

5.3.1 Hist´orico da OpenGL . . . 43

5.3.2 O que ´e a OpenGL? . . . 43

5.3.3 Funcionamento da OpenGL . . . 44

5.3.4 Utiliza¸c˜ao/Inser¸c˜ao de Bibliotecas OpenGL . . . 44

5.3.5 Sistemas de Part´ıculas em OpenGL . . . 45

5.4 Arquitetura Proposta . . . 46

5.4.1 M´odulo ARToolKit . . . 46

5.4.2 M´odulo Gerador de Objetos Virtuais . . . 47

5.4.3 Subm´odulo Atualizador . . . 47

6 Implementa¸cão, Resultados e Discussão 48 6.1 Introdu¸cão . . . 48

6.2 Altera¸c˜oes no Software ARToolKit . . . 48

6.3 Gera¸c˜ao dos Objetos Virtuais . . . 49

6.4 Cart˜ao Marcador . . . 52

6.5 Resultados . . . 53

6.5.1 Sistemas de Part´ıculas Simples . . . 53

6.5.2 Sistemas de Part´ıculas Junto com Cen´ario . . . 54

6.5.3 Sistemas de Part´ıculas Interativos e Agregados . . . 55

6.5.4 M´ultiplos Sistemas de Part´ıculas . . . 56

6.5.5 Múltiplos Sistemas de Part´ıculas com Intera¸cão do Usuário . . . 58

6.5.6 Tipo de Sistema de Realidade Aumentada . . . 59

6.5.7 M´etodos para Modelagem dos Sistemas de Part´ıculas . . . 60

6.5.8 Detalhes da Implementa¸c˜ao . . . 61

6.6 Limita¸c˜oes e Discuss˜ao . . . 61

6.6.1 Ilumina¸c˜ao . . . 61

6.6.2 Vis˜ao da Cˆamera . . . 61

6.6.3 Rastreamento . . . 62

6.6.4 Renderiza¸c˜ao e Escala . . . 62

6.6.5 Discuss˜ao . . . 62

7 Considera¸c˜oes Finais 64 7.1 Conclus˜oes . . . 64

(12)

7.2 Trabalhos Futuros . . . 65

Referˆencias 67

Apˆendices 69

A C´odigo Fonte 70

A.1 Fonte ´Aquatica . . . 70 A.2 Nave Espacial com Intera¸c˜ao . . . 79

(13)

Lista de Figuras

1.1 Ambiente com RA [Duarte, 2006] . . . 2

2.1 Sensorama Desenvolvido por Morton Heiling [Oliveira, 2006] . . . 8

2.2 Usu´ario com Capacete Desenvolvido por Sutherland em 1968 [Oliveira, 2006] 8 2.3 Nasa View: Sistema de Simula¸c˜ao da NASA [Duarte, 2008] . . . 9

2.4 “I3_{”da RV [Duarte, 2008]} _{. . . .} ₉

2.5 Sistema de Telepresen¸ca [Guanabara, 2007] . . . 11

2.6 Aplica¸c˜ao de RM para Remo¸c˜ao de Tumores [Oliveira, 2006] . . . 11

2.7 Oculos Estere´´ oscopicos e Tela de Proje¸c˜ao [Kirner et al., 2006] . . . 13

2.8 Sistema Imersivo com Capacete e Luvas [Kirner et al., 2006] . . . 13

2.9 Elementos de uma Luva Digital [Tori et al., 2006] . . . 14

2.10 Est´adio Jornalista M´ario Filho no Rio de Janeiro e Sua Maquete Virtual . 16 2.11 Exemplo de Projeto Simulado por RV [Deultz, 2008] . . . 17

2.12 Tela de Jogo Desenvolvido para Plataforma PlayStation 3 [MCO, 2008] . . 18

3.1 Diagrama Realidade x Virtualidade [Milgran, 1994] . . . 20

3.2 Objetos Virtuais Posicionados Sobre Mesa Real [Tori et al., 2006] . . . 21

3.3 Sistemas Imersivos x Sistemas N˜ao Imersivos [Kirner et al., 2006] . . . 22

3.4 Diagrama do Sistema de Vis˜ao ´Otica Direta [Duarte, 2006] . . . 23

3.5 Diagrama do Sistema de Vis˜ao Direta por V´ıdeo [Duarte, 2006] . . . 23

3.6 Diagrama do Sistema de Vis˜ao por V´ıdeo Baseada em Monitores [Zorzal, 2008] 24 3.7 Diagrama Artificialidade x Espa¸co [Kirner et al., 2006] . . . 26

4.1 SP de Fogo do Filme Star Thek II: The Wrath of Khan [Reeves, 1985] . . . 30

4.2 Arquitetura do SP de Explos˜ao de Reeves [Oliva, 2004] . . . 32

4.3 Explos˜ao de Fogos Multicolorados Modelada por SP [Reeves, 1985] . . . . 34

4.4 Simula¸cão de Fluidos Através de SP: Colisão com Corpo Sólido [Oliva, 2004] 37 5.1 Processamento da Imagem Capturada . . . 40

5.2 Diagrama de Funcionamento do ARToolKit [Consularo et al., 2005] . . . . 41

(14)

6.1 Invers˜ao da tela do ARToolKit . . . 49

6.2 Modelagens em OpenGL . . . 50

6.3 Cart˜ao Marcador [Kirner, 1999] . . . 53

6.4 SP de tornado - Primeiro Resultado . . . 53

6.5 SP de tornado - Resultado Final . . . 54

6.6 SP de Água - Cenário: Fonte Aquática . . . 55

6.7 SP de ´Agua - Cen´ario: Isqueiro . . . 55

6.8 SP Agredados e Interativos . . . 56

6.9 SP de Estrelas - SP Interativo . . . 56

6.10 M´ultiplos SP de Fogo - Propulsores Nave Espacial . . . 57

6.11 Múltiplos SP com Dinâmicas de Simula¸cão Diferentes . . . 57

6.12 Controle de Renderiza¸c˜ao dos SP . . . 59

(15)

Lista de Algoritmos

(16)

Lista de C´

odigos

5.3.1 Estrutura das Part´ıculas . . . 45

5.3.2 Part´ıculas Ativas . . . 45

6.2.1 C´odigo de Invers˜ao de Tela . . . 49

6.3.1 M´etodo Gen´erico iniciaParticulas . . . 50

6.3.2 M´etodo Gen´erico conceberParticulas . . . 51

6.3.3 M´etodo Gen´erico desenhaParticulas . . . 52

6.3.4 M´etodo Gen´erico extinguirParticulas . . . 52

(17)

Lista de Siglas

3D Tridimensional CG Computa¸c˜ao Gr´afica GL Graphic Language RA Realidade Aumentada RV Realidade Virtual RM Realidade Misturada SO Sistema Operacional SP Sistema(s) de Part´ıculas VA Virtualidade Aumentada

FSG Fahrenheit Scene Graph

GLU Graphic Language Utility

GLX Graphic Language Extention

HMD Head Mounted Display

SGI Silicon Graphic Inc

GLUT Graphic Language Utility Toolkit

NASA National American Spacial Agency

VRML Virtual Reality Modeling Language

NURBS Non Uniform Rational B-Splines

OpenGL Open Graphic Language

(18)

Cap´ıtulo 1

Introdu¸

c˜

ao

1.1 Motiva¸

c˜

ao

Desde tempos pré-históricos, a sociedade manifestou a necessidade de representar imagina¸cão e realidade. Prova disso, são as pinturas primitivas encontradas em cavernas e montanhas, feitas há milhares de anos. Ao longo da história, essa necessidade vem se transformando desde simples pinturas até grandes obras de teatro, jogos, cinema, música e outros meios de expressão. Essas expressões ganharam for¸ca com a introdu¸cão do uso do computador, pois, os princ´ıpios da multim´ıdia complementam a cria¸cão de imagens, sons e anima¸cões [Tori et al., 2006].

A Computa¸cão Gráfica (CG) é uma ferramenta de concep¸cão de arte. Essa ferramenta permite transcender técnicas tradicionais de modelagem, a partir da combina¸cão de luz, tempo e movimento. Cabe ao criador imaginar o trabalho e deixar que a máquina resolva a complexidade da cria¸cão [Azevedo e Conci, 2004].

A CG é uma área que se integra a todas as outras ciências, pois através dela é poss´ıvel alcan¸car a simula¸cão do universo real explicado cientificamente ou o fruto da imagina¸cão humana, mesclando conhecimento e realidade para solu¸cões e conclusões [Tori et al., 2006].

A história da computa¸cão se alonga por mais de 50 anos, mas apenas há algumas décadas que avan¸cos na área de CG ocorreram consideravelmente. A partir da década de 80, surgiram os conceitos de gráficos em três dimensões (3D) e Realidade Virtual (RV)[Vince, 1995].

A RV pode ser definida como a forma mais avan¸cada de interface com o usuário de computador dispon´ıvel até então, pois, permite ao usuário a manipula¸cão, visualiza¸cão e intera¸cão com computadores e dados de grande complexidade. A RV aparece como uma abordagem para aumentar a intera¸cão entre o mundor real e os modelos virtuais utilizados nas simula¸cões [Duarte, 2006].

(19)

Segundo Kirner, Tori e Siscoutto (2006), o avan¸co da multim´ıdia e da RV, propor-cionado pela melhoria na potência dos computadores, permitiu a integra¸cão, em tempo real, de v´ıdeo e ambientes virtuais interativos. Da mesma forma, o aumento da largura de banda das redes de computadores também vem influenciando positivamente na evolu¸cão da multim´ıdia, permitindo a transferência de fluxos de informa¸cão, como imagens, com eficiência.

Mas o escopo da RV é limitado, por idealizar modelos e ambientes de cunho totalmente virtual. Para integrar o ambiente real em que estamos e modelos virtuais, introduz-se uma nova abordagem, a Realidade Aumentada (RA). A RA beneficiou-se desses progressos obtidos no fluxo de informa¸cões, tornando viáveis aplica¸cões dessa tecnologia, tanto em plataformas sofisticadas quanto em plataformas populares [Kirner et al., 2006].

As técnicas de RA, possibilitam aumentar uma cena real, capturada por câmera ou outro dispositivo, com elementos virtuais, tornando a cena mais rica. Visando a cria¸cão de aplica¸cões interativas. Um bom exemplo, visualizar a decora¸cão, em tempo real, de um apartamento vazio (no ambiente real em que estamos) com móveis virtuais.

´

E necessário que o usuário utilize dispositivos apropriados, para visualizar a cena real enriquecida com os elementos virtuais posicionados e orientados pelo sistema em todo o apartamento. As técnicas de RA permitem que o mobiliário permane¸ca estático em sua posi¸cão, mesmo que o usuário se movimente pelo apartamento, causando a sensa¸cão que os móveis realmente estejam ali. O usuário tem a possibilidade de manipular o cenário criado sem o uso de mouse ou teclado [Duarte, 2006].

As técnicas de mistura e sobreposi¸cão da RA, abrangem um imenso campo de aplica¸cões, desde trabalhos de gradua¸cão até grandes empreendimentos nos mais diversos setores so-ciais. A Figura 1.1, ilustra o uso da RA enriquecendo o ambiente real. Através deste exemplo é poss´ıvel imaginar como esse ambiente teria sido.

Figura 1.1: Ambiente com RA [Duarte, 2006]

Dessa forma, a RV e a RA, permitem ao usuário retratar e interagir com situa¸cões imaginárias, como cenários fict´ıcios, envolvendo objetos reais e virtuais, estáticos ou em movimento [Kirner et al., 2006]. Permitem também, a reprodu¸cão com fidelidade, de

(20)

ambientes da vida real de forma a possibilitar ao usu´ario, navegar por tais ambientes e interagir com seus recursos de forma natural, usando as m˜aos, por exemplo, e agir neste mundo fict´ıcio da mesma maneira que aconteceria no mundo real.

Segundo Duarte (2006), a maioria dos sistemas baseados em RA, limita-se, a inserir informa¸cões estáticas no ambiente real, de forma a complementar uma cena com uma dada informa¸cão.

No entanto, algumas entidades do mundo virtual não podem ser modeladas através de primitivas geométricas simples ou disposi¸cão de vértices no espa¸co, pois, cada uma delas apresenta caracter´ısticas próprias de superf´ıcie e comportamento, especialmente se tratando de uma entidade que se encontra em constante movimento no mundo virtual.

Tais como, modelagem de furacões, chuva, água, fuma¸ca, fogo, multidões, etc, ou até mesmo modelagens estáticas, como gramados, árvores, floresta, etc. Essas entidades são modeladas com o uso de Sistemas de Part´ıculas (SP), pois, cada part´ıcula tem suas propriedades para formar um dado objeto como um todo [Reeves, 1985].

Com o desenvolvimento dos campos de aplica¸c˜ao da CG, surgiu a necessidade de

modelagem de objetos não determin´ısticos, ou simplesmente, objetos cuja superf´ıcie não poderia se compor continuamente com pol´ıgonos, por conta da aleatoriedade das pro-priedades de cada objeto [Azevedo e Conci, 2004]. Para modelagem virtual de objetos deste escopo, Willian T. Reeves propôs os Sistemas de Part´ıculas (SP).

Reeves (1985) propôs que, um SP consiste em uma cole¸cão de part´ıculas virtuais com comportamentos espec´ıficos, que torna poss´ıvel, a modelagem virtual pelas bases de leis f´ısicas. Uma part´ıcula é um ponto tri-dimensional no espa¸co, que possui uma série de propriedades, sujeitas à mudan¸cas de acordo com a¸cões que possam agir sobre a mesma. As part´ıculas recebem atributos espec´ıficos entre si, que podem ser aleatórios ao sis-tema e obedecem a determinadas regras de comportamento de acordo com o objeto que está se modelando [Clua, 1999]. Os SP tornam poss´ıvel a modelagem de objetos virtuais de grande complexidade.

A motiva¸cão por trás da RA, é o fato de o usuário possuir o conhecimento do ambi-ente real, e até possuir habilidades visuais sobre o mesmo, tornando poss´ıvel a intera¸cão com objetos virtuais gerados por computador e sobrepostos no mundo real, ou mesmo a recep¸cão de informa¸cões adicionais a cerca de objetos do mundo real.

A motiva¸cão por trás dos SP, é o fato da modelagem, com fidelidade, de objetos virtuais mais complexos, que não podem ser modelados por primitivas básicas ou disposi¸cão de vértices e arestas no espa¸co, sejam eles estáticos ou animados.

Logo, a motiva¸cão por trás da RA e SP é a inser¸cão de objetos virtuais complexos e animados nestes sistemas, possibilitando uma intera¸cão mais natural com o usuário e expandindo o campo de aplica¸cão dos sistemas baseados em RA, inserindo em tais sistemas, mais modelagens, de forma a acompanhar o desenvolvimento de ferramentas de

(21)

ensino, treinamento e entretenimento.

Através da união dessas tecnologias se torna poss´ıvel, por exemplo, a elabora¸cão de sistemas baseados em RA utilizando SP para a modelagem de fenômenos da natureza para meteorologistas, vegeta¸cão para ambientalistas, queima de fogos, incêndios e fuma¸ca para treinamentos militares, corpo de bombeiros e ainda outros treinamentos como: gramado e ´

agua para treinamentos esportivos, anima¸cão de multidões para treinamento de policiais em missão de controle, estrelas e corpos espaciais para treinamento de astronautas e astrônomos, simula¸cões para lazer, jogos, cinema e uma série de aplica¸cões baseadas nas técnicas de sobreposi¸cão da RA e modelagem dos SP.

1.2 Objetivos

O objetivo deste trabalho é demonstrar as possibilidades de sistemas baseados em RA utilizando modelagem de objetos virtuais por SP. Dentro deste contexto, é também objetivo demonstrar a versatilidade de sistemas baseados em RA que enriquecem o mundo real com objetos e informa¸cões que se encontram em constante movimento, a fim de tornar a intera¸cão mais natural. Visando alcan¸car estes objetivos, apresentam-se as metas propostas para a apresenta¸cão deste trabalho:

• Analisar sistemas de RA e RV, relacionados a diversos temas, bem como seus pontos fracos e fortes, crit´erios de aplica¸c˜ao e modelagem;

• Estudar e Compreender a metodologia, plataforma, utiliza¸c˜ao dos sistemas de apoio destinados ao desenvolvimento de um sistema de RA;

• Modelar v´arias entidades virtuais atrav´es dos SP;

• Encontrar melhorias na cria¸c˜ao de SP para modelagem de objetos virtuais;

• Mesclar essas entidades com o mundo real a fim de possibilitar uma intera¸c˜ao para com o usu´ario (Mesclar RA e SP);

• Demonstrar resultados obtidos na forma de aplica¸c˜oes;

• Encontrar novas aplica¸c˜oes para sistemas baseados em RA assim como novas aplica¸c˜oes de modelagem para SP;

(22)

1.3 Organiza¸

c˜

ao da Monografia

O trabalho descrito neste texto está divido em 7 cap´ıtulos, sendo este o primeiro deles, responsável pela introdu¸cão ao tema trabalhado.

O Cap´ıtulo 2 aborda os conceitos e fundamentos da RV, como histórico, tipos de sistemas, caracteriza¸cão, dispositivos e aplica¸cões.

Ao longo do Cap´ıtulo 3 são apresentados os conceitos e fundamentos da RA, semelhan-te ao Cap´ıtulo 2. São apresentandos tipos de sistemas, dispositivos, varia¸cões, intera¸cão e aplica¸cões.

No Cap´ıtulo 4 são apresentados conceitos e fundamentos dos SP. Através de histórico, dinâmica de simula¸cão, exemplos e aplica¸cões.

O Cap´ıtulo 5 traz as tecnologias utilizadas na implementa¸cão e visualiza¸cão das aplica¸cões. São abordados ARToolkit e OpenGL, a arquitetura proposta e o detalhamento do processo.

No Capitulo 6 são abordados os resultados, dificuldades, limita¸cões e sugestões para trabalhos futuros relacionados ao tema.

Para finalizar, o Capitulo 7 traz as conclus˜oes obtidas com o desenvolvimento deste trabalho.

´

E poss´ıvel encontrar no apêndice que está localizado no fim deste trabalho, os códigos fonte das aplica¸cões desenvolvidas para fins de alcan¸car resultados.

(23)

Cap´ıtulo 2

A Realidade Virtual

2.1 Introdu¸

c˜

ao

O termo “Realidade Virtual”foi citado primeiramente na década de 1980 [Oliveira, 2006]. O advento da Realidade Virtual (RV) e o avan¸co dos recursos computacionais, tornaram a representa¸cão do imaginário e a reprodu¸cão do real, algo mais fácil.

Segundo Kirner e Tori (2004), com o uso interfaces mais intuitivas, o usuário pode atuar no espa¸co tridimensional. A intera¸cão com as representa¸cões e aplica¸cões não se limita mais ao uso do mouse e teclado. Torna-se então, poss´ıvel ativar aplica¸cões com-putacionais, executando a¸cões diretamente sobre elementos tridimensionais ampliando em intensidade os sentidos das pessoas.

Mas o que ´e a RV?

Existem várias defini¸cões para o termo “Realidade Virtual”, serão citadas duas que particularmente se mostram mais interessantes. A RV pode ser definida de uma maneira simplificada, como sendo, a forma mais avan¸cada de interface do usuário de computador dispon´ıvel até então [Hancock, 1995]. Uma defini¸cão mais detalhada sugere: “Realidade Virtual é uma forma das pessoas visualizarem, manipularem e interagirem com computa-dores e dados extremamente complexos”[Aukstakalnis e Blatner, 1992].

Englobando algumas outras defini¸cões de RV, pode-se dizer que RV é uma avan¸cada técnica de interface, onde é poss´ıvel ao usuário realizar imersão, navega¸cão e intera¸cão em um ambiente abstrato tridimensional gerado por computador, através de canais multi-sensoriais [Kirner, 1999].

A interface utilizada em sistema de RV envolve dispositivos de fluxo de dados, entrada e sa´ıda, espec´ıficos, dispositivos não convencionais, como capacete de visualiza¸cão, con-troles, luvas e outros. Esses dispositivos possibilitam um mapeamento dos movimentos do usuário, permitindo a explora¸cão do ambiente e a manipula¸cão indutiva dos objetos [Kirner, 1999].

(24)

Dispositivos convencionais, tais como, mouse, teclado, monitor de v´ıdeo para execu¸cão do sistema de RV, também podem ser utilizados [Oliveira, 2006]. A se¸cão 2.5 trará uma abordagem sobre os dispositivos empregados em sistemas de RV.

Segundo Kirner (1999), “para a elabora¸cão de sistemas de Realidade Virtual é necessário ter algum dom´ınio sobre dispositivos não convencionais de E/S, computadores de alto de-sempenho e boa capacidade gráfica, sistemas paralelos e distribu´ıdos, modelagem geométrica tridimensional, simula¸cão em tempo real, navega¸cão, deteçcão de colisão, avalia¸cão, im-pacto social, projeto de interfaces, e aplica¸cões simples e distribu´ıdas em diversas áreas”. Nas próximas se¸cões serão apresentados diversos conceitos sobre sistemas de RV. Como histórico, tipos de sistemas de RV, caracter´ısticas, dispositivos e aplica¸cões.

2.2 Hist´

orico da Realidade Virtual

A década de 1950 é marcada como o advento das experiências com equipamentos desenvolvidos para obter a RV, com o surgimento do Cinerama e do Cinemascope.

O Cinerama consistia em uma proje¸cão em 180o com três tomadas com ângulos lev-emente diferentes entre si em rela¸cão à visão do expectador. Essa proje¸cão induzia ao usuário a sensa¸cão de estar dentro da cena.

O Cinemascope consistia em um formato alargado de filmes obtido através de lentes anamórficas que forneciam uma imagem no padrão proporcional 2,66:1 (Um pouco maior que o padrão proporcional utilizado pelos cinemas nos dias atuais) combinada ao áudio estereofônico, que segue como padrão até os dias atuais [Oliveira, 2006].

Em 1956 surgiu o Sensorama, desenvolvido por Morton Heiling. O Sensorama ex-punha o usuário a uma combina¸cão de visão 3D, som estéreo, vibra¸cões, sensa¸cões de

aroma, todos estes elementos reunidos em uma ´unica cabine, como mostra a Figura

2.1 [Cardoso, 2008]. Este foi um dos primeiros dispositivos que possibilita ao usuário a sensa¸cão de imersão em um ambiente virtual.

O in´ıcio da década de 1960 foi marcado pelo primeiro dispositivo que respondia à movi-menta¸cão do usuário [Kirner, 1999]. Comeu e Bryan idealizaram um sistema de circuito fechado de televisão, tal que, o visor estava fixado a um capacete com um rastreador, que poderia controlar, de forma remota, as câmeras de televisão, alterando a apresenta¸cão a partir de movimentos do usuário [Cardoso, 2008].

Ainda na década de 1960, é idealizado e constru´ıdo por Ivan Sutherland o primeiro capacete de visualiza¸cão, cujas imagens eram geradas por um computador [Oliveira, 2006].

Esta ´e considerada a primeira implementa¸c˜ao de um sistema de RV imersiva [Kirner, 1999].

O projeto concebido na Universidade de Harvard, tamb´em contava com um sistema de

rastreamento fixado ao capacete do usuário, como ilustra a Figura 2.2 [Oliveira, 2006]. De acordo com Oliveira (2006), ao fim da década de 1960 os projetistas já tinham

(25)

Figura 2.1: Sensorama Desenvolvido por Morton Heiling [Oliveira, 2006]

condi¸cões de operar em tempo real, o que foi de suma importância para gera¸cão de imagens em RV, apesar da resolu¸cão dispon´ıvel ainda ser muito precária. A necessidade de criar um termo que descrevesse a intera¸cão entre homens e computadores era emergente, e em 1973, Myron Krueger concebia o termo “Realidade Vitual”.

Figura 2.2: Usuário com Capacete Desenvolvido por Sutherland em 1968 [Oliveira, 2006] Em 1977 e 1982 surgiram as primeiras luvas digitais (data gloves), desenvolvidas por um grupo da Univeridade de Illions e por Thomas Zimmerman respectivamente, para serem acopladas aos computadores. Em 1987, a empresa VPL Research Inc colocou, pela primeira vez, produtos de RV no mercado com a comercializa¸cão das luvas digitais e um capacete de visualiza¸cão chamado “Eye Phones” [Kirner, 1999].

Na década de 1990, destacam-se as técnicas de RV utilizadas em treinamentos de simula¸cão de vôo [Oliveira, 2006]. Por estas questões, a NASA foi pioneira em RV [Cardoso, 2008]. Segundo Oliveira (2006), estes simuladores se limitavam a uma cabi-ne constru´ıda sobre plataformas móveis e eram capazes de apresentar mudan¸cas de n´ıvel e movimenta¸cão (Figura 2.3), sendo considerados um dos mais influentes marcos da RV.

A partir de ent˜ao, a demanda dos componentes e produtos de RV vem evoluindo,

impulsionada pelo avan¸co das pesquisas, interesses comerciais, crescimento da indústria e usuários. Expandindo cada vez mais um ramo que não para de evoluir [Kirner, 1999].

(26)

Figura 2.3: Nasa View: Sistema de Simula¸c˜ao da NASA [Duarte, 2008]

2.3 Caracteriza¸

c˜

ao da Realidade Virtual

Como foi abordado na introdu¸cão, há várias defini¸cões e descri¸cões para o termo “Realidade Virtual”. Isso se deve ao fato da interdisciplinaridade em que a RV apresenta e a sua constante evolu¸cão.

Segundo Kirner (1999), de uma forma ou outra, os sistemas de RV estão conectados a sistemas de simula¸cão, interoperabilidade e outras caracter´ısticas. Por este fato, a RV também pode ser considerada como a coexistência de três conceitos que formam o termo “I3_{”(ilustrado na Figura 2.4) da RV: Imers˜}_{ao, Intera¸c˜}_{ao e Imagina¸c˜}_ao.

Figura 2.4: “I3_{”da RV [Duarte, 2008]}

A imersão está associada ao sentimento, por parte do usuário, de estar dentro do ambiente virtual. Este ambiente pode ser explorado de diferentes formas, dependendo de cada sistema (Os sistemas de RV serão apresentados na Se¸cão 2.4), como o uso de capacetes, proje¸cão em paredes e teto, som, controles reativos, movimenta¸cão entre outros [Cruz-Neira, 1992].

A intera¸cão está associada à capacidade apresentada, por parte do sistema, de receber dados enviados pelo usuário através de algum dispositivo e modificar o ambiente virtual de forma instantânea, de acordo com essas a¸cões [Kirner, 1999].

(27)

A imagina¸cão está associada ao envolvimento, por parte do usuário, que mede o grau de motiva¸cão do mesmo para com as atividades encontradas em determinado sistema. O envolvimento pode ser ativo, como participa¸cão em jogos, ou passivo, como a leitura de livros. Os sistemas de RV oferecem suporte para estes dois tipos de envolvimento [Kirner, 1999].

2.4 Sistemas de Realidade Virtual

Quando uma pessoa utiliza um capacete e luvas que interajam com um ambiente abstrato, pode-se dizer que, trata-se de um exemplo clássico de RV. Mas os sistemas de RV não se limitam apenas a sistemas que utilizam dispositivos espec´ıficos. Nesta se¸cão são abordados os tipos de sistemas de RV.

2.4.1 Sistemas Imersivos e Sistemas N˜

ao Imersivos

A RV Imersiva é dependente de dispositivos (hardware) espec´ıficos, como luvas, ca-pacetes e proje¸cões no ambiente real. Estes dispositivos realizam um mapeamento dos movimentos do usuário, provocando uma rea¸cão do sistema que caracteriza uma intera¸cão com o ambiente virtual e os objetos abstratos contidos no mesmo. Esta intera¸cão acontece de forma direta, seja apontando, tocando ou realizando outras rea¸cões com estes objetos [Oliveira, 2006].

A RV Não Imersiva é baseada no uso de monitores [Kirner, 1999]. A intera¸cão do usuário com o ambiente acontece por intermédio do mouse, teclado ou outras formas de controle, enquanto os resultados das entradas emitidas por estes dispositivos são visuali-zados em um monitor de v´ıdeo.

Segundo Oliveira (2006), a principal vantagem dos sistemas n˜ao imersivos sobre os sistemas imersivos, consiste no baixo pre¸co.

2.4.2 Sistemas de Telepresen¸

ca

De acordo com Kirner (1999), “telepresen¸ca é uma situa¸cão, onde uma pessoa está objetivamente presente num ambiente real que está separado fisicamente da pessoa no espa¸co”. Os sistemas de telepresen¸ca são implementados por mecanismos de teleopera¸cão, que envolvem usuário, interface homem-computador e ambiente remoto.

Os sistemas de telepresen¸ca mantˆem a principal caracter´ıstica dos sistemas de RV, a intera¸c˜ao com ambientes externos, embora os ambientes possam ser constitu´ıdos de outras pessoas do mundo real. A Figura 2.5 ilustra um sistema de telepresen¸ca.

(28)

Figura 2.5: Sistema de Telepresen¸ca [Guanabara, 2007]

2.4.3 Sistemas Mistos - Imagens Reais e Imagens Virtuais

H´a sistemas mistos, que cruzam imagens reais com imagens geradas por computador. Entre eles pode-se citar Realidade Aumentada (RA) (abordagem do cap´ıtulo 3 deste trabalho) e a Realidade Misturada (RM).

A RM consiste em melhorar a visualiza¸cão de objetos do mundo real, como ampliar a visão do ser humano com informa¸cões abstratas, conforme Figura 2.6 [Oliveira, 2006].

Figura 2.6: Aplica¸c˜ao de RM para Remo¸c˜ao de Tumores [Oliveira, 2006]

Esses sistemas mistos exigem dispositivos que sobreponham a imagem real com a imagem virtual. Nesse sentido pode-se usar capacetes com visor semitransparente ou captar as imagens utilizando câmeras de v´ıdeo. É necessário um rastreador para mapear os movimentos [Cardoso, 2008].

Sistemas RA ainda são considerados recentes na escala evolutiva da RV, mas o cinema já utiliza técnicas de RA para alcan¸car objetivos em cenas. Já para a RM além das aplica¸cões já existentes, há estudos para que carros projetem informa¸cões no pára-brisa [Oliveira, 2006].

2.4.4 Sistemas Distribu´ıdos e Sistemas Centralizados

Os sistemas de RV também podem ser classificados de acordo com os usuários que podem interagir com o ambiente [Oliveira, 2006]. Há sistemas de RV Distribu´ıdos e

(29)

Cen-tralizados.

Nos sistemas de RV Distribu´ıda, existem vários usuários que podem navegar pelo ambiente e interagirem entre si, manipulando os mesmos objetos de forma concorrente. Para que naveguem pelo ambiente são utilizados os avatares, representa¸cão geométrica do usuário no mundo virtual. Essa abordagem é bastante empregada em jogos eletrônicos online [Kirner, 1999].

Nos sistemas de RV Centralizada, podem existir vários usuários, caso em que o ambi-ente se encontra em servidor web, navegando pelo ambiambi-ente, mas não há intera¸cão entre eles. O ambiente existe de forma independente para cada um.

Os sistemas de RV podem ser idealizados como combina¸c˜ao das caracter´ısticas dos sis-temas de cada se¸c˜ao anterior. Por exemplo, pode-se idealizar um sistema de RV imersiva, aumentada e centralizada [Oliveira, 2006].

2.5 Dispositivos de Realidade Virtual

Como abordado nas se¸cões anteriores, os sistemas de RV dependem de dispositivos espec´ıficos, sejam convencionais ou não. Estes dispositivos são a interface entre o usuário e ambiente virtual. Através destes dispositivos o ambiente reage às a¸cões do usuário.

A finalidade desta se¸c˜ao ´e apresentar os principais dispositivos de sistemas de RV.

2.5.1 A Vis˜

ao e a Tridimensionalidade

A percep¸cão linear é um dos fatores que permitem o ser humano enxergar em três dimensões. Algumas de suas caracter´ısticas são a sombra, oclusão, textura, rota¸cão dos o-lhos, convergência e motion paralax. A oclusão se refere ao fato que objetos mais próximos ao observador escondam parte de objetos mais distantes. A convergência permite o ser humano determinar exatamente a posi¸cão de cada objeto. Motion paralax caracteriza o fato que objetos mais próximos ao observador se movimentem com uma velocidade maior que objetos mais distantes [Oliveira, 2006].

Outro fato importante é a capacidade da visão estereoscópica. Esse conceito de visão consiste no fenômeno de que cada olho capta uma imagem diferente, e o cérebro rea-liza uma análise do deslocamento lateral destas duas imagens, causando a sensa¸cão de profundidade [Pinho e Kirner, 1997].

2.5.2 Dispositivos para Visualiza¸

c˜

ao

Para conceder ao usuário a sensa¸cão de visualiza¸cão 3D, os dispositivos de sistemas de RV podem ser monoscópicos e estereoscópicos [Kirner et al., 2006]. Os dispositivos

(30)

monoscópicos rederizam uma única imagem que é exibida aos dois olhos. Já os dis-positivos estereoscópicos exibem uma imagem para cada olho, com ligeira diferencia¸cão, acarretando a constru¸cão de um par de imagens, simulando assim, a visão humana (es-tereóscopica).

Tanto os capacetes tanto os óculos estereoscópicos causam a sensa¸cão de pronfundi-dade. Segundo Kirner, Tori e Siscoutto (2006), os capacetes causam a sensa¸cão de imersão, enquanto os óculos não causam esta sensa¸cão por si só, pois, dependem do ambiene de visaliza¸cão. Os monitores não causam a imersão, já as CAVEs (Se¸cão 2.5.6) causam.

O funcionamento dos óculos estereoscópicos , representado na Figura 2.7, se baseia na comuta¸cão do estado das lentes, através de dois processos sendo eles a abertura (clarea-mento) e o fechamento (escureci(clarea-mento). A comuta¸cão rápida das lentes e a defasagem entre as imagens exibidas para cada olho proporcionam a sensa¸cão de visualiza¸cão de uma imagem real.

Figura 2.7: Óculos Estereóscopicos e Tela de Proje¸cão [Kirner et al., 2006]

Os capacetes ilustrados na Figura 2.8 são dispositivos que apresentam duas imagens defasadas, uma para cada olho, diretamente nos olhos do usuário, o que causa a sensa¸cão de imersão. Devido ao fato dos capacetes serem dispositivos rastreadores (se¸cão 2.5.3), as imagens apresentadas ao usuário mudam de acordo com a movimenta¸cão do mesmo.

(31)

2.5.3 Dispositivos de Rastreamento

Os dispositivos de rastreamento mapeiam a movimenta¸cão do usuário basicamente para duas fun¸cões: anima¸cão de personagens ou aplica¸cões de RV [Kirner e Tori, 2004].

Na anima¸cão, estes dispositivos são usados para que a movimenta¸cão de entidades vir-tuais seja mais realista, enquanto que nas aplica¸cões de RV, estes dispositivos monitoram a posi¸cão e orienta¸cão da cabe¸ca e mãos do usuário em tempo real, para que o sistema reaja à movimenta¸cão do usuário.

2.5.4 Luvas Digitais e o Tato Virtual

A Realidade Virtual permite ao usuário interagir com o ambiente e os objetos virtuais abstratos que nele existem. Para se interagir com este ambiente, uma das formas é o toque [Oliveira, 2006]. O tato virtual, concebido pelo uso de luvas digitais (data gloves), ilustradas na Figura 2.8 e mais detalhadamente na Figura 2.9, permite ao usuário pegar, soltar, empurrar, puxar, girar e movimentar os objetos do cenário do ambiente virutal [Kirner e Tori, 2004].

Figura 2.9: Elementos de uma Luva Digital [Tori et al., 2006]

2.5.5 Dispositivos Ac´

usticos

O som presente em ambientes virtuais, faz com que a ilusão de realismo seja maior. As principais caracter´ısticas do som, como timbre, dura¸cão e volume, podem ser facilmente reproduzidas por um sintetizador [Oliveira, 2006]. A caracter´ıstica mais importante do som em ambientes reais é a possibilidade de identifica¸cão da fonte sonora, ou seja, é poder saber de onde som está sendo emitido.

Para a simula¸cão dessas propriedades em ambientes virtuais, caracter´ısticas como posicionamento, reflexão, gera¸cão móvel, atraso, absor¸cão e outras devem interagir com usuário de acordo com suas a¸cões [Kirner e Tori, 2004].

Para que o usuário receba o som de acordo com seus est´ımulos, o som geralmente é gerado por fones fixados no capacete de visualiza¸cão, de forma que cada ouvido receba

(32)

uma fonte sonora. Estas fontes mudam o som de acordo com os movimentos da cabe¸ca ou da fonte geradora, isso se a fonte pertencer ao cen´ario do ambiente virtual [Oliveira, 2006].

2.5.6 Dispositivos para Sistemas Baseados em Proje¸

c˜

ao

Sistemas de RV baseados em proje¸cão são capazes de apresentar cenas em tamanho real, possibilitando imersão total ou parcial, por parte do usuário.

Um dos sistemas de RV baseados em proje¸cão é a tela panorâmica. Este sistema consiste em uma tela de proje¸cão em formato de curva, que atinge aproximadamente 180o

em rela¸cão ao posicionamento do expectador. As imagens são sincronizadas, tratadas e projetadas nesta tela de forma que o usuário possa navegar pelo ambiente virtual, já que as emendas das imagens são quase impercept´ıveis [Kirner e Tori, 2004].

A mesa virtual é outro exemplo. Para esse tipo de sistema é necessário outro disposi-tivo espec´ıfico, que consiste de uma mesa horizontal de vidro ou plástico, que receba uma proje¸cão estereoscópica, permitindo ao usuário manipular os objetos 3D que se apresentam em sua frente com o uso de óculos estereoscópicos.

Outro exemplo de sistema de RV baseado em proje¸cão, e o mais popular, é a CAVE. Este sistema consiste em um cômodo onde todo o ambiente (paredes, teto e piso) é constitu´ıdo de telas de proje¸cão. O usuário navega pelo ambiente virtual totalmente cercado pelo mesmo, ou seja, completamente imerso [Oliveira, 2006].

2.6 Aplica¸

c˜

oes da Realidade Virtual

A evolu¸cão da RV ao longo das últimas décadas acarretou uma grande variedade de dispositivos de hardware e software. Essa variedade combinada com a constante evolu¸cão da tecnologia abriu as portas para o surgimento de novas aplica¸cões da RV cada vez mais sofisticadas e complexas. Esta se¸cão aborda o uso da Realidade Virtual em diversos campos de aplica¸cão.

2.6.1 Arquitetura e Projeto

´

E do escopo de profissionais de Engenharia civil e Arquitetura projetar edifica¸cões. Tais projetos contêm uma planta baixa da edifica¸cão a ser constru´ıda. Os clientes destes profissionais aguardam que a obra esteja conclu´ıda para que possam realizar uma avalia¸cão. Mas esta avalia¸cão nem sempre é positiva. As medidas podem parecer maiores ou menores comparadas às medidas previstas no projeto, as cores podem não se combinar, enfim, uma série de elementos que não poderiam ter sido visualizados antes [Oliveira, 2006].

Uma das sa´ıdas encontradas pelos projetistas foi o uso de maquetes. As maquetes são representa¸cões em miniaturas de como o projeto deve ficar após a conclusão. Mas as

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maquetes ainda sim continham problemas: Erros humanos que afetam medidas, detalhes de finaliza¸cão, ambienta¸cão e mais uma série de fatores. Mas o mais cr´ıtico é a navega¸cão. A RV aplicada à Arquitetura reduz os erros humanos e infortúnios por parte dos clientes, pois, caracteriza um ambiente de acordo com os padrões do projeto e possi-bilita ao usuário a sensa¸cão de realismo através da navega¸cão pela maquete virtual, pelas caracter´ısticas de intera¸cão da RV, como ilustra a Figura 2.10.

Figura 2.10: Est´adio Jornalista M´ario Filho no Rio de Janeiro e Sua Maquete Virtual

2.6.2 Aplica¸

c˜

oes M´

edicas e na ´

Area de Sa´

ude

O uso da RV na medicina foi além de tomografias tridimensionais. É poss´ıvel, por exemplo, realizar treinamento cirúrgico em cadáveres virtuais. Como já foi citada na se¸cão 2.4.3, a Figura 2.6 mostra uma aplica¸cão médica de sistema de RV para aux´ılio em cirurgias.

Na área da saúde, a RV possibilita ensino de anatomia, visualiza¸cão com Realidade Aumentada, planejamento cirúrgico, simula¸cão cirúrgica, terapia virtual, tratamento de deficientes, fisioterapia virtual, cirurgias pouco invasivas, informa¸cões adicionais de obje-tos em órgãos com Realidade Misturada e mais uma série de aplica¸cões.

2.6.3 Treinamento Profissional

Como visto em se¸cões anteriores, um dos principais elementos da evolu¸cão da RV foi a cria¸cão de sistemas de treinamento de vôo na década de 1990 (Figura 2.3). Apesar de nos dias atuais estes sistemas formarem as bases para maioria dos jogos eletrônicos, ainda existem empresas que treinam seus colaboradores utilizando estes sistemas, devido as suas grandes vantagens.

Médicos podem realizar treinamento com órgãos e partes do corpo sem que se tenha um cadáver real. A RV possibilita a representa¸cão 3D de todo o corpo humano e de outros animais para estudo, além de fornecer informa¸cões adicionais sobre todos órgãos e partes do corpo humano.

(34)

Profissionais da área de tecnologia podem idealizar e visualizar suas cria¸cões e projetos com o uso da RV. Para demonstra¸cão de conhecimento, é poss´ıvel criar um museu em RV para que possa se realizar uma exposi¸cão dos objetos em estudo [Oliveira, 2006].

2.6.4 Tratamento de Fobias

As pessoas que desenvolvem fobias podem encontrar um tratamento confiável com o uso de RV. A RV permite criar ambientes imersivos, como ambientes fechados e escuros para a claustrofobia, simuladores de automóveis para pessoas que desenvolveram pânico no trânsito, aranhas virtuais para o tratamento da aracnofobia entre outros.

2.6.5 Area de Ind´

´

ustria e Tecnologia

Construir protótipos, além de exigir alto investimento financeiro, pode ainda repre-sentar um fracasso. Testes gerados em computador viabilizam a constru¸cão ou não de um protótipo [Oliveira, 2006]. A Realidade Virtual é empregada para realiza¸cão de diversas simula¸cões, como proje¸cão, desempenho, funcionamento entre outros, levando a equipe técnica a realizar corre¸cões e melhorias antes que o protótipo venha a ser constru´ıdo, como ilustra a Figura 2.11. As simula¸cões feitas com RV podem auxiliar os pesquisadores a desenvolverem seus projetos com sucesso.

Figura 2.11: Exemplo de Projeto Simulado por RV [Deultz, 2008]

2.6.6 Entretenimento

Segundo Kirner (1999), esta é a área onde a RV está tão presente que pode passar despercebida.

Os jogos eletrônicos disseminam o uso de RV entre os jovens, publico alvo da indústria de jogos. Os jogos tendem a apresentar gráficos cada vez mais complexos, detalhados e real´ısticos, para que os usuários dos jogos possam imaginar o jogo como algo real. Isso pode ser visto na Figura 2.12.

(35)

Outro setor que vem exigindo realismo, por parte dos efeitos visuais, é a indústria do cinema. Embora seja um tipo de realidade não imersiva, pois a aplica¸cão é visualizada em monitor ou tela de proje¸cão, algumas cenas podem ser criadas com o uso da Realidade Aumentada, enriquecendo as cenas reais com objetos e personagens digitais, que são cada vez mais detalhados e real´ısticos. Um filme pode ser totalmente idealizado com RV, incluindo os cenários, objetos e personagens.

Figura 2.12: Tela de Jogo Desenvolvido para Plataforma PlayStation 3 [MCO, 2008] ´

E algo comum perceber o uso da RV em programa¸c˜oes de canais de TV aberta.

Aplica¸cões em jogos de futebol, cenários de telejornais, previsão do tempo, propaganda, seriados entre outros.

2.6.7 Telepresen¸

ca e Teleopera¸

c˜

ao

A RV permite criar ambientes compartilhados por vários usuários, que interagem e comunicam entre si. Empresas que necessitam reunir seus colaboradores com freqüência investem cada vez mais neste ramo. Não se trata apenas de uma videoconferência, uma vez que esses sistemas permitem uma proje¸cão 3D dos colaboradores, como se de fato se encontrassem todos no mesmo ambiente. Voltar à se¸cão 2.4.2 e ver a Figura 2.5.

Através de dispositivos de RV, o usuário pode realizar opera¸cões sobre determinados elementos à distância, especialmente os nocivos à vida humana. Opera¸cões delicadas podem ser realizadas utilizando estes sistemas.

O campo de aplica¸cão dos sistemas RV tem grandes propor¸cões. A RV é uma ferra-menta de grande potencial, utilizada para elabora¸cão e solu¸cão de problemas.

(36)

Cap´ıtulo 3

A Realidade Aumentada

3.1 Introdu¸

c˜

ao

J´a se torna algo cotidiano ao ser humano o uso dos computadores, uso de alta tecnolo-gia, acesso `a rede mundial, ferramentas de aux´ılio e outras formas de interface.

Neste sentido, tecnologias da computa¸cão podem ser utilizadas como ferramentas de ensino, pesquisa, treinamento, visualiza¸cão, tratamento e mais uma série de contextos. Mas o fato é que, o uso de tais tecnologias vem sendo crescente, e não é uma novidade [Duarte, 2006], já que estas acompanham os desejos e necessidades do usuário.

Dessa forma, aplica¸cões que compreendem a visualiza¸cão e intera¸cão com informa¸cões em tempo real, também estão em constante evolu¸cão.

A Realidade Virtual (RV), abordada no cap´ıtulo anterior, pode ser caracterizada como uma avan¸cada técnica de interface, onde é poss´ıvel ao usuário realizar imersão, navega¸cão e intera¸cão em um ambiente abstrato tridimensional gerado por computador, através de canais multi-sensoriais. Possibilitando ao usuário, uma visualiza¸cão e intera¸cão com informa¸cões virtuais abstratas em tempo real.

Segundo Duarte (2006), por mais avan¸cadas que sejam as tecnologias de cria¸cão em RV, a percep¸cão humana consegue distinguir com clareza a sua artificialidade. Para tentar reduzir esta distância entre o real e o virtual, foi introduzida a Realidade Misturada, abordada detalhadamente na Se¸cão 3.2.

A RM compreende a Realidade Aumentada (RA) e a Virtualidade Aumentada (VA). A primeira é apontada como foco deste trabalho. A RA enriquece ambientes reais com objetos virtuais [Kirner et al., 2006], possibilitando ao usuário a visualiza¸cão em tempo real de tais objetos introduzidos no ambiente real.

Assim como os sistemas baseados em RV, sistemas baseados em RA, tamb´em exigem

dispositivos de fluxo de dados espec´ıficos, para que as imagens do ambiente real possam ser capturadas e após a inser¸cão dos objetos abstratos, sejam visualizadas pelo usuário.

(37)

Nas próximas se¸cões serão apresentados diversos conceitos sobre sistemas de RA, como caracteriza¸cão da RA, dispositivos, sistemas e aplica¸cões.

3.2 A Realidade Misturada

A Realidade Misturada (RM) pode ser conceituada como a sobreposi¸cão de objetos vir-tuais em três dimensões gerados por computador sobre o ambiente f´ısico, visualizada pelo usuário, com o suporte de dispositivos tecnológicos, em tempo real [Kirner et al., 2006].

A RM supera a RV pelo fato de não apenas reproduzir ambientes virtuais, mas possi-bilitar ao usuário interagir com o mesmo misturando informa¸cões reais e abstratas. A RM completa ambientes através da incorpora¸cão de objetos, seja do ambiente virtual para o real, ou do ambiente real para o virtual.

Neste sentido, a RM pode ser caracterizada de duas maneiras diferentes: A RA e a VA, conforme ilustra¸cão da Figura 3.1. Essa caracteriza¸cão é dependente da predominância que o ambiente real e seus objetos exercem sobre o ambiente virtual e seus objetos ou vice versa.

Figura 3.1: Diagrama Realidade x Virtualidade [Milgran, 1994]

A RA ´e caracterizada pela predominˆancia do ambiente real sobre o ambiente virutal.

Segundo Azuma (2001), a RA ´e um sistema que suplementa o mundo real com

obje-tos virtuais gerados por computador, possibilitando a sensa¸c˜ao que os objetos abstratos coexistem no mesmo espa¸co real em que estamos.

Já a VA é caracterizada pela predominância do ambiente virtual sobre o ambiente real. Consiste em enriquecer o ambiente virtual com elementos reais capturados em tempo real [Kirner et al., 2006].

3.3 Caracteriza¸

c˜

ao da Realidade Aumentada

Como apresentado nas se¸cões anteriores, a Realidade Aumentada (RA) é uma varia¸cão da Realidade Misturada, que combina entidades do ambiente real e do ambiente virtual, com predominância do real sobre o virtual. Neste sentido, melhora a intera¸cão com o

(38)

usuário e aumenta a sensa¸cão de realismo, visando diminuir a distância entre o real e o virtual.

A RA é caracterizada por quatro propriedades [Duarte, 2006]. A primeira delas é combina¸cão de objetos reais e virtuais no ambiente real. Outra propriedade é a execu¸cão interativa em tempo real. Outra, é o alinhamento de objetos reais e virtuais. A última é que a RA pode ser aplicada a todos os sentidos, incluindo audi¸cão, tato e olfato.

Para compreender um sistema de RA, veja a Figura 3.2. Esta imagem representa um vaso de flores e um carro, que são objetos virtuais inseridos no ambiente real, no caso sobre a mesa. É importante lembrar, que essa inser¸cão ocorre em tempo real.

Figura 3.2: Objetos Virtuais Posicionados Sobre Mesa Real [Tori et al., 2006] A imagem do mundo real a ser suplementado pelo sistema de RA deve ser capturada por uma câmera acoplada a um computador. Para que seja poss´ıvel que as imagens do ambiente real e do ambiente virtual sejam alinhadas (misturadas) de forma correta, a câmera que está capturando a imagem deve realizar esse processo de captura de forma constante.

Desse modo a posi¸cão e orienta¸cão da câmera são rastreadas a todo o momento. Esse processo de rastreamento ou tracking é realizado por técnicas de visão computacional para a maioria dos sistemas de RA.

3.4 Tipos de Sistemas de Realidade Aumentada e

Seus Dispositivos

Os sistemas de RA são diferenciados de acordo com a forma com que a imagem mis-turada (ambiente real enriquecido com objetos virtuais) é apresentada ao usuário e visu-alizada pelo mesmo. Estes sistemas ainda podem ser classificados com base na tecnologia dos visualizadores (Displays) do sistema. Ambas aboradagens estão descritas nesta se¸cão.

(39)

3.4.1 Sistemas Imersivos e Sistemas N˜

ao imersivos

Quando o usuário visualiza a imagem misturada direcionando os olhos diretamente para as posi¸cões reais dos objetos virtuais, tem-se um sistema de Realidade Aumentada Imersiva. Isso devido ao fato de que o usuário tem uma visão direta sobre o mundo misturado [Tori et al., 2006].

Já quando o usuário visualiza a imagem misturada sem direcionar os olhos diretamente para as posi¸cões reais dos objetos virtuais, tem-se um sistema de Realidade Aumentada Não Imersiva. Isso devido ao fato de que o usuário tem uma visão indireta sobre o mundo misturado [Kirner et al., 2006].

Ambos sistemas s˜ao ilustrados na Figura 3.3, respectivamente.

Figura 3.3: Sistemas Imersivos x Sistemas N˜ao Imersivos [Kirner et al., 2006]

3.4.2 Sistemas de Vis˜

ao ´

Otica Direta

O sistema de Visão Ótica Direta utiliza óculos ou capacetes com lentes semitransparen-tes que permitem o recebimento direto da imagem real, ao mesmo tempo em que possibili-tam a proje¸cão de imagens virtuais devidamente ajustadas com a cena real [Zorzal, 2008]. Uma maneira comum de se conseguir essa caracter´ıstica é usar uma lente em posi¸cão inclinada que permita a visão direta do ambiente real e que possa refletir a proje¸cão de imagens geradas por computador diretamente nos olhos do usuário, como mostra a Figura 3.4.

Os dispositivos comp˜oem-se de duas partes: o gerador de fun¸c˜oes e os monitores dos ´

oculos. A primeira, o gerador, é o processador e gerador das imagens virtuais, enquanto os monitores dos óculos alinham e exibem essas imagens virtuais de forma direta aos olhos do usuário.

A luminosidade do ambiente real pode ser um empecilho para este tipo de sistema, j´a que dependendo da intensidade, a imagem virtual pode ser prejudicada [Duarte, 2006]. Mas o menor tempo de processamento e garantia de boa defini¸c˜ao das imagens reais, qualificam este tipo de sistema.

(40)

Figura 3.4: Diagrama do Sistema de Vis˜ao ´Otica Direta [Duarte, 2006]

3.4.3 Sistemas de Vis˜

ao Direta por V´ıdeo

Neste tipo de sistema, o usuário utiliza capacetes com duas ou mais microcâmeras de v´ıdeo acopladas ao mesmo. As câmeras cumprem o papel de olhos do usuário. A cena real, capturada pela microcâmera, ilustra¸cão da Figura 3.5, é misturada com os elementos virtuais gerados por computador e apresentadas diretamente nos olhos do usuário, através de pequenos monitores montados no capacete [Zorzal, 2008].

Figura 3.5: Diagrama do Sistema de Visão Direta por V´ıdeo [Duarte, 2006] A imagem capturada pelas câmeras a partir do mundo real é retransmitida para um combinador de v´ıdeo, que alinha as imagens do mundo real com as cenas virtuais criadas pelo gerador de cena, possibilitando a sensa¸cão que o ambiente é único [Duarte, 2006]. A resolu¸cão da câmera pode comprometer a qualidade das imagens do mundo real, podendo se tornar um empecilho à aplica¸cão deste tipo de sistema.

3.4.4 Sistemas de Vis˜

ao por V´ıdeo Baseada em Monitores

O sistema de Vis˜ao por V´ıdeo Baseado em Monitor, consiste no uso de uma webcam para capturar a cena real. Depois de capturada, a cena real ´e misturada com os objetos

(41)

virtuais gerados por computador e apresentada ao usu´ario no monitor, veja ilustra¸c˜ao da Figura 3.6.

O ponto de vista do usuário normalmente é fixo e depende do posicionamento da webcam. Funciona basicamente como o sistema anterior, dado que a diferen¸ca, é que o combinador de v´ıdeo transmite a imagem misturada para um monitor de v´ıdeo ao invés de um óculos ou capacete [Duarte, 2006].

Figura 3.6: Diagrama do Sistema de Visão por V´ıdeo Baseada em Monitores [Zorzal, 2008] A principal vantagem destes sistemas é a não necessidade, por parte do usuário, de vestir algum equipamento, ao passo que, o fato de os monitores estarem sempre parados em algum local, caracteriza uma desvantagem desses sistemas [Kirner et al., 2006].

3.4.5 Sistemas de Vis˜

ao ´

Otica por Proje¸

c˜

ao

Esse tipo de sistema consiste em superf´ıcies do ambiente real, onde são projetadas imagens dos objetos virtuais, cujo conjunto é apresentado ao usuário que o visualiza sem a necessidade de nenhum equipamento auxiliar. Embora interessante, esse sistema é muito restrito às condi¸cões do espa¸co real, em fun¸cão da necessidade de superf´ıcies de proje¸cão [Zorzal, 2008].

3.5 Componentes de um Sistema de Realidade

Au-mentada

Um sistema de realidade aumentada possui dois componentes b´asicos: hardware e

software. O hardware envolve os dispositivos de entrada, displays, processadores e redes. O software inclui o software de RV, posicionadores e misturadores de imagens, fun¸c˜oes de intera¸c˜ao e interfaces multimodais [Kirner et al., 2006].

(42)

3.5.1 Hardware

O hardware direcionado à RA pode usar dispositivos de RV, mas tende a não ocupar as mãos do usuário, já que elas devem interagir de forma natural no ambiente misturado. De acordo com Kirner, Tori e Siscoutto (2006), a potência de processamento principal e das placas de apoio, para tratar as necessidades de multim´ıdia e RV, deve ser alta o suficiente para garantir a execu¸cão, em tempo real, das seguintes a¸cões: tratamento de v´ıdeo, processamento gráfico 3D, gera¸cão de imagens misturadas, incorpora¸cão de som, execu¸cão háptica, controle multimodal e varredura de dispositivos de entrada com ênfase no rastreamento.

3.5.2 Software

De acordo com o desenvolvimento de aplica¸cões mais complexas de sistemas de RA, assim como hardware, a RA demanda recursos de software [Duarte, 2006].O software ded-icado aos sistemas de RA é utilizado para a prepara¸cão do sistema através de ferramentas de cria¸cão de ambientes virtuais e misturados, assim como na fase de execu¸cão para que sirva de suporte das aplica¸cões em tempo real.

O software é ulitizado para a implementa¸cão dos objetos virtuais e sua integra¸cão ao ambiente real. Para tal integra¸cão o software pode requerer aux´ılios como orienta¸cão e posicionamento dos elementos reais. A calibra¸cão dos objetos virtuais no ambiente real pode acontecer pela intera¸cão visual ou pela análise de parâmetros [Kirner et al., 2006].

Como exemplo de software para cria¸c˜ao dos objetos abstratos virtuais, pode-se citar VRML, X3D, OpenGL (abordada detalhadamente no Cap´ıtulo 5), entre outros. J´a para exemplo de software de autoria de RA pode-se citar ARtoolKit (abordado detalhadamente no cap´ıtulo 5), OSGART, MTR, DART, APRIL, LibTab, entre outros.

3.6 Realidade Aumentada x Realidade Virtual

Como abordado ao longo das se¸cões anteriores, a RA surgiu como uma aproxima¸cão dentro da RM, que visa diminuir a distância entre o ambiente real e o ambiente virtual. Sendo assim Kirner,Tori e Siscoutto (2006), apresentam um gráfico onde dimensões do espa¸co e de artificialidade podem ser observados.

A RA e a RV podem ser comparadas sobre os seguintes t´opicos [Bimber, 2008]: • A RA enriquece a cena do mundo real com objetos virtuais, enquanto a RV ´e totalmente

limitada pelo computador;

• No ambiente de RA, o usuário mantém o sentido de presen¸ca no mundo real, enquanto que, na RV, a sensa¸cão visual é controlada pelo sistema;

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Figura 3.7: Diagrama Artificialidade x Espa¸co [Kirner et al., 2006]

• A RA precisa de um mecanismo para combinar o real e o virtual, enquanto que a RV precisa de um mecanismo para integrar o usu´ario ao mundo virtual.

3.7 Aplica¸

c˜

oes da Realidade Aumentada

As aplica¸cões da RA podem ser dispostas em três grupos: Aplica¸cões móveis, aplica¸cões colaborativas e aplica¸cões comerciais. Esta se¸cão aborda o uso da Realidade Misturada, focada na Realidade Aumentada em diversos campos de aplica¸cão [Azuma, 2001].

3.7.1 Aplica¸

c˜

oes M´

oveis

As aplica¸cões móveis são aplica¸cões voltadas para orienta¸cão e exibi¸cão. Como ex-emplo, pode-se citar informa¸cões adicionais encontradas em placas com marcadores de sistemas de RA para um motorista com dificuldades visuais. As aplica¸cões móveis in-cluem:

• Visualizar anota¸c˜oes virtuais em edif´ıcios, salas e outros elementos urbanos para orientar o usu´ario;

• Mostrar ou recuperar pr´edios e outros elementos inexistentes ou em ru´ınas, enfatizando o planejamento urbano e a arqueologia;

• Mostrar campos de batalha, em situa¸c˜oes de treinamento militar; • Turismo.

3.7.2 Aplica¸

c˜

oes Colaborativas

(44)

direta de objeto através da colabora¸cão de computadores. As aplica¸cões colaborativas incluem: • Treinamento e Montagem; • Ensino e Aprendizagem; • Comércio; • Cirurgia; • Teleconferência; • Entre outros.

3.7.3 Aplica¸

c˜

oes Comerciais

As aplica¸cões comerciais, embora ainda em fase inicial, já estão sendo usandas em anúncios na TV, cinema, mostras e eventos culturais e esportivos, incluindo elementos virtuais de propaganda associados a elementos reais da cena exibida [Kirner et al., 2006]. Como abordado neste cap´ıtulo a Realidade Aumentada possui um vasto campo de aplica¸cão e pesquisa, assim como a Realidade Virtual, tendo sempre em mente, que am-bas se desenvolvem de acordo com a complexidade das ferramentas criadas e propostas, elevando o grau de detalhamento e aproxima¸cão entre o ambiente real e os ambientes virtuais.

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Cap´ıtulo 4

Os Sistemas de Part´ıculas

4.1 Introdu¸

c˜

ao

De acordo com Duarte (2006), a maioria dos sistemas baseados em RA consiste em inserir objetos est´aticos no ambiente real, visando complementar nosso universo com tais objetos como se estes realmente pertencessem ao nosso ambiente.

Dessa forma, essas informa¸cões estáticas podem ser encaradas como modelagens vir-tuais que não apresentam movimenta¸cão, por exemplo, uma vela virtual sobre uma mesa real. A vela não se movimenta, pois, se trata da representa¸cão de uma entidade inanimada. Assim, como já abordado nas se¸cões anteriores, a RA é uma ferramenta com intuito de aproximar o imaginário do não imaginário, reduzindo a distância entre a RV e o ambiente real. Deste modo, as entidades modeladas para sistemas baseados em RA devem ser representa¸cões fieis de objetos de nosso universo, ou bastante próximas disso.

Seguindo o exemplo descrito anteriormente, o usu´ario do sistema baseado em RA

responde ao tempo cronológico, já que se trata de um ser humano. Se o usuário utiliza o sistema a noite, o que deve acontecer?

Uma vela deve ser usada para iluminar com sua chama, logo, a vela do sistema baseado em RA deve ter sua chama acessa se necess´ario. Ent˜ao, a vela deste sistema deve ter uma modelagem agregada a si, a modelagem da chama, que se trata da modelagem de fogo.

Quando a vela entra em combust˜ao, a parte r´ıgida da vela (a parafina) vai se trans-formando em fluido, derretendo `a medida que a chama avan¸ca. Logo a vela deste sistema deve ter outra modelagem agregada a si, a modelagem da parafina derretida, que se trata da modelagem de fluido.

A modelagem da vela é consideravelmente simples, já que através da deforma¸cão de alguma primitiva básica (algum pol´ıgono) pode se alcan¸car a forma da vela, e ela é estática.

Mas a modelagem do fogo e do fluido n˜ao demonstram o mesmo comportamento. Isso