Implementação de realidade virtual em um simulador
veicular utilizando Google Cardboard
Matheus Pereira Barros1, Franciéric Alves de Araújo2
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Piauí (IFPI) – Campus Teresina Central
[email protected], [email protected]
Abstract. This paper discusses the implementation of virtual reality in a
three-dimensional motor vehicles simulator using low-cost methods and techniques. The system proposed in this paper uses integrated Google Cardboard with a smartphone connected to a computer, responsible for the execution of simulator. The smartphone, linked with Google Cardboard, receives the images of the simulator running in real-time through an application based in VNC protocol (Virtual Network Computing), there is also the division of the received image into a stereoscopic vision, creating the virtual environment effect. The aim is to demonstrate the ability to use virtual reality in an immersive and low cost system of vehicular simulator to train vehicular drivers.
Resumo. Este artigo aborda a implementação de realidade virtual em um
simulador tridimensional de veículos automotores utilizando métodos e técnicas de baixo custo. O sistema proposto neste documento utiliza Google Cardboard e um smartphone conectado a um computador, responsável pela execução do simulador. O smartphone, integrado ao Google Cardboard, recebe as imagens do simulador em execução em tempo real através de um aplicativo que utiliza protocolo VNC (Virtual Network Computing), que divide a imagem em uma visão estereoscópica, gerando o ambiente virtual. O intuito é demonstrar a possibilidade de utilização de realidade virtual em um sistema imersivo e de custo acessível de simulação veicular para treinamento de condutores de veículos automotores.
1. Introdução
Simulação é um modelo ou uma representação de algo real. É basicamente um método de representação paralela da realidade que pode ter fins diversificados [Rossetti 2015]. O principal objetivo de uma simulação computacional é a realização de experiências e situações, permitindo ao usuário uma compreensão maior do objeto, sistema ou processo modelado em um ambiente controlado por computador.
1 Cursando 5º período do Curso de Tecnologia em Análise e Desenvolvimento de Sistemas– IFPI Campus Teresina
Central
Isso permite estudos sobre comportamentos de sistemas, ou treinamento de usuários na utilização de dispositivos cujo custo de treinamento com equipamentos físicos é elevado ou arriscado [Rossetti 2015].
A imersão do usuário em uma simulação computacional amplia a sensação de realidade. Atualmente, a tecnologia que confere o maior nível de imersão em simuladores e games é a realidade virtual, que é uma interface de usuário que visa o acesso a aplicações executadas no computador. Essa tecnologia permite a visualização e movimentação em tempo real de um ambiente virtual, inclusive com interação com objetos presentes neste ambiente [Tori et al. 2006].
A partir disso, foi observada como a realidade virtual pode ser utilizada como interface entre usuário e máquina, utilizando dispositivos que estimulam o cérebro na imersão em um ambiente virtual, ampliando a experiência do usuário com o sistema computacional [Lee et al. 2015].
Neste contexto, no que diz respeito a possibilidade da aplicação da integração de realidade virtual com simuladores voltada para treinamentos e aprendizado, este trabalho propõe um sistema em fase de desenvolvimento de baixo custo que integra realidade virtual com um simulador veicular utilizando equipamentos de custo acessível como o Google Cardboard. O intuito é que este sistema possa vir a ser aplicado no treinamento de condutores de veículos.
O artigo está dividido em Introdução; Objetivos do trabalho; Metodologia da pesquisa, sendo subdividida em uma breve seção sobre o simulador utilizado nos testes e a implementação e integração da realidade virtual com o simulador; Resultados e discussão é a seção que discorre sobre os resultados dos testes obtidos na implementação de realidade virtual; e por fim, a conclusão gerada em torno da realização deste estudo e as referências bibliográficas que constituem a base teórica deste trabalho.
2. Objetivos
O objetivo do trabalho é o desenvolvimento de um sistema de realidade virtual de baixo custo e sua integração em um simulador veicular. O sistema proposto neste presente artigo pode ser aplicado no treinamento de direção para motoristas. O trabalho apresentado neste artigo também observa aspectos de utilização da realidade virtual como interface avançada entre usuário e máquina, assim como a realidade virtual pode ampliar a imersão do usuário em um simulador veicular.
3. Metodologia
Neste trabalho, buscou-se verificar a literatura para aprofundamento em conceitos relacionados a simulação e realidade virtual. Posteriormente foi realizada uma pesquisa sobre quais dispositivos de realidade virtual disponíveis no mercado poderiam ser utilizados e qual traria o melhor custo-benefício.
Foi também realizada pesquisa sobre a possibilidade de utilização do smartphone como visualizador de realidade virtual integrado com algum dispositivo HMD (Head-Mounted Display) e aplicativos mobile que permitem a transmissão das imagens do computador para o smartphone.
O simulador veicular utilizado nos testes começou a ser desenvolvido antes deste trabalho, em julho de 2015 como uma iniciativa independente. O nome do simulador é "Viação EstradaBus Game" e ainda está em desenvolvimento. Por isso, foram realizadas adaptações neste simulador para a sua integração com realidade virtual.
A alternativa utilizada como óculos de realidade virtual foi o Google Cardboard por ser uma alternativa de baixíssimo custo, estimado em um preço médio de U$$ 15.00 sendo um projeto de código aberto [MacIsaac et al. 2015]. O corpo do Cardboard é composto majoritariamente por papelão, possuindo duas lentes biconvexas que realizam correção da imagem projetada pelo smartphone. A figura 1 mostra o Cardboard e smartphone utilizados nos testes.
Figura 1: Cardboard e Smartphone utilizados na implementação de realidade virtual (Fonte: Autoria Própria)
3.1. Simulador veicular - Viação EstradaBus Game e trabalhos relacionados
O simulador onde a implementação de realidade virtual foi realizada é o Viação EstradaBus Game, em que o usuário controla ônibus, vans e carros de passeio, onde são propostas tarefas como trafegar em uma rota respeitando os limites de velocidade, evitando ultrapassagens perigosas e colisões com outros veículos ou demais elementos do ambiente, visando treinar o usuário nestas situações.
Alguns trabalhos similares abordam a perspectiva de utilização de simuladores veiculares no treinamento de usuários assim como o simulador apresentado neste artigo. LUCAS (2013) discute sobre a utilização de simuladores na engenharia de transportes, mas não aborda a possibilidade utilização de realidade virtual em simulações veiculares.
Balbinot (2009) também observa a utilização de jogos e aplicativos para educação no trânsito, discorrendo sobre alguns games e simuladores aplicados em mobilidade urbana, mas também não aborda aspectos inerentes ao uso de realidade virtual.
3.2. Implementação de realidade virtual na simulação de direção
O sistema de realidade virtual utilizado no Viação EstradaBus Game é uma integração entre o computador e smartphone, onde o computador é responsável pelo processamento gráfico do simulador e o smartphone é utilizado como visualizador do sistema.
As imagens do computador são enviadas para o smartphone, encaixado no Google Cardboard, via USB ou rede Wi-fi, projetando as imagens do computador no smartphone em tempo real. Para isso, foram utilizados aplicativos capazes de realizar esta operação de streaming utilizando protocolo VNC. Foi instalado no computador um software que atua como servidor que fornece via protocolo VNC às imagens para quaisquer dispositivos que estejam autenticados. O smartphone contém um aplicativo que atua como guest do sistema, recebendo os dados do PC em tempo real.
O aplicativo utilizado no PC e smartphone é o Trinus VR [Trinus VR 2016], que captura as imagens do computador e as envia em tempo real para o smartphone. É gratuito e possui utilização limitada em 15 minutos, possuindo versões para PC, Mac OS e Linux quanto ao cliente desktop e versões para Android e iOS no aplicativo mobile.
Para dar ao usuário a sensação de imersão no ambiente virtual, a imagem é dividida em duas em uma técnica conhecida como estereoscopia visual. Esta técnica consiste em criar uma ilusão de ótica, gerando o efeito de profundidade onde o utilizador do sistema se insere, pelo menos visualmente, em uma realidade paralela [Pessanha 1991]. Essa divisão é realizada pelo Trinus VR. A imagem 2 ilustra como a imagem do simulador transmitida via protocolo VNC é exibida pelo smartphone.
Imagem 2: Simulador exibido em visão estereoscópica pelo smartphone (Fonte: Autoria Própria)
3.3. Sistema Proposto
Para comportar os softwares utilizados no sistema descrito neste artigo, são necessários equipamentos que os executem e/ou que funcionem como interface humano-máquina. O hardware utilizado no sistema consiste em um Google Cardboard, um smartphone, um computador e um controlador de jogo. O smartphone utilizado nos testes é um Motorola Moto E XT 1025 com display de 4.3" e tela com resolução de 960x540 pixels.
O computador utilizado nos testes possui as seguintes configurações: O processador é um Intel Core i3-4005u Dual Core 1.7 GHz, com placa de vídeo Intel HD 4400 integrada, memória RAM 4GB DDR4 e Windows 10 Pro como sistema operacional.
A implementação de realidade virtual no simulador depende da fluidez na exibição das imagens no visualizador de realidade virtual, evitando travamentos e/ou latência que podem prejudicar a experiência do usuário. Para isso, foram realizados testes conhecidos como testes de benchmarking para a análise da performance do sistema.
A fluidez é medida através da taxa de quadros (frames) exibida por segundo na tela. Nos testes realizados, foi constatado que para que haja fluidez, é necessário que o sistema renderize às imagens por pelo menos 30 vezes por segundo, ou 30 FPS (frames per second).
Por isso, foram utilizados durante os testes, softwares que realizam a medição da taxa de FPS obtida durante a execução do simulador com o sistema de realidade virtual. No computador foi utilizado o software Fraps e no smartphone, foi utilizado o aplicativo Gamebench.
4. Resultados e Discussão
Os testes do sistema de realidade virtual com o Viação EstradaBus Game mencionados na metodologia foram realizados em cinco sessões de 15 minutos cada. O primeiro aspecto que foi observado nos testes foi a taxa média de frames por segundo que o Viação EstradaBus Game foi renderizado no computador. O resultado coletado através do software Fraps é mostrado na tabela 1.
Tabela 1: Tabela de desempenho do simulador no computador utilizado nos testes (em frames por segundo)
Sessões Taxa média (em FPS) Sessão 01 34.1 Sessão 02 32.7 Sessão 03 33.8 Sessão 04 31.2 Sessão 05 30.5
Média aritmética obtida 32.46
Desvio Padrão 1,58
Coeficiente de Variação 5%
Nos testes realizados, o computador conseguiu renderizar o simulador em taxas maiores que 30 FPS, obtendo uma média de 32.46 FPS, além de um desvio padrão de 1,58 e um Coeficiente de Variação de 5%. A partir destes resultados, é possível observar que o computador consegue renderizar o simulador com boa fluidez, não havendo uma maior oscilação nos resultados obtidos no decorrer das sessões, o que pode ser verificado nos valores representados pelo desvio padrão (1,58) e Coeficiente de Variação (5%). Não há problemas de desempenho que façam com que o computador atue como gargalo do sistema de realidade virtual.
Os testes observaram também a taxa de FPS no smartphone utilizando o aplicativo Gamebench para a medição como mostrado na tabela 02.
Tabela 2: Tabela de desempenho do simulador em visualização no celular no Trinus VR
Sessões Taxa média (em FPS)
Sessão 01 30
Sessão 02 30
Sessão 03 30
Sessão 04 30
Sessão 05 30
Média aritmética obtida 30
Desvio Padrão 0,00
Coeficiente de Variação 0%
Os resultados se mostraram consistentes, não havendo qualquer variação nos resultados obtidos no decorrer das sessões, o que pode ser verificado nos valores representados pelo desvio padrão (0,00) e Coeficiente de Variação (0%). O Trinus VR trava a exibição das imagens em 30 FPS devido a utilização de buffering triplo, onde um quadro de imagem é exibido, o posterior é processado e o terceiro quadro é armazenado [Khan et al. 2009]. Essa técnica é utilizada para manter a estabilidade na exibição das imagens exibidas pelo smartphone.
5. Conclusão
A pesquisa realizada neste presente artigo visou buscar a aplicabilidade da realidade virtual em um simulador veicular que pode ser utilizado em treinamentos de motoristas e demais usuários. Os testes de benchmarking do sistema puderam comprovar a viabilidade da integração de realidade virtual com o Viação EstradaBus Game para o aumento da imersão com o ambiente virtual de simulação.
O uso do Google Cardboard contribuiu sensivelmente para a diminuição de custos na implementação do sistema, além de cumprir com a proposta de possibilitar o uso de smartphones como visualizadores de realidade virtual. A pesquisa descrita no presente artigo ainda está em fase inicial, então são necessários testes com usuários para uma avaliação geral do sistema como interface avançada humano-computador verificando a influência da utilização da realidade virtual no treinamento de motoristas utilizando o simulador Viação EstradaBus Game.
Com os testes, chegou-se à conclusão de que é possível implementar um sistema de imersão avançada em um simulador veicular utilizando equipamentos de realidade virtual de custo bastante reduzido, como o Google Cardboard. Em trabalhos futuros, busca-se verificar soluções que aumentem o desempenho do sistema, como a realização de testes com usuários para observar como a implementação de realidade virtual em um simulador veicular pode influenciar no treinamento destes na condução de veículos.
Referências
Balbinot, A., Timm, M. I., & Zaro, M. A. (2009). Aplicação de jogos e simuladores como instrumentos para educação e segurança no trânsito. RENOTE, 7(1).
Khan, S., Bailey, D., and Gupta, G. S. (2009). Simulation of triple buffer scheme (comparison with double buffering scheme). In 2009 Second International Conference on Computer and Electrical Engineering, pages 403–407. IEEE.
Lee, P.-W., Wang, H.-Y., Tung, Y.-C., Lin, J.-W., and Valstar, A. (2015). Transection: Hand-based interaction for playing a game within a virtual reality game. In Proceedings of the 33rd Annual ACM Conference Extended Abstracts on Human Factors in Computing Systems, pages 73–76. ACM.
LUCAS, F. R., RUSSO, L. E. A., KAWASHIMA, R. S., FIGUEIRA, A. D. C., LAROCCA, A. P. C., & KABBACH JR, F. I. (2013). Uso de simuladores de direção aplicado ao projeto de segurança viária. Universidade de São Paulo.
MacIsaac, D. et al. (2015). Google cardboard: A virtual reality headset for $10? The Physics Teacher, 53(2):125–125.
Pessanha, M. E. d. A. (1991). A estereoscopia: o mundo em terceira dimensão. Rio de Janeiro: MEA Pessanha.
Rossetti, M. D. (2015). Simulation modeling and Arena. John Wiley & Sons.
Tori, R., Kirner, C., and Siscoutto, R. A. (2006). Fundamentos e tecnologia de realidade virtual e aumentada.
Trinus VR (2016). Trinus VR - Affordable PC VR. Disponível em: <http://trinusvr.com>. Acesso em: 26 de abril de 2016.
