PASSEIO CICLÍSTICO VIRTUAL UM APLICATIVO DE REALIDADE VIRTUAL IMERSIVA

PASSEIO CICLÍSTICO VIRTUAL –

UM APLICATIVO DE REALIDADE VIRTUAL IMERSIVA

Ricardo Del Roio

, Fabrício Martins Pedroso

, Jorge Teressino Rua

,

Wellington Francisco

, Roberto Scalco

1 Ricardo Del Roio, Centro Universitário do Instituto Mauá de Tecnologia – Escola de Engenharia Mauá, Praça Mauá, 1, 09.580-900, São Caetano do Sul, SP, Brasil, ricardodr@gmail.com

2 Fabrício Martins Pedroso, Centro Universitário do Instituto Mauá de Tecnologia – Escola de Engenharia Mauá, Praça Mauá, 1, 09.580-900, São Caetano do Sul, SP, Brasil, fabricio.pedroso@gmail.com

3 Jorge Teressino Rua, Centro Universitário do Instituto Mauá de Tecnologia – Escola de Engenharia Mauá, Praça Mauá, 1, 09.580-900, São Caetano do Sul, SP, Brasil, jtressino@gmail.com

4 Wellington Francisco, Centro Universitário do Instituto Mauá de Tecnologia – Escola de Engenharia Mauá, Praça Mauá, 1, 09.580-900, São Caetano do Sul, SP, Brasil, xharkos@uol.com.br

5 Roberto Scalco, Centro Universitário do Instituto Mauá de Tecnologia – Escola de Engenharia Mauá, Praça Mauá, 1, sala G-02, 09.580-900, São Caetano do Sul, SP, Brasil, roberto.scalco@maua.br

Abstract  This work presents the development of a virtual reality project, allowing users simulate a bicycle ride. It was developed the hardware and the software for this objective, being the last one the main in this article. The user senses are stimulate visually with stereo images and by a motor reaction linked in the bike wheel that apply more or less force on the pedal. The OpenGl library is used to render the virtual world on the Head Mounted Display LCDs allowing the stereo visualization and to rotate the virtual camera with head sensors signals. The camera position is modify by a physic engine and sensor signals input linked in the bike handlebar and wheel.

Index Terms  Bicycle Ride, Immersive Virtual Reality, Interaction Human-Machine, Virtual World.

I

Em meio a situações em que as pessoas fazem cada vez menos atividades físicas em virtude de diversos fatores como tempo, local apropriado e até mesmo a falta de segurança tornou-se necessário adequar a pratica de um esporte (ou lazer) a nova realidade que tem suas próprias regras e fundamentos. A idéia da realidade virtual é integrar componentes que simulem estímulos sensoriais de visão, audição e tato, além de sensações de resistência à força propiciada pela geometria do percurso, com intuito de tornar essa nova realidade tão natural quanto o real.

Apesar da implementação da realidade virtual tornar-se praticável recentemente devido aos avanços tecnológicos, o conceito de simular uma realidade em um espaço cibernético foi descrito há algumas décadas pelo autor de ficção cientifica William Gibson, em seu romance Neuromancer. Gibson descreve a realidade como sendo uma alucinação partilhada por bilhões de pessoas em um mundo em que as informações eram percebidas por uma manifestação física, não só vistas ou ouvidas, mas também sentidas [1].

Como a interação humana com o meio é essencial para o conceito de espaço cibernético, é fundamental que existam

interfaces que substituam os estímulos aplicados aos sentidos utilizados para a percepção em uma determinada aplicação. Um usuário não deve somente clicar sobre um botão com o mouse ou digitar em um teclado, mas estender-se e girar uma maçaneta virtual, ou até mesmo, movimentar o guidão de uma bicicleta da mesma maneira que é feita no mundo real [2,3].

T

R

Esta seção apresenta um conjunto de projetos e aplicações que serviram como base para o desenvolvimento do passeio ciclístico virtual.

Virtual Terrain Project

O foco desse projeto é a criação de ferramentas que facilitam a construção de elementos em três dimensões e de um aplicativo de interação para os ambientes criados. Existem diversos ambientes já desenvolvidos e prontos para serem baixados e reutilizados, como por exemplo, a cidade de Nova York, Paris e Roma.

A interação na movimentação da câmera virtual é feita por dispositivos simples de entrada, como o teclado e mouse, por isso não apresenta característica imersiva [4].

FIGURA. 1

Bike Trainner

A loja de equipamentos esportivos Fast Runner, localizadas em São Paulo e no Rio de Janeiro, oferece aos seus clientes um equipamento chamado Bike Trainner. Simulando, com um vídeo interativo, uma corrida de bicicletas que pode ser observada em um monitor comum. Neste equipamento uma pessoa pode testar seu condicionamento físico, ou até mesmo se preparar para uma competição. Esse equipamento simula, em uma pista virtual, a resistência do vento e variações do relevo [5].

FIGURA. 2

SIMULAÇÃO DE UMA CORRIDA UTILIZANDO UM VIDEO INTERATIVO.

Simulador de vôo

Os simuladores de vôo são uma das mais antigas aplicações de realidade virtual e existiam antes mesmo da criação desse conceito. Desta aplicação, vários elementos e definições foram criados e são usadas até hoje, como a imersão total e o controle em tempo real pelo usuário.

Simuladores de vôo profissional são equipamentos complexos com sistemas hidráulicos que recriam o movimento de uma aeronave durante seu vôo. Servem como instrumento de ensino, treinamento, e em alguns casos, ajuda autoridades a investigar as causas de um acidente aéreo [6,7].

FIGURA. 3

SIMULADOR DE VÔO PROFISSIONAL BOEING 777.

E

B

P

O ambiente virtual desenvolvido possibilita a simulação de um passeio ciclístico, utilizando uma bicicleta comum acoplada a um suporte de treino. No suporte é acoplado um motor que pode atuar na movimentação da roda traseira.

A sensação de descida ou subida é realizada pelo controle da velocidade e torque, que acelera ou freia o motor em tempo real, dependendo da resposta do mundo virtual para a situação atual. De maneira análoga, a direção e a velocidade atual da bicicleta são obtidas, respectivamente, a partir de sensores localizados no guidão e na roda traseira. Esses sensores enviam os dados obtidos para o dispositivo de controle digital, no caso um microcontrolador PIC, como pode ser analisado no diagrama da figura 4.

FIGURA. 4

DIAGRAMA DE CONTROLE DOS SENSORES E MOTOR.

Todas as informações obtidas pelo controle digital são enviadas para o microcomputador através de uma comunicação serial, utilizando o protocolo RS-232. Nessa transmissão, as informações de controle do motor também são enviadas do microcomputador ao controle digital.

As informações são recebidas pelo engine físico, desenvolvido especialmente para esse projeto. Desta maneira, é possível executar o cálculo da nova posição do avatar (a representação do usuário no mundo virtual), como pode ser verificado na figura 5.

FIGURA. 5

OBTENÇÃO DAS INFORMAÇÕES PELO PC.

As imagens tonalizadas são enviadas ao Head Mounted Display com uma taxa de atualização média de 60 f.p.s., criando uma sensação visual de realismo imersivo, em tempo real. Para um maior realismo, esse dispositivo utilizado oferece o recurso de Head Tracking, que emula o “olhar em volta”, ou seja, permite que o usuário olhe para

qualquer direção no mundo virtual em até 360º em qualquer eixo de visualização.

FIGURA. 6

TONALIZAÇÃO E POSIÇÃO DO HEAD TRACKING.

D

A

O aplicativo de realidade virtual inicialmente foi projetado na linguagem de programação C++, mas por alguns problemas relacionados à biblioteca de comunicação serial e a biblioteca de controle de eventos do Windows essa foi abandonada, sendo substituída pela linguagem Object Pascal, utilizando a IDE Borland Delphi 6.0.

Para um melhor detalhadamente do projeto, é possível dividir o aplicativo de realidade virtual em três macros divisões:

Comunicação e Controle

A comunicação entre o microcomputador e o controlador digital pode gerar atrasos devido a diversos efeitos externos. Para evitar que eventuais problemas possam prejudicar outros processos que estejam ocorrendo ao mesmo instante, foram criadas threads que executam os processos críticos em paralelo ao programa principal. As informações utilizadas por essas threads são transmitidas por buffers, evitando qualquer tipo de paralisação no programa principal.

FIGURA. 7

FLUXO DE DADOS ENTRE THREADS E O PROGRAMA.

Todas as informações obtidas são enviadas ao engine físico, para o cálculo da próxima iteração da cena. Inicialmente a Open Dynamics Engine [8] foi adotada como o engine físico do projeto.

Após uma série de testes e simulações concluiu-se que este engine está preparada para responder a muitos fenômenos físicos, dos quais a maioria não seria utilizada. Além disso, existe a complexidade na configuração dos parâmetros referentes ao mundo virtual que podem gerar

efeitos não desejados aos valores calculados. Desta maneira, foi desenvolvido para o projeto um engine físico próprio, limitado aos fenômenos específicos do passeio ciclístico.

O engine físico trabalha basicamente com o estudo dos movimentos, conhecido como cinemática. São utilizados como entrada de dados a direção do guidão, velocidade atual e o vetor normal do plano onde a bicicleta se encontra. A partir destas informações pode-se calcular a nova posição a partir de equações do Movimento Retilíneo Uniforme.

Para a obtenção do vetor normal é necessário realizar uma busca na lista de faces que definem a geometria do terreno, tendo como parâmetro a posição atual da bicicleta. Dependendo do tamanho do terreno, essa busca pode consumir grande parte do processamento, comprometendo a resposta em tempo real do sistema. Para a otimização na busca foi implementada a técnica quadtree [9], que divide o terreno em quadrados menores. Após alguns testes foi verificado que depois de sua utilização houve uma queda brusca no tempo de localização de

O

( )

n

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log

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O

⋅

FIGURA. 8

EXEMPLO DE DIVISÃO POR QUADRADOS.

Tonalização

Os modelos tridimensionais do mundo virtual foram criados utilizando a ferramenta Autodesk 3DS Max. Foi desenvolvida uma biblioteca que importa os vértices e as respectivas faces e dos modelos, permitindo a tonalização dos elementos.

Dependendo da quantidade de vértices e faces dos modelos importados, o tempo total gasto somente para tonalizar os objetos, independente se está sendo visualizado ou não, compromete o restante do sistema. Uma solução possível para o problema seria a redução de vértices do modelo. Esta redução da resolução espacial compromete o resultado gráfico, gerando formas com serrilhado, diminuindo o realismo desejado. A solução adotada para esse caso foi à aplicação da técnica frustum culling [10]. Nessa técnica é determinado o volume de visualização, denominado frustum, entre os dois planos perpendiculares à direção de projeção da câmera. Todos os modelos tridimensionais que possuírem pelo menos alguma face no interior do volume de visualização serão tonalizados,

enquanto que os que estiverem do lado de fora são descartados.

FIGURA. 9

EXEMPLO DA TÉCNICA FRUSTUM CULLING.

Efeitos Aplicados

Para que o usuário tenha uma maior sensação de realismo, alguns efeitos visuais foram criados e aplicados. A biblioteca OpenGL trás implementado alguns efeitos básicos, pronto para uso. Um exemplo é a iluminação, na qual foi usado no projeto para simular a luz solar.

Um efeito essencial para ambientes abertos é a simulação do céu, em todos os horários do dia. Isto é, as diferentes sensações que o usuário tem ao olhar para o céu, por exemplo, e ver a cor a azul ao meio-dia ou olhar para céu a meia-noite e ver as estrelas brilharem. A técnica Sky Dome foi utilizada, criando um hemisfério sobre o terreno, permitindo simular todos os efeitos da difração da luz.

As figuras 10 e 11 mostram os efeitos da técnica sky dome. Deve-se notar a cor do sol e a variação da tonalidade do céu, principalmente no crepúsculo.

FIGURA. 10

SIMULAÇÃO DO CÉU ÀS 9H UTILIZANDO SKYDOME.

FIGURA. 11

SIMULAÇÃO DO CÉU ÀS 19H UTILIZANDO SKYDOME.

Outro ponto importante no mundo virtual é a visualização do terreno. Após alguns testes foi verificado que a aplicação usual de textura no terreno não ofereceu uma sensação de realismo desejado. Uma das soluções viáveis seria criar ondulações a partir de ruídos nos modelos tridimensionais, tentando evitar ao máximo as bordas serrilhadas. Isso geraria diversos vértices adicionais, o que poderia comprometer a velocidade do processamento. A solução adotada foi a utilização da técnica Bump Mapping [11]. Nesta técnica são realizadas modificações nas componentes dos vetores normais de cada face do terreno, criando o efeito visual de pequenos buracos em todo o terreno. O resultado do bump mapping pode ser verificado comparando as figuras 11 e 12, principalmente na região mais alta das elevações.

FIGURA. 12

FIGURA. 13

DETALHE DO TERRENO COM BUMP MAPPING APLICADO.

R

Após testes com voluntários, verificou-se que a sensação visual de movimento é alterada de acordo com a quantidade de objetos existentes ao lado da pista. Conforme o usuário ultrapassa esses objetos, ele adapta sua noção de espaço verificando o tempo entre a passagem de duas árvores, por exemplo. A sensação de navegação e equilíbrio atinge o seu ponto máximo quando o usuário se encontra em um ponto com uma altitude muito elevada e com uma pista de largura suficiente grande para passar apenas uma bicicleta, como por exemplo, uma ponte entre duas montanhas.

O senso de direção do usuário no mundo virtual é estimulado pela movimentação modelo tridimensional da bicicleta. Esse modelo se move conforme o usuário interage com a bicicleta real. O guidão virtual também é rotacionado conforme o usuário o gira na bicicleta real.

FIGURA. 14

PONTO DE VISTA DO USUÁRIO.

Os testes foram realizados em uma sala escura, para que a luz ambiente não interferisse na visualização do mundo virtual. Este problema ocorre pelo fato do dispositivo Head Mounted Display possuir aberturas nas laterais.

Os testes foram realizados em um computador com processador AMD Athlon 64 – 2,1 GHz, 1GB RAM DDR e uma placa de vídeo NVidia GeForce 6800XT. O dispositivo Head Mounted Display utilizado foi eMagin Z800 3DVisor.

C

Utilizando a integração de tecnologias eletrônicas e computacionais para aplicar o conceito de realidade virtual, foi possível criar um ambiente no qual o usuário tem a sensação de imersão e interação. Desta forma o mesmo pode sentir as dificuldades de subida e descida apresentadas no passeio ciclístico ou simplesmente olhar a paisagem ao redor, apenas girando a cabeça.

A

Os integrantes do projeto agradecem ao Centro Universitário do Instituto Mauá de Tecnologia pelo apoio financeiro.

R

[1] GIBSON, W. "Neuromancer". São Paulo, SP: Aleph, 2003. 303p. [2] HAMIT, F. "Realidade virtual e a exploração do espaço cibernético".

Rio de Janeiro, RJ: Berkeley, 1993. 372p.

[3] WODASKI, R. "Extravagâncias em realidade virtual". Rio de Janeiro, RJ: Berkeley, 1993. 528p.

[4] Virtual Terrain Project. Disponível em: <http://www.vterrain.org>. Acesso em 05 Abr. 2006.

[5] Fast Runner – Simulador Bike Trainer. Disponível em <http://www.fastrunner.com.br/biketest.asp>. Acesso em 28 Set. 2006.

[6] Virtual Reality Resources – Applications. Disponível em: <http://vresources.jump-gate.com/applications/applications.shtml>. Acesso em 01 Jul. 2006.

[7] Atlantis Cyberspace – Pro. Boeing 777 Flight Simulator. Disponível em: <http://www.vr-atlantis.com/vr_systems_guide/65.html>. Acesso em 28 Set. 2006.

[8] Open Dynamics Engine. Disponível em: <http://www.ode.org>. Acesso em 06 Mar, 2006.

[9] ABRAHAM, F. R., et al. Quadtrees. Trabalho final de curso de Geometria Computacional. Disponível em: < http://www.tecgraf.puc-rio.br/~fabraham/gc>. Acesso em 13 Jun. 2006.

[10] View Frustum Culling Tutorial. Disponível em

<http://www.lighthouse3d.com/opengl/viewfrustum>. Acesso em 29 Jun. 2006.

[11] An overview of Bump Mapping Techniques. Disponível em < http://www.delphi3d.net/articles/viewarticle.php?article=bumpmappin g.htm>. Acesso em 07 Mai. 2006.