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Campo Grande
PRISCILA HARUMI SATO
A UTILIZAÇÃO DOS SMULADORES ENVOLVENDO A
REALIDADE VIRTUAL
Campo Grande 2020
A UTILIZAÇÃO DOS SIMULADORES ENVOLVENDO A
REALIDADE VIRTUAL
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à (UNIDERP), como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em (Engenharia da Computação).
Orientador: Bruno Roberto
PRISCILA HARUMI SATO
A UTILIZAÇÃO DOS SIMULADORES ENVOLVENDO A
REALIDADE VIRTUAL:
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à (UNIDERP), como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em (Engenharia da Computação).
BANCA EXAMINADORA
Prof(a). Titulação Nome do Professor(a)
Prof(a). Titulação Nome do Professor(a)
Prof(a). Titulação Nome do Professor(a)
Dedico este trabalho para todas as pessoas que acreditaram em mim, especialmente a minha família.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente queria agradecer a Deus por estar sempre ao meu lado, me dando força, ânimo e crença para que eu não desistisse e continuasse lutando para o meu objetivo e sonho. Sem ele não seria possível.
Agradeço a todos os professores que influenciaram na minha trajetória. Em especial à coordenadora Adriana e a professora Simone.
A minha mãe Janete Bielinski Sato (in memorian), que em algum lugar deve estar vibrando com a minha vitória.
Agradeço a minha família, a minha mãe Silva, que encheu o meu coração de amor e esperança e me mostrou que não precisa de “sangue” para ser uma família, sempre fez de tudo por mim. Obrigada minhas irmãs Kimberley e Kayla, por serem tão companheiras e amigas. Ao meu avô Luis, que sempre esteve comigo. Ao meu pai Tikara e meus irmãos Rodrigo e Ricardo, que sempre me incentivaram.
Agradeço, sobretudo à minha avó Yone, que me deu força, apoio e incentivo em todo o momento da minha carreira acadêmica, me inspirou e mostrou que nada é impossível, meu maior exemplo de luta e determinação.
Sou grata à empresa LEVELWORK, que concedeu a chance de fazer estágio e conhecer um pouco mais da minha área de formação, não apenas à área, mas também como iniciar um projeto e todo o funcionamento de uma empresa.
Aos meus amigos e sócios, Erica, Douglas e Bruno. Sou muito agradecida por cada conhecimento que tivemos com o nosso projeto de Realidade Virtual, onde conseguimos a oportunidade de mostrar em vários lugares como a Blink102FM. Foram cinco anos com inúmeros conselhos, “puxões de orelhas”, brigas, mas sempre as risadas foram as melhores.
Especialmente aos meus amigos Luiz e a Cris. Foram fundamentais para a minha formação, nunca negou um apoio e ajuda, sempre que precisei estiveram por perto, meu eterno agradecimento e mais uma vez vocês são minhas inspirações.
Aos meus amigos, Ranielly, Blenda, Carlos, Diogo, que me aguentaram durante esses cinco anos. Com muitas brigas e risadas. A dona Marcia com toda calmaria do mundo comigo. E a dona Erlani que me aceitou como se fosse sua filha e cuidou de mim. A Akemi que sempre me ajudou e esteve comigo a qualquer hora.
Eu tentei 99 vezes e falhe, mas no centésima tentativa eu consegui, nunca desista de seus objetivos mesmo que esses pareçam impossíveis, a próxima tentativa pode ser a vitoriosa.
SATO, Priscila Harumi. A UTILIZAÇÃO DOS SIMULADORES ENVOLVENDO A
REALIDADE VIRTUAL. 35 Páginas. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação
em Engenharia da Computação) – UNIDERP, Campo Grande, 2020.
RESUMO
A tecnologia permite um acesso ao ambiente sintético, totalmente imersivos possibilitando a representação interativa. Foram criadas interfaces intuitivas ultrapassando os limites existenciais com o monitor, permitindo a atuação do usuário no espaço tridimensional. Ao utilizar o ambiente virtual, pode ser ampliado o sentido e a capacidades humana. A existência dos simuladores vai do pequeno ao nível atômico ou tão grande ao nível das galáxias, pode ser viajada a velocidade muito superior que a da luz, e muito mais lenta que uma câmera lenta. Com alguns recursos de programação é possível a interação do usuário com o ambiente virtual. Para conseguir ver o ambiente virtual terão que usar o monitor do computador e capacetes de visualização que é os óculos de realidade virtual. Isso faz permitir o que antes era impossível ou inacessível. Com isso pode visitar sala de aula como laboratório interagindo com o professor e objetos, ir ao espaço visitando toda a galáxia, ver o corpo humano, cada célula e o funcionamento dela, pode-se utilizar os simuladores para treinamentos que são considerados de alto risco para o humano, sem nenhum risco ao realizar.
SATO, Priscila Harumi. THE SIMLATORS FOR US RELATED TO VIRTUAL
REALITY 35 páginas. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia
da Computação) – UNIDERP, Campo Grande, 2020.
ABSTRACT
The technology allows an access to the synthetic environment, totally immersive allowing the interactive representation. Intuitive interfaces were created that exceed the existential limits with the monitor, allowing the user to act in three-dimensional space. By using the virtual environment, human sense and capabilities can be expanded. The existence of simulators ranges from small to atomic level or as big at the level of galaxies, it can be traveled at a speed much higher than that of light, and much slower than slow motion. With some programming resources, user interaction with the virtual environment is possible. To be able to see the virtual environment they will have to use the computer monitor and viewing helmets, which is the virtual reality glasses. This allows for what was previously impossible or inaccessible. With that you can visit the classroom as a laboratory interacting with the teacher and objects, go to space visiting the entire galaxy, see the human body, each cell and its functioning, you can use the simulators for training that are considered high risk for the human, without any risk when doing
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Ivan Sutherland e seu projeto Sketchpad em 1963 ... 16
Figura 2 – Head-mounted display desenvolvido por Ivan Sutherland ... 17
Figura 3 – RV não imersivo/ RV imersivo ... 19
Figura 4 – 6-DoF (movimento de rotação e translação) com o vídeo capacete. ... 23
Figura 5 – WINDTUNNEL, desenvolvido pela NASA [Ressler,1997] ... 23
Figura 6 – O usuário pode “sentir” o peso e o cabo do martelo ... 25
Figura 7 – Diferentes modelos de dispositivos hápticos ... 26
Figura 8 – Esquema de uma luva de dados em fibra ótica ... 26
Figura 9 – Camadas de abstração ... 30
Figura 10 – Avatar/Humanos Virtuais ... 32
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AV Ambiente Virtual
AVDs Ambientes Virtuais Distribuídos
RV Realidade Virtual
X3D Extensão 3D
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SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 14
2 A REALIDADE VIRTUAL ... 16
2.1 CONCEITO DA REALIDADE VIRTUAL ... 17
2.2 CARACTERIZAÇÃO DA REALIDADE VIRTUAL ... 18
2.3 TIPOS DE SISTEMAS ... 19
2.4 ENSINO COM A REALIDADE VIRTUAL ... 20
3 SIMULADORES VIRTUAIS ... 22
3.1 DISPOSITIVOS HÁPTICOS DE INTERAÇÃO ... 24
3.2 RASTREAMENTO MECANICO DATAGLOVE ... 26
4 DESENVOLVIMENTO DE AMBIENTE VIRTUAL ... 28
4.1 SOFTWARE ... 28
4.2 HARDWARE ... 29
4.3 MODELAGEM E PROGRAMAÇÃO DE AMBIENTES VIRTUAIS INTERATIVOS ... 29
4.4 AVATARESEHUMANOSVIRTUAIS... 31
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 34
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1 INTRODUÇÃO
Para que tenha um aprendizado eficaz é importante ter uma combinação de teoria com a prática. Aprender tem o significado de que está apto para realizar uma determinada tarefa, no qual é necessário ter a fundamentação teórica com habilidade prática e assim criar uma fundamentação para as ações do dia a dia.
No ensino existem dois tipos de práticas: a prática de aprendizado que é adquirido com atividades de laboratórios, treinamentos e exercício e a prática profissional, que são realizadas através de estágios, incubadoras de empresas, visitas técnicas, entre outros. Porém não são todas as práticas que conseguem ser realizadas, algumas são perigosas ou inadequadas e não podem ser realizadas em aulas práticas.
Com a base em estudos sobre ensino-aprendizagem, foram criados vários tipos de simuladores de Realidade Virtual. Onde o aluno tem a oportunidade de treinar, na forma prática, sem perigo e com mais frequência. Pois a partir do momento que se adquiriu a tecnologia adequada pode utilizar onde e quando quiser. O potencial do uso da computação no processo de ensino-aprendizagem é enorme e variável. Pode ser aplicado desde simulador de cirurgia, até a viabilidade de um projeto civil ou arquitetônico. A realidade virtual está influenciando e mudando o pensamento e experiência com o ambiente virtual, pois está modificando cada dia mais a maneira como são projetados.
Assim, de que forma a Realidade Virtual pode contribuir no processo de ensino aprendizagem utilizando simuladores? Alguns softwares são uteis aos arquitetos, pois permite o cliente a caminhar, observar, trocar a posição do sol, a da lua, verificar por um ângulo diferente, isso tudo é feito ates mesmo de que o edifício seja construído.
A realidade virtual é retratada com um conjunto de tecnologias que usam como apoio os computadores. Eles simulam uma realidade que existe ou projetada. Isso permite que os usuários entram em um ambiente tridimensional, possibilitando interagir com os objetos nesse mesmo ambiente. Isso permite a criação de ambientes de aprendizagem que funciona como os laboratórios virtuais, também possibilita simular uma cirurgia, uma ida ao espaço, um voo, entre outros.
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Com isso o objetivo geral da pesquisa é verificar a eficiência de um ambiente virtual para aprendizagem com a realidade virtual. E como objetivos específicos a pesquisa vai abordar os conceitos da Realidade Virtual, apresentar os tipos de simuladores, demonstrar as aplicações e técnicas utilizadas nos simuladores e descrever as principais características de um desenvolvimento de ambiente virtual.
Com o avanço da tecnologia foi possível criar o mundo virtual, utilizando a imersão, interação, o envolvimento, e isto se tornou um ambiente ideal para treinamentos. O objetivo do uso dos simuladores envolvendo a Realidade Virtual é permitir uma aprendizagem mais segura, rápida e ampla, devido que os detalhes e as possibilidades que são infinitos. A utilização desse tipo de interface vem para ajudar o ensino, e não substituir o ensino tradicional.
A Realidade Virtual depende componentes de hardware e software para criar o ambiente, com o hardware e softwares específicos para esse fim, pode-se realizar treinamentos em qualquer lugar e quantas vezes forem necessárias, sem muitas limitações e perigo. Assim diminuirá o risco de erro e o aprendizado é melhor.
Este trabalho foi desenvolvido através do método de pesquisa bibliográfica. Sendo a pesquisa realizada através de materiais já elaborados, como livros e artigos contendo informações sobre a Realidade Virtual.
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2 A REALIDADE VIRTUAL
A realidade virtual (RV) trabalha no ponto de desenvolve uma interface interativa que chega ser mais próximo dos sentidos dos seres humanos. A RV é conhecida como uma tecnologia do futuro que está ainda sendo desenvolvido a cada dia que passa. Diversas áreas de pesquisas estão sendo desenvolvida para esse avanço tecnológico.
Em 1950 foi criado o primeiro dispositivo que possibilitou a imersão dos sentidos do usuário em um mundo virtual tridimensional. Em 1960 foi feito o primeiro capacete de RV que foi utilizado por um engenheiro. Em 1960 foi criado o Sketchpad, que foi o primeiro computador gráfico da história. Na figura 1 mostra Ivan Sutherland com o Sketchpad. Logo após, Ivan Suthrland começou a trabalhar no “Ultiate Display” (PACKER, 2001). E no final dessa década que foi feito o primeiro capacete de RV e foi iniciada a pesquisa sobre graus de liberdade em que um objeto pode mover no espaço em 3D (3DOF). Na figura 2 mostra o capacete Head-mounted displau que foi desenvolvido por Ivan Sutherland.
O termo Realidade Virtual foi dado pelo cientista da computação Jaron Lanier (BIOCCA, 1995), ele conseguiu juntar os dois conceitos que eram impossíveis até então, e possibilitou a capacitação de captar essa nova tecnologia: é a busca pela fusão real com o virtual.
Figura 1: Ivan Sutherland e seu projeto Sketchpad, em 1963.
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Figura 2: Head-mounted displau desenvolvido por Ivan Sutherland.
Fonte: Romero Tori (2006)
2.1 CONCEITO DA REALIDADE VIRTUAL
O conceito da Realidade Virtual é uma avançada interface de homem-máquina que simula um ambiente realístico, permitindo que os participantes possam interagir. Essa interface é considerada como sendo a mais avançada até agora, porque busca levar ao usuário sensações que lhe dão informações sobre o mundo virtual como se ele realmente existisse (LATTA, 1994).
Segundo o Levy (1996), virtual deve ser considerado algo que existe em potência, retira a fantasia da diferença entre o mundo real e o virtual, as forças que acompanha uma situação, um caso, um material ou uma associação qualquer, é chamado de um processo de resolução, a atualização.
Pimentel (1995) define que a RV utiliza o uso de alta tecnologia para convencer o usuário de que ele está em outra realidade, totalmente imersivo. Os acessórios envolvidos para construir um ambiente virtual imersivo apresentam custos bem altos, existem alternativas que viabilizam a composição de sistemas mais simples e baratos, mas são menos imersivos.
As categorias classificam os ambientes de realidade virtual nos seguintes grupos: desktop (SOUZA, 2008), semi imersivo (TUBL, 2009) e completamente imersivo (CRUZ-NEIRA, 1992). As soluções em desktop e de semi imersivo praticamente eliminam a necessidade de utilizar periféricos de custos elevados, isso faz com que reduz de forma significativa o valor de custos.
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Segundo Von Schweber, (1995), a RV permite que navegue e observe um mundo tridimensional, pode ser em tempo real ou não. Ele faz com que exige uma capacidade maior do software de definir a capacidade do hardware de reconhecer, pois utilizam os seis graus de liberdade (6DOF), que são para frente/para trás, para acima/abaixo, para esquerdo-direita, inclinação para cima/para baixo, angulação à esquerda/à direita e a rotação à esquerda/à direita.
A RV é como fosse um espelho da realidade física, onde ela possa ter sensação do tempo, a capacidade de interagir, sentir e até mesmo tocar os objetos. Esses equipamentos fazem com que simula todas as condições, chegando ao ponto em que pode até simular várias ações.
2.2 CARACTERIZAÇÃO DA REALIDADE VIRTUAL
A RV é uma interface avançada do usuário para que possa acessar as aplicações executadas no computador, com movimento no ambiente tridimensional em tempo real e interação com o cenário ou objeto desse ambiente. É ainda mais enriquecida pela estimulação do sentido com o tato e audição.
O ambiente virtual é utilizado a linguagem VRML (Virtual Reality Modeling Language), X3D, Walsh, Web3d entre outras linguagens especificas que permite a visualização dos ambientes e manipulação de objetos e cenários e movimentação no espaço tridimensional, podendo visualizar de qualquer posição.
A interação do usuário com o ambiente virtual é o aspecto mais importante nessa interface, o computador terá que detectar as ações do usuário e reagir instantaneamente. Essa interação tridimensional é realizada em tempo real e totalmente realista, obedecendo ao comando instantaneamente. Para suportar essa interação terá que utilizar capacetes de visualização, luvas, o corpo. O usuário terá que ter a sensação de estar realmente dentro do ambiente virtual, apontando, pegando, manipulando, andando, correndo, em tempo real, dentro do limite definido. Sem o atraso que causa um pouco de desconforto.
Os atrasos admissíveis estão em torno de 100 milissegundos, isso vale para a visão, tato, força e audição. Isso significa que os equipamentos devem ser potentes para conseguir rodar o sistema, processadores, softwares, dispositivos, ambiente virtual que possibilita a interação, entre outros. Terá que funcionar com a taxa
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mínima de 10 quadros por segundos para renderização das imagens e de 100 milissegundos de atraso com as reações do usuário.
Segundo Burdea (1994), a definição mais adotada de RV é uma interface avançada para aplicações computacionais, que permite ao usuário a movimentação e interação em tempo real em um ambiente tridimensional podendo fazer o uso de dispositivos multissensoriais para a atuação.
2.3 TIPOS DE SISTEMAS
A Realidade Virtual pode ser classificada em dois modos, imersiva e não-imersiva, conforme o sendo de presença do usuário. Quando ela é imersiva o
usuário é transportado para o domínio da aplicação através dos dispositivos que são compatíveis como o capacete, luvas, esteiras, entre outros que provoca uma
sensação de presença dentro do mundo virtual. É considerado não-imersiva quando o usuário é transportado parcialmente ao mundo virtual através de uma janela, como monitor, projeção que continua sentindo ainda o mundo real. Na figura 3 tem a demonstração de RV imersiva e não imersiva.
Figura 3: Realidade Virtual imersiva e não imersiva.
a) RV não imersiva com monitor. b) RV imersiva com o capacete HMD
Font: Marcos Wagner 2009
Quando é usado o capacete ou entrando numa CAVE o usuario pode mover a cabeça para todos os lados que verá todo o cenario virtual como estivesse dentro desse local. No capacete existe o sensor de movimento que é o rastreador, ele sinaliza para o computador para que possa mostrar as imagens correspondentes ao
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campo de visao no capacete, já na CAVE essa projeção são feitas na parede, teto, chao, o usuario entrara dentro desse local, isso faz com que não seja preciso a utilizacao do capacete, e entra diretamente no quarto virtual utilizando apensa um oculos proprio. Os dois tem uma caracteristicas especificas sobre os equipamentos que são o som e estereoscopia que aumenta o realismo do ambiente virtual que possibilita a melhoria da imersão. A estereoscopia permite ter a noção de
profundidade. No oculos as imagens vai para cada olho especifico.
2.4 ENSINO COM A REALIDADE VIRTUAL
Segundo Silva (2000) a sala de aula é um ambiente que o professor explica, ele entra como um contador, o designer de software interativo tem quase a mesma função. Ele constrói um território a serem explorados e disponibiliza coautoria e múltiplas conexões, isso permite que quem está aprendendo tenha a capacidade de autodidata, com maior capacidade de aprendizagem. Isso faz com que a educação se torna uma ação que cria o conhecimento e não apenas reproduz. Estimula a curiosidade de que o aluno viaje sozinho com mais facilidade de aprendizagem que um livro comum.
Para Moran (2000)
Educar é colaborar para que professores e alunos nas escolas e organizações - transformem suas vidas em processos permanentes de aprendizagem... Uma mudança qualitativa no processo de ensino/aprendizagem acontece quando conseguimos integrar dentro de uma visão inovadora todas as tecnologias: as telemáticas, as audiovisuais, as textuais, as orais, musicais, lúdicas e corporais... É importante diversificar as formas de dar aula, de realizar atividades, de avaliar.
Com o estudo utilizando a RV, terá a motivação dos estudantes de forma geral, grande ilustração de características e de processos, permite visualizar com detalhe dos objetos, possibilita verificação dos objetos que estão a grandes distancias, como um planta ou satélite, permite com que seja um aprendizado fora do âmbito de uma sala de aula, cria mais coragens e criatividades, na medicina permite a realizar treinamento de cirurgia, entre outras.
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Smart (1996)
Cita várias categorias de aplicações explorando o uso de ambientes virtuais: - Desenvolvimento de tarefas no mundo real através de teleoperação; - Treinamento virtual de tarefas que mais tarde serão realizadas no mundo real; - Aprendizagem e aquisição de conhecimento; - Projeto cooperativo; - Diversão; - Comunicação - Exploração das capacidades perceptual e motora dos homens.
Na área da educação, Ramos e Nunes desenvolveram um trabalho em 2005 que define uma Atlas Virtual com o objetivo de facilitar o estudo de anatomia e a fisiopatologia do câncer de mama. Esse sistema permite ter acesso nas informações sobre as estruturas anatômicas, com base em tempo real.
Além disso, possibilita a visualização do crescimento de tumores. Nesse caso faz com que o aprendizado seja mais significativo, por causa das estruturas tridimensionais, pois possibilita a visualização em 360° e podendo até mesmo manusear, realizando o teste de como retirar esse tumor. O usuário pode manipular as estruturas, cortando, removendo, observando onde e como fica mais eficaz. Pode observar as interconexões que são realizadas conforme o corpo humano.
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3 SIMULADORES VIRTUAIS
Conforme Gradescki (1994) e Delaney (1996), o vídeo-capacete (Head-Mounted Display - HMD) é um dos dispositivos de interface para RV mais popular, por ser um dispositivo de saída de dados que mais faz com que o usuário fica isolado do mundo real, ficando totalmente imersivo no mundo virtual. Ele é composto por duas telas de TV junto com lentes especiais. As lentes fazem com que o seu olho fique focado e ajuda a ampliar o campo de visão.
Ele funciona como um dispositivo de entrada de dados, pois contém sensores de rastreamentos, que permitem medir as posições dos movimentos, da cabeça aos pés, que envia esses dados imediatamente para o computador. Após isso o computador gera uma sequência de imagens das ações e perspectivas dos usuários em segundos. Pimentel (1995), afirma que “usuário pode “sentir” o peso e o cabo do martelo, enquanto um braço mecânico executa a mesma ação com o martelo real”.
Machover, 1994 declara que o principal motivo desta nova tecnologia é fazer com que desfrute a sensação de presença no mundo virtual. Assim possibilita fazer a simulação e treinamento em diversas áreas, ajudando para o analise e manipulação das representações virtuais com os capacetes e as luvas imersivas.
A RV permite que navegue e observe um universo tridimensional sob seis graus de liberdade (6 DOF). Na Figura 4 mostra o 6-DoF (movimento de rotação e translação) com o vídeo capacete. Isso exige a capacidade do software de definir e a do hardware de reconhecer os seis tipos de movimentos: para frente e para trás, acima e baixo, esquerda e direita, rotação à esquerda e a direita. A RV é um espelho do mundo físico onde tem que existir em três dimensões e com a sensação de estar totalmente imerso no ambiente possibilitando a interação com o mundo ao seu redor. Ele simulam essas condições, onde chega ao nível em que o usuário pode tocar virtualmente os objetos de um mundo virtual e fazer com que eles respondam instantaneamente as ações. (Von Schwber, 1995)
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Figura 4: 6-DoF (movimento de rotação e translação) com o vídeo capacete.
Fonte: virtualspeech 2019
Loftin e Kenney, 1995, relatam o uso das tecnologias de RV pela Agência Espacial Americana (NASA), no treinamento da equipe de manutenção do telescópio espacial Hubble. Foi utilizado esse treinamento para uma missão espacial. O treinamento consistia na prática de seis procedimentos, todos para serem executados do lado de fora da nave espacial.
A NASA foi a pioneira do desenvolvimento no ambiente virtual (figura 5), criou um túnel de vento com todas as características técnicas de um modelo real. Foi projetado para conseguir visualizar uma simulação em 3D d fluxos de fluidos instáveis, a partir dos valores calculados de velocidade, energia e pressão (Bryson, 1993).
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Fonte: Ressler (1997)
Foi desenvolvido simulador de vôo pelos militares americanos após a Segunda Guerra Mundial. Esse sistema imitava o interior d um carro, avião e jato, colocando a pessoa dentro da cabine onde eram preparados monitores que apresentavam o mundo virtual que reagia ao comando do usuário. Nesse sistema as cabines eram montadas sobre uma plataforma móveis. Em 1983 nos EUA, foi criado o simulador de treinamento para o exercito americanos, onde permitia o treinamento de combate.
O projeto LapVR (Surgical Simulator da empresa Immersion) em 2009, é um sistema completo que recria um cenário completo de cirurgia laparoscopia em um sistema virtual. O sistema inteiro é feito em cima do hardware que integra completamente todas as partes necessárias para o treinamento, isso inclui as pinças, a região pélvica e a tela, proporcionando uma posição correta do uso das pinças e a posição usada para fazer a cirurgia, a localização da tela com os batimentos do paciente, se ocorrer algum erro durante esse processo de cirurgia o paciente vai ao óbito. Isso possibilita o treinamento real da cirurgia.
Outro projeto é o i-Sim da empresa iSugicals (Laparoscopy Training Solution, 2009), é um simulador físico muito avançado com o mecanismo mais realista que existe, nele existem duas pinças iguais que são usadas em uma cirurgia de videolaparoscopia, no compartimento pode se coloca vários modelos para o treinamento com diferentes habilidades. Esses modelos podem ser para treinamento de cortes, excucao de nós, treinamento de coordenação mão-olho, sutura, entre outros.
3.1 DISPOSITIVOS HÁPTICOS DE INTERAÇÃO
De acordo com Bogoni (2015), as sensações determinado pelos dispositivos hápticos podem ser de quatros tipos: o retorno de aperto, que fornece a sensação de pressão; retorno de apreensão, que fornece a limitação dos movimentos com algum grau de liberdade; retorno tátil, que produz estímulos em forma de sensação de calor, toque ou vibração; e por ultimo o retorno d força, que é criado uma força direcionais exigindo que o usuário realize os movimentos.
Os sistemas de reação tátil conseguem transmitir sensações que atuam sobre a pele. Podem ter não apenas a sensação do toque, mas também a percepção de
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rugosidade, temperatura, geometria e as características do objeto tocado (Burdea, 1996). Uma maneira de construir um sistema que transmite as sensações de pressão ou pesos é feita por exoesqueleto mecânico que se encaixa perfeitamente no corpo do usuário, isso faz com que determinado movimento permita sentir o peso ou a resistência do material do objeto do mundo virtual. Na figura 6 o usuário sente o peso do martelo com o braço mecânico executa a mesma ação com o martelo real.
Figura 6: O usuário pode “sentir” o peso e o cabo do martelo, enquanto um braço mecânico executa a mesma ação com o martelo real.
Fonte: Pimentel, 1995.
Existem vários modelos de dispositivos para equipar simulador como mostra na figura 7.
Os modelos Phantom ( A, B e C, na figura 6) possui um braço mecânico e um manipulador em forma de caneta acoplada na ponta, isso proporciona o rastreamento com 6 DOF.
O modelo Falcon (D) possui 3 hastes com uma esfera fica na ponta, o rastreamento é feto por 3 DOF
Os dois modelos Delta (E) e Omega (F), eles possuem 3 hastes para movientacao, proporcionndo os 3 DOF de rastreamento, existe o modelo 6 DOF que possui um manipulador na ponta que permite o giro.
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Figura 7: Diferentes modelos de dispositivos hápticos.
Fonte: Romero Tori 2018
3.2 RASTREAMENTO MECANICO DATAGLOVE
A DataGlove (luvas de dados), essas luvas permite ao sistema de RV reconhecer os movimentos de mão que esta vestida a luva. Para detectar os movimentos dos dedos são usados sensores mecânicos ou fibra ótica. É formado por um fio de fibra ótica com junções. O cabo dobra ao ser movido, isso faz com que reduz a luz da passagem, essas pequenas variações de luz são resumidas e transmitidas para o computador. A DataGlove manda informações para o software de RV, que então cria uma mão dinâmica dentro do ambiente . Na figura 8 mostra o esquema da luva de dados em fibra ótica.
Figura 8: Esquema de uma luva de dados em fibra ótica
Fonte: Pimentel, 1995
No laboratório de pesquisa da Nippon eltric Company foi desenvolvido um sistema de RV para que os operadores usem os movimentos de suas mãos (por
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meio da DataGlove) para manipular os modelos de CAD, com isso facilita o desenvolvimento de cada peça. (Kahaner, 1993).
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4 DESENVOLVIMENTO DE AMBIENTE VIRTUAL
Os Ambientes Virtuais Distribuídos (AVDs) vem crescendo e elevado um alto potencial de aplicação. São caracterizados com um Amiente Virtual (AV) interativo em que os usuários dispersos geograficamente têm como objetivos a cooperação e o compartilhamento dos recursos computacionais em tempo real usando um suporte de rede de computadores para melhorar o desempenho coletivo por meo de troca de infomracoes (Benford,1994; Zyda, 1999).
Dentro desse contexto em AVDs os usuários podem compartilhar o mesmo espaço tridimensional virtual de trabalho, onde poderão se auxiliar na execução de uma determinada tarefa, baseando nos princípios de trabalho cooperativo baseado em computador (CSCW – Computer Supported Cooperative Work). É classificado como um Ambiente Virtual Colaborativo (AVC).
4.1 SOFTWARE
Sistemas de realidade virtual são complexos e envolvem interações em tempo real entre muitos componentes de hardware e software. O Software atua na fase de preparação do sistema, como os de autoria de ambientes 3D, e na fase de execução como run-time support.
O software de autoria pode envolver linguagens como VRML, X3D; Bibiliotecas graficasa como OpenGL e Java 3D; os toolkits implementados sob a forma de bibliotecas C/C++, como WTK; toolkits gráficos como VizX3D, EonStudo; e ate mesmo o game Engines como OGRE, UNREAL,enJine. A preparação dos ambientes envolve modelagem em 3D, preparação e manipulação de texturas, manipulação de som, elaboração de animações, e etc.
O software de realidade virtual terá que interagir com os dispositivos específicos, cuidar da interface com o usuário, tratar da visualização e interação, controlar a simulação e a animação do ambiente virtual, implementar a comunicação em redes.
Tem alguns casos, precisa ser complementado com outros recursos de software para conseguir rodar adequadamente, que é o caso da linguagem VRML, ele deve ser integrado juntamente com o Java, através da interface EAI, para que tenha um desenvolvimento de sistemas com interações mais potentes e
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comunicação em rede. Outros casos, o software de realidade virtual já possui esses recursos, módulos que permite o uso completo dos recursos que ´preciso, que é o caso da WTK e o sistema de desenvolvimento de aplicações de realidade virtual EonStudio.
4.2 HARDWARE
A maioria das aplicações de RV é baseada no isolamento dos sentidos, principalmente a visão. Com isso cabe ao hardware de RV de saída de dados estimularem os tais sentidos. A saída dos sistemas de RV seja ele imersivo (HMD’s – Head Mounted Displays) ou parcialmente imersivo (monitores), tem como o objetivo de gerar imagem estereoscópica. (Gattas 2009).
O Hardware de realidade virtual envolve uma grande variedade de dispositivos de entrada, isso serve para se comunicar com o sistema de realidade virtual. Podem ser citados alguns dispositivos que são rastreadores, luvas, mouses em 3D, teclado, joystick, reconhecedores de vozes, capacetes, entre outros. Os displays são elementos sensoriais de saídas, envolvendo mais que a visão. Existem três elementos de saídas, displays virtuais, displays de áudio e os displays hápticos. Os processadores são elementos importantes do sistema de realidade virtual, Envolvem tanto os processadores principais quanto os processadores de apoios existentes em placas gráficas, sonoras e outras placas de processamento especializado podem envolver ambientes de processamento paralelo e de supercomputadores. Esse avanço tecnológico esta crescendo a cada dia das tendências do mercado de videogames.
4.3 MODELAGEM E PROGRAMAÇÃO DE AMBIENTES VIRTUAIS
INTERATIVOS
Aplicações gráficas tridimensionais (3D) necessitam de um esforço computacional considerável para conseguir processa-la. São distribuídos esses esforços entre os processadores alocados em placas gráficas ou na placa principal do computador. Para que explorem ao máximo a potencia computacional das placas e processadores precisa conhecer muito bem os modelos arquiteturais disponíveis e
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desenvolver aplicações. No caso de ser a portabilidade da aplicação o fator preponderante sobre o desenvolvimento, optado através de um modelo de desenvolvimento que utiliza o conceito de camada de abstração sobrepostas, conforme ilustrada na figura 9.
Figura 9: Camadas de abstração
Fonte: Carey, 2000
É denominado “Hardware Gráfico” é o que corresponde a u dispositivo de saída gráfica, como é a placa gráfica que é usada em jogos. Quando é inserida a placa no computador, a camada “Sistema Operacional” tem que ser configurada. Na maioria dos dispositivos gráficos, eles distribuem os programas que são permitidos ao sistema operacional ter acesso ao dispositivo gráfico. O sistema operacional gerencia o acesso ao hardware gráfico e oferece um conjunto de primitivas que viabilizam o acesso indireto de outras aplicações ao hardware gráfico.
A “Biblioteca Gráfica” é o aumento da portabilidade na camada. É a implementação de um padrão de comunicação com as primitivas do hardware via sistema operacional, isso faz com que aumenta a portabilidade. Os exemplos as comuns são OpenGL e o DirectX. Essa camada pode ser transportada por diferentes sistemas operacionais, desde que tenha uma versão correspondente à cada usada pela aplicação que executa aquele sistema. A proliferação dessas bibliotecas gráficas possibilitou a criação dos pacotes de desenvolvimento de realidade virtual.
A evolução de aplicações em realidade virtual mostra que Silicon Graphics (SGI) iniciou o projeto Scenario na década de 80 para implementar uma biblioteca que servisse de base para o desenvolvimento de aplicações gráficas 3D. A primeira
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versão foi divulgada em 1992, chamado Iris Inventor 3D toolkit, além de oferecer o suporte ao desenvolvimento, ele oferecia um ambiente de visualização com diversas possibilidades de interações. A segunda versão foi lançada em 1994, denominada Open Inventor. Ela teve uma maior aceitação à sua portabilidade. A implementação do Open Inventor usa a biblioteca OpenGL como base para o desenho dos objetos nos dispositivos gráficos. A biblioteca OpenGL permitiu a especificação e o desenvolvimento de uma camada para a descrição de objetos, eliminando a preocupação e o desenvolvimento de uma camada para a descrição de objetos, assim não precisaria se preocupar com a implementação das primitivas gráficas ou com o hardware a ser utilizado pela aplicação. Esse modelo foi utilizado por Gavin Bell que criou a primeira linguagem de modelagem do mundo virtual, VRML.
Vários “Pacotes de RV” utilizam programas escritos na linguagem VRML, exemplo disso é o programa de desenho em 3D como 3D Studio Max e Spazz 3D, eles exportam o código VRML. Esses pacotes são a base para a implementação de aplicações de realidade virtual. No modo geral, as aplicações são desenvolvidas utilizando um pacote de desenho em #D, um pacote de RV, linguagens de programação como C, C++, Java, Delphi, VB, ECMAScrip, entre outas que permitem ao programador ter acesso ao pacote de RV para poder desenvolver os controles de interação da aplicação com o usuário (Carey,2000).
4.4 AVATARES E HUMANOS VIRTUAIS
Segundo Badler (1997), Humanos virtuais são modelos que podem ser usadas como “pessoas reais”, para representações humanas de si ou de outros no ambiente virtual em tempo real. Eles trazem a proposta de representar um ser humano, não só por meio de replicação de sinais exteriores como movimento e expressões. Para sustentar a utilização de humanos virtuais é necessário ter claro os diversos domínios de utilização e seu relacionamento com os seres humanos existente no mundo real, como: análise de fatores humanos, diferenças entre humanos, geração e compreensão de instruções, simulação biomédica, analise de forma e movimento.
Quanto à modelagem, o projeto de humanos virtuais deve obedecer alguns critérios que poder ser divididos em:
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Aparência: desde caricatura até um modelo físico;
Funcionalidade: limitações humanas
Tempo: geração off-line à produção em tempo real;
Autônoma: animação direcionada a ações inteligentes;
Individualidade: pessoa especifica varias personalidades.
Atributos físicos e biomecânicos: criar humanos virtuais com limitações funcionais que fogem dos modelos tradicionais, caricaturas inspiradas em seres humanos reais.
Movimentação: pode ser obtida tanto por captura de movimento como por síntese computacional.
Autonomia e inteligência: exibir características para reação e tomada de decisão em “cenas especificas “ como mudança de ambiente onde antes eram forcados a ter movimento fixos. (Maes, 19995).
O ambiente virtual necessita de objetos, que podem ser fixos ou moveis. Podem classificar os humanos virtuais em duas categorias distintas, é os Agentes Virtuais e Avatares. Conforme Wilcox (1999), avatar é toda a representação de personagem controlado por “alguém” do mundo real. É uma representação gráfica de uma pessoa real no ambiente virtual com o seu comportamento. O agente virtual é uma aplicação que tem comportamento autônomo, que é representado por uma entidade gráfica. Considerando a agente virtual como humano virtual é criado e controlado por um software enquanto o avatar é o humano virtual controlado por um participante “vivo”, podendo notar a diferença de avatar com humano virtual na figura 10.
Figura 10 : A diferença do avatar com humanos virtuais:
a) Avatar b) Humanos virtuais
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Aspectos importantes para os humanos virtuais são: aparência, movimento, interatividade, comunicação, gestos descritos.
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5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Com o avanço da tecnologia foi possível criar simuladores de realidade virtual onde possibilita vários treinamentos com mais seguranças sem sair do local. No ambiente virtual os sentidos e as capacidades que as pessoas podem sentir são aumentados, possibilitado a ver, ouvir, sentir, acionar entre outras sensações. Utilizando vários recursos de programação é possível a associação de comportamentos e reações aos objetos virtuais, permitindo a interação com esses objetos. A Realidade Virtual permite retratar e interagir com as situações imaginaria com os cenários de ficção com os objetos virtuais estáticos ou em movimento.
A NASA foi a pioneira na criação do simulador para treinamento. Após esse gatilho foi desenvolvendo vários simuladores que ajudou na humanidade. Utilizando a luva de dados em fibra ótica pode ter as sensações reais, com dinâmica dentro do ambiente. Podendo recriar um cenário de uma sala de cirurgia, onde possa realizar o treinamento de uma cirurgia sem perigo algum.
Com os avatares e humanos virtuais consegue ficar mais real, utilizando a modelagem pode ter a aparência, funcionalidade, tempo, autonomia, individualidade, atributo físico, movimentação, que se torna em uma representação gráfica d uma pessoa real, com a aparência mais real possível.
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6 REFERÊNCIAS
COUCHOTT, Edmond. A tecnologia na arte da fotografia à realidade virtual. Porto Alegre, UFRGS, 2003.
HOUNSELL, Romero Tori Marcelo da Silva, Introdução a Realidade Virtual e
Aumentada, São Paulo, Rodrigo Crissiuma 2018.
HOUNSELL, Romero Tori Marcelo da Silva, SISCOUTTO, Claudio Kirner Robson,
Fundamentos e Tecnologia de Realidade Virtual e Aumentada; Belém, Robson
Siscoutto, 2006.
Kirner, C. Apostila do ciclo de palestras de realidade virtual, Atividade do Projeto AVVIC- CNPq (Protem - CC - fase III) - DC/UFSCar, São Carlos, Outubro 1996
REVISTA DE BIOLOGIA E CIÊNCIAS DA TERRA, Realidade Virtual e Educação
Disponível em: < https://www.redalyc.org/pdf/500/50010104.pdf> Acesso em: 16 outubro 2019.
SISCOUTTO, Claudio Kirner Robson, Realidade Virtual e Aumentada: Conceitos,
Projeto e Aplicações; Rio de Janeiro, Robson Siscoutto 2007.
Von Schweber, L. & Von Schweber, E. Cover story: realidade virtual, PC Magazine
Brasil Junho, 1995.
Weghorst, S. - Inclusive Biomedical Visualization. Technical Publication No. HITL-R-91-2, Human Interface Technology Laboratory, University of Washington, Seattle, USA, 1991.
MISHRA, R.K.; Role of Training in Laparoscopya. Dispoivel no link eletrônico:
<http://www.laparoscopyhospital.com/laparoscopy.htm> Acessado em: 20 de Maio de 2020.
Biblioteca Digital de Teses e Dissertacoes da USP. Disponivel no linl eletrônico:
