UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ CAMPUS CURITIBA – SEDE CENTRAL
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE DESENHO INDUSTRIAL TECNOLOGIA EM DESIGN GRÁFICO
ALEXANDRE DA SILVA SANTANA
A ESTAÇÃO DE TREM DE CURITIBA EM MODELAGEM 3D: UMA FORMA DE RETRATAR A HISTÓRIA DO TREM
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
CURITIBA-PR 2017
ALEXANDRE DA SILVA SANTANA
A ESTAÇÃO DE TREM DE CURITIBA EM MODELAGEM 3D: UMA FORMA DE RETRATAR A HISTÓRIA DO TREM
Monografia apresentada ao Curso Superior de Tecnologia em Design Gráfico do Departamento Acadêmico de Desenho Industrial – DADIN – da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, como requisito parcial para obtenção do título de Graduação em Tecnologia em Design Gráfico.
Orientadora: Prof.ª MSc. Ana Cristina Munaro.
CURITIBA-PR 2017
TERMO DE APROVAÇÃO
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO 039
A ESTAÇÃO DE TREM DE CURITIBA EM MODELAGEM 3D: UMA FORMA DE REVIVER A HISTÓRIA DO TREM
por
Alexandre da Silva Santana – 1612557
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado no dia 28 de novembro de 2017 como requisito parcial para a obtenção do título de TECNÓLOGO EM DESIGN GRÁFICO, do Curso Superior de Tecnologia em Design Gráfico, do Departamento Acadêmico de Desenho Industrial, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná. O aluno foi arguido pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo, que após deliberação, consideraram o trabalho aprovado.
Banca Examinadora: Prof. Alan Ricardo Witikoski (Dr.) Avaliador
DADIN – UTFPR
Prof. Francis Rodrigues da Silva (Esp.) Convidado
DADIN – UTFPR
Profa. Ana Cristina Munaro (MSc.) Orientadora
DADIN – UTFPR
Prof. André de Souza Lucca (Dr.) Professor Responsável pelo TCC DADIN – UTFPR
“A Folha de Aprovação assinada encontra-se na Coordenação do Curso”.
Diretoria de Graduação e Educação Profissional Departamento Acadêmico de Desenho Industrial
AGRADECIMENTOS
Dedico esta, bem como todas as minhas demais conquistas à minha família, principalmente minha mãe e meu irmão que sempre estiveram me apoiando em todas as minhas decisões.
Gostaria também de agradecer minha namorada Letícia Galvão Ferreira pelo incentivo de retomar os estudos e por me dar decisivas ideias deste projeto, e ao Leandro Luiz dos Santos, editor de infografia da Gazeta do Povo que sempre prestativo, me direcionou a diversos contatos importantes e imprescindíveis para tornar esse projeto possível.
Poema: caminhos de ontem, de hoje, de amanhã...
“No processo histórico da Estrada de Ferro do Paraná, verdadeiro POEMA DE AÇO, unem-se dois tempos: o passado, conquistando selvas e abismos; o presente, a tecnologia; e, desta audaciosa união, nasce a CONQUISTA DO FUTURO” (WOELLNER & FERREIRA, 1885).
RESUMO
SANTANA, Alexandre. A Estação de Trem de Curitiba em Modelagem 3D: Uma
forma de reviver a história do trem. 2017. Trabalho de Conclusão de Curso – Curso
Superior de Tecnologia em Design Gráfico, da Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 2017
O objetivo do estudo foi o de recriar a Estação Ferroviária de Curitiba por meio de um projeto de modelagem em 3D, de modo a proporcionar aos moradores da região o resgate histórico, contribuir para a cultura dos elementos ferroviários de Curitiba e região e apresentar parte da história ferroviária para as gerações que não tiveram contato com ela. Para isso, o estudo contou com uma etapa teórica composta por dados secundários e uma segunda etapa qualitativa com coleta primária de dados. Para a primeira etapa, foi realizada a fundamentação teórica sobre os meios digitais e novas tecnologias, a realidade aumentada e a realidade virtual, destacando a importância de se criar experiências para os indivíduos. O recorte teórico aborda também as etapas de criação da modelagem em 3D. Além disso, o estudo resgatou os elementos históricos e culturais da Estação Ferroviária de Curitiba, com base em uma pesquisa qualitativa formada por visitações e entrevistas com pessoas relevantes que contribuíram com a história ferroviária no estado do Paraná. Destacando-se assim a importância deste local para o Estado e todo o crescimento urbano que este modal proporcionou à cidade. Por fim, apresentam-se as etapas e dificuldades para a criação do ambiente simulador em realidade virtal da estação ferroviária de Curitiba. O produto resultado deste estudo atuará em benefício da memória da estação de trem de Curitiba e proporcionará aos indivíduos essa experiência singular.
Palavas-Chaves: Computação Gráfica. 3DS Max. Unreal Engine 4. Realidade Virtual.
ABSTRACT
SANTANA, Alexandre. The Curitiba Train Station in 3D Modeling: A way to relive the history of the train. 2017. Course Completion Work - Superior Course of Technology in Graphic Design, Federal University of Paraná, Curitiba, 2017
The objective of the study is to recreate the Curitiba Railway Station by means of a 3D modeling project, in order to provide the residents of the region with the historical rescue and contribute to the culture of the railway elements of Curitiba and region. For this, the study had a theoretical stage composed of secondary data and a second qualitative step with primary data collection. For the first stage, the theoretical basis on digital media and new technologies, augmented reality and virtual reality was made, highlighting the importance of creating experiences for individuals. The theoretical section also covers the steps of creating 3D modeling. In addition, the study rescued the historical and cultural elements of the Curitiba Railway Station, based on a qualitative survey of visits and interviews with important people who contributed to the railway history in the state of Paraná. Thus highlighting the importance of this place for the state and all the urban development that this modal provided to the city. Finally, the steps and difficulties for the creation of the simulating environment in virtual reality of the railway station of Curitiba are presented. The result of this study will benefit the memory of the Curitiba train station and will provide individuals with this unique experience.
Key words: Computer Graphics. 3DS Max. Unreal Engine 4. Virtual Reality. Curitiba Railway Station.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Etapas de um projeto 3D... 16
Figura 2 – Planos de Coordenadas... 17
Figura 3 – Modelo 3D de uma locomotiva a vapor... 19
Figura 4 – Interface do software 3DS Max... 19
Figura 5 – Do 100% opaco ao 100% reflexivo... 21
Figura 6 – Exemplo de iluminação tradicional em objeto 3D... 22
Figura 7 – Imagem com Global Illumination... 23
Figura 8 – Imagem com iluminação HDRI... 24
Figura 9 – Interpolation... 25
Figura 10 – Track View – Curve Editor... 26
Figura 11 – Filme Moana………... 27
Figura 12 – Aplicativo MSQRD... 30
Figura 13 – AnatomY 3D... 31
Figura 14 – Sensorama Motion Picture Projector... 35
Figura 15 – Telesphere Mask.……... 35
Figura 16 – Samsung’s Gear VR…... 36
Figura 17 – 6 DOF (translação e rotação)... 38
Figura 18 – Estrutura MVC (Model – View – Controller)... 39
Figura 19 – Motores de jogos livres e comerciais mais utilizados... 40
Figura 20 – Slide revela o cronograma do Facebook para a década... 43
Figura 21 – Lake House... 44
Figura 22 – Notícia da viagem inaugural da estação ferroviária de Curitiba... 47
Figura 23 – Maria Fumaça na estação ferroviária de Morretes... 48
Figura 24 – Antiga estação ferroviária de Curitiba... 49
Figura 25 – Explosão 1913... 50
Figura 26 – Projeto das Oficinas, 1943... 51
Figura 27 – Emblema RVPSC... 52
Figura 29 – Locomotiva 232 – Maria Fumaça – Apiúna, SC... 55
Figura 30 – Coletânea de imagens... 57
Figura 31 – Modelagem da fachada da estação de trem de Curitiba... 58
Figura 32 – Modelagem de portas e janelas da estação de trem de Curitiba... 59
Figura 33 – Toldos frontais... 59
Figura 34 – Bilheteria... 60
Figura 35 – Desenvolvimento do emblema RVPSC... 60
Figura 36 – Visualização superior da estação de trem de Curitiba... 61
Figura 37 – Visualização lateral da estação de trem de Curitiba... 61 Figura 38 – Locomotiva Maria Fumaça...
Figura 39 – Exemplos de texturas... Figura 40 – Resumo dos trabalhos...
62 63 63
SUMÁRIO 1 1.1 1.2 1.3 2 2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 3 3.1 3.2 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 5 5.1 5.2 5.3 6 7 INTRODUÇÃO ... OBJETIVO GERAL... OBJETIVOS ESPECÍFICOS... JUSTIFICATIVA... REFERENCIAL TEÓRICO... APRESENTAÇÃO DA TECNOLOGIA EM 3D... ETAPAS DE UM PROJETO 3D... Modelagem 3D... Texturização e materiais... Iluminação... Animação 3D... Renderizadores... REALIDADE AUMENTADA...
REALIDADE AUMENTADA: CONCEITOS INICIAIS... APLICAÇÃO DA REALIDADE AUMENTADA NO COTIDIANO...
REALIDADE VIRTUAL...
BREVE HISTÓRICO DESSA TECNOLOGIA... REALIDADE VIRTUAL COMO TECNOLOGIA IMERSIVA... MOTORES GRÁFICOS... UNREAL ENGINE 4... EXPLORAÇÃO DA RV E SUA UTILIZAÇÃO NO ENSINO...
ESTAÇÃO DE TREM DE CURITIBA...
HISTÓRIA DA ESTAÇÃO DE TREM DE CURITIBA... COLETA DE INFORMAÇÕES E IMAGENS... MODELAGEM DA ESTAÇÃO DE TREM DE CURITIBA...
CONSIDERAÇÕES FINAIS... REFERÊNCIAS ... APÊNDICE A – Galeria de imagens de época... APÊNDICE B – Galeria de imagens referente a metodologia qualitativa... APÊNDICE C – Galeria de imagens do projeto concluído...
11 12 12 13 14 14 15 17 20 22 24 26 28 28 29 32 33 37 39 40 42 46 46 53 58 65 67 72 74 76
1. INTRODUÇÃO
Vivencia-se um período de constante inovações nas tecnologias de comunicação e na representação gráfica da realidade. Nesse sentido, os indivíduos se veem imersos em excesso de informação e mudança. As novas tecnologias e as relações que alteram o processo de comunicação, a informação e a cultura contemporânea, dentro da área de estudos, é chamada de cibercultura. Segundo Lemos e Cunha (2003), quinze tópicos são essenciais para auxiliar os indivíduos a compreender a época atual. Como exemplos das evoluções temporais, nota-se a necessidade da compreensão das grandes cidades (cibercidades), das novas práticas de comunicação como mensagens instantâneas, e o jornalismo online (ciberespaços – email; weblogs),.
As tecnologias conhecidas como realidade aumentada e realidade virtual, são exemplos de tecnologias que existem na área da interação (SISCOUTO & ROSA, 2008). Inúmeros são os benefícios que um software pode agregar a um bom projeto interativo. Ambientes imersivos introduzem novos paradigmas como, por exemplo, a visão estereoscópica. Dá-se muita atenção para aspectos como proporcionar comodidade, satisfação e levar experiência aos indivíduos, fatores presentes na interface digital. Essa alta interação da pessoa com uma interface, dá ao observador maior poder de decisão.
Nesse cenário de interdisciplinaridade, a profissão de designer assim como outras diversas no mercado de trabalho, possui muitas possibilidades de campo de atuação. Uma vez que as mudanças criam novas demandas para a área. Profissionais formados na área podem trabalhar com produção, seja ela manual como, por exemplo, móveis, artesanato e decorações ou por meio de um computador, por exemplo, diagramação, ilustração ou efeitos especiais. Assim, o Designer 3D, o qual utiliza softwares específicos para criação de objetos tridimensionais é uma dessas especializações (AMARAL & SILVA, 2014). Com a transformação da tecnologia, a profissão nesta área encontra-se em ascensão. Nos anos de 2015 e 2016 observam-se diversas reportagens sobre impressoras 3D em sites como Harvard Business Review e cnn.com e toda a revolução que os trabalhos com esta nova tecnologia estão causando no mundo.
Frente à esse contexto, imaginar o desenvolvimento de um projeto que crie virtualmente o passado não é algo tão distante para os dias atuais. O aprimoramento
das ferramentas tecnológicas permite fazer o que era impensável há algumas décadas. Para isso, a utilização de alguns equipamentos e softwares específicos se fazem necessários para construir um produto final em 3D que resgate a história por meio da realidade virual. Todavia, estas ferramentas estão cada vez mais acessíveis às pessoas.
Ao pensar na história nacional, é importante destacar as estações ferroviárias, as quais tornaram-se pólos de desenvolvimento urbano e econômico, ao movimentar em maior quantidade mercadorias interestaduais e gerar empregos. O transporte ferroviário era a tecnologia da época que transportava pessoas e matérias-primas com maior facilidade e em maior quantidade, atraia pessoas e criava povoados aos redores. Contudo, com o desenvolvimento da rede rodoviária nacional, a linha férrea foi perdendo gradativamente espaço, e atualmente as estações ferroviárias são raras. Segundo a Confederação Nacional do Transporte (CNT), de 2001 a 2016, houve um aumento de 566,2% na produção de carro para passageiros e 421,8% para vagões de carga. Porém, queda de 13,9% foi registrada entre 2014 e 2015 na produção de carros de passageiros, passando de 374 para 322 unidades e, em relação à locomotivas de carga, queda de 15,5% em 2016 (109 unidades) em relação a 2015 (129 unidades).
Com base nessa contextualização, delimitam-se os objetivos do estudo.
1.1 OBJETIVO GERAL
Recriar a Estação Ferroviária de Curitiba por meio de um projeto de modelagem em 3D, de modo a proporcionar aos moradores da região o resgate histórico e contribuir para a cultura dos elementos ferroviários de Curitiba e região.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Apresentar as características da realidade virtual, levantando todas as etapas para a elaboração de um projeto em modelagem 3D;
Identificar os elementos históricos da Estação Ferroviária de Curitiba, estudando a importância da Estação de trem para o desenvolvimento da cidade de Curitiba;
Explanar como a Realidade Virtual e a Computação Gráfica podem auxiliar no embasamento visual histórico e aprendizado dos sujeitos.
1.3 JUSTIFICATIVA
O modal ferroviário obteve uma alta redução na participação dos modais de transporte no Paraná/PR. Atualmente, as gerações atuais quase não têm contato com trens e estações ferroviárias, sendo inclusive percebido como algo histórico ou elemento de turismo. Assim, ao propor recriar a estação de trem de Curitiba/PR em modelagem 3D almeja-se resgatar uma parte da história de Curitiba e região, trazendo à tona memórias e recordações para as pessoas que puderam viver no período em que o trem era mais comum e relevante para o transporte de cargas e pessoas. E, também, proporcionar, para as gerações que não tiveram contato com esse modal, a experiência de “estar” em uma estação de trem e “entrar” em uma maria-fumaça.
Além disso, abordar a realidade virtual é uma forma de trazer maior contato do mundo real para os indivíduos, impactando na aprendizagem. A grande quantidade de informações disponíveis na atualidade e a facilidade de seus acessos, dificultam na retenção para o conhecimento. O aprendizado pela utilização de uma tecnologia imersiva e sua aplicação de modo clara e apropriada, inova o modo de abordagem e proporciona experiências, pela proximidade da teoria com a prática, modificando a forma de ensino em uma tentativa de engajar os alunos e fixar o conteúdo em foco.
2. REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 APRESENTAÇÃO DA TECNOLOGIA EM 3D
A Ciência da Computação possui diversas áreas de estudo, como por exemplo, Arquitetura de Softwares, Técnico em Informática ou Analista de Sistema. A Computação Gráfica (CG) é o setor responsável por gerar, manipular e analisar imagens. Tendo em vista o surgimento de placas gráficas para computadores pessoais, as aplicações nesta área popularizaram-se, possibilitando a criação de produtos gráficos sem exigir conhecimentos extensivos de programação (MANSSOUR & COHEN, 2006).
Em 1968, na Universidade de Utah, deu-se o início da CG. Por meio de professores e visionários como David Evans (1924 – 1998) e Ivan Sutherland (1938 - )1, os computadores que eram principalmente utilizados para cálculos militares e
financeiros, deveriam também ter princípios de interação com o utilizador. A partir deste momento, teve-se a ideia de utilizar gráficos e desenhos para simulação; oportunidade que fez surgir no mercado a empresa Evans & Sutherland2, com a
introdução de conceitos de desenho vetorial e representação tridimensional em ambiente bidimensional, mapeamento de textura, etc. (PEREIRA, 2008).
Mais tarde, com a tecnologia de vetor, texto e imagens foram traduzidos em fórmulas matemáticas que são representadas por pontos no espaço. Consequentemente, esses componentes de dados com pesos menores puderam ser distribuídos de forma rápida e econômica pela Internet, em oposição à abordagem raster (baseada em pixels), que requer arquivos de tamanho muito maior (WHITE, 2006).
Atualmente, a CG encontra-se presente em muitas áreas do conhecimento humano. Engenheiros utilizam ferramentas tradicionais em Computer Aided Design (CAD) para representação de projetos, médicos trabalham com técnicas modernas de
1 Professores do departamento de informática da University of Utah e fundadores da Evans &
Sutherland (es.com).
2 Criada em 1968, foi a primeira empresa de Computação Gráfica do mundo. Atualmente trabalha com
visualização no intuito de auxiliar o diagnóstico, e cenas de um crime podem ser reconstruídas para tomada de decisões na área do direito. Estas representações do mundo físico real no computador tomaram grandes proporções, devido a modelagem 3D possuir menores custos de processamento, ter a aparência final de um objeto próximo ao real e, por possuir facilidade em alteração de sua forma (MANSSOUR & COHEN, 2006).
Enfatiza-se que a base de todo o design e movimento 3D é a matemática. Todo ponto de um personagem - o esqueleto interno, a pele da superfície ou o seu material fluído - é definido por um ponto específico do espaço. Na animação 3D, esse espaço é conhecido como espaço cartesiano. O espaço cartesiano é o mundo virtual no computador que é medido ao longo de três coordenadas, conhecidas como eixos x, y e z. O eixo x mede as distâncias da esquerda para a direita, o eixo y mede as distâncias próximas e afastadas e o eixo z mede as distâncias superior e inferior (WHITE, 2006).
Assim, por exemplo, se um ponto estiver localizado exatamente no centro do espaço cartesiano (também chamado de ponto zero), ele terá coordenadas de x = 0, y = 0 e z = 0. No entanto, se esse ponto se mover para a direita por duas unidades, terá uma coordenada de x = 2, y = 0 e z = 0. É importante mencionar que para criar um objeto em 3D pode-se partir da imaginação dos criadores/roteiristas ou utilizar referências (por exemplo, fotografias, narrativas ou artes conceituais). No entanto, ainda segundo White (2006), na maioria dos casos são usadas referências já existentes, porque um dos objetivos da modelagem 3D é criar modelos equivalentes ao da concepção da ideia original.
A partir desse conceito inicial, os próximos itens trarão as etapas de criação de um projeto em modelagem 3D.
2.2 ETAPAS DE UM PROJETO 3D
Para White (2006), o ambiente 3D deve funcionar em três dimensões e ser capaz de fazer com que a câmera veja qualquer parte delas em detalhes, desde uma visão de close-up até um plano geral, dependendo das demandas da produção.
Porém, deve-se entender que quando se trata de um projeto de criação 3D, os estudos precisam de maior aprofundamento. Dentro de uma empresa produtora de design ou audiovisual ou qualquer estúdio de grande porte que trabalhe com produção
tridimensional, as equipes são formadas por profissionais com diferentes especialidades, como por exemplo, especialistas em modelagem, texturização e criação de materiais para objetos virtuais, animação, iluminação, renders e pós produção (PEREIRA, 2008). Como exemplo de aplicação profissional de projetos em 3D, pode-se citar alguns arquitetos que optam por trocar a construção de maquetes físicas de diversos materiais para construir residências com pixels e, com isso, possibilitar a criação de cenários com uma composição realista, mais coerente com as necessidades do público, além de poder propiciar maior interação e participação do utilizador.
Para a produção, garantir um desenvolvimento cuidadoso e consciente, é a forma de precaução importante para quem deseja alcançar efetivamente seus objetivos. Existe um procedimento composto por diversas etapas de criação seguido por filmes ou séries de TV, porém, esta política de organização deve estar presente em todos os tipos de projeto, sejam eles grandes ou pequenos, comerciais ou pessoais (WHITE, 2006). Na Figura 1, visualiza-se as etapas de um projeto em 3D.
Figura 1 – Etapas de um projeto 3D
Fonte: Reprodução do autor, 2017, baseado em “Animation Essentials” de Andy Beane.
Antes de detalhar-se sobre cada uma das etapas de criação de um projeto 3D (texturização, iluminação, animação e renderização), será apresentado os conceitos iniciais de modelagem tridimensional, haja vista que esta é a etapa de entendimento do processo.
No entanto, é importante esclarecer que as etapas de criação ocorrem após todos os estudos e definições de concepts. Segundo White (2006), as ideias que formam a contextualização deste desenvolvimento surgem por diversos caminhos e
Pré-produção
(ideia, storyboard, design)
Pós-produção
Modelagem Texturização Animação Iluminação Renderização
jeitos diferentes. Elas podem ter referências de outros artistas, podem surgir por meio de uma interpretação textual ou até mesmo em um sonho de que se lembre.
Os concept arts são as representações visuais que buscam materializar conceitos idealizados na pré-produção, no intuito de acelerar e deixar a produção do restante das etapas mais coesas. Sua utilização, além das definições, estabelece os primeiros passos do projeto e, muitas vezes, serve como potencial para enriquecer a apresentação para possíveis investidores (TAKAHASHI & ANDREO, 2011).
2.2.1 Modelagem 3D
A modelagem é o processo de esculpir uma representação tridimensional de um design de um objeto original no espaço cartesiano. Dentro do programa 3D, o modelo é composto de pontos que definem as limitações das superfícies que compõem o modelo (WHITE, 2006). Os modeladores trabalham utilizando o modo de vista ortogonal ou a perspectiva. Na visualização ortogonal, assim como em ilustrações 2D, observa-se o objeto em perfil. Uma vez que este encontra-se em apenas um plano, precisa-se apenas de duas informações de coordenadas para a localização de um ponto em relação aos eixos.
Um espaço tridimensional (conforme a Figura 2), é definido por três planos (vista em perspectiva). Quando pensa-se em espaço, existe a necessidade de três informações de coordenadas, para a localização de um único ponto, devido a profundidade que agora é representada. Estas informações são apresentadas por meio de um sistema tridimensional de eixos ortogonais entre si, os quais são denominados eixo X, Y e Z. O ponto de encontro destes eixos, é chamado de ponto de origem (O) (BIANCHINI, 2016).
Figura 2 – Planos de coordenadas Fonte: O autor, 2017
Com relação a modelagem ambiental ela se difere da modelagem de personagens, no sentido de que a maioria dos modelos ambientais normalmente não se movem da maneira que os personagens fazem. Dessa forma, eles formam uma localização sólida, tridimensional e de aparência realista, na qual os personagens principais podem se mover (WHITE, 2006). Portanto, a modelagem está intrinsecamente relacionada ao espaço tridimensional.
Referente ao conceito de modelagem, deve-se reforçar que a mente humana é capaz de interpretar tudo ao seu redor (PEREIRA, 2008). Por isso, quando visualiza-se uma imagem, a informação que chega ao cérebro é uma composição de linha retas e curvas sobre um plano bidimensional. Porém, por meio da perspectiva, uma técnica de representação que possibilita a ilusão de profundidade, o cérebro agrupa todas as linhas e reorganiza a imagem, transportando para um plano espacial de três dimensões, onde considera-se a largura (x), a profundidade (y) e a altura (z) (PEREIRA, 2008). E, com isto, o processo de modelagem alcança resultados de alta complexidade e realidade.
A operacionalização da modelagem em 3D dá-se por meio de softwares específicos. Contudo, indiferente do programa de modelagem utilizado, qualquer representação em três dimensões inicia-se por meio de um vertex. Este vértice, quando ligado a outro, forma uma edge, e sua combinação com pelo menos mais dois, forma uma face. A composição de uma quantidade de faces forma uma malha, e é com a modelagem desta malha, que são criadas as representações em três dimensões (MOTA, 2015).
A composição utilizando essas três dimensões permite a modelagem de objetos com alta complexidade e fidelidade à realidade. Na Figura 3, é possível identificar os vertex destacados em azul, as edges em branco e as faces em cinza. Esta composição esta modelada em formato de uma locomotiva a vapor e encontra-se localizada dentro do espaço mundo.
Figura 3 – Modelo 3D de uma locomotiva a vapor Fonte: FrIdGe.CO, 2017.
A criação de uma representação matemática de um objeto ou forma tridimensional, é processada por um software 3D. Utilizado nos setores do cinema, televisão, videogames, arquitetura, etc., os modelos 3D servem para visualizar e simular projetos gráficos (AUTODESK, 2017). Conforme a Figura 4, o software utilizado para o processo de modelagem do presente trabalho foi o 3DS Max, o qual foi criado pela empresa Autodesk. O 3DS Max possui o plano de coordenadas como visualização padrão de seu layout, também apresenta sua modelagem a partir de Vertex, Edges e Faces.
Figura 4 – Interface do software 3DS Max Fonte: O autor, 2017.
Plano de coordenadas
Plano lateral Plano frontal
Vista em perspectiva Plano transversal ou topo
A tela que está dividida em quatro partes (Figura 4) possui os três planos das coordenadas, mais a visualização em perspectiva. Na figura superior esquerda (plano lateral), a imagem encontra-se representada de perfil no plano y; z. A imagem no canto superior direito está representando frontalmente o plano x;z. No canto inferior esquerdo visualiza-se uma vista de topo ou plano transversal, plano x;y, e na parte inferior direita, encontra-se a vista em perspectiva.
Para White (2006), na modelagem, a iluminação e a texturização definem a natureza da superfície dos objetos, por exemplo, da pele de um personagem, das roupas e outros adereços, especificamente a transparência, reflexão e luminância (ou seja, a forma como a luz reage na superfície do modelo). Isso também deve refletir a natureza do material do qual o modelo é constituído. Tais itens são tratados na sequência.
2.2.2 Texturização e materiais
Após a conclusão do processo de modelagem 3D, a continuidade do projeto é a texturização e criação dos materiais, o que na computação gráfica é denominado de shaders. Esta é uma etapa que demanda atenção do profissional, pois a representação das propriedades de um específico material do mundo real precisa ser concebido no mundo virtual por meio de configurações. Com variação entre 0.0 e 1.0, deve-se encontrar o balanceamento de refração e reflexão de luz, os quais referem-se, respectivamente, ao transpasse e o seu rebatimento, opacidade e translucidez de um único objeto. Porém, qual é a cor real da superfície cromada? Qual a diferença da refletividade comparando-a com outros metais? Quais propriedades causam imperfeições na superfície? (CHOCOFUR, 2016). É com base em dúvidas e apontamentos semelhantes à estes que percebe-se os desafios de representar a materialidade real em projetos tridimensionais.
Pode-se entender que a textura é o aspecto de uma superfície. Segundo White (2006), as cores e as texturas colocadas em cada modelo 3D, às vezes, adicionam personalidade para os personagens. Muitas vezes, como uma técnica para deixar o arquivo mais leve, os objetos, ao invés de serem modelados com uma certa deformidade por exemplo, têm a irregularidade da superfície representada por imagem, utilizando técnicas de sombreamento. Isto é, ao invés do modelo 3D possuir
diversas faces para ser criada a sua deformidade, a mesma é representada de forma mais simples em um plano texturizado.
Mas existem os modelos que possuem apenas cores, os quais são representadas no modo RGBA, sendo vermelho, verde, azul e alfa, respectivamente. Os três primeiros representam as cores primárias e também são lineares, pois nas configurações variam entre 0,0 e 1,0. O canal alfa é utilizado para operações de transparência. Este componente representa a opacidade da cor, variando de 0,0 (totalmente transparente) a 1,0 (totalmente opaco) (PEREIRA, 2008).
A forma difusa no ambiente da computação gráfica é o termo que entende-se por cor opaca, não reflexivos, independente do ambiente envolvente. No entanto, segundo Chocufur (2016), deve-se ter em mente que na vida real, todas as superfícies são reflexivas. Mesmo que cada superfície reflita o ambiente de uma forma mais ou menos visível, não existe materiais puramente difusos.
Portanto, o reflexo é um dos fatores mais importantes se o objetivo é deixar a superfície do material de um objeto mais fidedigno ao objeto real. A Figura 5 exemplifica a representação de uma esfera totalmente opaca, outra parcialmente opaca e a última totalmente reflexiva.
Figura 5 – Do 100% opaco ao 100% reflexivo Fonte: chocofur.com, 2016.
Com base nessas premissas, recomenda-se para um designer 3D, principalmente para os especializados em criar shaders de materiais, a percepção destas questões na vida real, para que por meio de cálculos, estas diferenciações possam ser representadas em um modelo tridimensional (CHOCOFUR, 2016).
2.2.3 Iluminação
Dando continuidade às etapas de um projeto 3D, a próxima atividade é a iluminação. Deve-se ter em mente que a utilização correta deste item é muito importante quando o objetivo final é obter resultados realistas. Por meio desta técnica, que em conjunto com a configuração do shader, propicia que os reflexos em metais e vidros estejam corretos. É a configuração da potência da iluminação que resulta em sombras convincentes e a coloração natural dos objetos (ANDALÓA; VIEIRA & MERINO, 2010). Uma vez que os pontos de luz e sombra projetados no objeto 3D também são responsáveis por conferir o volume e a profundidade, características da tridimensionalidade.
Em uma simulação computacional, Hitchcock (1995) declara que a expressão refere-se a qualquer algoritmo3 que assemelha-se a um processo físico,
suas características devem ser calculadas usando dados meteorológicos reais. Tendo em vista que esta representação da iluminação é feita por cálculos matemáticos, sabe-se que no início dos softwares 3D a qualidade das imagens geradas pelos programas não possuíam alto grau de realismo. Com o passar dos anos, houve um aumento da capacidade dos hardwares e dos softwares que, aos poucos, deixaram os resultados de detalhes, cor e texturas mais próximos da representação do mundo real (ANDALÓA; VIEIRA & MERINO, 2010).
Dentro das configurações de luz, a iluminação tradicional é aquela que computa apenas a iluminação direta, sem considerar a luz que reflete dos objetos e retornam a cena (ANDALÓA; VIEIRA & MERINO, 2010). Com um exemplo da forma de aproximar a iluminação das propriedades reais, pode-se observar a Figura 6.
Figura 6 – Exemplo de iluminação tradicional em objeto 3D Fonte: O autor, 2017
3 Segundo Cormen (2012), algoritmo refere-se a uma sequência de passos computacionais que
transformam dados de entrada em dados de saída.
Na primeira imagem (Figura 6), a luz emitida não perde intensidade com a distância. Portando, no intuito de se aproximar um pouco das propriedades reais, ativa-se o decay, o qual refere-se ao decaimento da luz. Embora esta propriedade se assemelhe ao mundo real, o melhor exemplo de realismo pode ser visualizado na terceira imagem, uma vez que a configuração da luz faz com que a mesma tenha uma perda da potência de uma forma muito mais brusca (ANDALÓA; VIEIRA & MERINO, 2010).
Com o avanço das representações de realismo dentro de projetos em 3D, surgiu a iluminação global (termo original em inglês, Global Illumination (GI)). A iluminação global se dá em um cálculo gerado por meio de uma fonte de luz que ao incidir sobre uma superfície, retorna a cor do objeto determinada pelo seu material (ANDALÓA; VIEIRA & MERINO, 2010). Segundo Fiser (2016), esta iluminação indireta aproxima a cena 3D à representação de iluminação do mundo real.
No exemplo da Figura 7, a configuração de GI foi ativada e, por este motivo, devido à luz rebatida no objeto, mesmo a luz apresentando a mesma intensidade do que os exemplos das figuras acima, o ambiente como um todo recebe certa luminosidade, por consequência fica mais claro, assemelhando-se ainda mais com o objeto do mundo real.
Figura 7 – Imagem com Global Illumination Fonte: O autor, 2017
Outro tipo de iluminação que deve ser destacada, é a chamada iluminação baseada em imagem (Image Based Lighting - IBL). Esta tem como princípio a captura fiel de uma fotografia real, assim muitas vezes dispensa a criação de fontes de luzes
sintéticas para a iluminação de uma cena. Segundo Debevec (2002), as imagens panorâmicas High Dynamic Range Image (HDRI) usadas como textura, além de apresentar com melhor qualidade altas luzes e sombra, mostram o reflexo do ambiente em objetos brilhantes.
A Figura 8 é um exemplo de iluminação por meio uma de reprodução HDRI.
Figura 8 – Imagem com iluminação HDRI Fonte: O autor, 2017.
Para a produção da figura citada, não foi utilizado nenhuma fonte de luz sintética, toda a iluminação presente no ambiente encontra-se no HDRI. Deve-se também observar o reflexo contido no objeto reflexivo 3D, este tipo de detalhe traz bastante realismo em uma composição.
2.2.4 Animação 3D
Como um dos últimos parâmetros de um processo de criação em 3D com o objetivo de criar um vídeo, tem-se a etapa da animação. Esta, seja ela digital ou em outras técnicas, é constituída por imagens sequenciais que simulam o movimento. Cada quadro é denominado de frame e a composição de vários frames exibidos em uma rápida sequência de tempo oferece a ilusão de movimento (JANZEN & CARBONI, 2015).
Esse princípio foi observado pela descoberta da persistência retiniana ou persistência da visão e embasou a criação de brinquedos óticos no século XIX, sendo precursores da animação tradidicional. A teoria consiste em uma ilusão causada pela
sucessão de várias imagens sequenciais, que em uma velocidade superior a dezesseis imagens por segundo (16 fps), fazem com que os objetos se “desloquem” ao longo dos fotogramas, provocando a sensação de movimento (PRUDÊNCIO & GOMES, 2016).
Embora em algumas técnicas a criação destes frames sejam feitas separadamente, como por exemplo a animação tradicional, quando trata-se de software 3D a composição deste material torna-se mais fácil, uma vez que não há a necessidade de desenhar imagem por imagem. Contudo, os princípios gerais da simulação do movimento são os mesmos da animação tradicional, pode-se primeiro definir as posições-chave (pose to pose) do movimento e depois se preencher os entremeios entre cada uma das posições-chave (THOMAS & JOHNSTON, 1981). Sendo que nos quadros-chave são marcadas as posições principais dos movimentos dos objetos dentro da animação. Dessa forma, quando é definido o posicionamento do objeto dentro do espaço mundo e um frame inicial, bem como uma posição e um frame final, o programa calcula a interpolação e automaticamente cria os frames intermediários (JANZEN & CARBONI, 2015).
Figura 9 – Interpolation Fonte: O autor, 2017
Como exemplo de um simples movimento animado, na Figura 09 visualiza-se os frames chaves nas extremidades visualiza-sendo referenciados pelo objeto em branco, e as imagens formadas entre eles na cor cinza são os frames intermediários criados pelo próprio software.
Contudo, a sincronia de tempo e velocidade do movimento dos objetos precisam ser definidos pelo produtor. A velocidade em que os quadros são exibidos
na animação é chamado de Framerate. Por exemplo, quando é definido um framerate 16, isto significa que em cada segundo de animação, terá 16 frames sequenciais. Caso a animação tenha 10 segundos, a quantidade total será de 160 quadros (JANZEN & CARBONI, 2015).
Tendo-se como base os 12 princípios fundamentais da animação introduzidos por Walt Disney e registrados por Thomas e Johnston (1981), além do software 3D auxiliar com a interpolação em tópicos como contrair e esticar (Squash & Stretch) por exemplo, o programa pode também servir como um facilitador na aceleração e desaceleração (Slow & Slow out) e arcos (Arcs), por meio do Curve Editor (Figura 10).
Figura 10 – Track View - Curve Editor Fonte: AUTODESK, 2017
O modo Track View permite trabalhar o movimento como curvas em função de um gráfico. Quando visualiza-se a interpolação e os quadros chaves em imagem, torna-se simples controlar o movimento e a animação dos objetos da cena (AUTODESK, 2016).
2.2.5 Renderizadores
Embora não seja visível ao utilizador de um computador, cumpre-se destacar que tudo o que é representado no ecrã (monitor do computador ou qualquer dispositivo de interface que mostre informação a pessoa frente ao mesmo), é gerado por meio deinúmeras contas de matemática. Aquele montante de cálculo precisa se tornar algo visível, nesse momento, há a etapa de renderização. O ato de renderizar
faz com que o computador traduza os dados matemáticos nas três dimensões de uma cena e gere uma imagem final. Para a computação destas informações, alguns dos sistemas de renderização são baseados em processador, outros trabalham em conjunto com placas de vídeo especiais (DAVID, 2013).
Tendo em vista a tecnologia dos processadores gráficos chamados de GPU, em termo de realismo teve-se um grande avanço na etapa render nos últimos anos. Foram desenvolvidos softwares capazes de renderizar imagens em tempo real (DAVID, 2013), como por exemplo, a tecnologia de realidade aumentada.
Ao voltar-se para a renderização de uma única imagem, destaca-se o tempo de compilação. O filme Toy Story levou em média sete horas de renderização cada quadro. Considerando que cada segundo conta com 24 quadros, isso faz com que em um minuto de filme seja necessário 420 dias de renderização. Isso seria inviável sem a utilização da técnica chamada Render Farm, a qual é capaz de fazer o trabalho de renderização em paralelo a vários computadores.
Segundo Bortolato (2015), por padrão, os renderizadores já possuem uma configuração, porém, é em relação a cada projeto que estes parâmetros devem ser alterados, no intuito de resultarem em uma imagem final mais leve, de melhor qualidade e a um menor tempo. Com a composição de uma boa modelagem, com materiais realistas, a iluminação correta e a setagem das configurações de render é que resultará um material final de qualidade, conforme pode ser visto na Figura 11.
Figura 11 – Filme Moana
Fonte: Walt Disney, 2016.
Como exemplo de composição, pode-se visualizar a Figura 11. Nesta imagem é possível identificar a claridade do ambiente, a qualidade de transparência da água e a modelagem bem feita até mesmo de pequenos detalhes como os pelos dos animais e os cabelos dos personagens.
3 REALIDADE AUMENTADA
3.1 REALIDADE AUMENTADA: CONCEITOS INICIAIS
Atualmente, o ser humano não possui a mesma dificuldade em utilizar um computador se comparado há 60 anos. A sofisticação das interfaces do usuário, fez com que as pessoas tivessem que se ajustar às máquinas durante algumas décadas. Felizmente pesquisadores buscaram maneiras de reverter esse cenário, fazendo com que as máquinas se ajustassem as pessoas. Isto só foi possível devido a produção das tecnologias relacionadas a hardware, software e telecomunicação (SISCOUTO & ROSA, 2008).
Nas décadas de 1940 e 1950, as primeiras interfaces computacionais eram baseadas em chaves e lâmpadas. Na década de 1960, surgiram os consoles com vídeo. Porém, apenas nas décadas de 1970 e 1980, com os microprocessadores, é que os microcomputadores se popularizaram. O aprimoramento desta interface gráfica ganhou popularidade com o lançamento da Microsoft Windows 95 (SISCOUTO & COSTA, 2008). Tal sistema operacional está presente na maioria dos microcomputadores atuais em novas versões e interfaces de maior usabilidade.
Novas tecnologias fizeram com que surgissem interfaces mais tangíveis e de uso facilitado (amigáveis ao utilizador), as quais possibilitam ao indivíduo interagir com um aparelho por meio de sons, fala, toques ou gestos, como se estivessem atuando no mundo real (SISCOUTO & COSTA, 2008), em uma interação homem-máquina.
Não apenas a facilitação do uso e da interface do computador se popularizou mas, sobretudo, a popularização ao acesso dessa tecnologia. Na atualidade, idosos que nunca tiveram acesso a um computador podem ter aulas em escolas ou projetos sociais, para diminuir a distância tecnológica e eliminar preconceitos e receios. Um exemplo disto é o projeto PotencialIdade desenvolvido pela Pontifícia Universidade católica do Rio Grande do Sul (PUCRS) junto aos alunos de Pós Graduação em Gerontologia Biomédica, na qual: “O projeto desenvolvido tem como finalidade a inclusão digital de idosos para exercício de cidadania e ampliação dos diretos sociais” (PUCRS, 2017).
Embora a interface de um utilizador possa ser personalizada, ela permanece restrita a limitação da tela do monitor e a representação de ícones
(bidimensional). Para resolver esta situação, surgem as novas tecnologias, como a realidade aumentada, que tratam de uma nova geração de interface, no intuito de transpassar a limitação de um ecrã, utilizando representações tridimensionais mais próximas da realidade do utilizador (SISCOUTO & COSTA, 2008).
A realidade aumentada (RA) trata-se de uma tecnologia que mistura a reprodução de algo em três dimensões, com o mundo físico. Devido a esta representação ser processada em tempo real, a tecnologia é diretamente influenciada pelo avanço tecnológico. Tanto de um ponto de vista de hardware, quanto do ponto de vista de software (RIBEIRO & ZORZAL, 2011).
O funcionamento deste sistema exige do software um dispositivo de captura das informações dos utilizadores para gerar, em tempo real, a representação do elemento virtual, bem como o hardware para mapear os elementos no mundo real (RIBEIRO & ZORZAL, 2011). Os chamados marcadores fazem com que o programa de RA calcule o posicionamento correto do objeto 3D. Este pode ser um QR Code gerado pelo próprio sistema, ou mesmo figuras específicas (TONIN, 2013).
3.2 APLICAÇÃO DA REALIDADE AUMENTADA NO COTIDIANO
A partir do primeiro workshop de Realidade Virtual que aconteceu no Brasil em 1997, deu-se início ao desenvolvimento desta tecnologia em âmbito nacional, por meio de pesquisadores e interessados na tecnologia. A popularização de técnicas de Realidade Virtual e Realidade Aumentada, pode ser observada em programas de televisão, técnicas de simulação em jogos e principalmente pelo uso das tecnologias pelas empresas (RODELLO & BREGA, 2011).
Como exemplificação do uso em nosso cotidiano, pode-se citar aplicativos de fotografia onde o utilizador escolhe um acessório em sua tela de smartphone para fazer parte da composição da imagem, gerando alterações na sua imagem, conforme a Figura 12. Nesta figura, o rosto de um mostro é inserido a imagem verdadeira, fazendo com que este modelo pareça verdadeiro.
Figura 12 – Aplicativo MSQRD Fonte: O autor, 2017.
Um exemplo de aplicativo que tomou grandes proporções recentemente no país e no mundo foi o jogo Pokémon Go. Nele, o utilizador, para participar da experiência, precisa baixar o aplicativo e disponibilizar algumas informações do aparelho à gestão. Por meio do GPS e da câmera dos dispositivos compatíveis, o jogo permite aos jogadores encontrar Pokémons que aparecem na tela, como se estivessem presentes no mundo real. A partir disso, o utilizador pode capturá-lo, batalhar ou mesmo treinar criaturas virtuais (POKEMONGO, 2016). Esse jogo é um exemplo do potencial do recurso da realidade virtual, pois o jogo criado pela Niantic, alcançou resultados bilionários desde o seu lançamento em julho de 2016 (TECMUNDO, 2017). Esse exemplo tende-se a expandir, no momento a Niantic está desenvolvendo um jogo mobile de outra franquia bastante popular: Harry Potter.
Embora a tecnologia seja muito utilizada no mundo do entretenimento e marketing, como por exemplo propagandas, promoções e demonstrações de produtos, muitos proporcionam uma outra forma de abordagem para assuntos relacionados a educação. Conforme Lacerda (2013), o implemento de novas tecnologias de informação no ensino pretendem ocasionar o aumento da motivação do aluno, despertar o interesse e a curiosidade.
Assim, explorando o potencial de colaborar no processo cognitivo do aprendiz, essa tecnologia proporciona, além da teoria, a experimentação prática do conteúdo (KIRNER & TORI, 2006). Muitos sistemas de apoio foram especificados e desenvolvidos utilizando a realidade aumentada. Como exemplo, a área da saúde é um dos mais explorados, destaca-se o AnatomY 3D (Figura 13), uma estrutura de atlas digital de uso livre que permite a manipulação e o estudo de estruturas tridimensionais do corpo humano; bem como o Lira – Spec, que é uma ferramenta baseada em um livro que além de poder ser usado da forma tradicional, quando colocado na frente de uma webcam conectada a um computador configurado a cenas 3D, objetos são projetados utilizando o próprio marcador (RIBEIRO & ZORZAL, 2011).
Figura 13 – Aplicativo AnatomY 3D Fonte: Google Play, 2017.
Como uma forma de embasamento de tecnologia de interface, concluí-se o tópico de realidade aumentada. Em seguencia será apresentado sobre realidade virtual, foco deste trabalho.
4. REALIDADE VIRTUAL
Na contemporaneidade, com as transformações tecnológicas e a propagação da indústria de computadores, a Realidade Virtual passou a ser mais viável, e empresas de produtos eletrônicos começaram a desenvolver mercadorias para serem utilizadas por ela (RODRIGUES & PORTO, 2013). Em uma imersão de Realidade Virtual (RV), a visualização do ambiente é reproduzida também por meio de imagens 3D, geradas por um computador em renderização online (tempo real). Muito abrangente, acadêmicos, desenvolvedores de software e pesquisadores tendem a definir a Realidade Virtual, com base em suas próprias experiências. A realidade virtual surge como uma nova geração de interface, a qual usa representações tridimensionais mais próximas da realidade do utilizador, rompendo a barreira da tela e possibilitando interações mais natuais (SISCOUTO & COSTA, 2008).
O registro do cotidiano por imagens e representações da realidade ou da imaginação, fazem parte da vida do ser humano desde a pré-história. Ao logo do tempo, as imagens puderam ser expressadas com desenhos primitivos, direcionando-se até o cinema, ópera ou ilusionismo, por exemplo. O uso do computador transformou a forma de expressão, convergindo para a multimídia. Com a transformação tecnológica, recentemente a hipermídia ganhou espaço por permitir uma navegação não linear, gerados por ambientes tridimensionais interativos (TORI & KIRNE, 2006), que coexistem e se complementam.
Inventado no final da década de 1980 por Jaron Lanier, artista e cientista da computação gráfica, o termo Realidade Virtual refere-se a junção de dois conceitos antagônicos, a que possui a característica de realmente existir (realidade), e a que simula a criação por meios eletrônicos (virtual). Ainda, segundo Rodrigues e Porto (2013), a capacidade e a qualidade da alta tecnologia, convencem o utilizador de estar em uma outra realidade, provocando seu alto envolvimento. A partir da interação com objetos e a capacidade de interagir com o mundo ao seu redor, cria-se a sensação de presença tridimensional.
Diferente da Realidade Aumentada, a Realidade Virtual embora possua seis décadas de existência (1957), até pouco tempo atrás, a utilização dessa tecnologia era inviável, devido ao seu alto custo e a dificuldade de seu desenvolvimento. Estes fatores impossibilitaram o recurso de ter sua expansão de
forma significativa. Com a transformação tecnológica e a propagação da indústria de computadores, a Realidade Virtual tornou-se mais viável. Empresas que produzem produtos eletrônicos passaram a desenvolver mercadorias com esta tecnologia, o que elevou a RV a um outro patamar dando apelo comercial e econômico para os fabricantes (TORI; KIRNER & SISCOUTTO, 2006).
Algumas organizações adotaram a tecnologia como uma forma mais eficaz de vender seus produtos, validar protótipos ou treinar funcionários. Em algumas instituições de ensino, os alunos possuem experiências em realidade virtual no intuito de adquirir conhecimento de uma forma não tradicional, mas com o auxílio da tecnologia. De acordo com Siscouto (2008, p. 06):
A Realidade Virtual (RV) é uma “interface avançada do usuário” para acessar aplicações executadas no computador, propiciando a visualização, movimentação e interação do usuário em tempo real, em ambientes tridimensionais gerados por computador.
Esta percepção de ambiente tridimensional é possível por meio de dados captados e gerados por dispositivos especiais, como exemplo, luvas que possibilitam as pessoas interagir com os ambientes em cena, e óculos que, quando colocado, possibilita as pessoas visualizarem o ambiente gerado pelo computador ou dispositivo móvel (CARDOSO & LAMOUNIER, 2004).
4.1 BREVE HISTÓRICO DESSA TECNOLOGIA
Morton Heilig (1926 – 1997), formado na Universidade de Chicago (1944), é considerado o percursor da Realidade Virtual (MORTONHEILIG. 2017). Sua premissa era simples mas impressionante para seu tempo: se um artista controlasse a estimulação multissensorial do público, ele poderia fornecer-lhes a ilusão e sensação de experiência em primeira pessoa de realmente "estar lá”.
Inspirado por curiosidades como Cinerama (uma técnica que usou três câmeras para projetar filmes em uma tela panorâmica em arco, ampliando a área de visualização do espaço para o público) e filmes em 3D, Heilig entendia que a lógica seria mergulhar o público em um mundo fabricado que envolvesse todos os sentidos. Ele acreditava que, ao expandir o cinema para envolver não apenas a vista e o som,
mas também o gosto, o toque e o cheiro, transportaria o público para um mundo virtual habitável (TELEPRESENCEOPTIONS, 2008).
Seus estudos começaram não examinando a relação entre filmes e telespectadores, mas tentando entender para onde deslocam-se as atenções dos indivíduos em qualquer situação. Segundo Heilig, a atenção dos sentidos está distribuída da seguinte maneira:
Visão 70% Audição 20% Olfato 5% Toque 4% Sabor 1%
Pode-se observar pelo grande percentual, que a experiência do ser humano resume-se à visão (70%) preenchida em 180° na horizontal e 150° na vertical em três dimensões, onde soma-se a capacidade do ouvido (20%) de discernir volume, ritmo e sons, o nariz e a boca detectando odores e sabores e a pele que registra a temperatura e textura (PAYATAGOOL, 2008).
Com estes procedimentos baseados no aspecto biológico do ser humano e aplicados à metodologia da arte, Heilig (2002, p. 241) acredita que: “O cinema do futuro se tornará a primeira forma de arte para revelar o novo mundo científico ao homem, na plena vivacidade sensual e vitalidade dinâmica de sua consciência”.
Em 1957 (patenteada em 1962), Morton criou um simulador para uma ou até quatro pessoas chamado Sensorama Machine. Este equipamento fornecia uma ilusão de realidade usando o 3D motion picture com cheiro, sons altos, vibrações no assento e ventos.
Segundo o depoimento de um anônimo sobre tal tecnologia (2008):
Coloquei minhas mãos, olhos e ouvidos nos lugares certos e espiei através dos olhos de um passageiro de motocicleta nas ruas de uma cidade, como apareceram há décadas. Durante trinta segundos, no sul da Califórnia, na primeira semana de março de 1990, fui transportado para o lugar do motorista de uma motocicleta em Brooklyn, na década de 1950. Eu ouvi o motor começar. Senti uma vibração crescente através do guiador, e a foto 3D que encheu muito da minha visão ganhou vida, animando em uma imagem em movimento 3D amarelada, arranhante, mas ainda eficaz. Eu estava no meu caminho pelas ruas de uma cidade que não se parece assim por uma geração. Não me fez morder minha língua ou gritar em voz alta, mas esse não era o ponto de Sensorama. Era para ser uma prova de conceito, um lugar para começar, uma demo. Em termos de história VR, Colocar minhas mãos e cabeça em Sensorama foi um pouco como olhar para os irmãos Wright e
levando seu protótipo original para uma rodada. (TELEPRESENCEOPTIONS, 2008).
Duas partes da invenção tornaram isso possível, o Sensorama Motion Picture Projector, que tratava-se da cabine multissensorial e o Sensorama 3D Motion Picture Camera, o qual era um dispositivo de mão de uma câmera de filme duplo de (lado a lado), utilizada para capturar e registrar filmagens que estariam no certo da experiência (RODRIGUES & PORTO, 2013). A Figura 14 é o registro do Sensorama Motion Picture Projector.
Figura 14 – Sensorama Motion Picture Projector Fonte: mortonheilig.com, 2017
Em 1960, Morton patentiou a Telesphere Mask (Figura 15), o primeiro Head Mounted display que fornecia vídeos estereoscópios, visão ampla e som estéreo verdadeiro (TELEPRESENCEOPTIONS, 2008). Hoje o equipamento está à venda no site Sensorama3d pelo valor de 1,5 milhões de dólares.
Figura 15 – Telesphere Mask Fonte: mortonheilig.com, 2017
A terceira patente do pesquisador e desenvolvedor Morton Heilig foi o Experience Theater (1969), tinha como objetivo fornecer a imersão igual ao Sensorama Machine, todavia em uma larga escala. Trata-se de uma imensa tela semi esférica, a qual transmite um vídeo em 3D com imagens periféricas, sons direcionados, ventos, variações de temperaturas e inclinação do corpo nas poltronas (MORTON, 2017).
Na atualidade, existem vários rastreadores para a captura do movimento humano. Na realidade virtual, estes dispositivos possuem a finalidade principal de monitorar a posição e a orientação da cabeça da pessoa, bem como as mãos do utilizador (TORI & KIRNER, 2006).
Segundo Machado (2017), pode-se dividir este mecanismo em três categorias: para as mãos, para os braços ou perna, e para o corpo. Os dispositivos das mãos geralmente oferecem retorno tátil, permitindo sentir vibrações, pressão ou calor, por meio de luvas por exemplo. Em relação a dispositivos para braços e pernas, possui-se o joystick como exemplo, pelo fato de limitar as ações do utilizador. Por fim, os dispositivos para o corpo que são plataformas, visam oferecer vibrações ou mexer com a sensação de equilíbrio de seu utilizador.
Todos estes dispositivos especiais não superaram a popularização da realidade virtual, na mesma intensidade que os smartphones possibilitaram (Figura 17). Os capacetes de plástico e de papelão, sem eletrônica e de baixo custo, adquiridos ou construídos pelas próprias pessoas, passaram a incorporar os celulares e por meio destes, disponibilizar experiências de realidade virtual (TORI; KIRNER; CARDOSO & FRANGO, 2017).
Figura 16 – Samsung’s Gear VR Fonte: engadget.com, 2017.
Nesta imagem (Figura 16) é possível visualizar um celular smartphone acoplado ao óculos Gear VR da Samsung. Por meio deste conjunto e um aplicativo de RV ou mesmo vídeos do YouTube em 360º, as pessoas de forma individual podem ter experiências de realidade virtual em qualquer lugar.
4.2 REALIDADE VIRTUAL COMO TECNOLOGIA IMERSIVA
Tendo em vista que o maior percentual dos receptores do sentido humano encontram-se nos olhos, aliado ao fato da maioria das informações recebidas apresentarem a forma de imagem, as quais são interpretadas pelo cérebro, isso permite que os computadores e a mente humana atuem de forma cada vez mais integrados por meio da realidade virtual (NETTO; MACHADO & OLIVEIRA, 2002).
Como premissa dessa tecnologia, a RV pode ser caracterizada pela integração de três ideias básicas: imersão, interação e envolvimento (RODRIGUES & PORTO, 2013). A concepção de imersão relaciona o utilizador e sua sensação de estar dentro do ambiente. Contudo, existe a proporção de imersão e o que define isso é o dispositivo que transmite ao utilizador a sensação de entrada no ambiente virtualizado. Dessa forma, os sentidos sensoriais e a atenção para o que acontece dentro desse espaço virtual, isola a pessoa do mundo exterior permitindo-lhe a manipulação e exploração natural, diferenciando-o de um simples observador (RODRIGUES & PORTO, 2013).
A interação significa a modificação em tempo real do mundo virtual, a partir de uma ação do utilizador detectada pelo computador. A capacidade de decisão dá poder a quem o utiliza, princípios básicos já utilizados em videogames, porém, para parecer ainda mais realista, o ambiente virtual pode incluir a inserção de sons ambientais e sons associados a objetos específicos. Por fim, o envolvimento está ligado ao grau de estimulação para o comprometimento de uma pessoa com determinada atividade. Este pode ser ativo, onde o utilizador participa ativamente com ações, ou passivo, participando como observador (RODRIGUES & PORTO, 2013).
Na essência, a RV é um “espelho da realidade física”, na prática, a RV permite a pessoa navegar em um mundo tridimensional, em tempo real e com seis graus de liberdade (6DOF – Six Degrees of Freedom). Conforme Netto; Machado e Oliveira (2002, p. 05):
Isso exige a capacidade do software de definir, e a capacidade do hardware de reconhecer, seis tipos de movimento: para frente/para trás, acima/abaixo, esquerda/direita, inclinação para cima/para baixo, angulação à esquerda/ à direita e rotação à esquerda/ à direita.
Os seis graus de liberdade possibilitam movimentos em relação ao eixo. A representação na Figura 17 é formada por flechas (translação) e círculos (rotação).
Figura 17 – 6DOF (translação e rotação) Fonte: O autor, 2017.
Pensando-se em percepções, cumpre-se destacar que os atrasos admissíveis para o ser humano ter a sensação de interação em tempo real está em torno de 100 milissegundos, tanto para o sentido da visão, quanto para reações de tato, olfato e audição. Isto impõe um compromisso do software renderizar ao menos 10 quadros de imagens por segundo (sendo em torno de 20 quadros por segundo para melhor resultado em cenas animadas) e de 100 milissegundos de atraso nas reações do utilizador (TORI & KIRNER, 2006).
Outro fator de destaque refere-se ao ambiente virtual (Tori; Kirner, 2006). A precisão geométrica, bem como cores, texturas e iluminação são elementos importantes para qualquer objetivo, seja ele com referência ao mundo real ou não. Quando inserido em um ambiente, é programado se o objeto será classificado como estático ou dinâmico, bem como os limites de translação e rotação que o mesmo terá. Uma técnica que é utilizada em projetos de Realidade Virtual ou até mesmo em games convencionais é o chamado nível de detalhes (Level of Details (LOD)). Este nível de detalhes faz com que os objetos tenham representações em níveis de
plano lateral
plano transversal
detalhamento condizentes com a distância, quanto mais longe, mais simplificada será a representação (TORI & KIRNER, 2006).
4.3 MOTORES GRÁFICOS
Sistemas de RV envolvem interações em tempo real. Linguagens como RVML, X3D; bibliotecas como WTK; toolkits gráficos como VizX3D ou até mesmo Game Engines Ogre e enJine, possuem a função de preparar os ambientes virtuais e envolver toda a modelagem, texturas, manipulação de sons, elaboração de animações, dente outras. Os softwares que, na fase de execução, atuam como run-time support, possuem o objetivo de interagir com os dispositivos especiais, cuidar da interface e tratar das interações, como implementar a comunicação em rede para aplicações remotas (TORI & KIRNER, 2006).
Em 1994, a companhia norte americana iD Sofware lançou um jogo chamado Doom. Este introduziu em sua época uma novidade importante, o conceito de motor gráfico. A game engine ou motor gráfico resume como o código define e processa todas as informações que um jogo deve reproduzir, tais como gráficos, texturas, inteligência artificial, sons, rede e controle, entre outras (NUNES, 2009).
Um exemplo de proposta de arquitetura de motores gráficos para ilustrar a estrutura de um software foi proposto por Domingues (2003) para o motor Forge V8 3D. Baseado no padrão de projeto arquitetural Model – View – Controller (MVC), a Figura 18 apresenta o framework (BITTENCOURT & OSÓRIO, 2006).
Figura 18 – Estrutura MVC (Model – View - Controller) Fonte: BITTENCOURT, 2006.
Controlador Modelo
Visão
Em relação a Figura 18, analisa-se que a formação do sistema é composta pelos modelos 3D, somados a representação visual que é apresentado ao utilizador e o controlador, o qual refere-se as ações definidas durante a programação, que pode realizar os movimentos de pesronagens, etc.
Figura 19 – Motores de jogos livres e comerciais mais utilizados Fonte: NUNES, 2009.
Na Figura 19, estão representados os motores gráficos livres (gratuitos) e de licença proprietária mais utilizados no mundo. Torna-se difícil fazer uma comparação de funcionalidades entre eles, haja vista que todos apresentam as características esperadas numa aplicação deste tipo. As diferenças aparecem durante a execução de funcionalidade, podendo ser melhor ou pior executada, resultando em diferentes níveis de performances e qualidade (NUNES, 2009).
4.4 UNREAL ENGINE 4
Assim como os exemplos citados na Figura 19, a Unreal Engine 4 (UE4) é um motor gráfico com um framework de desenvolvimento completo, sendo este o software utilizado para exportação do produto final deste trabalho. Além de possuir tecnologia de núcleo, ferramentas de criação de conteúdo, suporte de infraestrutura,
Livres
Comerciais
OGRE
Irrlicht
Crystal Space
Panda3D
jME
Blender
Reality Factory
The Nebula Device 2
RealmForge
OpenSceneGraph
Torque Game Engine 3D
3DGameStudio
TV3D SDK 6.5
C4 Engine
Leadwerks Engine 2
Unity
NeoAxis Engine
DX Studio
Visual3D.NET
Esperient Creator
foi escrito em C++4 e hoje tornou-se um dos motores gráficos mais populares entre
jogos de ação. Esta é uma engine que permanece com atualizações frequentes. Sua ferramenta de multiplataforma completa, permite o funcionamento em aparelhos Apple iOS, Google Android, Microsoft Xbox One, Sony PlayStation 4, Windows, entre outros (MALLMANN, 2012).
Esta engine foi projetada para facilitar a criação de conteúdo e programação, dando forte poder aos artistas e designers para desenvolver excelentes ambientes visuais, com assistência mínima de programação. Possui um próprio sistema de partículas, para criação de efeitos como fogo, chuva, fumaça e poeira. Fornece ferramentas para edição e criação de cinemáticas avançadas. Ferramentas de edição de terreno, desenvolvimento em C++ e diversas outras funcionalidades (MALLMANN, 2012).
O ambiente de edição totalmente integrado da Unreal é chamado de Unreal Development Kit. Dentro do editor, é fornecido o que é necessário para a criação de um jogo, por exemplo, pode-se encontrar uma ferramenta de organização e busca que gerencia toda a variedade de conteúdo (Unreal Content Browser), ferramenta para design de materiais visuais e shaders (Material Editor), post-process Editor para ligação de todos os efeitos posteriores, dentre outros (MALLMANN, 2012).
Segundo o site da Unreal Engine, com a conclusão do desenvolvimento dentro do motor gráfico, é preciso exportá-lo para então ser distribuído como um produto final. Esta exportação dentro da UE4 é chamado de empacotamento (Package Project). Esta embalagem assegura que todos os códigos e conteúdos estejam atualizados e no formato para serem executados na plataforma de destino desejada.
As plataformas que este motor gráfico exporta seus projetos, pode-se citar Android, HTML5, iOS, Linux, PlayStation 4, Windows e Xbox One. Quando empacotado, o programa irá disponibilizar um arquivo que apenas deve ser executado para funcionar. Dependendo da plataforma escolhida, o arquivo final poderá ter sua extensão .exe (windows), .apk e .obb (android) ou .bat (iOS), por exemplo (UNREAL ENGINE, 2017).
4 Criada em 1983, o C é uma linguagem de programação compilada que foi alterada com o passar do
tempo, tendo sido evoluída para a denominação C++. Sua última versão especificada foi em dezembro de 2014.
