Introdução a Realidade Virtual e Aumentada - de.ufpb.brlabteve/publi/2018_livroRVA.pdf · a...

IntroduçãoaRealidadeVirtualeAumentada

RomeroTori

MarcelodaSilvaHounsell

Editores

AnnaCarolinaMullerQueiroz

Produção

RodrigoRizzoSimões

Editoração

RodrigoCrissiuma

APRESENTAÇÃOEm2004,porocasiãodoVIISVR,queocorreuemSãoPaulonoCentroUniversitárioSenac,foirealizadaaprimeiraediçãodoPré-Simpósio(PS).ComonaquelemomentoaComissãoEspecialdeRealidadeVirtual(CE-RV)daSBCtinhacomometasainternacionalização,aampliaçãodacomunidade,umamaiordifusãodoconhecimentoeumamelhorformaçãodeprofissionais,aideiadoPSfoiatrair,motivareprepararnovosparticipantesparaoevento.NaqueleanooSVRfoirealizadoemconjuntocomumeventosobreMídias,aexemplodaparceriacomoSBGames,apartirde2017.MuitosparticipantesdesseeventoparaleloaproveitaramparaconhecermelhoraáreadeRealidadeVirtual(RV)eRealidadeAumentada(RA)participandodoPSedoSVR.ComoresultadodomaterialquefoipreparadoparaoPSfoigeradoumlivro,quenoVIIISVR(2006)foiatualizadoeseuPDFdisponibilizadogratuitamentenaInternet,sendoatéhojemuitoreferenciado.DezanosdepoisaProfaFatimaNunes,coordenadorageraldoXIXSVR,entendeuqueeraomomentoderesgataroformatooriginaldoPré-Simpósioenosconvocouparaessamissão.Odesafiofoigrandemasconseguimosacolaboraçãodegrandesprofissionaisepesquisadores,quedoarampartedeseutempoparaesseprojetocoletivo,muitosdelesparticipantesdasediçõesde2004ede2006.Aexemplodessasediçõesestamospublicandoumlivroque,esperamos,possaserreferênciaparapesquisaseformaçãoemRVeRA.Partedoconteúdodaediçãode2006continuaválidaeatual,tendosidoincorporadaàestanovaedição.Estaobraseráatualizadaperiodicamente.PorissocontamoscomacomunidadedepesquisadoresdeRVeRAecomvocê,leitor,paranosenviarcríticasesugestões.

Bem-vindo(a)àrealidade,sejaelavirtualouaumentada.

Boaleitura!

Editores

RomeroToritori@usp.brMarcelodaSilvaHounsellmarcelo.hounsell@udesc.brSetembrode2018

Comocitarestaobra

ABNTTORI,Romero;HOUNSELL,MarcelodaSilva(org.).IntroduçãoaRealidadeVirtualeAumentada.PortoAlegre:EditoraSBC,2018.

APATori,R.&Hounsell,M.S.(Eds.).(2018).IntroduçãoaRealidadeVirtualeAumentada.PortoAlegre:EditoraSBC

MLATori,Romero,HounsellandMarcelodaSilva,eds.IntroduçãoaRealidadeVirtualeAumentada.PortoAlegre:EditoraSBC,2018.

IEEER.ToriandM.S.Hounsell,Eds.IntroduçãoaRealidadeVirtualeAumentada.PortoAlegre:EditoraSBC,2018.

I61Introduçãoarealidadevirtualeaumentada/RomeroTori,MarcelodaSilvaHounsell,organizadores.

PortoAlegre(RS):SBC,2018.

ISBN:978-85-7669-446-5

1.Realidadevirtual.2.Realidadeaumentada.

I.Tori,Romero.II.Hounsell,MarcelodaSilva.III.SociedadeBrasileiradeComputação.IV.Título.

CDD:006.6-1.ed.

IntroduçãoaRealidadeVirtualeAumentada

Autores

AlexandreCardoso

AlexandreL'Erario

AlinneC.CorrêaSouza

AnaGrasielleDionísioCorrêa

AntonioCarlosSementille

AntonioL.ApolinárioJr.

AntonioValerioNetto

BrunoFeijó

ClaudioKirner

CléberGimenezCorrêa

DanielaGorskiTrevisan

EdgardLamounier

EduardaMaganhadeAlmeida

EduardoFilgueirasDamasceno

RomeroTori

JoãoLuizBernardesJr

JoãoVitordeMatosSilva

JorgeFonsecaeTrindade

JoséAugustoFabri

KeilaK.Matsumura

LeandroL.Dihl

LucianoPereiraSoares

LucianoSilva

MarceloHashimoto

MarcioE.Delamaro

MárcioSarrogliaPinho

PedroM.Kayatt

PolisedeMarchi

EstebanClua

EunicePereiradosSantosNunes

EzequielR.Zorzal

FabianaCecin

FábioA.C.Modesto

FatimaL.S.Nunes

GersonF.MLima

IldebertoAparecidoRodello

JerônimoFreire

Editores

PolisedeMarchi

RicardoNakamura

RobsonAugustoSiscoutto

RodrigoL.S.Silva

RomeroTori

RosaMariaE.M.daCosta

SergioRobertoMatielloPellegrino

SilvioRicardoRodriguesSanches

SoraiaRauppMusse

TalesBogoni

Revisores

AlbinoSzeszJunior

AlexandreMoreiraNascimento

CamillaAlmeidadaSilva

CandyVeronicaTenorioGonzales

CarlosAlbertoPaiva

ClaudiadeArmasdeArmas

ElaineLincolnBarreto

ElenCollaço

FernandoPimentel

GláuciaSilvaBierwagen

JohnLennonOliveiraCouto

HeldaOliveiraBarros

LucasBegnini

LumaCarolinaCâmaraGradim

RomeroTori

RosangelaSpagnolFedoce

TalitadosSantosRosa

AgradecimentoespecialaoProf.Dr.LuizGonzagaSilveiraJunior,porsuasimportantescontribuiçõesesugestões,eàUnisinos,pelasalavirtualcedidaparaarealizaçãodereuniõesdosautoreseeditores.

SVR2018-ComissãoOrganizadora

GeneralChairs

LucianoPereiraSoares(Insper)

AlysonMatheusdeCarvalhoSouza(MetrópoleDigital/UFRN)

CleberGimenezCorrêa(UTFPR)

FranciscoPauloMagalhãesSimões(IFPE)

JoãoMarceloXavierNatárioTeixeira(UFPE)

ProgramChairs

LucianaNedel(UFRGS)

VeronicaTeichrieb(UFPE)

Pre-symposiumChairs

RomeroTori(USP)

FátimaNunes(USP)

GraduateStudentWorkshopChairs

AlbertoRaposo(PUC–Rio)

CretoVidal(UFC)

UndergraduateStudentWorkshopChairs

EuniceNunes(UFMT)

SelanRodriguesdosSantos(UFRN)

DemosChairs

RafaelRieder(UPF)

AndersonMaciel(UFRGS)

TutorialsChairs

JoãoPauloSilvadoMonteLima(UFRPE)

DanielaTrevisan(UFF)

ComissãoEspecialdeRealidadeVirtualeAumentada(CE-RV)

Coordenação

LilianedosSantosMachado(UFPB)Coordenadora

LucianoPereiraSoares(Insper)Vice-Coordenador

ComitêGestor

AlbertoBarbosaRaposo(PUC-Rio)JoãoMarceloX.N.Teixeira(UFRPE)

MarcioPinho(PUC-RS)LucianaNedel(UFRGS)

SBCPresidência

LisandroZambenedettiGranville(UFRGS)-PresidenteThaisVasconcelosBatista(UFRN)-Vice-Presidente

Diretorias

RenatadeMatosGalante(UFGRS)-DiretoraAdministrativa

CarlosAndréGuimarãesFerraz(UFPE)-DiretordeFinanças

AntônioJorgeGomesAbelém(UFPA)-DiretordeEventoseComissõesEspeciais

RenataMendesdeAraujo(UNIRIO)-DiretoradeEducação

JoséViterboFilho(UFF)-DiretordePublicações

ClaudiaLageRebellodaMotta(UFRJ)-DiretoradePlanejamentoeProgramasEspeciais

MarceloDuduchiFeitosa(CEETEPS)-DiretordeSecretariasRegionais

ElianaAlmeida(UFAL)-DiretoradeDivulgaçãoeMarketing

DiretoriasExtraordinárias

RicardodeOliveiraAnido(UNICAMP)-DiretordeRelaçõesProfissionais

EstherColombini(UNICAMP)-DiretoradeCompetiçõesCientíficas

RaimundoJosédeAraújoMacêdo(UFBA)-DiretordeCooperaçãocomSociedadesCientíficas

CláudiaCappelli(UNIRIO)-DiretoradeArticulaçãocomEmpresas

LeilaRibeiro(UFRGS)-DiretoradeEnsinodeComputaçãonaEducaçãoBásica

Capítulo1-RealidadeVirtualRomeroTori

MarcelodaSilvaHounsellClaudioKirner

EstecapítuloapresentaosconceitosfundamentaisrelacionadosàRealidadeVirtual(RV),taiscomosuadefinição,históricoecaracterização.Sãodiscutidososconceitosdereal,virtual,presençaeimersão.Otextotraztambémumavisãogeralsobreasprincipaistecnologias,técnicas,equipamentos,arquiteturaseaplicaçõesdaRV,temasessesqueserãoaprofundadosnosdemaiscapítulosdestelivro.

1.1Introdução

Aparentemente“RealidadeVirtual”éumtermocontraditório.Comoalgoqueévirtualpoderiaseraomesmotemporeal?Defato,osambientesvirtuaissão,aomesmotempo,reais.Sãorealidadesdiferentes,alternativas,criadasartificialmente,massãopercebidaspelosnossossistemassensóriosdamesmaformaqueomundofísicoànossavolta:podememocionar,darprazer,ensinar,divertireresponderàsnossasações,semqueprecisemexistirdeformatangível(tocável).Atémesmoatangibilidadejácomeçaafazerpartedosambientesvirtuais,tornando-oscadavezmenosdistinguíveisda“realidadereal”.

Atecnologiahojepermiteoacessoaambientessintéticos,imersivosedealtadefinição,queconseguemnostransportarpararealidadesalternativas,abaixocusto.Bastaumsmartphonedeúltimageraçãoeumvisordepapelãodobráveldecustoirrisórioparatermosacessoaexperiênciasimersivasque,háalgunsanos,eramacessíveisaapenaspoucosprivilegiadoscomacessoaequipamentoscaríssimos.Masnaessência,foraaeconomiadeescalaeoaprimoramentotécnico(imagenscommaiordefinição,sensoresmaisprecisos,menosatrasosetc.),nãohámuitadiferençaentreconceitos,técnicasetecnologiasatuaiseaquelesutilizadosemgeraçõesanterioresdarealidadevirtual.Osprincipaissãodiscutidosaseguir.

1.1.1RealeVirtual

Écomumacontraposiçãoentrerealevirtual,comoseovirtualfossealgoquedefatonãoexistisse.Emalgunscontextos,otermovirtualtemmesmoessesignificado,comonasilusõesdeópticageradasporlenteseespelhosqueproduzemimagensqueexistemapenasemnossasmentes.Masoquechamamosderealidadeéformadaportudoaquiloqueécaptadopornossosentidos.Logo,comexceçãodecoisasimaginadasnaprópriacabeça,sejaduranteosonhoouprovocadaspordrogasoudoenças,todososestímulosquevêmdomeioexternoesãopercebidospelosnossosentidos,incluindoimagensatrásdeespelhosouprojetadastecnologicamente,compõemanossarealidade.

Osignificadode“virtual”é“potencial”(dolatimvirtus,quesignificaforça,energia,potência),ouseja,umelementovirtualéalgoquetempotencialparavirasetornaraqueleelemento.Sementesdecafépossuempotencialparasetornarumcafézinho,mastambémtêmpotencialparasetransformaremplantasdecafé.Oarquivodigitalquerepresentaummodelo3Ddeumachaleiratempotencialparasetornarumachaleiradeverdade,pormeiodeumaimpressora3D,mastambémpodesetornaraimagemdeumachaleiraexibidanumtablet,porexemplo.Podemosentãochamarsementesdecafé(reais)decafezinhovirtual,oudeplantadecafévirtual,assimcomoaquelearquivodomodelo3Déumachaleiravirtualetambémaimagemdeumachaleiravirtual.Asementeérealeaomesmotempoumaplantavirtual,ouumcafezinhovirtual.Oarquivodigitalérealeaomesmotempoumobjetovirtual,ouimagemvirtual.Oquedesencadeiaaconfusãoquesefazcomessesconceitoséqueumaárvorevirtual(semente)nãopodeseraomesmotempoaárvorereal.Masissonãosignificaqueasementenãosejareal,elaapenasnãoéaárvorereal.Aindaquesejaalgodiferentedaquiloquevirtualiza,ovirtualcertamenteexiste(casocontrárionãoteriapotencialparanada).

Comovisto,oarquivodigitaldeumaimageméumaimagemvirtual.Quandoessaimagemématerializada,sejaempapel,sejanateladeumcomputador,passaaserreal.Mesmoassiméusualcontinuarmosachamaressaimagemdevirtual.Afotodeumapessoanãoéovirtualdaqueleindivíduo,umavezquenãotempotencialparanelesetransformar.Afotoérealeéarepresentaçãodealgo,nãoéovirtualdaquiloquerepresenta.Noentanto,tendoemvistaqueotermovirtualjáédeusocomumquandonosreferimosaelementoseambientescriadospormeiosdigitais(desdequenãomaterializadospormeiodeimpressora,depapelou3D),usaremosnestetextooseguintesignificadoparavirtual,nocontextodastecnologiasdigitais,aindaquenãorigorosamenteaderenteaosconceitostrazidosporfilósofos,comoPierreLevy(2003),jádiscutidosacima:

“Virtualserefereaambientesouelementosquesãosintetizadospormeiodedispositivosdigitaisequepodemserreplicadosdeformaimaterial”.

Poroutroladoutilizaremosaseguintedefiniçãodereal,tendoemvistanossaexperiênciapráticaeosobjetivosdestaobra:

“Realserefereaambientesouelementosqueousuárioconsiderecomosendopertencentesàsuarealidade.”

NaáreadeRV,durantemuitotemporealevirtualeramtratadoscomomutuamenteexclusivos.OobjetivodaRVeratirardousuárioapercepçãodomundorealefazê-losesentirapenasnoambientevirtual,comocontinuaaserhoje.Nadécadade1990,noentanto,surgiuoconceitodeRealidadeAumentada(RA)(vercap.2)eamisturaentrerealevirtualpassouaserumapossibilidade.Em1994umimportanteartigopublicadoporMilgramemaistrêscolegas(Milgrametal.,1994)apresentouoquepassouaserconhecidocomo“Contínuoreal-virtual”ou“ContínuodeMilgram”(Fig.1.1).

Figura1.1ContínuoReal-Virtual,conformepropostaporMilgrametal.(Milgrametal.,1994).AdaptadodooriginalporTori(2017).

ARVsesituanoextremodireito,enquantoqueomundo“real”encontra-senoextremoesquerdo.ARAéobtidaquandoousuário,sentindo-senoambientereal,podeinteragircomelementosvirtuaisdevidamenteregistradostridimensionalmentecomoespaçofísicoreal.Jáavirtualidadeaumentada(VA)ocorrequandoousuárioétransportadoparaumarealidadesintética(virtual)enriquecidacomelementosdomundoreal.UmexemplodeVAéochamadovídeoavatar(SiscouttoeTori,2004),técnicaquecapturaovídeodeumapessoaemtempo-realeointroduzcomoumavatarnoambientevirtual.Outrapossibilidade,quecomeçaaserutilizadaemparquesdediversão,éfazercomqueassensaçõesdomundorealsejamincorporadasaoambientevirtual,como

numamontanharussaemqueosparticipantesusamcapacetesdeRVe,portanto,nãovêemnadadomundoreal,masosacontecimentosdoambientevirtualsãoregistradosesincronizadoscomosmovimentos,essesreais,damontanharussa.Háautores,comoJerald(2015),queconsideramosvídeosimersivoscomoumtipodeVA.Aindaquealgunsautoresprefiramfazeressadistinção,napráticaémuitodifícildefiniroslimitesdeondeterminaumtipoderealidadeecomeçaoutro.Aúnicadistinçãoclaraéaquelaexistenteentreosambientestotalmentevirtuais,ostotalmentereaiseaquelesquemisturamrealevirtualemqualquerproporção.Adenominaçãomaisadequadaparaesseúltimoé“RealidadeMisturada”,comopropõeo“ContínuodeMilgram”.Noentanto,otermo“RealidadeAumentada”(RA)éhojemaisdifundidoeconsolidado,usadomuitasvezescomosinônimodeRealidadeMisturada.NestelivroutilizaremosRAparaenglobartodasasvariaçõesdemisturaentrerealevirtual,ouseja,comomesmosignificadoque“realidademisturada”excetonocapítulo2poisestetrataespecificamenteeemmaiorprofundidadeesteconceitoesuasderivaçõesetecnologias.

1.1.2ImersãoePresença

ImersãoepresençasãodoisconceitosbastanterelacionadoscomaRVetambémentresi.Oprimeiroéobjetivo,enquantoqueosegundoésubjetivo.

Imersãoserefereaquãoprecisodeterminadosistemacomputacionaléaoproveraousuárioailusãodeumarealidadediferentedaquelanaqualesteseencontre,ouseja,éonívelobjetivoemqueumsistemadeRVenviaestímulosaosreceptoressensoriaisdousuário.(SlatereWilbur,1997).Portanto,épossívelmensurarecompararaqualidadeimersivadesistemasdeRV.

Tipicamenteasvariáveisquedefinemaimersãosão(Cummingsetal.,2012):

Qualidadedaimagem:realismoefidelidadedasíntesedeimagem,envolvendoresolução,frequência,qualidadedomapeamentodetexturas,níveisdedetalhamento.Campodevisão:campodevisãoqueousuárioconsegueteraointeragircomoambientevirtual.Estereoscopia:possibilidadeounãodeosistemaprovervisãoestereoscópica.Rastreamento:grausdeliberdade,precisão,tempoderespostaeoutrosatributosdequalidadedosistemaderastreamento.

Osparâmetrosdeimersãolistadossãofortementefocadosnosentidodavisão,omaisimportanteemsistemasdeRV,masaimersãopodetambémseraprimoradacomosdemaissentidos,comoaudiçãoetato.Jerald(2015)fazumacaracterizaçãomaisabrangentedasvariáveisquedefinemoníveldeimersãodeumsistema:

Abrangência:quantidadedediferentesmodalidadessensóriaspropiciadasaousuário,taiscomovisual,auditivaetátil.Combinação:congruênciaentreasdiferentesmodalidadessensórias(exemplo:aimagemexibidacorrespondeaomovimentodecabeça,osomésincronizadocomaimagemetc.)Envolvimento:extensãoemqueossentidossãoenvolvidospanoramicamente(campodevisão,áudioespacial,rastreamentodemovimentosdacabeça,etc.).Vivacidade:qualidadedasimulação(resolução,taxadequadros,iluminação,fidelidadedoáudioetc.)Interatividade:capacidadedeousuáriointerferirnoambiente,respostadoselementosdoambienteàsaçõesdousuárioepossibilidadesdeinterferênciaemacontecimentosfuturos.Enredo:fluência,consistênciaequalidadedanarrativaedocomportamentodoambienteedoselementosnelepresentes.

Épossível,portanto,sedefinir,ecomparar,deformaobjetivaograudeimersãopropiciadopordeterminadossistemas.Masnemcomomaisimersivodosambientesépossívelgarantirqueousuárioirádefatosesentirpresenteaoutilizá-lo.

Presençaéumestadodeconsciência:apercepçãopsicológicaqueousuáriotemdeestarnoambientevirtual(Slater;Wilbur1997).Porserumapercepçãosubjetivaémuitodifícilfazerumaavaliaçãoobjetivadequãopresenteumusuárioestásesentindoemdeterminadoambiente.Poressemotivoatécnicamaisdifundidadesemedirapercepçãodepresençaépormeiodequestionários.Háquestionáriospadronizadoseaceitospelacomunidadedepesquisadoresdessecampoparasemensurarpresença(Laarnietal.,2015).

Sãoinúmerasastentativasdedefinirpresença.LombardeJones(2015)fazemumaboarevisãodessasdefinições.Nestelivrousaremosumadelas,propostaporLombardeDitton(LombardeDitton,1997),poistemcomoreferênciaasmídias,temadeinteresseparaboapartedopúblico-alvodestaobra.Seguea

definição:

“Presençaéailusãoperceptivadenãomediação.”

Tendoemvistaoconceitodepresençacomoilusãodenãoexistênciademediação,designers,engenheiros,cientistasdacomputação,profissionaisdeInterfaceHumano-Computador(IHC),entreoutrosenvolvidoscomodesenvolvimentodeambientesvirtuaiseaplicaçõesdetelepresença,podemtomardecisõesobjetivasdereduçãoda”visibilidade”damídia.Aindaquenãosepossagarantiraeficácianapercepçãosubjetivade100%daspessoas,taisaçõesobjetivas(digamostrocarateladeTVporumaprojeção“holográfica”-verCap.4)podemcontribuirparaaumentarapercepçãodepresençanamaioriadosparticipantes.Usando-seprototipagenseastécnicasdemensuraçãodapercepçãodepresença(Laarnietal.,2015)épossívelavaliarestatisticamente,pormeiodeexperimentoscontroladosenvolvendorepresentantesdopúblico-alvo,ograudeimpactonapercepçãodepresençadedeterminadadecisãodeprojeto.

Há4tiposdeilusãodepresença(Jerald,2015):

Espacial:sentir-seemdeterminadolocal.Corporal:sentirquetemumcorpo.Física:poderinteragircomoselementosdocenário.Social:podersecomunicarcomospersonagensdoambiente.

1.1.3DefiniçãoeCaracterização

HámuitasdefiniçõesdeRealidadeVirtual(RV),algumasmaisfocadasemtecnologia,outrasnapercepçãodousuário.TorieKirner(2006)definiramdaseguinteforma:

“ARealidadeVirtual(RV)é,antesdetudo,uma“interfaceavançadadousuário”paraacessaraplicaçõesexecutadasnocomputador,tendocomocaracterísticasavisualizaçãode,emovimentaçãoem,ambientestridimensionaisemtemporealeainteraçãocomelementosdesseambiente.AlémdavisualizaçãoemsiaexperiênciadousuáriodeRVpodeserenriquecidapelaestimulaçãodosdemaissentidoscomotatoeaudição.”

NestaobrausaremosadefiniçãodeJerald(2015):

“RealidadeVirtualédefinidacomoumambientedigitalgeradocomputacionalmentequepodeserexperienciadodeformainterativacomosefossereal.”

1.1.4Arquiteturasdesistemas

AFigura1.2mostraumdiagramasimplificadodoprocessamentodeumsistemadeRV.

Figura1.2.ProcessamentodosistemadeRealidadeVirtual.

Umciclodeprocessamentopodeserresumidoem:leituradosdadosdosdispositivosdeentrada,execuçãodasimulação/animaçãoerenderizaçãosensorial.Arenderizaçãosensorialéconsideradadeformaamplaeengloba:renderizaçãovisual,auditivaeháptica.Considerandoqueosistemafuncionaemtemporeal,otempoentrealeituradosdadosdeentradaearespectivarenderizaçãoéchamadotempodelatênciaoutempodereaçãodosistema.Paranãocausardesconfortoegarantiracondiçãodepresençadousuário,otempodelatênciadeveserbaixo(<20ms).AtualmenteosdispositivosdeRealidadeVirtualjáoferecemtempoderespostamenorque10ms.

Paraalcançarumtempoderespostabaixo,algumasdasabordagensutilizadassão:

1. UtilizaratécnicadeTimewarp/Reprojection;2. Diminuirotempodeatualizaçãodetodosospixels;

3. Aumentarataxadeatualização;4. OtimizaçãodeGPUbuffering;5. Previsãodomovimentodacabeçadousuário.

OscomputadoresusadosparasuportarsistemasdeRVvariamdedispositivosmóveisecomputadorespessoais,equipadoscomplacasgráficasadequadas,atéestaçõesdetrabalhocommúltiplosprocessadoresoumesmoredesdecomputadorestrabalhandocomogridsouclusters.Naprática,oambientecomputacionaldeverásertalqueconsigacoordenaravisualizaçãoeossinaisdeentradaesaídaemtemporealcomumadegradaçãoaceitável.

Osistemadeverápossuircanaisdeentradaesaídaparainteragircomousuário.Oscanaisdeentradasãobasicamenteusadosparacoletaraposiçãoeorientaçãodacabeçaedasmãosdousuárioe,eventualmente,asituaçãodedispositivosdetatoeforça.Oscanaisdesaídasãousadosparaavisualização,emissãodosomeemissãodereaçãodetatoeforça.Adescriçãodoambientevirtualconstitui-sedeumbancodedadosquedevesercarregadonamemóriasemprequefornecessário.Quandoaquantidadedeinformaçãoformuitogrande,eladeverásercarregadaporpartesdeacordocomanavegaçãodousuário,poissomenteavizinhançaserávisível.Dependendodotipodesistemadecomputaçãoedonúmerodeusuários,obancodedadospoderáserúnico,replicadoouparticionado.

EmqualquersistemadeRV,osserviçosdetemporealsãofundamentais,poistêmafunçãodecoordenarosoutroscomponentesedefazê-lossecomportarcoerentemente.AstarefastípicasRV,ocontroledoscanaisdeE/S,otratamentodadetecçãodecolisão,ogerenciamentodosrecursosderedeedoprocessador,entreoutros.Dealgumamaneira,todasessastarefasdeverãofuncionarcomavelocidadesuficienteparaassegurarocomportamentoemtemporeal.UmamaneiranaturaldeorganizarosoftwaredosistemadeRVédividirosserviçosemprocessosquepossamserexecutadosemparalelonumsistemademultiprocessamento.Essesprocessosautônomosincluemastarefasderastreamentodacabeçaemãos,detecçãodecolisão,tratamentodeáudio,controledocomportamentoreativo,geraçãodeimagens,simulaçãofísica,gerenciamentodobancodedados,tratamentodosgestos,controledeoutrosperiféricosedarede,tratamentodainterfacedousuário,etc.Istoreduzalatência,assegurandoodesempenhonecessáriodosistema.

Assim,umsistemadeRVapresentadoiscomponentesbásicos:hardwaree

software.Ohardwareenglobaosdispositivosdeentrada,displaysmultisensoriais,processadoreseredes.Osoftwareincluicontroladoresdesimulação/animação,ferramentasdeautoria,bancodedadosdeobjetosvirtuais,funçõesdeinteraçãoeinterfacedeentradaesaída.

1.1.4.1Hardware

OhardwaredeRVenvolveumagrandevariedadededispositivosdeentrada,queservemparaajudarousuárioasecomunicarcomosistemadeRV.Entreessesdispositivos,podem-secitar:rastreadores,luvaseletrônicas,mouses3D,teclado,joystick,reconhecedoresdevoz,etc.

Osdisplayssãotratadoscomoelementossensoriaisdesaída,envolvendomaisdoqueavisão.Entreoselementosdesaída,estãoosdisplaysvisuais,osdisplaysdeáudioeosdisplayshápticos.OsprocessadoressãoelementosimportantesdosistemadeRV,quetêmsebeneficiadodosavançostecnológicosedastendênciasdemercadodevideogames,dirigindo-separaaplicaçõestridimensionaiscomplexas.Elesenvolvemtantoosprocessadoresprincipais,quantoosprocessadoresdeapoioexistentesemplacasgráficas,sonoraseoutrasplacasdeprocessamentoespecializado.Alémdisso,ohardwarepodeenvolverambientesdeprocessamentoparaleloedesupercomputadores.

Ocapítulo5aprofundaadiscussãosobrehardwareparaRVeRA.

1.1.4.2Software

SistemasdeRVsãocomplexoseenvolveminteraçõesemtemporealentremuitoscomponentesdehardwareesoftware.OsoftwaredeRVatuanafasedepreparaçãodosistema,comosoftwaredeautoriadeambientes3D,enafasedeexecução,comorun-timesupport.Osoftwaredeautoriapodeenvolver:linguagens,comoC++,C#,JavaouPython;bibliotecasgráficas,comoOpenGL,WebGLouX3D;oumesmogameengines,comoOGRE,UNREAL,Unity3Deoutros.Gameenginestêmsidoaopçãopreferidadosdesenvolvedores,principalmenteUnrealeUnity3D,dadaafacilidadepropiciadaporseusambientesdedesenvolvimento,porofereceremsuporteparaamaioriadosdispositivoseHMDsdomercado,eporgeraremaplicativoseexecutáveisparadiferentesplataformasesistemasoperacionais.Essedoiscitadosenginessãocomerciaismasoferecemlicenciamentogratuitoparausopessoale/ousemfinslucrativos.Apreparaçãodosambientesvirtuaisenvolvemodelagem3D,

preparaçãoemanipulaçãodetexturas,manipulaçãodesom,elaboraçãodeanimações,etc.

Comorun-timesupport,osoftwaredeRVdeve:interagircomosdispositivosespeciais;cuidardainterfacecomousuário;tratardevisualizaçãoeinteração;controlarasimulação/animaçãodoambientevirtual;eimplementaracomunicaçãoemredeparaaplicaçõescolaborativasremotas.Emalgunscasos,osoftwarederealidadevirtualprecisasercomplementadocomoutrosrecursos,comoocorrecomalinguagemWebGL,quedeveserintegradacomalinguagemJavascript,parapermitirodesenvolvimentodeambientesexecutadosporbrowsers.Emoutroscasos,osoftwarederealidadevirtualjápossuiessesrecursos,oumódulosopcionais,quepermitemseuusodeformacompleta,comoosambientesUnity3DeUnreal.

Ocapítulo6aprofundaadiscussãosobresoftwareparaRVeRA.

1.1.4.3RedesdeComputadores

Asredesdecomputadores,emborasejamelementosopcionais,estãocadavezmaissendoincorporadasemaplicaçõesderealidadevirtual,principalmentecomocrescimentodosrecursosdaInternetedatendênciadeaumentonousodetrabalhoscolaborativosemdiversasáreas.Entretanto,pelofatodaRVnãodemandartráfegodeimagensnarede,emborausedownloadsesporádicosdetextura,avazãonecessáriaémuitobaixa.Istofazcomqueumarededecomputadorestenhacondiçõesdeacomodarcentenasoumilharesdeusuáriosemaplicaçõescolaborativas.Arededeveráfazerodownloaddasaplicações,noiníciodaexecução,eacomunicaçãodepoucosdadosdeinformaçãoedeposicionamentodosobjetosvirtuaisdocenário,aolongodaexecução.Alémdisso,paradiminuiraindamaisotráfegodosdadosnarede,duranteaexecução,sãousadastécnicasqueeconomizamtráfego,comodead-reckoning,eníveldedetalhes(levelofdetails-LOD).Atécnicadedead-reckoningpermitequeaaplicaçãosóenviedadosnocasodediferiremdeumcertovalordosdadoscalculadosremotamente,enquantoqueoníveldedetalhesémuitoútilparaoscasosdedownloaddinâmicodepartesdomundovirtual,Dependendodadistânciadousuário,versõessimplificadasdosobjetosvirtuaispodemserbaixadasparaocomputador.

1.2Histórico

Coubeaumcineasta,nadécadade1950,aconcepçãodoprimeirodispositivoquepropiciavaaimersãodossentidosdousuárioemummundovirtualtridimensional,aumengenheiro,nadécadade1960,aconstruçãodoprimeirocapacetedeRVeaumprofissionalmistodeartistaecientistadacomputação,nadécadade1980,apropostadotermoqueveioaconsolidar-secomodenominaçãodaáreatemadestelivro.Comosevê,apesardeserrelacionadacomtecnologiacomputacionaldeponta,aRealidadeVirtualnãoéumaáreadepesquisatãorecentequantopossaparecer,nemrestritaaprofissionaisdacomputação.Defato,aRVtrabalhanapontadodesenvolvimentocientíficoetecnológico,buscandosempreinterfacesinterativasmaispróximasaossentidoshumanos.Contudo,oquehojeéconsideradoRVpodeviraserainterfacepadrãodocomputadordofuturo,erealidadevirtualpassaraseradenominaçãodealgumanovatecnologia,quenestemomentoestásendoconcebidanoslaboratóriosdepesquisa.Hoje,diversasoutrasáreasdepesquisaedesenvolvimentotambémseapropriamesebeneficiamdosavançosdatecnologiadeRV,comoosjogosdecomputador,asinterfaceshomem-máquinaeasartes.

OtermoRealidadeVirtual(RV)foicunhadonofinaldadécadade1980porJaronLanier(BioccaeLevy,1995p.35),artistaecientistadacomputaçãoqueconseguiuconvergirdoisconceitosaparentementeantagônicosemumnovoevibranteconceito,capazdecaptaraessênciadessatecnologia:abuscapelafusãodorealcomovirtual.Noentanto,foimuitoantesdadenominaçãodefinitivaquesurgiramasprimeiraspropostaseosprimeirosresultadosquealicerçaramaRealidadeVirtual.Nadécadade1960,logoapóscriaroSketchpad(Figura1.3),sistemacomoqualfincouasbasesdoquehojeconhecemoscomocomputaçãográfica,IvanSutherlandpassouatrabalharnoquechamoude“UltimateDisplay”(Sutherland,1965)(PackereJordan,2002)eproduziu,nofinaldadécadade1960,oprimeirocapacetedeRV(Figura1.4),precursordeumasériedepesquisasedesenvolvimentosquehojepossibilitamaplicaçõescomoaquelasdescritasnoCapítulo6destelivro.

Figura1.3.IvanSutherlandeseuprojetoSketchpad,noMIT,em1963.Fonte:http://www.sun.com/960710/feature3/sketchpad.html

Figura1.4.Head-mounteddisplaydesenvolvidoporIvanSutherland.Fonte:http://www.sun.com/960710/feature3/ivan.html

Emumdeseusexperimentosmaisinteressantes,Sutherlanddemonstrouapossibilidadedaimersãoedatelepresençaaoacoplarumhead-mounteddisplay(HMD)aduascâmeras,posicionadasnalajedeumedifício,cujosmovimentoseramdiretamentecontroladospelosdacabeçadoobservadorusandoocapacetenointeriordoedifício(Figura1.5).Assensações,reaçõesemovimentosdo

observadorremoto,eatémesmoopânicoaoolharparabaixoapartirdopontodevistadascâmerasforamsimilaresaosqueoobservadorteria,seefetivamente,estivessenotopodoedifício.

Ainda,antesdascitadaspesquisasdoengenheiroIvanSutherland,nadécadade1950,ocineastaMortonHeilig,consideradocomoaprimeiroaproporecriarsistemasimersivos,jáimaginavao“cinemadofuturo”(Heilig,2002),chegandoaproduzirumequipamentodenominadoSENSORAMA(Figura1.6).NoSensorama,ousuárioerasubmetidoadiversassensações,movimentos,sons,odores,ventoevisãoestereoscópica(vejaCapítulo4),quecausavamumaexperiênciadeimersãoatéentãoinimaginável.Heilignãoconseguiutransformarsuainvençãoemsucessocomercial,mascertamentesemeouasidéiasquelevaramaodesenvolvimentodoquehojeconhecemoscomoRealidadeVirtual.

Figura1.5.ExperimentodetelepresençarealizadoporIvanSutherlandem1966.Fonte:http://www.sun.com/960710/feature3/ivan.html

Figura1.6.CartazdedivulgaçãodoSensorama.Fonte:http://www.telepresence.org/sensorama/index.html

1.3Tecnologia

AtecnologiadeRVenvolvetodoohardwareutilizadopelousuárioparaparticipardoambientevirtual.Estãoincluídosaíosrastreadores,oscapacetesouHMDs,osnavegadores3D,asluvaseletrônicas,osfonesdeouvido,osdispositivosdereaçãoeoutrosdispositivosespecíficos(Vince,1995;Vince,2004;ShermaneCraig,2002).Váriastécnicastêmsidoutilizadasparamonitoraraposiçãoeaorientaçãodeobjetosnoespaçotridimensional,masummétodobastantepopularutilizadoéoeletromagnético.Umtransmissorestacionárioemitesinaiseletromagnéticosquesãointerceptadosporumdetectorconectadoàcabeçaoumãosdousuário,revelandoaposiçãorelativaeorientaçãoentreemissorereceptor.UmexemplodeusodessatecnologiaéoHMDHTCVive.Hátambémsoluçõesemqueoemissorencontra-senocapacete,comoporexemplonoOculusRift.Geralmente,oalcancedessesrastreadoresatingepoucosmetros,restringindoseuuso.Alémdisso,oscabosdeconexãocomocapaceteeluvastambémrestringemoalcancedosmovimentos,fazendocomqueousuárioutilizeoutrastécnicasdenavegaçãodentrodomundovirtualcomo“sobrevôo”e“teletransporte”.

UmHMD(Figura1.7)temafunçãodeserimersivo,isolandoousuáriodomundoreal.Seuprojetoenvolvedoispequenosdisplaysdecristallíquidocomdispositivosópticosparafornecerumpontofocalconfortávelepropiciarvisãoestereoscópica.Umnavegador3D,tambémconhecidocomomouse3D,temafunçãodepermitiramovimentaçãodousuáriopelomundovirtual.Suaposiçãoeorientaçãosãomonitoradasdeformaparecidacomaquelausadanocapacete.Alémdisso,onavegadortambémpossuibotõesquesãousadosparaexecutarfunçõesespeciaiscomoagarrarobjetostocadosporumíconecontroladopelonavegador.

Figura1.7ExemplodeHMD(Oculus)

Umaluva,porsuavez,permitemonitoraroestadodosdedosdamãodousuário,atravésdesensorescomofibraótica,porexemplo.Ascaracterísticasdeumafibraóticacolocadaaolongododedosãoalteradascomaflexão,permitindoacapturadosmovimentosesuatransferênciaparaumamãovirtualouparacontrolediretodomundovirtual.Umrastreadoracopladonodorsodaluvapermitemonitorarsuaposiçãoeorientação.Umfonedeouvidoconjugado

permiteexplorarasdiferençasdeintensidadeedeatrasosnapropagaçãodosomentredoisouvidos,gerandoasensaçãodesonorizaçãotridimensional.Istopermitequeousuáriosejainduzidoamovimentar-senadireçãodeumafontesonoravirtual,fornecendoumelementocomplementarimportanteparaaobtençãoderealismodentrodomundovirtual.

Atecnologiadosdispositivosdereaçãoenvolveaáreadeatuaçãodotatoeforça,tantonossensoresquantonosatuadores.Istoincluiahabilidadededistinguirdiferentestexturasdesuperfíciesatéforçasvariáveis,atuandosobreamão,porexemplo.Comoasmãosdousuárioexercemumpapelimportantenainteraçãocomosobjetosdeummundovirtual,espera-sequeacolisãodamãocomumobjetovirtualgereumsomeumasensaçãodetoquenamão.OCapítulo5apresentaemmaioresdetalhesosdispositivosdeRV.

1.4TécnicasdeInteração

Oscomputadoressãoelementosinterativospornaturezaeparaissoutilizamumasériededispositivos,incluindoaquelesqueutilizamatecnologiadeRealidadeVirtual.Ainteraçãonomundovirtualbuscainterfacesintuitivasetransparentesparaousuário,envolvendo,porexemplo,açõescomovoar,serteletransportado,pegarobjetos,utilizargestosparacomandarosistema,etc.

Asinteraçõespodemocorreremambientesimersivos,quandorealizadasemsistemasbaseadosemHMDsoucommúltiplasprojeções,comoCAVEs,eemambientesnãoimersivos,quandorealizadasemsistemasbaseadosemmonitoresouemprojeçõessimples.Usandodispositivosdeinteraçãocomoluvaseletrônicasenavegadores3D,ousuáriopodeinteragircomomundovirtual,vivenciandoamesmaexperiênciadeinteração,descontandoassensaçõesdeimersãoounãoimersão.Alémdasinteraçõesindividuais,ossistemasmultiusuáriosvêmpropiciandoaoportunidadedeinteraçãoentreváriaspessoasdentrodomundovirtual,competindooucooperandoemdeterminadastarefas.

Asinteraçõesnoambientevirtualestãodentrodocontextodainterfacedosistema,envolvendoainterfacecomosdispositivoseainterfacecomousuário.Ainterfacecomosdispositivosenglobaosrecursosdehardware,comoosdispositivosesuasligações,alémdosoftwaredecontrole,chamadodevicedriver.Asinteraçõesocorrem,atravésdousodosdispositivos.Ainterfacedousuárioenvolveasaçõesexecutadasnasuarelaçãocomoambiente3D.Ousuáriopodesimplesmenteobservarofuncionamentodoambientevirtual

simuladoanimado,tendoumaexperiênciapassiva,ouserumagentedosistema,interferindoemseufuncionamento.

Asinteraçõesdousuárioabrangem:navegação,seleção,manipulaçãoecontroledosistema(Laviolaetal.,2017).Anavegaçãorefere-seàmovimentaçãodousuáriodentrodoambientevirtual.Elaenvolveaviagem(travel),queconsistenamovimentaçãomecânicanoambiente,eadefiniçãodotrajeto(wayfinding),queéacomponentecognitivadanavegação.Aviageméusadaparaexplorar,buscaremanobrar,envolvendoseleçãodedireção,objetivo,velocidade,aceleraçãoeaçõescomo:iniciaromovimento,indicaçãodeposiçãoeorientaçãoepararomovimento.Definiçãodotrajetoéumprocessodetomadadedecisão,quepermiteoestabelecimentodocaminhoaserseguido.Eledependedoconhecimentoedocomportamentoespacialdousuárioedeelementosdeajudaartificiaiscomomapas,bússolas,placasdesinalização,objetosdereferênciacenáriosartificiaistrilhas,alémdeelementosdeáudioedeolfato,etc.

Aseleçãoconsistenaescolhadeumobjetovirtualparasermanipulado.Elaenvolvetrêspassos:indicaçãodoobjeto,confirmaçãoerealimentação.Aindicaçãonormalmenteéfeitacomosdedosoucomasmãos,dirigindoalgumdispositivodeentrada.Elapodeocorrerporoclusão,toquenoobjeto,apontamentooudemaneiraindireta.Osistemadevemostraraseleção,usandoelementosvisuais,auditivosouhápticos,comomudarcor,piscar,emitirsom,emitirreação,etc.Paraqueaseleçãotenhaefeito,eladeveserconfirmada,oquepodeserfeito,atravésdeeventostaiscomo:cliquedomouse,apertodetecla,gesto,comandodevozououtraação.Novamente,deveráhaverumarealimentação,indicandoqueaaçãoocorreu.

Amanipulaçãodeumobjetoselecionadoconsistenaalteraçãodesuaposição,atravésdetranslaçãoourotação,oudesuascaracterísticas,envolvendoescala,cor,transparência,textura.Oobjetoselecionadopodesertambém:apagado,copiado,duplicado,deformadooualteradoporoutrasações.Ocontroledosistemaconsistenaemissãodecomandosdousuárioparaseremexecutadospelosistema.Oscomandospodemseremitidos,atravésdemenusgráficos,comandosdevoz,comandosgestuais,ouatravésdedispositivosdecomandoespecíficos.OCapítulo12apresentaoprocessodeinteraçãoemmaioresdetalhes.

1.5Desafios

Aindaquejáseencontreemumpatamarbastanteevoluído,apontodepoderserutilizadaemtreinamentosdecirurgia,tratamentosmédicos,projetosdeengenhariaeemparquesdediversão,háaindaalgunsdesafiosaseremvencidospelospesquisadoresdaáreadeRealidadeVirtual.Listamosalgunsdosprincipais,tendocomobaseJerald(2015).

1.5.1UncannyValley

OconceitodeUncannyValleyfoipropostoporMori(1970)apartirdeestudoscomrobótica.Eleobservouqueàmedidaqueosrobôsvãoficandomaisparecidoscomhumanos,sejanaaparênciaounocomportamento,aspessoasvãosesentindomaisconfortáveis.Surpreendentemente,contudo,quandoorealismoseaproximamuitodeseresreaisaspessoaspassamasentirforteaversão.Éprecisoultrapassaresseponto,tornandoosrobôsquasequeindistinguíveisdesereshumanosparaqueessaaversão,ochamadouncannyvalley,cesse.Aconsequênciarelevanteparadesignersdepersonagensvirtuaiséquemuitasvezesépossívelobtermelhoresresultadosutilizando-seumestilocartoondoquebuscando-secriarpersonagensquaserealistas.

1.5.2Fidelidade

Assimcomosimularpersonagensqueseaproximamdaaparênciaecomportamentohumanospodelevararesultadospioresquesimulaçõesmenosrealistas,afidelidadeàrealidadenemsempreénecessáriaouamelhorsoluçãonacriaçãodeambientesvirtuais.Épossívelinduzirsensaçãodepresençaemambientesestilocartoon,desdeessesquerespondamadequadamenteaosestímulos,osmovimentossejamrealistas,apercepçãodeprofundidadeadequada,entreoutraspistasquenossamenteidentifica.Ofotorrealismodemandaaltoscustosenemsempredáosmelhoresresultados.

Osaspectosdefidelidadequepodemserobservadosduranteodesigndeumambientevirtual,conformeJerald(2015),são:

Representação.Níveldequalidadedasimulaçãodeumambiente,podendochegaraofotorrealismo.Interação.Graudesimilaridadeentreasreaçõesfísicasnoambientevirtualesuascorrespondentesnomundoreal.Experiência.Graudesimilaridadeentreaexperiênciadousuárionoambientevirtualequeterianocorrespondenteambientereal.

1.5.3Ergonomia

Osdispositivosdeentradaesaídaevoluírambastante,masaindasãodesconfortáveisepoucopráticos.OusocontínuodeHMDs,porexemplo,podeprovocarfadigaedesconforto.Alémdissoalgumaspessoasmaissensíveispodemsentirenjôosoutonturasaousardispositivosimersivos.Issoporqueamentemonitoraváriossinaisdocorpoquepodemcontradizerosestímulosvisuaisgeradospelodispositivoimersivo.OcorpopodeestaremrepousoenquantoquenaRVsemove,oequilíbriodocorpoinformadopelosistemavestibularpodeserincompatívelcomoqueocorrenoambientevirtual,aconvergênciaocularpodeindicarumaprofundidadeenquantoqueovisorimersivoapresentaoutra.Quandoamentepercebequesuapercepçãovisualdiferedaproprioceptivainterpretacomosinaldemalestaroualucinação,quepodecausarreaçãodeenjôo,numatoreflexonaturalvisandoexpelireventuaissubstânciasmaléficaspresentesnoorganismo.

1.6Aplicações

EmborasejaimensoopotencialdeaplicaçõesdaRV,serãoaquirelacionadasalgumasdasprincipais(Vince,1995)(Vince,2004)(Sherman,2003).Aparte3destelivro(capítulos13a19)apresentaalgumasdestasetambémoutrasaplicaçõesemmaioresdetalhes.

1.6.1.AplicaçõesIndustriais

OusodeCADemaplicaçõesindustriaistemsidobastantedifundido,sendodesnecessáriofrisaraimportânciadavisualização3Ddeumobjeto,antesdeserproduzido.ARV,entretanto,vaialém,permitindosuainspeçãoemtemporeale,eventualmente,umaltograudeinteraçãocomoobjetosobanálise.AlgumasaplicaçõesindustriaisdeRVsão:visualizaçãodeprotótipos;treinamento;avaliaçãodefatoresergonométricos;simulaçãodemontagens;simulaçãodadinâmicadeestruturasarticuladas;análisedetensões;simulaçãodoprocessoprodutivo;estudodetécnicasdeengenharia;planejamento;túneldeventovirtual;etc.

1.6.2.AplicaçõesMédicaseemSaúde

Oscomputadorestiveramumgrandeimpactonamedicina,desdeamonitoração

depacientesatéprocessamentodeimagenstomográficastridimensionais.Noentanto,asaplicaçõesdeRVnamedicinaforammuitoalém,possibilitando,porexemplo,otreinamentocirúrgicoemcadáveresvirtuais.Algumasaplicaçõesderealidadevirtualnamedicinaesaúdesão:ensinodeanatomia;visualizaçãocomRA;planejamentocirúrgico;simulaçãocirúrgica;terapiavirtual;tratamentodedeficientes;fisioterapiavirtual;cirurgiaspoucoinvasivas;etc.

1.6.3.AplicaçõesemArquiteturaeProjeto

Estaáreautiliza-seintensamentedeCADepodesercomplementadacomRVpara:projetodeartefatos;planejamentodaobra;inspeçãotridimensionalemtemporeal;interaçãoemtemporeal;decoraçãodeambientes;avaliaçãoacústica;etc.

1.6.4.AplicaçõesCientíficas

Estaéumavastaáreaquepodeservir-sedaRVparamostrarconceitosabstratos,comportamentodeelementosmuitograndes,comogaláxias,oumuitopequenos,comoestruturasatômicas,eoutrascaracterísticascientíficas.Dentreasdiversasaplicaçõestem-se:visualizaçãodesuperfícieplanetárias;síntesemolecular;visualizaçãodeelementosmatemáticos;análisedecomportamentodeestruturasatômicasemoleculares;análisedefenômenosfísico-químicos;etc.

1.6.5.AplicaçãoemArtes

AáreadeartestambémpodereceberumgrandediferencialcomRV.Pinturasemrelevo,esculturas,museusvirtuaiscomdetalhesnasparedeseteto,alémdasprópriasobrasdearte,músicacominstrumentosvirtuais,etcsãoalgumasdasaplicaçõespossíveis.Istopodedaraosartistaseaopúblicoemgeraldimensõesjamaisvistasousentidas,atravésdaeliminaçãooualteraçõesdasrestriçõesdomundorealoudaampliaçãodaimaginação.

1.6.6.AplicaçõesemEducação

AáreadeeducaçãotemmuitoaganharcomRV,tantonoensinoconvencionalquantonoensinoàdistância.Algumasaplicaçõesincluem:laboratóriosvirtuais;encontrosremotosdealunoseprofessoresparateremumaaulaoualgumaatividadecoletiva;participaçãoemeventosvirtuais;consultaabibliotecas

virtuais;educaçãodeexcepcionais,etc.

1.6.7.AplicaçõesemVisualizaçãoeControledaInformação

Cadavezmaisénecessáriooacessorápidoeadequadoaconjuntoscomplexosdeinformaçõesparaasmaisvariadasaplicaçõesdetomadadedecisão.Oespaçobidimensionalémuitolimitadoparaisto,deformaquearepresentaçãoeoposicionamentodeinformaçõesnomundovirtualtridimensionalvemagregarumgrandepotencialparaaplicaçõescomo:visualizaçãofinanceira;visualizaçãodeinformaçõesemgeral;informaçãovirtual;visualizaçãodesimulaçãodesistemascomplexos;etc.

1.6.8.AplicaçõesemEntretenimento

Aplicaçõesementretenimentotêmavantagemdeatingirescalasdeconsumobastantealtas,viabilizandoolançamentodeumasériedeprodutos.ÉocasodosvideojogosqueviabilizaramoschipsdemicroprocessadoresealgunsperiféricosdeRVdebaixocusto.Dentreasdiversasaplicações,alémdosvideojogostridimensionaiscominteraçãoemtemporeal,tem-se:turismovirtual;passeiociclísticovirtual;esportesvirtuais;cinemavirtual;etc.

1.6.9.OutrasAplicações

Hámuitasoutrasaplicações,envolvendo:treinamento;cidadesvirtuais;comércioeletrônico;modelagem;simuladores;estúdiosvirtuais;etc.Alémdisso,novasaplicaçõessurgemacadadia,dependendodanecessidadeedaimaginaçãodecadaum.ARVvempropiciandoumanovamaneiradevercoisasconhecidasouodesenvolvimentodenovasaplicações.

1.7Consideraçõesdocapítulo

ARVpossibilitaacriaçãoderealidadesalternativaspormeiodetecnologiacomputacional,possibilitandoasimulaçãodeambientesesistemasreais,comotambémacriaçãodeexperiênciasquesãopossíveisapenasnoambientevirtual.Essatecnologiacomeçouaserdesenvolvidanadécadade1960eatéaprimeiradécadadoséculoXXIerarestritaalaboratóriosdepesquisaegrandesempresas,dadooaltíssimocustodeequipamentosedispositivos.Hojeosdispositivosdeentradaesaída,emparticularosHMDssãoencontradosapreçosacessíveise,

comaevoluçãodacapacidadedeprocessamentodosprocessadores,épossívelexecutarambientesdeRVatémesmoemcelularesetablets.

OpotencialdeaplicaçõesdaRVébastanteamplo,poispossibilitavivenciarpraticamentequalquerexperiênciadomundoreal,alémdeoutrasquepossamserimaginadas,aumcustobaixoesemriscos.

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Capítulo2-RealidadeAumentadaMarcelodaSilvaHounsell

RomeroToriClaudioKirner

NestecapítulovamosnosaprofundarnaRealidadeAumentada(RA)queéumatecnologiaquevemrecebendomuitaatençãorecentementeejáestámaduraerobustaparausoemváriasáreasdoconhecimentohumano.Vamosapresentardefinições,técnicasetecnologiasenvolvidas,comparaçõescomaRealidadeVirtual(RV),terminandocomumpanoramadeaplicações.Aofinaldestecapítulo,abordaremostambémoutrasdenominaçõesevisõesderealidademediadaporcomputador.

Ocapítuloestáestruturadodeformaaapresentaraáreainicialmentedeumaformaampla,apresentandoclassificaçõesparaqueoleitorpossaterumavisãogeraldaárea.Maisaofinal,procurou-sedistinguirosaspectosrelacionadosaosdispositivosdeentrada,dispositivosdesaídaedeprocessamentodeumsistemadeRA.

Quandoterminardelerestecapítulovocêvaiterumavisãomaisamplaecríticasobreestastecnologias,oqueelaofereceeatéondepodechegar.Saberidentificarqualtipodesoluçãoseadequamelhoraoseuproblemaéumaartemas,requersólidosconhecimentosdosfundamentosdasdiversasalternativas,comoasqueserãoapresentadasaqui.

2.1Introdução

AevoluçãodasTecnologiasdeInformaçãoeComunicação(TICs),incluindoopoderdeprocessamentodoscomputadores,obarateamentodosdispositivos,avelocidadedacomunicaçãoeadisponibilidadedeaplicativosgratuitos-tudoistoocorrendotantonoscomputadoresquantonosdispositivosmóveis-vempromovendoaconsolidaçãodeváriastecnologias,dentreelasaRA.

ARA,sebeneficioudessaevolução,tornandoviáveis,acessíveisepopulares,aplicaçõesqueantessóexistiamemambientesacadêmico,depesquisaou

industriais,baseadosemplataformassofisticadas.Aomesmotempo,pesquisastêmfeitoevoluiropotencialdessatecnologia,trazendo-aparaaplicaçõescotidianas,apontodechamaraatençãodegrandesempresascomoMicrosoft,Apple,IBM,HP,Sony,Google,Facebook,dentreoutras(Ling,2017).

ARA,tantoquantoaRV,vêmapresentandoumcrescimentosignificativoemtermosmundiaisquandoseconsideraonúmerodeartigospublicadosnasprincipaisrevistascientíficasdaáreatecnológica,comoaspublicadaspeloIEEEepelaACM,comomostraográficodolevantamentofeitoaté2012,Figura2.1.Essecrescimentovemocorrendorecentementetambém,comocomplementaográficodaFigura2.2.Taisconstataçõesreforçamaimportânciadaárea,bemcomoautilidadedatecnologiaesuaperspectivadefuturo.Pode-seconcluirentãoqueaRAéumaáreadeestudoeaplicaçãotecnológicaemfrancaexpansão,tantodopontodevistaacadêmicoquantocomercial.

Figura2.1:EvoluçãodaspublicaçõesenvolvendoRVeRA(Buchinger,Juraszek,Hounsell2012).

Figura2.2:CrescimentodaRAnosprincipaisMecanismosdeBuscaAcadêmica.

ARA,enriqueceoambientefísicocomobjetossintetizadoscomputacionalmente,permitindoacoexistênciadeobjetosreaisevirtuais,podendoserserconsideradaumavertentedaRV,aindaque,inicialmentetenhamsidodesenvolvidasindistintamente.Também,aRAjáfoiconsideradaumaramificaçãodaRealidadeMisturada(RM,jámencionadanoCapítulo1equeserádetalhadanaseção2.7.1).Defato,RAeRMtêmmuitoemcomumemtermospráticosetêmsidousadascomosinônimo.Nestecapítulovamosdiferenciareaprofundarestesdoistermosparaquevocêpossaterumaideiamaisclaradessesconceitos.Norestantedolivro,noentanto,consideramosaRAcomoumatecnologia“relacionada”àRVenão“umtipode”RV,alémdetrataraRAemseusentidolato,queabrangetambémaRM.

DiferentementedaRV,quetransportaousuárioparaumoutroambientevirtualfazendo-oabstraircompletamenteoambientefísicoelocal,aRAmantémreferênciasparaoentornoreal,transportandoelementosvirtuaisparaoespaçodousuário.Oobjetivoéqueousuáriopossainteragircomomundoeoselementosvirtuais,demaneiramaisnaturaleintuitivasemnecessidadedetreinamentoouadaptação.Estainteraçãopodeserfeitademaneiradireta(comamãooucomocorpodousuário)ouindireta(auxiliadaporalgumdispositivodeinteração).Seváriosdispositivoscompetemparafacilitarainteração,ainterfaceédenominadamultimodal.Apossibilidadedeusarumainteraçãonaturale,principalmente,asprópriasmãosparasegurarinstrumentosfísicosreaisao

mesmotempoemquesepodeinteragircominformaçõesemodelosvirtuais,éumdosmaioresbenefíciosdaRA.

Paraqueasreferênciasaomundofísicopossamserapresentadasdeformacoerenteparaousuário,énecessárioqueosistemadeRAconsigaidentificarnãosomenteondedevemsercolocadososelementosvirtuaismastambémcomoelesdevemserapresentadosparaousuário,deacordocomseupontodevista,aqualquertempo.Esseprocessoéchamadoderastreamentoeseutilizadeváriastécnicas(detalhadasnocapítulo2.3.2)quesãoconsideradasocoraçãodeumsistemadeRA

Alémdoselementosreais,quesãonaturalmenteinterativos(pode-setocá-los,movê-los,etc.),oselementosvirtuaistambémpodemserinterativos,comrecursosqueextrapolamaslimitaçõesfísicase,também,usandoaprópriamãodousuário(comousemalgumaparatotecnológicoassociado).Nestesentido,sepoderiafacilmentetrocardecor,selecionarvárioselementossimultaneamente,movê-los,levantá-losetc.Paraissoserpossível,éprecisoqueosistemadeRApossaidentificarasinteraçõesexecutadaspelousuárioeissopodeseralcançado,porexemplo,pelousoderastreamentoótico,câmerasdeprofundidade,dentreoutraspossibilidades(queserãodetalhadasem2.4).

Paraquetudoissofuncionedamaneiramaistransparenteeintuitivaparaousuário,éprecisoqueseutilizeumdispositivodevisualizaçãoapropriadoquereconheçaasmovimentaçõesentreopontodevistadoobservadoremrelaçãoaorestantedoambiente,porexemplo.Váriosdispositivospodemserutilizados,dependendodotipodeexploraçãodoambienteaumentado.Porexemplo,emsituaçõestípicasdeturismo,usamosocelularparafotografareparanoslocalizar-nadamaisimediatoqueusartambémocelularemambientesexternoscomoformadevisualizaçãodoambienteaumentado.Pode-seaindausarumcapacete(eminglêsseriaoHMD-HeadMountedDisplay)devisualizaçãocomumacâmeraacoplada,mostrandoavisãorealenriquecidacomoselementosvirtuaisposicionadosadequadamentepelocomputador(videosee-through).

Osistemaéimplementadodetalmaneiraqueocenáriorealeosobjetosvirtuaispermanecemajustados(técnica,associadaaorastreamento,chamadade“registro”),mesmocomamovimentaçãodousuárionoambientereal.Entretanto,quandoestamosmanipulandoobjetos,fazendoamanutençãooumontagemdeumapeçamanualmente,éprecisoumsistemadevisualizaçãoquedeixeasmãoslivresequesejalevedeusar-paratalexistemóculosdeRAque

sobrepõemimagensàsquesãovisualizadasdiretamentepelousuário(opticalsee-through).Mas,estassãoapenasalgumasdaspossibilidadesdesistemasdevisualizaçãoparaRA(hardwareesoftwareparaRAserãodetalhadosmaisadiantenestecapítulo).

2.1.1DefiniçõeseCaracterização

ARAjáfoidefinidadeváriasmaneiras:

A. éoenriquecimentodoambienterealcomobjetosvirtuais,usandoalgumdispositivotecnológico,funcionandoemtemporeal(Augment,2017);

B. éumamelhoriadomundorealcomtextos,imagenseobjetosvirtuais,geradosporcomputador(Insley2003apudKirnereTori,2006);

C. éamisturademundosreaisevirtuaisemalgumpontodoespectroqueconectaambientescompletamentereaisaambientescompletamentevirtuais(Milgram1994);

D. éumsistemaquesuplementaomundorealcomobjetosvirtuaisgeradosporcomputador,parecendocoexistirnomesmoespaçoeapresentandoasseguintespropriedades(Azumaetal.,2001):

combinaobjetosreaisevirtuaisnoambientereal;executainterativamenteemtemporeal;alinhaobjetosreaisevirtuaisentresi;aplica-seatodosossentidos,incluindoaudição,tatoeforçaecheiro.

Aúltimaacima,éaqueapresentaomaiordetalhamento,seremetendoaoscomponentesdosistemabemcomoàssuasfuncionalidadeseportanto,éadefiniçãoquenortearáadiscussãonestelivro.

ComparandoRAeRV,jáfoidito(Billinghurstetal.2015,pag.79)queoprincipalobjetivodaRVéusaratecnologiaparasubstituirarealidadeaopassoqueoprincipalobjetivodaRAémelhorararealidade.

Destaforma,umambienteemRApodeserrepresentadoporumamesarealeumvasovirtual,comomostradonaFigura2.3.Aimaginaçãoéolimiteparafazerasrepresentações.

Figura2.3.RealidadeAumentadacomvasoecarrovirtuaissobreamesa.

2.1.2ArquiteturaTípicadeumSistemadeRA

Umsistemagráficoécompostotipicamentepormódulosdeentrada,processamentoesaídadeinformaçõesque,podemsedividiremváriastarefas,comomostraoesquemaabaixo.

MÓDULODEENTRADACapturadevídeo:responsávelporcapturaracenarealondeserãoinseridososobjetosvirtuais;Sensoriamento:quaisquerdispositivosquesejamusadosparaidentificarobjetos,observadore/ouoposicionamentoeaçõesdestes;

MÓDULODEPROCESSAMENTOMonitoramentodosobjetos:responsávelporidentificardeformaúnicaeprecisaumaindicaçãoaumobjetovirtualemumaconfiguração(posiçãoeorientação)específica(oquesechamaderegistro-registering)etambém,poridentificarcomoesteobjetovirtualsedeslocanoambiente(oquesechamaderastreamento-tracking);Gerenciamentodainteração:responsávelporidentificaredeterminararespostaàsaçõesdeseleçãooumanipulaçãodosobjetosvirtuais;Processamentodaaplicação:responsávelpordarsentidoàsinteraçõesepromovermudançasnacena,conformeosobjetivosdaaplicação(jogo,ambienteindustrial,aplicaçãodeturismo,etc.),e;

MÓDULODESAÍDAVisualização:responsávelporrenderizarvisualmenteoobjetovirtualnacondiçãoespecialrequeridapelaaplicaçãoeentãomostraraousuárioporumdispositivodevisualizaçãoapropriado;Atuação:responsávelporrenderizarparâmetrosparadispositivos

hápticos.

Osmódulosdeentradaesaídasãofortementedependentesdohardwareutilizados.Omódulodeprocessamentotêmsuascaracterísticasdependentesdastécnicasdesoftwareutilizadas.Ambososelementos,softwareehardware,serãodetalhadosadiante.

Umciclodeprocessamentopodeserresumidoem:capturadevídeoeexecuçãodorastreamentodeobjetos;processamentodosistemadeRA,incluindoleituradedispositivosesimulação/animação;calibração,misturandoorealcomovirtual;erenderizaçãosensorial,envolvendoosaspectosvisuais,auditivosehápticos.Comoosistemafuncionaemtemporealedeveapresentartempodelatênciaigualoumenorque100ms,oprocessamentoenvolvidoémuitomaiorqueaqueleconsideradoduranteadiscussãodoprocessamentodesistemasdeRV.Agora,oprocessamentodosistemadeRAéumadaspartesdeumconjuntomaioremaiscomplexo,envolvendotambémtécnicasdemultimídia.

2.1.3ComparaçãodeRAcomRV

ARAeaRVpodetersuasdiferençasestudadasquandovistasnumdiagramaqueconsideraadimensãodaartificialidadeeadimensãodoespaço[Benford1998],conformeaFigura2.4.

Figura2.4Diagramadasartificialidadeseespaços

Ambososcasostratamdeobjetosgeradosporcomputador,mas,nomundo

físico,aRAestáligadacomarealidadefísica,enquantoaRVrefere-seaosentidodetelepresença.Assim,pode-secompararRAcomRV(BimbereRaskar,2005),levando-seemcontaque:

aRAenriqueceacenadomundorealcomobjetosvirtuais,enquantoaRVétotalmentegeradaporcomputador;noambientedeRA,ousuáriomantémosentidodepresençanomundoreal,enquantoque,naRV,asensaçãovisualécontroladapelosistema;aRAprecisadeummecanismoparacombinarorealeovirtual,enquantoqueaRVprecisadeummecanismoparaintegrarousuárioaomundovirtual.

2.1.4TiposdeRA

Dependendodedecisõesdeprojetooudispositivos,podemosclassificarasabordagensemRAsobvárioscritériosparacadaumadastarefasdosistematípico.

Nocontextodatarefadeentradadedados,aRApodeserclassificadapelocritériodaformaderastreamento(Wangetal.2016):Quandoseusamrecursosdeprocessamentodaimagemcapturadaparafazerorastreamentodosobjetosvirtuais,tem-seaRAbaseadaemvisão;Quandoestesobjetosvirtuaisestãoassociadosaalgumtipodesensor,tem-seaRAbaseadaemsensores.

ARAbaseadaemvisãoérobusta,precisa,flexível,fácildeusare,porconseguinte,maisamplamenteusadamas,temproblemascomailuminaçãodoambienteeoclusãodeinformações.Dentrodestaclassedeaplicaçõesencontra-seorecursomaisutilizado,epeloqualmuitosassociamaprópriaRA,quesãoosmarcadores;ARAbaseadaemsensores,émaisprecisa,demenorlatência(atrasoparaprocessareexibir),menorjittererobustaparaumasériedelimitaçõesdosambientes(sujeira,baixa/variaçãobruscadeiluminação,cenascomobjetosmuitoassemelhadosaorestodoambiente,etc.)

Osmarcadoresmaiscomuns(osfiduciais)sãocartõescomumamolduraretangularecomumsímboloemseuinterior,funcionandocomoumcódigodebarras2D,quepermiteousodetécnicasdevisãocomputacionalparacalcularaposiçãodacâmerarealesuaorientaçãoemrelaçãoaosmarcadores,deformaafazercomqueosistemapossasobreporobjetosvirtuaissobreosmarcadores.

Estesmarcadorespodemconterossímbolosmaisvariadospossíveis,comomostraaFigura2.5.

Figura2.5:Exemplosdemarcadoresdo(a)ARTookit(ARToolKit2017),(b)QRPO(Alcantara,SilvaeHounsell,2015)

Osmarcadoresfiduciaissãoimagensquerepresentamumaassinaturaconhecida(seuconteúdo,formato,tamanhoecores).Ummarcadorpodeserimpressoempapel-bemcomum-,cartão,cartolina,ouqualqueroutroobjetofísico.OmarcadorapesardeserorecursomaisusualparaseobterRA,nãoéoúnico,comoveremosadiante.

Ousodecombinaçõesdemarcadorescomsensorese/ouváriostiposdesensoressimultaneamentepodeserfeitamas,cadatecnologiaempregadatemsuasvantagensedesvantagens.

AolongodahistóriadaRAhouvemomentosemquesepodiaapenasaumentaracenacominformaçõesedadostextuais.Logoseviuqueesteenriquecimentodacenapoderiasermelhoraproveitadosegráficosouesquemaspudessemser

inseridosnacena,deformacoerentecomobjetosreais.Posteriormente,comamelhoranacapacidadedeprocessamento,foipossívelpromoveresseenriquecimentodacenacomobjetosgráficos3Drenderizadosdeformarealista.Mas,oselementosvirtuaisanterioresnãodeixaramdeseropçõesdeRA,portanto,pode-seclassificaraRAquantoaoelementovirtualqueestáenriquecendoacenacomo:

1D,acrescentaelementostextuaisemformadeHUD(HeadUpDisplays);2D,acrescentagráficosouesquemasnacena;3D,acrescentaobjetosvirtuaistridimensionaisrealistasàcena.

Importanteressaltarque,independentementedeoconteúdoser1D,2Dou3D,oregistrodesseconteúdocomocenáriorealdevesempresertridimensional,ouseja,devecorresponderaumaposiçãonoespaçorealbemdefinida.

OutroaspectoparaclassificaraRAestárelacionadocomavisualização:

QuantoàDireçãodeVisualizaçãoVisadaDireta(manipulaçãoeobservaçãonamesmavisada,usuáriodeterminaadireçãodeobservação)

Ótica(elementovirtualprojetadosobreaobservaçãodoreal)porVideo(elementovirtualinseridonareproduçãodoreal)

VisadaIndireta(manipulaçãoeobservaçãoemvisadasdiferentes,usuárionãodeterminaadireçãodeobservação)

Projetor(imagemaumentadaéapresentadaemumplano)Monitor(imagemaumentadaéapresentadaemummonitor)

QuantoaoControledaVisualizaçãoAcopladoàcabeçaAcopladoàmão(Handheld)Desacoplado(Pontofixadonoambiente)

Nocontextodatarefadesaída,aRApodeserclassificadapelocritériodaformacomqueousuáriovêomundo.Quandoousuáriovêomundoapontandoosolhosdiretamenteparaasposiçõesreaiscomcenaópticaouporvídeo,aRAédevisadadireta(imersiva).Navisadadireta,asimagensdomundorealpodemservistasaolhonu,trazidasatravésdevídeoquemistureimagenscaptadasdomundorealcomoutrassintetizadascomputacionalmente(visãodiretaporvídeo-videosee-through),pormeiodeobjetosvirtuaisprojetadosdiretamentenosolhos(visãoópticadireta-opticalsee-through),visualizadoresdeapontamento

diretobaseadosem“handheld”(portadosemmãos,comocelularesetablets)ouprojetadosdiretamentenocenárioreal(RAespacial)(BimbereRaskar,2005).Quandoousuáriovêomundoemalgumdispositivo,comomonitorouprojetor,nãoalinhadocomasposiçõesreais,aRAéditadevisadaindireta(nãoimersiva).

AFigura2.6mostranaparte(a)aestruturadavisadadiretaenaparte(b)avisadaindireta.

a)VisadaDireta–CapaceteÓpticob)VisadaIndireta-Monitor

Figura2.6.TiposdeRealidadeAumentadabaseadosnavisão

Pode-seencontrarnaliteraturaumaformadiferentedeclassificaçãorelacionadaaodispositivo,queémaistecnológicaqueaanteriormasquecontemplaasmesmasclassesemumúnicocritério(Milgram,1994;Isdale,2000):visãoópticadireta,visãodiretabaseadaemvídeo;visãobaseadaemmonitor,evisãobaseadaemprojetor.

Ainda,pode-seclassificaraRAquantoaperspectivadevisualizaçãoqueserelacionacomondeacâmerapodesercolocada:nacabeçadapessoa,gerandoumavisãoemprimeirapessoa;atrásdapessoa,gerandoumavisãoemterceirapessoa;ounafrentedapessoa,direcionadaparaela,gerandoumavisãodesegundapessoa(Sherman;Craig2002).

2.2BreveHistórico

Aumentararealidadecomalgumrecursojávemsendotentadohátempos:ousodeespelhos,lenteseiluminaçãodevidamenteposicionadospararefletirimagensdeobjetosepessoasausentessãotruquesusadosdesdeoséculoXVII.

Entretanto,aRAqueconsideramosaquiusaobjetosgeradosporcomputadorenãofilmesoufotografiasdeobjetos.

ÉatribuídoaIvanSutherlandjuntocomBobSproull,acriaçãoem1968emHarvarddoprimeiroprotótipodedispositivoquepermitiajuntarimagens3Dgeradasemcomputadorsobreimagensreais.Osistemajácombinavaomonitor(display),monitoramentoegeraçãodeimagensporcomputadorquecaracterizamumaaplicaçãodeRAatéhoje.

Posteriormente,TomFurnessiniciouapesquisadoSuper-CockpitparaaForçaAéreadosEUAcujoobjetivoerainvestigarnovasformasdeapresentarparaopilotoasinúmeras,detalhadasevariadasinformaçõesdevoosemsobrecarregá-lo.EssaspesquisasevoluíramatéchegaremnoscapacetesdeRAqueospilotosdohelicópteroApacheusamatualmente.

Furnessmudou-separaaUniversidadedeWashingtonem1989,transferindoparaaacademiaumapartedaspesquisasemRA.Concomitantemente,váriasUniversidadesiniciarampesquisasenvolvendoosconceitosdeRA:UniversidadedoNortedaCarolina,UniversidadedeColumbiaeUniversidadedeToronto;capitaneadasporpesquisadoresrelevantesnaáreacomoFrederickBrooks,SteveFeinerePaulMilgram.

ApesardeaspesquisasemRAjáestarememandamento,adissociaçãodaRVnãoeratãoevidente.Oprimeiroartigocientíficoqueusouotermo“RealidadeAumentada”nocontextotratadoaqui,foiodeTomCaudelleTomMizell(1992),artigoessefocadonosetorindustrial.Éatribuídopois,aTomCaudellacriaçãodotermoRA(Ling,2017).Daíemdiante,tantopesquisasvoltadasparaastecnologias(visualização,monitoramento,interação)quantoaplicaçõescomeçaramaaparecereseconsolidar.NessemesmoanosurgeoprimeirosistemafuncionaldeRA,“VirtualFixtures”,desenvolvidoporLouisRosenberg(InteractionDesignFoundation,2017).

Essesforam,portanto,osdoismarcostecnológicossignificativosdacriaçãodaRA:ousodoconceitoporvoltade1968esuaefetivaapariçãoem1992.Umpoucodepois,aRAcomeçouatomarasruas:em1997,Feinerecolegascombinaramos“computadoresvestíveis”(doinglês,WearableComputers-outranomenclaturaassociadacomaRA)comrastreamentoporGPSparaproduziraplicaçõesdeRAnaruaemostrarinformaçõesnosseusrespectivoslugaresnomundoreal(Feineretal.,1997apudBillinghurstetal.,2015pag90).

Oscelularesreceberamsuasprimeirascâmerasem1997easprimeirasaplicaçõesdeRAemcelularesforamapresentadasemtornode2004.AjunçãodaexperimentaçãodousodoGPSeaRAemcelularpermitiurecentementeacriaçãodeinúmerosjogosdegrandesucesso,comooIngresseoPokemonGo(ambosdaNianticGames).

Dopontodevistadaacademia,aprimeiraconferênciafocadanaRAfoipromovidaem1998conjuntamentepelaIEEEeACM,asduasmaioressociedadesdasáreasdaengenhariaecomputação,respectivamente.SimpósiossubsequentesemRMeRA,em1999e2000,amadureceramparaqueem2002,oISMAR-InternationalSymposiumonMixedandAugmentedReality-viesseaseformarequesemantématéhojecomooprincipalfórumdediscussãodetecnologiasassociadasàRA.

Jádopontodevistacomercial,aprimeiraempresafocadaemRAapareceuem1998naFrançacomonomedeTotalImmersion(2017)eexisteatéhoje.UmdosprimeirosprodutoscomerciaisamplamentedifundidofoiojogoTheEyeofJudgment(2017)lançadoem2007pelaSonyparaoPlaystation3.

Em2009ointeressepelaRAaumentousignificativamentegraçasa(i)disponibilizaçãodeferramentasparageraraplicaçõesdeRAcomo,antesbemconhecido,Flash(2017),justamentepelosuporteacâmerasqueestaferramentadedesenvolvimentorecebeu;(ii)aviabilizaçãodaRAemcelulares,graçasaosnovosmodelosquecontinhamprocessadoresrápidososuficienteparaosalgoritmosdebasedaRAe;(iii)ousodaRAemgrandescampanhaspublicitáriasonderevistaspassaramainserirmarcadoresdeRAnassuaspáginas-popularizandoatecnologia.Mas,foicomoanúnciodoprodutoGoogleGlass,em2013,queaRAfinalmentecapturouaatençãodopúblicoemgeral(Ling,2017).

Combasenestasdatas,percebe-sequeaRAéumaáreadepesquisaseestudosaindanovamas,sempreassociadaatecnologiaesuasaplicaçõesparamelhoraraformacomoohomemvêomundo.

2.3Tecnologias

AmaioriadosdispositivosdeRVpodeserusadaemambientesdeRAouRM,exigindoadaptaçõesemalgunscasos.Asprincipaisdiferençasestãonosvisualizadoreserastreadores.

2.3.1HardwaredeEntrada

JáidentificamosqueumdoscomponentesfundamentaisdaRAéumacâmeradevídeoparacapturaracenae,àsvezes,identificarnestaoslocaisdeposicionamentodoselementosvirtuais.Entretanto,alémdaentradadevídeo,váriosoutrosdispositivospodemserusadoscomoobjetivodeauxiliarnaidentificaçãodoselementosdacenae/ouposicionaroselementosemrelaçãoaoobservador.Estesúltimostambémsãofundamentaisparaauxiliarnoprocessodeinteração.OhardwaredeRApodeusardispositivostípicosdaRV,mastemapreocupaçãodenãoobstruirasmãos,quedevematuarnaturalmentenoambientemisturado.Técnicasderastreamentovisual,usandovisãocomputacionaleprocessamentodeimagenssãoimportantes,nestecaso.Assim,osseguintesdispositivospodemserusadoscomohardwaredeentradaparaumsistemadeRA:

GPS(GlobalPositioningSystem).Pode-seregistraraposiçãodeumelementovirtualnumespaçofísicomaisamplo-atravésdesuascoordenadasgeográficas(latitudeelongitude).Destafeita,osistemadeprocessamentodeRAvaiposicionaroselementosvirtuaisnumaposiçãogeográficaespecíficamas,paraisso,precisasaberondeoobservadorestátambém-daíautilidadedoGPS);SensoresInerciais(Acelerômetros,MagnetômetroseGiroscópios).Paraauxiliarnaidentificaçãodaformacomoacenaéobservada,pode-seutilizarestessensoresparacontrolaroângulodevisão.Ainda,podeauxiliaraidentificaraçõesdousuárioparausarcomoformadeinteração;SensoresdeProfundidade.Acopladosaosistemadecapturadeimagens(comoemcâmerasRGBDdotipoKinect,Xtion,RealSense)ouisolados(comooLeapMotion),ossensoresdeprofundidadesãoúteisparaidentificaraconfiguraçãodocenáriofísicoouparaidentificarapresençaeconfiguraçãodamãodousuário.Acalibraçãodestaidentificaçãoaosistemadevisualizaçãopermiteidentificarformasdeinteraçãodousuáriocomoselementosvirtuais;LuvasdeDados.DispositivotípicodeRVquecapturaaconfiguraçãodamãodousuário,asluvasdedadospodemserusadasisoladamente,paraservircomoformadeinteraçãobaseadaemgestos(configuraçãodosdedos)ou,quandoacopladaarastreadores(outrodispositivotípicodeRV),permitemoposicionamentodamãodousuárionacenaeainteraçãocomoselementosvirtuais;InterfacesTangíveis.Todoequalquerdispositivofísicosignificanteparaa

aplicação(nocasoumaferramenta,uminstrumento,etc.)queousuáriopossainteragirdiretamente(segurar,tocar,empurrar)masqueaomesmotempopossaservircomosensordeentradaparaosistema(identificandoqualfoiaação)éumainterfacetangívelequepodeserutilizadatambémemumsistemadeRA.Nota-sequenasinterfacestangíveis,ainteraçãonãoficalimitadaasutísmovimentosdededosedosolhosmas,envolveoespaçofísicoeacorporalidadedousuário(DosReiseDosSantosGonçalves,2016).Assim,mesastranslúcidas(comsistemasdevisãoacoplados)ouobjetosfísicoscomsensoresacopladospodemserintegradosaumsistemadeRA.

2.3.2Software

AomesmotempoemqueaRAdemandarecursosdehardware,elatambémimpõedesafiosdesoftware,namedidaemquesãodesenvolvidasaplicaçõesmaiscomplexasepotentes.

Acapacidadedeprocessamentodasunidadescentrais(CPU)edasplacasgráficas(GPU),paratratarasnecessidadesdaRA,deveseraltaosuficienteparagarantiraexecução,emtempointerativo,dasseguintesações:tratamentodevídeo;processamentográfico3D;geraçãodeimagensmisturadas;incorporaçãodesom;execuçãoháptica;controlemultimodal;varreduradedispositivosdeentradacomênfasenorastreamento;etc.

OsoftwaredeRAéusadonafasedepreparaçãodosistema,atravésdeferramentasdeautoriadeambientesmisturados,enafasedeexecução,comoumsuporteàinteraçãoemtemporeal.

Comoferramentadeautoria,osoftwaredeRAéusadoparaintegrarobjetosvirtuaisaoambientereal,incluindocomportamentos.Elepodeusarelementosauxiliaresparaacapturadeposiçõesouospróprioselementosdocenárioreal.Oajustedosobjetosvirtuaisnoespaçoreal,feitonacalibração,podeserinterativoevisualoubaseadoemparâmetrosdeposição.

Algumasferramentasdeautoriapermitemtantoapreparaçãoquantoainteraçãocomobjetosvirtuais.Outrasferramentasdeautoriaencapsulamferramentasmaissimples,gerandosistemasmaiscomplexos,acumulandofuncionalidades.

DentreasferramentasdeautoriadeRA,pode-secitar:ARToolKit(Billinghurst

etal.,2001),ARToolKitPlus,MRT(FreemaneZhou,2005),Studierstube(Schmalstiegetal.,2002),Tiles(Poupyrevetal.,2001),APRIL(LedermanneSchmalstieg,2005),DART(MacIntyreetal.,2003),MARS(GuvemeFeiner,2003),AMIRE(Zauneretal.,2003),MXRToolKit(Zhou;CheokePan,2007),LibTap(SeichtereKvan,2004),OSGART(Osgart,2017),irrAR(Irrlicht3d,2017),AndAR-AndroidARToolkit(InglobeTechnologies,2017),BasAR(CerqueiraeKirner,2011),FLARToolKit(Kirner,2011),VUforia(Vuforia,2017),ARTag(Fiala,2005)eAURASMA(Aurasma,2017)(esteúltimodispensaprogramação,porémémaislimitado),

Comosuporteparainteraçãoemtemporeal,osoftwaredeRAdevepromoverorastreamentodeobjetosreaiseajustarosobjetosvirtuaisnocenário,tantoparapontosdevistafixosquantoparapontosdevistaemmovimento.Alémdisso,osoftwaredeRAdevepermitirainteraçãodousuáriocomosobjetosvirtuaiseainteraçãoentreobjetosreaisevirtuaisemtemporeal.Osuporteparainteraçãoemtemporealtambémdeve:atuarnocontroledasimulação/animaçãodosobjetosvirtuaiscolocadosnacena;cuidardavisualizaçãodacenamisturada;eimplementaracomunicaçãoemredeparaaplicaçõescolaborativas.

OARToolKitéumdosrecursosmaispopularesdaRA.OARToolKitéumabibliotecadesoftwarebaseadanaslinguagensJava,CeC++,usadaparaodesenvolvimentodeaplicaçõesdeRA.Esteambientededesenvolvimentobaseia-senousodemarcadores.ARToolKitédecódigoabertoepossibilitaalteraçãoeajustesparaaplicaçõesespecíficas(Figura2.7)que,juntocomoARTagsãoosframeworkdedesenvolvimentomaispresentesnaspublicaçõescientíficasnoBrasilatérecentemente(Hounselletal.,2014).

a)MarcadorFiducialdotipocódigodebarras2D;b)ObjetoVirtualsobreoMarcador

Figura2.7.RealidadeAumentadausandoARToolKit

AbaseparaofuncionamentodaRAéacapacidadedosistemacomputacionaldeidentificarondeoselementosvirtuaisvãoaparecernacena.Paraoselementos1De2Destafuncionalidadeimpactapouconofuncionamentodaaplicaçãopoislevaaumposicionamentoemrelaçãoatela(quepodeserfixo).Entretanto,quandooelementoé3D,independentedesuaqualidadegráfica,estaintegraçãosetornafundamentalpoisoobjetovirtualtemquesercoerentecomorestodomundo3Dreal.Paraalcançarestafuncionalidadenocasodosobjetos3D,osistemadeRAtemqueexecutarastarefasdemonitoramento,quesedivideem:

Registro,queestárelacionadocomacapacidadedosistemadeRAdeveterdeidentificarQUALéoelementovirtualquedeveaparecereemQUALposiçãoeorientaçãorelativaaorestantedacena(tantoaobjetosreaisquantovirtuaiseemrelaçãoaoobservador).Estaidentificaçãodeveserbiunívocaentreobjetovirtualesuaassinaturanaimagemdacenae,seuposicionamentodeveserprecisoerobustoparaquesepossaposicionaroobjetovirtualemumaposiçãoestável;Rastreamento,éacapacidadequeosistemadeRAdeveterdeidentificarCOMOumelementovirtualpresentenacenaestásemovendoeparaONDE.Istopodeserfeitoaplicandorepetidamenteosalgoritmosderegistro(maséineficiente),outécnicasespecíficasemaisrobustas.

Errosnoprocessoderegistro,podemfazercomqueumobjetofiqueaparecendoedesaparecendodacena(tambémchamadodepopping)ouemposiçãoincompatívelcomorestodacena.Errosnoprocessoderastreamentopodefazercomqueoobjeto3Dacumuleerros,tendomovimentaçãoestranhaouacabeemumlocalinadequado.

EstesdoisrecursosusamtécnicasdeVisãoComputacionaleReconhecimentodePadrõesquesãosubdivisõesdaáreadoProcessamentodeImagensque,porsuavez,éumadasáreasdoProcessamentoGráfico.RegistroeRastreamentoserãodetalhadosnaseção2.5.

2.3.3HardwaredeSaída

ParavisualizaraRA,osdispositivosprecisamteracapacidadedemisturaroambienterealcomovirtual.Paraisto,sãousadosquatroesquemas(Azuma,2001):

a)baseadosemmonitores,constituindomonitoresoutelasdeprojeção,mostrandoaimagemcapturadaporumacâmeradevídeo(fixadanumpontodoambientereal)emisturadacomobjetosvirtuais.Ousuáriopodeentraremcenaeinteragircomoselementosreaisevirtuais,desdequeconsigasevernovisualizador.AplicaçõesbaseadasnoARToolKit,mostradasnomonitor,funcionamdestamaneira;

b)visadaópticadireta(opticalseethrough),consistindodeumdispositivosemitransparente,deformaapermitirapassagemdaimagemrealvistadiretamente,mastambémquereproduzimagensgeradaspelocomputador.Istopodeser

obtidopormeiodeumrecursodaótica(usodeprismasparajuntarduasfontesdeinformaçãoluminosa)projetandoimagensdiretamentenaretinaou,pormeioprojeçãoemvisortransparenteemconfiguraçãodeóculosouviseiradecapaceteouainda,emlentedecontato;

c)visãodecâmeradevídeo(videoseethrough),ouvisãocomoclusão(omundorealnãoévistodiretamente),queconsistededispositivosdevisualizaçãocomumaouduasmicrocâmeraspresasàfrentedodispositivoeapontadaparaondeousuárioestariaolhando.Aimagemcapturadapela(s)câmera(s)devídeo,misturadacomaimagemdoselementosvirtuaisgeradapelocomputador,émostradaaousuárioatravésdeumdispositivodevisualizaçãoquepodeserumcapacete,ateladeumtabletouatéateladeumsmartphone;

d)projeção,tambémchamadadeRAEspacial-SpatialAUgmentedReality(BimbereRaskar,2004),queconsistenaprojeçãodasinformaçõesvirtuaisdiretamentesobreosobjetosfísicos,cujascaracterísticasserãoentão,aumentadas.Ousuário,nestecaso,nãonecessitadevestirnemsegurarnenhumdispositivoparavisualização.Essetipodeesquemaémuitoútilparaincorporardetalhesacertosobjetosoumostrarsuaspartesinternas,semanecessidadedeabrí-losoudesmontá-los.

2.4TécnicasdeInteração

Inicialmente,ossistemasdeRAenfatizaramavisualização,semsepreocuparemcomoosusuáriosiriaminteragircomoselementosvirtuais.Mas,logosepercebeuanecessidadeeimportânciadeinteragircomoselementosvirtuais,aumentadosnacena.Astécnicasdeinteraçãoemambientestridimensionaissedividememseleção,manipulação,navegaçãoecontroledosistema(Laviolaetal.,2017).Portanto,deve-seobservarnossistemasdeRAcomoessastécnicasestãodisponibilizadasparauso.Astécnicasdecontroledosistema,pornãoestaremdiretamenterelacionadasàinteraçãocomconteúdoseambientestridimensionais,nãoserãoaquiabordadas.

Comoousuáriopodepotencialmenteinteragirtantocomplementosfísicosquantovirtuaisdoambiente,semnemprecisardiferenciarrealdevirtual,aformadeinteraçãopromovidapelosistemadeRArequerqueousuáriotambémnãopercebadiferençaduranteainteraçãocomesteselementos,fazendocomqueabuscapelanaturalidadedasaçõessejaumforterequisitodeinteraçãoparaossistemasdeRA.Essaé,aomesmotempo,umavantagemeumadificuldade

técnicaasersuperadanossistemasdeRA.

2.4.1Seleção

Paraconseguirestainteraçãoalgunssistemaslimitaram-seareproduzir,noambientedeRA,asinterfacesgráficasjáconhecidasemsistemas2D(GUI-GraphicalUserInterface),comomenusdetela.

Paraatenderàinteraçãomaisnatural,formasdeusocomopróprioelementovirtual3Dpassaramaserbuscadas.Paratal,algumasestratégiascomeçaramaserdesenvolvidas.Umadelas,exemplificadanaFigura2.6,éousodeumelementovirtual(comoumaLupa)parainteragircomaGUI2D.Destaforma,funcionandocomoumapontadorconduzidopelaprópriamãodousuárioparaefetuaraoperaçãodeseleção.

Apresençadeumcartãomarcadoremfrenteàcâmerafazcomqueoobjetovirtualassociadosejacolocadosobreele.Amanipulaçãodocartãocomasmãosmovimentatambémoobjetovirtual.Alémdoobjetovirtual,sonspodemseriniciados,quandoocartãoentranocampodevisãodacâmera.NaFigura2.6pode-severausuáriasegurandoumapazinha(nadamaisdoqueumpalitodepicolécomumcartãodepapelcolado)eolhandoumobjetonaparededentrodojogoSherlockDengue(Corsanietal.,2009);passadopelosistemadeRAavisãodapazinhapassaaseassemelharadeumalupa(artefatousadoparaassociaroambientecomopersonagemSherlockHolmes).

Figura2.8:Usodeumelementovirtualparainteraçãocomoutro[Corsanietal.2009].

Estaação(seleção)podeseridentificadapelosistemapelasobreposição,pelaprópriapresençadeumelementovirtual,oupelasuainclinação,porexemplo.

2.4.2Manipulação

Algunscartõesdecontrole(quandoseusaumsistemadeRAbaseadoemmarcadores)podemserusadosparainterferiremelementosvirtuaisselecionadosporoutroscartões,fazendoalteraçõesgeométricas,trocadeobjetos,captura,duplicação,deleção,etc.Comisto,osobjetospodemseralteradosoureposicionados,gerandoinúmerasaplicações.

Outrapossibilidadedemanipulaçãoéconsideraroelementovirtualsendomanipuladopelousuário,interagindocomoselementosvirtuaisdacena-promovendocolisões,deslocamentos,etc.Entretanto,estatécnicainfelizmentenãopodeserreproduzidaparaosobjetosfísicos.

OutraformadeinteraçãonoambienteaumentadosãoasInterfacesTangíveis(Azuma,2001)quepermiteminteraçõesdiretascomomundofísico,atravésdasmãosoudeobjetoseferramentasreais.UmadasmaneirasmaissimplesepopularesdeimplementaçãodeinterfacestangíveiséconseguidanoambienteARToolKit,usando“videosee-through”.

OsistemaTilesexploraessetipodeinteração(Poupyrev,2001).OutraaplicaçãointeressanteéoMagicBook(Billinghurstetal.,2001),queimplementaainterfacequetransitaentreosmundosAV-VR.Oprojeto,usandoumlivrofísico,mostrandoobjetosecenáriosvirtuaisemsuasfolhas,permitequeousuáriouseolivroforadoambientecomputacional;depois,elepodeentrarnoambientedeRealidadeAumentada,colocandoolivronocampodevisãodeumawebcam;e,finalmente,elepodemergulharnomundovirtualdolivro,escondendoovídeodomundoreal.

2.4.3Navegação

Navegaçãoéatécnicaresponsávelporcontrolarcomooobservadorexploraoambienteaumentado.Tantosuaformadevisualizaçãoquantoseudeslocamentonesteambiente.MuitasdasaplicaçõesdeRAnãoexigemmuitodeslocamentodousuário(aliás,muitasdelasdesprezamestaquestão).Portanto,podehavercertaconfusãoquandosefaladenavegaçãoeformasvisualizaçãoemambientesdeRA.

ControlaradireçãodevisualizaçãoemumambientedeRApodeparecerumatarefasimplesquandoseconsideraumdispositivodotipovisor(HMD).Nestecaso,orastreamentododispositivodevisualizaçãotrazinformaçõessuficientesparainformarparaondeecomoacenaestásendovisualizada.Entretanto,visualizadoresalternativos,como“handheld”,fazemcomquenãoacabeçamas,asmãosdousuáriocontroleavisualização(enavegação)pelacenaaumentada.

Emtodososcasos,pode-seaindadispordedispositivosdecontroleespeciais,explorandointeraçõesmultimodais,comoelementosdeinteraçãoemsistemasdeRA,permitindoatécnicadeinteraçãomundoemminiatura–“WorldInMiniature”(WIM)(Bell;HollerereFeiner,2002).

2.4.4Outrasformasdeinteração

AlgumasestratégiasdeinteraçãodoambientedeRApodemserusadastantoparaseleçãoquantoparamanipulação:podem-seusarcâmerasdevídeo(RGB)ou,ainda,umacâmeradeprofundidade(tambémchamadadecâmeraRGBD,dequaloMSKinectéumexemplo)capazesdeidentificarosgestosbemcomoaposiçãorelativadousuárioemrelaçãoàcena.Complementarmenteaisso,InterfacesMultimodaissãoalternativaspromissoraspoispodemliberaramãodousuáriodatarefadeinteração,transferindoalgunsdoscontrolesparaafalaououtraspartesdocorpo.

Outraalternativa,paraodesenvolvimentodeinterfacesdeRA,consistenousodeagentesvirtuais,cujasaçõessãoordenadaspelousuário,atravésdegestosecomandosdevoz.Umagentepodemoverobjetosvirtuaisparaqueousuáriopossainspecioná-lo,porexemplo.Pode-se,portanto,nosambientesdeRA,realizarnavegação,seleção,manipulaçãoecontroledosistema.

2.5FundamentosdaRA:Rastreamento(Tracking)

Comoapresentadonaseção2.3.2,aRAusadoisprocessosimportantíssimos:oRegistroeoRastreamento,aquichamadossimplesmente(enaliteraturacientíficaemgeral)derastreamento(doinglês,Tracking).

OrastreamentoétãofundamentalqueostiposdeRApodemserclassificadosquantoaesteaspecto(comovistonaseção2.1.4):RAbaseadaemVisão;eRAbaseadaemSensores.Aseguirdetalhamosalgunsaspectosdastecnologiasmais

recentesderastreamento(Billinghurstetal.,2015).

BaseadoemVisãoComsensoresInfraVermelhoComidentificadoresvisíveis

CommarcadoresfiduciaisQuadradoPlanoCírculosconcêntricosFormasgeométricasespecíficas

CommarcadoresnaturaisComrastreadoresdomodelodosobjetos(linhas,círculos,etc)

Comrastreamentodaestrutura3DdacenaDemaissensores

MagnéticoGPSSensoresInerciais

Híbrido

OrastreamentobaseadoemVisão,vemsetornandomuitopopularemRAdevidoanãoexigirhardwareadicional(alémdacâmeraquejápossivelmenteestejasendousada)edacapacidadedeprocessamentonosdispositivosmóveissuficienteparaanalisarimagens.

Osprimeirossistemasderastreamentobaseadoemvisãoutilizavamemissoresourefletoresdeluz(tipo“olhodegato”)anexadosaosobjetossendorastreado.Istotornavaorastreamentobemmaisfácilpelafacilidadedecontrolar(eidentificar)oemissor/refletor.Osrefletoressemostrarammaisfácildetrabalharpoisresolviamoproblemadeenergiaesincronizaçãoparaasfontesdeluz.Seafontedeluzerainfravermelho,elanãoeravisíveleportanto,nãoinfluenciavaorestodacena.Apesardaprecisãoerobustezdessasolução,elarequerumafontedeluzespecífica.

Trabalharcomluzvisívelpararastreamentobaseadoemvisãofacilitaoprocessopoisnãorequernemafontedeluznemosensorespecíficos,tornandoapreparaçãodoambientebemmaisfácileéfeitaprocurandomarcações(naturaisouartificiais)existentesnacena.Quandoasmarcaçõessãoartificiaise,portanto,adicionadasàcena,estassãochamadasdefiduciais.Marcadoresfiduciaissãocriadosdeformaaseremfacilmenteidentificadospelosoftwaredevisão.Elespodemserdesdeformasgeométricasespecíficasemcores,anéiscirculares

concêntricosecoloridosaté,umasimplesmarcaquadrangular.Estaúltima,acrescidadeinformaçõesadicionaisnoseuinterioréaformamaispopulardeexecutarrastreamentoemRA.IstosedeveaofatodequeestetipodemarcadorfiducialtenhasidoincorporadoaosfamososARToolKit(ARToolKit,2017)eARTag(Fiala,2005).

Marcadoresfiduciaisdotipocódigodebarras2Dentretanto,sãoinconvenientes(devemserafixadosnacenareal)einapropriados(nãosãonaturaisàcena)oquelevouàbuscademarcadoresmaisnaturais(Ling,2017):amedidaqueopodercomputacionaldosdispositivosdevisãoaumentou,ficoumaisfácilutilizaralgoritmosdevisãocomputacionalquebuscamcaracterísticasnaturaisaosobjetos,ouseja,jápresentesneles(comosuaprópriaimagem,substituindoportantoasimagensbináriasdosmarcadoresusadosatéentão).Váriosalgoritmosdereconhecimentodepadrõessãocapazesdeidentificarimagens(previamentecadastradasetreinadas)emtemporeal.AlgoritmoscomoSIFT-ScaleInvariantFeatureTransform,SURF-SpeededUpRobustFeatures,BRIEF-BinaryRobustIndependentElementFeature,BRISK-BinaryRobustInvariantScalableKeypoints,dentreoutros,têmsidoutilizados.

Quandoépossívelsaberdeantemãoqualéaestruturageométricadoobjeto,essainformaçãopodeserusadaparaefetuaroseurastreamento.Assim,usam-semodelosdeCADpararepresentaroobjetoefaz-seentãoorastreamentobaseadonestemodelodoobjeto.Istopodeserfeitopoisamaioriadosobjetosaseremrastreadospodemserdescritoscomocombinaçõesdeentidadesgeométricassimples(comolinhasecírculos)que,porsuavez,sãomaisfáceisderastreardoqueimagenscomplexasdosobjetos.TécnicascomoSLAM-SimultaneousLocalizationandMapBuilding,PTAM-ParallelTrackingandMappinge,maisrecentementeORB-SLAM(Mur-Artaletal.,2015)sãoutilizadasnestaabordagem.

Asabordagensacimatentamidentificarumobjetoespecialnomeiodacena.OutraformadepromoveraRAéidentificarcomoéoambiente3D(sobreoqualumelementovirtualvaiaparecer).Oobjetovirtualpodeentãoestarassociado(indiretamente)àexistênciaeconfiguraçãodopróprioambiente.Assim,seforpossívelidentificarerastrearplanosouobstáculosnacena,ouseja,aestrutura3Ddacena,estainformaçãopodesersuficienteparaqueoelementovirtualseencaixeadequadamente.ExecutarestetipoderastreamentopassouaserbemmaisfácilcomoadventodascâmerasRGBDou,câmerasdeprofundidade,apesardequeestaidentificaçãotambémpodeserfeitaporsoftware.

ARApodeaindautilizaroutrossensores,quenãoosóticos,paraexecutarorastreamento.Norastreamentomagnético,tem-seumdispositivotransmiteumcampomagnéticoalternadoqueécaptadoporumoumaisreceptores.Daíentãoécalculadaaposiçãoeorientaçãodoreceptoremrelaçãoaotransmissor.Orastreamentomagnéticoérápido,nãorequervisadadiretaentreosdispositivos,sãolevesepequenos.Entretanto,ovolumedetrabalho(áreaondeaprecisãosemantémaceitável)élimitadoeosistemaésensívelainterferênciaseletromagnéticas-quepodemsermuitocomunsemalgunsambientesindustriais.

RastreamentoporGPSéapropriadoparaespaçosabertoseamplos.UmprojetoadequadodeumaaplicaçãodeRApodepermitirqueaprecisãode3metrosatualmentedisponívelsejasuficiente.Avantagemdesserastreamentoéqueeletendeamelhorarnumfuturopróximo.

Sensoresinerciais(jácomentadosnaseção2.3.1)têmavantagemdenãoteremvolumedetrabalholimitado,nãorequeremlinhadevisadaentretransmissorereceptor,nãosofreminterferênciaseletromagnéticas,acústicasnemóticas.Podemseramostradosaaltasfrequênciascomquasenenhumatraso.Mas,estessensoressãomuitosensíveisaoacúmuloepropagaçãodeerros,tantodeposiçãoquantoorientação,aolongodotempo-requerendocalibraçãoperiódica.Porestarazão,quandoaprecisãodorastreamentoénecessária,sensoresinerciaisdevemsercombinadoscomoutrossensoresparacorreção.

Aliás,acomposiçãohíbridademodosderastreamentopodelevarumsistemaasermaisversátil,robustoeprecisomas,fazerafusãodasinformaçõesprecisadeumgerenciamentoespecialparasetornarcoerente.

2.6Aplicações

ARApermiteaousuárioretratareinteragircomsituaçõesimaginárias,comooscenáriosdeficção,envolvendoobjetosreaisevirtuaisestáticoseemmovimento.Comisto,ousuáriopodevisitarsalasdeaulaelaboratóriosvirtuais,interagindocomprofessoresecolegaserealizandoexperimentoscientíficos;podeentrarnobancovirtualemanusearoterminaldeatendimentovirtual,damesmamaneiraqueofazcomoequipamentoreal,emesmoconversarcomogerente,representadonoambienteporumhumanóidevirtual(avatar).

2.6.1VantagenseAplicabilidadedaRA

AlgumasdasvantagenseaplicabilidadedaRAseconfundemcomasdaRVmas,pode-sedestacaralgumasquesãoprópriasdaRA.DentreasvantagensdaRAdestacam-se(Wangetal.,2016)

Nãoénecessáriofazertodaamodelagemdomundovirtual(oquenormalmentedemandaesforçomanual,aumentandoadificuldadedeintegraçãocomossistemasdeCADe,tambémesforçocomputacionalparaarenderização);Ousuáriopodeagirnoreal(usarferramentas,atuarsobredispositivos,manipularobjetos,semoveremtornodoobjeto)deformanaturalcomsuaspropriedadesresponsivas-hápticas(depeso/inércia,textura,rigidez),oquedámaiorsensoderealismoeimersãonomundoenriquecido,trazendoobenefíciotantodoreal-principalmenteaintuitividade-quantodovirtualPode-seexplorarnovoselementos(virtuais)esuainteraçãocomoambiente(real)semanecessidadedeconstruiroudesenvolveroselementos,economizandotempoerecursos,e;Proporcionaumambienteseguro,flexível,controladoeintuitivoparaexperimentarinteraçõesfísicas.

Nestecontexto,pode-sedizerqueumaaplicaçãoqueprecisadorealismofísicoougráficodoambienterealcomointerfaceparaexplorarpossibilidadesvirtuais,éumbomcandidatoparaumaaplicaçãodeRealidadeAumentada.

2.6.2ÁreasdeAplicaçãodaRA

DamesmamaneiraqueaRV,aRApodeseraplicadaàsmaisdiversasáreasdoconhecimento,emmuitoscasoscomvantagensadicionaisporseintegrarsimbioticamentecomosambientesreais.Qualqueratividadehumanaquenecessitadeacessoainformaçãoparamelhorserexecutada,podesebeneficiardaRA.Seestainformaçãofor3Dediretamenterelacionadacomoambienteemqueseestá,entãoaRAtemopotencialdeseramelhoralternativadesolução.

Essasaplicaçõesconsistemem:reparomecânico,modelagemeprojetodeinteriores,cirurgiaapoiadaporcomputador,manufaturaediagnósticodeplacasdecircuitoimpresso,montagemdeequipamentos,experimentaçãodeadornos,manutençãodeinstalaçõesindustriais,visualizaçãodeinstalaçõesembutidas,visualizaçãodetemperaturasemmáquinasetubos,ferramentasparaeducaçãoe

treinamento,exposiçõesemuseusvirtuais,visualizaçãodedados.

2.6.3DesvantagenseLimitações

AsprincipaisdesvantagensdasRAestãoassociadascomaformacomquesepromoveaintegraçãoentreosdispositivoscomoprocessamentoeatarefaemquestão.Ouseja,nãoexistemsoluçõesprontasdecomoabordarumadeterminadaárea.Muitapesquisaaindaprecisaserfeitaparaanalisarasformasmaisintuitivasenaturaisdestaintegração.

Issotemrefletidoemsistemascomcertaslimitações:comoofocoaindatemsevoltadoparaainterfacecomosistemadeRA,aoportunidadedeexplorarsistemasmaisinteligentesouainda,deexplorarosprópriosobjetosreaisdacenacomorecursodaaplicaçãotemsidoesquecido(Wangetal.,2016).Explorarestesobjetosreaistemavantagemdeserháptico,naturaleintuitivo.

Astécnicasesoluçõesderastreamentoaindaestãonasuainfância(Ling,2017)eportanto,limitamassoluçõespossíveis.Istotrazaosdesenvolvedoresaresponsabilidadedesaberexplorarosrecursosatualmentedisponíveisderastreamentomesmoque,paraalgumasaplicações,osrequisitosderastreamentonãosejamtãoexigentes,comoéocasodasaplicaçõesde“fusãoreal-virtualfraca”(Ling2017).

2.7OutrasRealidades

AgoraquevocêleitorjátemconhecimentosobreaRVeRA,podemosaprofundarnasoutrasformasdemisturarorealcomovirtual,oquelevaaosconceitosdeRealidadeMisturada,VirtualidadeAumentada,dentreoutros,apresentadosinicialmentenocapítulo1(verFigura1.1).

2.7.1RealidadeMisturada(RM)

OtermoRAestámuitodifundido,sendomuitasvezesusadonolugardeRealidadeMisturada(RM).ARAestáinseridanumcontextomaisamplo,denominadoRM.Noentanto,essestermosgeralmentesãousadosdemaneiraindiscriminada,predominandoousodaRA.Aseguir,aRMesuasparticularizaçõesserãocaracterizadas.Nestaseção,discutimosesteseoutrostermosrelacionadoseadiferenciaçãoentreeles.

ARealidadeMisturada(RM),oudoinglêsMixedReality(MR),podeserdefinidacomoaintegraçãodeelementosvirtuaisgeradosporcomputadorcomoambientefísico,emostradoaousuáriocomoapoiodealgumdispositivotecnológico,emtemporeal.

Assim,aomisturarcenasreaiscomvirtuais,aRMvaialémdacapacidadedaRVconcretizaroimagináriooureproduziroreal.ARMseencontranomeioentrearealidadecompletamentevirtualearealidadefísicacomoaconhecemos(comofoidiscutidonaseção1.1.1).ARMincorporaelementosvirtuaisaoambienterealoulevaelementosreaisaoambientevirtual,complementandoosambientes.AmetadeumsistemadeRMécriarumambientetãorealistaquefaçacomqueousuárionãopercebaadiferençaentreoselementosvirtuaiseosreaisparticipantesdacena,tratando-oscomoumacoisasó.Tem-se,portanto,umcontextomaisamplo,definidocomoRM,quecombinaomundorealoumundofísicocomomundocompletamentevirtual,aRV,usandotécnicascomputacionais,conformeaFigura1.1,adaptadade(Milgram,1994).Assim,tudoqueestáentreoMundoRealeaRV,podeserchamadodeRM.

NoambientedaRM,aRAocorrequandoobjetosvirtuaissãocolocadosnomundoreal.Ainterfacedousuárioéaquela,queeleusanoambientereal,adaptadaparavisualizaremanipularosobjetosvirtuaiscolocadosnoseuespaço.AVirtualidadeAumentada(VA),oudoinglêsAugmentedVirtuality(AV),ocorrequandoelementosreaissãoinseridosnomundovirtual.Ainterfacedousuárioéaquelaquetransportaousuárioparaoambientevirtual,mesmoqueelevejaoumanipuleelementosreaisaliinseridos.ARAeaVAsãocasosparticularesdarealidademisturada,masgeralmenteotermoRAtemsidousadodeumamaneiramaisampla.

2.7.2VirtualidadeAumentada(VA)

AVirtualidadeAumentadapodeserdefinidacomoumaparticularizaçãodaRM,quandooambienteprincipalévirtualou,hápredominânciadovirtualporém,esteéenriquecidocomelementosreaispré-capturadosoucapturadosemtemporeal.Estesobjetosreaispodemserestáticosoudinâmicos,comomãosepessoasouaprópriapessoa.Nessecaso,osobjetossãocapturadosporcâmerasdevídeo,reconstruídosemtemporeal,mantendoaanimação,elevadosaomundovirtual,ondepodeminteragir.

Trabalhoscomo3DLive(Prince,2002),MãosColaborativas(Kirner,2004)e

TeleconferênciacomVirtualidadeAumentada(SiscouttoeTori,2004)permitemainserçãodeavatares(pessoasoumãos)dentrodoambientevirtualparavisitaremeinteragiremcomoambiente.Aeliminaçãodasimagensreaisvindasdacâmeradevídeo,atravésdocontroledeparâmetrosnoARToolKit(Providelo,2004),permitemostrarsomenteoselementosvirtuaisemãovirtual"reconstruída",fazendocomqueoambientefuncionecomoVA.

AVAtemumpotencialdeusobastantegrande,namedidaemquepermiteainserçãodeavatareshumanóidesrealistasnomundovirtual.Istomelhoraascondiçõesdeinfra-estruturacomputacionalparaaspessoasseencontrarempara:trocarideias,trabalharemconjunto,fazercompras,estudareinteragirdemuitasoutrasformas.

2.7.3RealidadeDiminuída(RD)

ARealidadeDiminuída(RD),oudoinglêsDiminishedReality(DR),éumaformadealterararealidade,semelhanteàRA,mas,comoobjetivodeeliminarobjetosoudetalhesdacenarealqueestásendovistaporalgumdispositivo.Destaforma,nolugardosobjetosoudetalhesaparecemsomenteofundoondeeleestavaantes.Etudoissotemqueocorreremtemporeal,commovimento,deformaquenãosepercebaoobjetosubtraído.Assim,diminuem-seobjetosdacena,dandonomeàtécnicae,pode-sepensarnaRDcomosendo“oinverso”daRA.

AtualmenteaRDaindadeixarastrosnaimagemmas,ousuárionãoconsegueidentificaroobjetoquefoisubtraído.Ainda,oobjetooudetalheasersubtraídoatualmenteprecisaseridentificadomanualmentepelousuário.Entretanto,comoavançodatecnologia,algunsobjetospodemserinicialmenteidentificadosparaseremsubtraídosautomaticamente.

ARDéumaadaptaçãodosrecursosqueseusamnapós-produçãodefilmesparaocontextodaRM.Ouseja,aquiloqueanteserafeitopelaindústriadocinemaparaalterarascenastirandoobjetosauxiliares(comocabosdesuspensãodosatoresououtrosobjetosfísicosusadosduranteasfilmagens)masquelevavamuitotempodeprocessamentoagorapodeserexperimentadointerativamente,emtemporeal.

ARDpodeserútilparaastransmissõesdeTVquandosedesejaeliminarinformaçõesdemarketingdeempresasnãocontratantesdaquelecanal,como

produtosespecíficos,suasmarcasouemblemas.Entretanto,desdeseuaparecimento,porvoltadosanos2010naUniversidadedeIlmenaunaAlemanha,atecnologiafoibastantecomentadamas,aplicaçõespráticasdaRDaindaestãoporvir.

2.7.4HiperRealidade(HR)

Assimcomoovirtualfoicombinadocomoreal,opróximopassoéincrementaressacombinação,adicionandonovoselementosparafacilitarepotencializarainteraçãodousuáriocomosrecursosdequenecessitanodiaadia.Surge,destamaneira,oconceitodeHiperRealidade(Tiffin,2001),cujadefiniçãoé:acapacidadetecnológicadecombinarRV,realidadefísica,InteligênciaArtificialeinteligênciahumana,integrando-asdeformanaturalparaacessodousuário.

AmaiorcontribuiçãodaHiperRealidade(HR)nocontextodaRMéaincorporaçãodeInteligênciaArtificialnocomportamentodos“entes”aumentadosnoambiente.

AmbientesdeHRpermitirãoquehabitantesreaisinterajamcomformasdevidaimagináriasouartificiais,geradasporcomputador,emummundomisturado.Essemundoseráformadoporpessoas,animais,insetos,plantas,terrenos,construçõeseobjetosvirtuaisinteligentes,todosintegrados.Comavisãodomundomisturado,cadausuáriopoderáenxergaroquelheinteressa,deacordocomseuperfilousuanecessidade,einteragircomosobjetos,deformaatersuasnecessidadessatisfeitas.

2.7.5RealidadeCruzada(RC)eVirtualidadeUbíqua(VU)

OusodedispositivosdeRV,comoluvashápticasporexemplo,permitequeousuáriosintaomundovirtual“napele”(literalmente).Feedbackhápticodetoque,força,colisão,temperaturaeatécheiroepaladartêmsidoalvodeinvestigaçõeseprodutosinovadores.Entretanto,quandonaRealidadeMisturadasetemaçõesnomundovirtualquerepercutemnomundoreal,daítem-seaRealidadeCruzada(RC),ounoinglês,CrossReality(XR).

ComaRC,interaçõesocorridasnosobjetosvirtuaisalteramoambienterealetambémovirtual,quandoissosefizernecessário.Uminterruptordeumalâmpadaoudeumventiladornomundovirtualaumentado,porexemplo,deverialigaralâmpadaouoventiladorfisicamentepresentesnoambiente.Este

comportamentodosobjetosvirtuaisvaialémdohápticopoispodesersentidoindiretamentepelousuário.

ClaramenteaRCestádependentedenovosdispositivosdehardwaremas,temsetornadocadavezmaisviávelgraçasadoisfenômenostecnológicos:acontínuaminiaturizaçãodossensorese;aInternetdasCoisas(InternetofThings,doinglês,IoT).AInternetdasCoisaséatendênciatecnológicadedisporemtodoequalquerobjeto(principalmenteosqueexecutamalgo),deumaidentificaçãoúnicaparaacessoecontroleremotopelainternet.

Assim,comdispositivoscadavezmaisinteligentes(capazesdeidentificarseusestadosecondições),conectados(capazesdesecomunicarcomoutrosdispositivos)ereativos(capazesdereagiracomandosdigitais),aRCéum“novomundo”aserexploradonocontextodaRealidadeMisturada.

AVirtualidadeUbíqua(VU),doinglêsUbiquitousVirtuality(UV),éumadenominaçãomaisacadêmicaeprecisaparaaRealidadeCruzada,ondeseesperaquearepercussãodasaçõesvirtuaissereflitamnomundoreal,emtodolugar,emtodasasformas,ondeobjetosvirtuaissetornemobjetosreais(Valenteetal.,2016).

2.7.6VirtualidadePervasiva

AVirtualidadePervasiva(VP),doinglêsPervasiveVirtuality(PV),édefinidacomoumambientevirtualqueéestendidocomaincorporaçãodeambientesfísicos,objetosfísicoseinformaçõescontextualizadas.AVPapareceuparaincorporaràáreadeRVosavançosebenefíciosdosHMDsacessíveis,redesWi-Fidealtavelocidade,tecnologiasvestíveisedispositivossensíveisaocontexto.AVPreconheceprincipalmenteasituaçãoondeofísicoéreconhecido(pelassuascaracterísticasfísicas,presença,peso,etc.)mas,éincorporadonoambientevirtualcomoutra“roupagem”.Nestasituação,paredeslisaspodemserapresentadascomtexturasdenavesespaciais,bastõesdeplásticoviramsabresdeluzeamboselementosreaissãoimportantesnasimulaçãovirtualsendoexperimentada.

UmdiferencialdaVPéofatodequeoconteúdoacessadopelousuárioévirtualeéincorporadoemelementosfísicossejamarquiteturais,objetos,ocorpodoprópriousuárioououtrascaracterísticascontextuais.Quantoacaracterísticascontextuaisconsidera-sedesdeinformaçõesepreferênciasdousuárioedesua

colaboratividadeatéumidadedoar,temperaturaambienteeiluminaçãoambiente.

ExemplosdeVPsãoo“TheVOID”(2017),o“RealVirtuality”(Artanim,2017)eo“HolodeckVR”(2017).EstassãotodasconsideradasnovasformasdeRMondeaexperiênciaéaltamenteintensaeimersiva.

2.8ConsideraçõesFinais

ComestecapítulofechamosaapresentaçãodosprincipaisconceitosedaterminologiaassociadosàáreadeRealidadeVirtualeAumentada.VocêfoiapresentadoàsdefiniçõeseexplicaçõesdestestermosetambémdeRealidadeMisturada,VirtualidadeAumentada,RealidadeDiminuída,HiperRealidade,RealidadePervasivaeRealidadeCruzada.Combasenestestermos,vocêtomoucontatocomassiglasqueosrepresentam,respectivamente,RV,RA,RM,RD,VA,HR,RPeRC,eseusequivalenteseminglês:VR,AR,MR,DR,AV,HR,PReXR.

Sim,éumasopadeletrinhas!Masvocêvaiseacostumaràmedidaquetomarácontatocomtecnologias,técnicaseaplicaçõesqueserãoapresentadasnestelivro.Ointuitoprincipalatéagorafoimostraravocêaamplitudedaáreaesuaspossibilidades-quesãomuitas.

2.8.1TendênciasePesquisasemAberto

Acompanhandoatendênciadodesenvolvimentodejogosparadispositivosmóveis,emespecialparacelulares,aliadoaoaumentodacapacidadedeprocessamentodessesdispositivos,ossmartphones,aRAtendeaacompanhartalevoluçãoficandocadavezmaispopularnessesdispositivos.Mas,nãoserásomenteparaentretenimento,aplicaçõesmaissérias,nasáreasdasaúde,educaçãoecomercialporexemplo,certamentesurgirãoemritmocrescente.

ComoaRAéfortementedependentedasfuncionalidadesdorastreamento(tracking),pesquisasnestaáreacontinuarãoaaparecerembuscadeeficiência,robustezeflexibilidade.UmadastarefasmaisdesafiadorasnaspesquisasemRAéomonitoramentodopontodevistadoobservador(Billinghurst,2015p91).OobjetivoéqueosistemadeRAsejacapazdeentenderacomposiçãodacenaparaqueoobjetovirtualsendoinseridosejacoerentecomelaepossainteragir

comela(percebendosuperfíciessobreasquaisseráinserida,porexemplo).Istoseapresentaparticularmenteintrincadoquandoseconsideramaplicaçõesnaáreadamanutençãoemontagemdeprodutospoisotamanhoequantidadedaspeças,oseustatusdemontagem(possivelmentejáencaixadoemalgo,ocultandopartedesuaforma)aliadoaconstantepresençadamãodooperadorocultandopartesdacenatornamestetipodeaplicaçãoumgrandedesafio(Wangetal.,2016).

Ascâmerasdeprofundidade(oucâmerasRBGD,DepthCameras),podemtrazergrandesbenefíciosefacilidadesparaoprocessoderastreamentoemambientesinternos-avariedadededispositivosnestaáreaeadrásticadiminuiçãodocustodelas,astornamcandidataspotenciaisparacomplementar,ouatésubstituir,funcionalidadestipicamentefeitasporVisãoComputacionalatualmente.Nãoobstante,paraambientesindustriaisondeaspeçaspodemsermuitopequenas,comgrandevariaçãodeluz,poucatexturização(peçascruas),rastrearobjetoscontinuaumgrandedesafio.

Paraambientesexternos,aRAtemsevalidomuitodoGPScomodispositivoderastreamentomas,aprecisãodestedispositivoélimitadaparaalgumasaplicaçõesentão,pesquisasenvolvendotécnicascomplementaresparasuprirestalimitaçãosefazemnecessárias.

Quantoaorealismográfico,aoseinserirumelementovirtualemumacenarealháumadificuldadederenderizaroobjeto3Dvirtualdeformaareconhecerascaracterísticasdacenaondeseráinseridoparaqueessainserçãosejaimperceptível.Assim,alémdeperceberasuaposiçãoeorientação(comojámencionado,paraoregistroerastreamento),éprecisotambémpercebercomoacenaestásendoiluminadapoisonovoobjetodevesercoerentecomotipodefontedeluz,suacoresuaforma(imagineumspot,nomeiodacena,decorvermelha-issocertamentedeveriaafetararenderizaçãodoobjetovirtualtambém).Damesmaforma,seumobjetorealvaibloqueartotalouparcialmenteoobjetovirtual,acomposiçãodesombrasdeveseracrescentadanarenderizaçãodoobjetovirtual.

AstécnicasdeinteraçãocomossistemasdeRAaindasãoumaáreaaserexplorada.Maisumavez,apresençadascâmerasRGBDvãotrazernovasoportunidadesefacilidadescomoousodegestoseapercepçãodamãodousuárionacena.Poroutrolado,comofazercomqueissosetorneumprocessonaturaleintegradoaoambientepareceserumdesafiointeressante-ninguémpareceestardispostoafazergestosquepossamparecerexagerados,engraçados

ouinusitados.Atualmente,osgestostêmsidopropostosetestadosmaiscomofocodefacilitarofuncionamentodosistemadoqueaexecuçãodatarefa(Wangetal.,2016p12).

Aforaosdispositivosmóveis(handheld),aRAbaseadaemvisores(head-coupleddisplays)estárecebendomuitaatençãorecentementeetendeasetornaranovamodadedispositivospelapraticidadeeflexibilidadequeissotraz.Paraestaáreaexistegrandeexpectativaparaumfuturopróximonodesenvolvimentodenovosdispositivosdevisualizaçãosee-through,quesejammaisfáceisdeusar,reativosaocontexto,leves,eintegradosaodia-a-diadosusuários.Arecentedescobertadografenopoderálevarodesenvolvimentodetelasdessetipoaumnovopatamarnocotidianodaspessoase,aRApareceseratecnologiaquemaissebeneficiarádestaintegração.NãoestálongeodiaemqueavisualizaçãoparaRAestaránasualentedecontato.

Emtermosdeaplicações,seespera(Ling,2017)queagoraqueaRAestámaduraedisponívelparaumaplatéiamaisampladedesenvolvedores,osespecialistasdedomínios(conhecedoresdaárea-problema)passemaserosprodutoresdesoluçõescomousodaRA-enãoosacadêmicosepesquisadores,comovinhaocorrendoatéentão.Assim,ofocopassaráasernasfuncionalidadesdosistemaenãomais,nosrecursosdeRA,somente.Assim,InteligênciaArtificial,PercepçãoSemântica,InternetdasCoisas,sãorecursosqueseintegrarãoàRApromovendoexperiênciascadavezmaissignificativaserelevantesparaosusuários.

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Capítulo3-Holografia

LucianoSilva

ComputaçãoHolográficacorrespondeaousodehologramascomoelementosvirtuaisquepodemserincorporadosacenasreais,oferecendonovasoportunidadesdepesquisaedesenvolvimentoparaRealidadeAumentada(RA).OtermoComputaçãoHolográficafoiintroduzidopelaMicrosoftcomoadventododispositivoMicrosoftHololens,quetrabalhasobosuportedesteparadigma.Nestecontexto,estecapítuloapresentaasbasesdoComputaçãoHolográfica,tantodopontodevistafísicoquantocomputacional,eapresentaosprincípiosdedesenvolvimentodeaplicaçõesparaoHololens,apresentando-ocomoumaalternativaviávelparaaproduçãodeaplicaçõesavançadasemRA.Alémdosfundamentosteóricos,umaseçãopráticatambéméapresentadaparaseiniciarpesquisascomestedispositivo.

3.1Introdução

Oavançoemnovasmídias,técnicas,ambientes,bibliotecas,frameworksedispositivosparaRealidadeAumentadatemsidoalvodeintensapesquisaenecessidadenosúltimosanos(Chan,2015;Jerald,2015;Miheljetal.,2014).Naáreadedispositivos,observa-seumaproliferaçãodepossibilidadesprincipalmentenocontextodeComputaçãoVestível(WearableComputing),visandoaumentaraexperiênciadousuárioemrelaçãoaoambientequeocerca.

Nestecontexto,aemergênciadaáreadeComputaçãoHolográficaoferecenovasoportunidadesparapesquisaedesenvolvimentodenovosprodutosemRealidadeAumentada.Essencialmente,aComputaçãoHolográficarefere-seaousodehologramascomoelementosvirtuaisquepodemserfundidoscomcenasreais.EstetermofoicunhadopelaMicrosoft(Microsoft,2016)comoadventododispositivoHololens,quepermiteexplorarnovaspossibilidadesdeusodeaplicaçõescomoelementosvirtuaisdeinteraçãoemRA.

OdispositivoHololenspertenceàclassedosdispositivosHMD(Head-Mounted

Displays),capazdesuportaraexecuçãodeaplicaçõesholográficascomoaplicaçõesuniversaisparaoSistemaOperacionalWindows10.Estedispositivochegouaomercadorecentemente(2016)ejápossuiumSDKparadesenvolvimento,alémdeintegraçãocomambientesbemconhecidoscomo,porexemplo,ogameengineUnity3D.

Assim,oobjetivodestetextointrodutórioéestabelecerasbasesfundamentaisdaComputaçãoHolográfica,tendocomosuportepráticoaplataformaWindowsHolographic,sobWindows10,eodispositivoMicrosoftHololens,visandoaapresentarnovaspossibilidadesdepesquisaedesenvolvimentoemRealidadeAumentada.

Otextoestáorganizadodaseguinteforma:

aSeção3.2apresentaosfundamentosdaHolografiaeseusprincípiosfísicosdegeração;aSeção3.3estabeleceosprincípiosfundamentaisdaHolografiaDigitalesuarealizaçãocomputacional;aSeção3.4apresentaosdetalhesdaorganizaçãodaarquiteturadodispositivoMicrosoftHololens;aSeção3.5detalhaoambientededesenvolvimentoparaHololens,assimcomooprocessodeproduçãodeaplicaçõesviaUnity3DeMicrosoftVisualStudio2015e,finalmente;aSeção3.6apresentaoscomentárioserecomendaçõesfinais.

Nofinaldotexto,háumconjuntodereferênciasdedicadasaoleitorinteressadoemseaprofundarnoassunto.

3.2FundamentosdeHolografia

3.2.1InterferênciaHolográfica

Holografiaéumatécnicaderegistrodepadrõesdeinterferênciadeluz,quepodemgerarouapresentarimagensemtrêsdimensões(Hariharan,2015).FoidesenvolvidapelofísicohúngaroDenisGabornosanos60,logoapósainvençãodolaser.

AFigura3.1ilustraumexemplodehologramageradoapartirdeumamontagemsimplescomacrílico,queproduzainterferênciadequatroimagensdateladeum

celular:

Figura3.1:Interferênciaholográficaproduzidaapartirdequatroimagens.

Oshologramaspossuemumacaracterísticabastanteparticular:cadapartedelespossuiainformaçãodotodo(distributividade).Assim,umpequenopedaçodeumhologramateminformaçõesdaimagemdomesmohologramacompleto.Elapoderáservistanaíntegra,masapartirdeumângulorestrito.Destaforma,aholografianãodeveserconsideradasimplesmentecomomaisumaformadevisualizaçãodeimagensemtrêsdimensões,massimcomoumprocessodesecodificarumainformaçãovisualedepois(atravésdolaser)decodificá-la,recriandointegralmenteestamesmainformação.

3.2.2Imageamento3DcomHolografia

Ométodomaiselementardeimageamento3DcomHolografiaédevidoaDanisGabor(PooneLiu,2014).Estemétodo,quegeraochamadoHologramadeGabor,usalentesparaabrirosraioseassimiluminarpropriamenteoobjeto,conformemostradonaFigura3.2:

Figura3.2:EsquemabásicodegeraçãodehologramaspelatécnicadeGabor.Fonte:PooneLiu(2014)

Divide-seolaseremdoisfeixespormeiodeumespelhoquerefleteapenasparcialmentealuz.Oprimeiroraioiluminaoobjetoefazsuaimagemchegaraofilmefotográfico;ooutroédirecionadoporumsegundoespelhoeincidediretamentesobreofilme.Há,então,umcruzamentodosdoisraiossobreasuperfíciedofilme(aquelecomaimagemdoobjetoeoqueatingiudiretamente)fazendocomqueasondasdeluzinterfiramumasnasoutras.Ondeascristasdasondasseencontram,forma-seluzmaisintensa;ondeumacristadeumfeixeencontraointervalodeondadeoutro,forma-seumaregiãoescura.Estasobreposiçãoépossívelporqueolasersepropagaatravésdeondasparalelaseigualmenteespaçadas.Oresultadoéacodificaçãodaluzqueatingiaoobjeto,resultandoemumaimagemtridimensionalquereproduzoobjetofielmente.

Porém,estaimagemsóévistaquandoseiluminaestefilmecomumlaser.Paraqueestaimagemsejavistacomaluzbrancanormaléprecisofazertodoprocessonovamente,sóquedestavezsubstituindooobjetopelofilmequejácontémaimagemholográfica.Assim,coloca-seofilmeexpostoereveladonolugardoobjetoaserholografadoeumoutrofilmevirgemquereceberáaimagematravésdosdoisfeixes.

3.2.3TiposdeHologramas

AlémdoHologramadeGabor,descritonaseçãoanterior,existemdiversos

outrostiposdehologramas.OHologramadeFourier(Picart,2012),asamplitudescomplexasdasondasqueinterferemnomesmosãoalteradaspormeiodatransformaçãodeFourier.Comisto,tem-seumamudançatantonasamplitudescomplexasdosobjetosquantonasondasreferenciais.Paraqueissoaconteça,sãousadosobjetoscomespessuralimitadaquasecomoumatransparência.AFigura3.3ilustraoesquemautilizadoparagravarumHologramadeFourier:

Figura3.3:EsquemaparagravaçãodeumHologramadeFourier.Fonte:Picart(2012)

ParagravarumhologramadeFourier,atransparênciadoobjetodevesercolocadaemfrenteaoplanofocaldalenteutilizada.Deveserutilizadoumfeixedeluzmonocromáticacomoiluminação.Estemesmofeixetambémdeveráestarlocalizadoemfrenteaoplanofocaldalente.Comesteprocedimento,tem-seaimpressãodohologramaemumaplacafotográficaqueélocalizadaatrásdoplanofocal.

UmadastécnicasmaisfáceisparaaproduçãodevárioshologramasidênticosépelautilizaçãodaImpressãoporContatonohologramaoriginalparaumoutromaterialfotossensível(Picart,2012).Nacópia,éentãogravadoopadrãodeinterferênciaformadopelaluzdifratadaprovenientedohologramaealuztransmitidapelomesmo.Ailuminaçãodeveestaradequadaparaproduzirfranjasdeinterferênciacomaltavisibilidade.

Hologramasgravadosemumobjetofoto-resistivopodemsercopiadospelatécnicadegravaçãoemrelevo(Picart,2012).Primeiramente,noprocessodegravaçãoemrelevoénecessáriaacriaçãodeumcarimbodeeletrodeposiçãodeníquelquedeveserutilizadonaimagememrelevo.Quandoaespessuradacamadadeníqueljáestivernaalturaadequadaéprecisoquehajaaseparaçãodestacamadacomohologramaoriginalemontadaemumplacademetalpara

cozimento:consisteemumfilmedebasedepoliéster,umacamadaderesinaseparadoraeumapelículatermoplástica,queéacamadadoholograma.

3.3HolografiaDigital

Astécnicasdescritasnaseçãoanteriorsãoprocessosfísicosparageraçãodoshologramasconvencionais.Nestaseção,serãoapresentadasasprincipaistécnicasdegeraçãodehologramas,tendocomobaseprocedimentosdiscretosecomputacionais.

3.3.1PrincípiosdaHolografiaDigital

Diferentementedaholografiaconvencional,naqualosdadosdefasedaondatêmdeserobtidosapartirdeváriasmediçõesdeintensidade,areconstruçãonuméricadaholografiadigitalpermiteusardiretamenteafasemódulo2πdecadaholograma.Istosignificadizerqueafasedeinterferênciapodesercalculadaapartirdeumasimplesdiferençaentreasfasesdoshologramas(Picart,2012).

Oshologramasobtidosdeumobjetotambémpodemsergravadoscomdiferentescomprimentosdeondas.Istoédeinteresseparticularparaastécnicasdemúltiploscomprimentosdeondasquesãoutilizadasparacontorno.Nocasodaholografiadigitalsubmersa,porexemplo,podemserregistradoshologramasdeumasuperfíciesubmersaeapósremoçãodaágua.Emambososcasos,acorrelaçãoentrehologramasconduzaumconjuntodefranjasdecontornodoobjeto.

AimagemrealdeumobjetopodeserreconstruídanumericamenteapartirdeumhologramaamostradodigitalmentecomumacâmaraCCDapartirdocálculodadifraçãodaondareconstrutoranamicroestruturadoholograma.ATransformadadeFresneldescreveestadifraçãocomumaaproximaçãorazoável(Picart,2012).AFigura3.4ilustraoprocedimentoparareconstruçãodigitalviaTransformadadeFresnel.

Figura3.4:EsquemaparareconstruçãodeimagensviaTransformadadeFresnel.Fonte:Picart(2012)

Dadoumobjetodesuperfíciedifusailuminadoporradiaçãocoerente,ocampoondulatóriorefletidoporeleédescritoporb(x,y)noplano(x,y).Oholograma,assimcomooCCD,estãolocalizadosnoplano(ξ,η)aumadistânciaddoobjetoeaimagemrealreconstruídaestánoplano(x’,y’),aqual,porsuavez,estáaumadistânciad’doplanodoholograma.

3.3.2HolografiaDigitalComputacional

Muitastécnicaseminterferometriageramuminterferogramabidimensional,quepodeseranalisadoevisualizadoutilizandoalgoritmoscomputacionais(Picart,2012).Osalgoritmosutilizadosparaaanálisedeinterferogramasoperamsobreimagensquecontémamostrasdiscretizadasdadistribuiçãoespacialdaintensidade.Aexatidãodamedidaestálimitadapeladiscretizaçãodaintensidade,pelanãolinearidadedodetectoreporoutrostiposderuídosóticoseeletrônicos.

Naanálisedefranjas,podeutilizar-setécnicasbaseadasnocálculodeTransformadasdeFourier(FFT),quepermitemobterummapadefaseapartirdeumsóinterferograma.AFigura3.5mostraumexemplodeinterferogramaeseuespectrodefrequências,obtidoviaFFT.

Figura3.5:Exemplodeinterferogramacomarespectivadistribuiçãodeespectro,ondesenotamasfrequenciasproeminentesdeinterferência.Fonte:Picart(2012)

Adistribuiçãodefaseaparecemoduladaeé,geralmente,representadadeformanormalizadausandoumaescaladeníveisdecinzapararepresentarosvaloresdefaseentre-πe+πou,entrezeroe2πradianos.Estamodulaçãoresultadofatode,noprocessodecálculodafase,estarenvolvidaumafunçãoarctan(),quefazcomqueafasevarienointervalode[-π,+π].Omapadefaseficamoduladonesseintervalopeloqueaobtençãodeumadistribuiçãocontínuaimplicaumprocessoconhecidopordemodulaçãodafase.

AlémdeAutômatosCelulares,outrosalgoritmostêmtambémsidodesenvolvidospararealizaroprocessodedemodulaçãodemapadefases.Porexemplo,algoritmosbaseadosnasoluçãodaequaçãodePoissoncomcondiçõesdefronteirasdeNewmann,algoritmosbaseadosnométododosmínimosquadradosetambémtécnicasdeprocessamentodeimagensmorfológicas(Picart,2012).

3.4ODispositivoMicrosoftHololens

OdispositivoMicrosoftHololens(Microsoft,2016)ou,abreviadamente,Hololens,éoprimeirodispositivorodandonaplataformaWindowsHolographic,soboWindows10.

3.4.1PlataformaWindowsHolographic

AWindowsHolographic(Microsoft,2016)éumaplataformadeRealidadeAumentada,construídasobosistemaOperacionalWindows10,ondeelementosvirtuais(chamadoshologramas)sãofundidoscomcenáriosreais.DiferentementedosobjetosvirtuaistradicionaisdaRealidadeAumentada,aWindowsHolographicpermitequeoselementosvirtuaissejamaplicações.AFigura3.6mostraumexemplodeaplicaçãonestaplataforma:

Figura3.6:ExemplodeumambienteholográficonaplataformaWindowsHolographic.Fonte:Microsoft(2016)

AplicaçõesdesenvolvidasparaaplataformaWindowsHolographicpertencemàclassedeaplicaçõesuniversaisparaWindows10(UWP-UniversalWindowsPlatform).AUWPéumaplataformaunificadaparaodesenvolvimentodeaplicaçõesquepossamserimplantadasemdispositivosqueexecutamoWindows10,comotablets,smartphones,computadores,XboxeHololens.

OobjetivobásicodaUWPépermitirquedesenvolvedorespossamimplementaraplicaçõesparaWindows10eWindows10Mobilesemterquereescrevertodoocódigoparacadaumadasplataformas.Porém,algunsdetalhesespecíficosdosdispositivosaindaprecisarãoserescritos.

3.4.2HardwaredoHololens

Deformageral,odispositivoHololenspossuiaformadeumdispositivoHMD(Head-MountedDisplay),conformemostradonaFigura3.7:

Figura4.7:AspectogeraldodispositivoHololens.Fonte:Microsoft(2016)

Ocomponente(1)éumacâmeradevisãoemprofundidade,comcampodevisãode120ox120oecapacidadedeobterimagensestáticasem2MPevídeosemHD.Ocomponente(2)éosistemadeprocessamentoformadodeumaCPU(CentralProcessingUnit),umaGPU(GraphicalProcessingUnit)eumaHPU(HolographicProcessingUnit),responsáveispeloprocessamentodos18sensoresdodispositivo.Ocomponente(3)éumsistemadelentessee-through,formadoporduaslentesHDcomaspecto16:9,comcalibraçãoautomáticadadistânciapupilareresoluçãoholográficade2.3M.Finalmente,ocomponente(4)compreendeumsistemadedissipaçãodecaloreáudio.

AFigura3.8ilustraaorganizaçãodosistemadecâmerasdevisãoemprofundidade:

Figura3.8:ComponentedecâmerasdevisãoemprofundidadedoHololens.Fonte:Microsoft(2016)

AFigura3.9ilustraaorganizaçãodosistemadeprocessamentodoHololens.ACPUeaGPUsão,cadauma,éumprocessadorIntelAtomCherryTrail(2.7GHz).JáaHPU,éumaarquiteturaIntelde32bits.

Figura3.9:Sistemadeprocessamento(CPU,GPUeHPU)doHololens.Fonte:MICROSOFT(2016)

Alémdisto,oHololenspossuiumaUnidadedeMedidaInercial(IMU),queincluiumacelerômetro,umgiroscópioemagnetômetro.Háumarraydecaptaçãodeáudioesomespacializadoatravésdedoismicrofonesembutidosnapartetraseiradodisposto,conformemostradonaFigura3.10:

Figura3.10:Sistemadeáudioespacializadoatravésdedoisalto-falantesnoHololens.Fonte:Microsoft(2016)

Paracomunicação,oHololenssuportaospadrõesIEEE802.11ac(Wi-Fi)eBluetooth4.1LE(LowEnergy).OsistemaClicker,juntamentecomaIMU,permiterealizaroperaçõesdecliqueescrollingparainterfaces.

3.5DesenvolvimentodeAplicaçõesparaMicrosoftHololens

3.5.1AmbientesdeDesenvolvimentoparaHololens

OambientemaissimplesparadesenvolvimentodeaplicaçõesparaHololenséogameengineUnity3D.AFigura3.11mostraaprincipalconfiguraçãodousodesteengineparaHololens:

Figura3.11:ConfiguraçãodaUnity3DparageraçãodeprojetosparaHololens.

NoambienteUnity3D,especifica-seacâmeraHololens,assimcomooshologramasqueserãofundidoscomaimagemreal.Apósestespassos,oprojetoéexportadoparaoVisualStudio2015,ondeocorreacompilaçãoegeraçãodoexecutávelparaoHololens.

OambienteprincipaldedesenvolvimentoaindaéoVisualStudio.HáumSDKespecíficoparaoHololens,quepodeserobtidogratuitamentenoMicrosoftHolographicAcademy.Paraotestedasaplicaçõesdesenvolvidas,pode-se

utilizardoisambientespossíveis:

emuladordoMicrosoftHololens,distribuídogratuitamentecomoSDKHololens;diretamentenodispositivoHololens.

OemuladordoMicrosoftHololensémostradonaFigura3.12:

Figura3.12:AspectogeraldoemuladordoHololens,quepodeserexecutadosobWindows10.

Aseguir,serádesenvolvidaumaaplicaçãonoestiloHelloWorldparamostraroprocessodedesenvolvimentousandoaUnity3D.

3.5.2AplicaçãoHelloWorldcomHololens

UmavezinstaladooframeworkdedesenvolvimentoparaUnity3D,oprimeiropassoécriarumacâmeraHololensdentrodocenário,conformemostradonaFigura4.13.

Figura3.13:CriaçãodeumacâmeraHololensnaUnity3D.

Opróximopassoéacriaçãodoshologramas(artefatos)queirãocomporacenavirtual.OSDKdoHololensjápossuidiversoshologramasdisponíveisparausoepode-seestenderoambienteparaodesenvolvimentodehologramaspróprios.AFigura3.14mostraoambientecomoshologramasjáinseridos.

Figura3.14:HologramasinseridosnoambienteUnity3D.

OpróximopassoéexportaroprojetocomoumaaplicaçãoUWP(AplicaçãoUniversal),conformemostradonaFigura3.15.

Figura3.15:ExportaçãodoambienteHololensnaUnity3DcomoumaaplicaçãoWindowsUniversal10.

Oprojetoexportadoéentão,abertonoMicrosoftVisualStudio2015epode-seutilizaroemuladorouoprópriodispositivoparaexecutá-lo,conformemostradonaFigura3.16.

Figura3.16:ExecuçãodaaplicaçãoexportadapelaUnity3DparaoVisualStudio2015.Fonte:Microsoft(2016)

Oresultadoexibido,tantonoemuladorquantonoprópriodispositivo,éconformemostradonaFigura3.17.

Figura3.17:AspectodoprojetoexecutadonosimuladorenodispositivoHololens.Fonte:Microsoft(2016)

OconceitodeComputaçãoHolográfica,introduzidopelaMicrosoftcomodispositivoHololens,permiteexplorarnovaspossibilidadesemRealidadeAumentada,atravésdousodehologramasemcenasreais.

EstetextointrodutórioestabeleceuosfundamentosdaHolografia,daHolografiaDigitaleComputacional,assimcomoaarquiteturadodispositivoHololens,seusambientesdedesenvolvimentoeoprocessodecriaçãodeaplicaçõesuniversais.

Alémdestetexto,recomenda-seaconsultaaMicrosoftHolographicAcademy,queaprincipalfonteatualdeferramentas,bibliotecas,frameworksetutoriaissobreodispositivoHololens.

ReferênciasCHAN,M.VirtualReality:RepresentationsinContemporaryMedia.NewYork:BloomsburyAcademic,2015.

HARIHARAN,P.BasicsofHolography.Cambridge:CambridgeUniversityPress,2015.

JERALD,J.TheVRBook:Human-CenteredDesignforVirtualReality.NewYork:Morgan&ClaypoolPublishers,2015.

MIHELJ,M.;NOVAK,D.;BEGUS,S.VirtualRealityTechnologyandApplications.NewYork:Springer,

NEWNHAM,J.MicrosoftHololensbyExample.NewYork:PacktPublishing,2017.

ODOM,J.HololensBeginner’sGuide.NewYork:PacktPublishing,2017.

PICART,P.,LI,J.DigitalHolography.NewYork:Wiley-ISTE,2012.

POON,T.,LIU,J.IntroductiontoModernDigitalHolography.Cambridge:CambridgeUniversityPress,2014.

TAYLOR,A.G.DevelopMicrosoftHololensAppNow.NewYork:Apress,2016.

VINCE,J.IntroductiontoVirtualReality.NewYork:Springer,2013.

Capítulo4-EstereoscopiaRobsonA.SiscouttoLucianoP.Soares

EstecapítuloapresentadeformadidáticaeintrodutóriaosconceitosetécnicasfundamentaisrelacionadosàvisãoestereoscópicaeseuusoemsistemasdeRealidadeVirtual(RV)eAumentada(RA).Alémdisso,discuteasprincipaistécnicasutilizadasparaaproduçãodoefeitoestereoscópico,fornecendoumabrevenoçãodosaspectosmatemáticosegeométricosenvolvidos.Algumasaplicaçõesetendênciasdousodaestereoscopiatambémsãoapresentadas.

4.1Introdução

Avisãobinocularouestereoscópica("visãosólida"emgrego)permiteaoserhumanoavisualizaçãodeimagenscomasensaçãodeprofundidadeeapercepçãodadistânciadoobjetoalvo.Diantedisso,atividadescotidianas,comoalcançarumobjetosobreumamesa,sãorealizadasdemaneirafácil.Jásetivéssemosumavisãomonocular(somenteumolho),teríamosmuitomaisdificuldadederealizartaisações(SiscouttoeTori,2003a).Avisãomonoculartemelementosparaumapercepçãorudimentardaprofundidade,poisasleisdaperspectivacontinuamvalendo,ouseja,otamanhoaparentedosobjetosdiminuiàmedidaqueessesseafastamdoobservador.Assim,osobjetosmaispróximosacabamescondendo,atrásdesi,osobjetosmaisdistantesqueseencontramsobreomesmoeixodeperspectiva.

Avisãotridimensionalquetemosdomundoéresultadodainterpretação,pelocérebro,dasduasimagensbidimensionaisquecadaolhocaptaapartirdeseupontodevistaedasinformaçõesdeacomodaçãovisualsobreograudeconvergênciaedivergênciavisual.Osolhoshumanosestãoemmédiaaumadistânciainterocularde65milímetroseadistânciahorizontalentreospontosdesobreposiçãocorrespondentesàsimagensesquerdaedireitanaretinadosolhoséconhecidacomodisparidadebinocularnaretina.Aoolharparaumobjeto,osolhospodemconvergir,demodoacruzaremseuseixosemqualquerpontoapoucoscentímetrosàfrentedonariz,ficandoestrábicos.Podemtambémdivergirouficaremparaleloquandosefocaalgonoinfinito.Oseixosvisuaisdos

animaisquetêmolhoslateraiseopostos,muitasvezes,nuncasecruzam.Alémdeimagens,océrebrorecebe,damusculaturaresponsávelpelosmovimentosdosglobosoculares,informaçõessobreograudeconvergênciaoudivergênciadoseixosvisuais,oquelhepermiteauferiradistânciaemqueosolhossecruzamemumdeterminadomomento(SiscouttoeTori,2003b).

Alémdoprocessonaturalparaobtençãodaestereoscopia,outrosprocessosartificiaisgeradosporcomputadorpodemdaraoobservadoressasensaçãodeprofundidade.Umdosmeiosdeobter-seestereoscopiaéautilizaçãodeumsistemadecâmerasparacapturadevídeoestereoscópico,oqualadquireasimagensesquerdaedireita,comperspectivasdiferentes,equesãoapresentadasaoolhoesquerdoeaoolhodireitodoobservadorrespectivamente,possibilitandoavisualizaçãotridimensional.Adistânciahorizontalentreaimagemesquerdaedireitanasimagensestereoscópicasgeradasporcomputadoréconhecidacomoparalaxe.Aseção4.2apresentadetalhessobreessesfenômenosdaestereoscopia(disparidadedaretinaeparalaxe).

Emumambientecomputacional,imagensestereoscópicaspodemservisualizadaspormeiodediversastécnicasedispositivosdesaídadedados,comoporexemplo,ousodeummonitordevídeoemconjuntocomóculosespeciaisquepossibilitamavisualizaçãoestereoscópica.Oprocessodecriaçãoevisualizaçãodeimagensestereoscópicasdependedealgunsfundamentosbásicosmatemáticosdetalhadosnaseção4.2.1.Alémdisso,aseção4.2.2descrevemaioresdetalhessobreessastécnicasedispositivosparaestereoscopia.

Algunsproblemasqueenvolvemimagensestereoscópicassãobemconhecidos,algumasvezesrelacionadosàfalhatecnológicaeoutrasvezesrelacionadosàscaracterísticasdosistemavisualhumano.Essesproblemassãosempremanifestadosquandoseforçaavisãoparaobter-seumavisãoestereoscópica,causandodesconfortoparaoobservador.Aseção4.2.3apresentaosprincipaisproblemas.

Apesardasdificuldadesencontradasparaaobtençãodaestereoscopia,cadavezmaissedesejagerarimagensmaisrealistascomprofundidade.Diantedisso,muitasaplicaçõesdentrodoescopodaRVestãosurgindoefazendousodaestereoscopiavisandosimular,damelhorformapossível,arealidade.Aseção4.3apresentaalgumasaplicações.

Atualmente,diversosdispositivosusamaestereoscopiacomosoluçãoparaa

imersãodousuário,propondoumaexperiênciacadavezmaisrealista.Diantedisso,estatecnologiaseapresentacomoumatendênciacadavezmaispróximaedisponívelparaousuárioemdiversasmídias.Aseção4.4destacatendênciasdousodaestereoscopia.

4.2Estereoscopia

Avisãohumanaéessencialmenteumprocessobinocularquetransformaduasimagens,vistasdepontosdevistasligeiramentediferentes,emumaperfeitapercepçãodeumespaçosólidotridimensional.Essapercepçãodaprofundidade,ouestereopsia,éobtidapeladiferençadeânguloscomqueosolhoscaptamduasimagensdeummesmoobjeto(compontosdevistaligeiramentesdiferentes-Figura4.1a).Océrebro,recebendoasduasimagensdistintas,asinterpretaeasfundeemumaúnicaimagemtridimensional,conformeaFigura4.1b.Essaéabasedaestereoscopia.

Figura4.1–(a)Campodevisão(marcadoemcor-de-rosa)ligeiramentediferentedooutro(Oftalmologista,2016);(b)ImagensEsquerdaedireitacombinadasparaformarumaImagemEstereoscópica(Watson,

1998).

Apercepçãodeimagemestereoscópicapodeserobtida,naturalmente,pormeiodadisparidadenaretinahumanaquandoseolhaparaobjetosreais.Adisparidadenaretinaéadistância,nadireçãohorizontal,entreospontosdesobreposiçõescorrespondentesàsimagensesquerdaedireitanaretina.Estadistânciapodeserobservadaquandoseolhaparaoseudedoasuafrente,osmúsculosdosolhosirãomovimentar-seconvergindodeformaalocalizarasimagensdodedosobreapartecentraldecadaretina(convergênciavisual).Aopermanecer-secomosolhosconvergidossobreodedo,notar-se-áqueofundoapareceráemdobro,conformeFigura4.2(a).Nocasocontrário,aoconvergirem-seosolhosparaaimagemqueestáatrásdodedo,odedoapareceráemdobro,conformeFigura4.2(b).

Figura4.2–Dedopolegarsimples(a)ededopolegarduplo(b)(Stereographics,1997).

Ahabilidadedecombinar,oufundir,asdiferençasentreasimagensesquerdaedireita,apesardesuassimilaridades,formandoapenasumaimagem,échamadadefusão,eosensodeprofundidaderesultanteéconhecidocomoestereoscopia.

Asegundaformadepercepçãodeimagemestereoscópicasãoasimagensestéreogeradasporcomputador,emqueadisparidadedasimagenséconhecidacomoparalaxe.Nessasimagensestereoscópicasgeradasporcomputador,aquantidadedeparalaxe–distânciahorizontalentreaimagemesquerdaedireita–determinaadistânciaaparentedosobjetosemrelaçãoaoobservador.Aparalaxeéimportanteporquesuaquantidade,distânciamenoroumaiornoparestéreo,determinaráaquantidadededisparidadenasretinas,possibilitandoounãoumavisualizaçãoestereoscópicaperfeita(Machado,1997).

Existemtrêstiposbásicosdeparalaxe:zero,positivaenegativa.

ParalaxeZero(ZPS-ZeroParallaxSetting):ospontoshomólogosdasimagens(esquerdaedireita)estãoexatamentesobrepostos/convergidosnateladeprojeção,ouseja,seumobjetoestásituadonocentrodateladeprojeção,entãotalprojeçãosobreoplanofocalestácoincidindotantocomoolhodireitoquantocomoolhoesquerdo,conformeFigura4.3(a).ParalaxePositiva.ocruzamentodoseixosdosolhossãoatrásdoplanodeprojeção,dandoasensaçãodequeoobjetoestáatrásdateladeprojeção(Figura4.3b).Emumaapresentaçãoestereoscópica,semprequeadistânciadentreosolhosforigualaovalordaparalaxep,oseixosdosolhosestarãoemparalelo(visãoperfeita).Masseovalorpdaparalaxeformaiorsignificaqueháumerro,poiséumcasodivergente(ex:serestrábico).Ovalorppodesermenorqueadistânciad,gerandoumavisãoruim.ParalaxeNegativa:ocorrequandooseixosdosolhosesquerdoedireitoestãocruzados,significaqueocruzamentodosraiosdeprojeçãoparacada

olhoencontra-seentreosolhoseateladeprojeção,dandoasensaçãodeoobjetoestarsaindodatela,istoé,entreoobservadoreatela.Porisso,háquemdigaqueosobjetoscomparalaxenegativaestãodentrodoespaçodoobservador(Figura4.3c).

Figura4.3–ParalaxeZero(a),Negativa(b)ePositiva(c)(Tori,KirnereSiscoutto,2006).

Aspróximasseçõesapresentamdetalhesreferenteaosfundamentosbásicosmatemáticos(seção4.2.1),bemcomo,apresentamalgunsdispositivosetécnicasparaobtençãodaestereoscopia(4.2.2).

4.2.1FundamentosMatemáticos

Paraageraçãodeimagenssimuladasestereoscópicasépossívelaadoçãodeduasabordagens.Aprimeiraémaissimplesporémimprecisaparaalgunscasos,jáasegundatemmaiorprecisão.ParaosexemplosapresentadosserãousadasasabordagensdocálculopeloOpenGL.

Aprimeiraabordagemésimplesmentegerarduasvisõescomcâmerasvirtuaisconvencionaisegirarascâmerasparaocentroconformenecessário.Afigura4.4mostracomoseriaumavisualizaçãousandoessemodelo.

Figura4.4–PosicionamentodeCâmerasConvencionaisparaEstereoscopia.

ParasesimularessesistemaemOpenGLéusadooseguinteconjuntodeexpressões:

gluPerspective(fovy,aspect,nearZ,farZ);glDrawBuffer(GL_BACK_LEFT);gluLookAt(eyeX/2,eyeY,eyeZ,centerX,centerY,centerZ,upX,upY,upZ);drawscene();glDrawBuffer(GL_BACK_RIGHT);gluLookAt(-eyeX/2,eyeY,eyeZ,centerX,centerY,centerZ,upX,upY,upZ);drawscene();

Essesistemaéalgumasvezesusadopoissimulaoqueaconteceriacomduascâmerasreaisconvencionais.Essascâmerassãomontadasemumaestruturaedepoisalinhadaserotacionadasconformeointeresse.Contudoessesistemaapresentaalgunsinconvenientes,principalmentenoscantos,ondeumadescontinuidadeacontece.

Umasegundaopçãoégerarasimagenscomumfrustumdevisualizaçãodeformado,issopermitiriaumalinhamentoprecisodasimagensinclusivenasbordasdaimagemfinal.Afigura4.5mostracomoseria.Percebatambémqueovetordevisualizaçãotambémcontinuafrontaloquesimplificafuturaanimaçõesnacena.

Figura4.5–PosicionamentodeCâmerascomFrustumDeformado.

Nessesistemaépossívelverificarqueaimagemfinalestáperfeitamentealinhada,issoéumagrandevantagemsetambémédesejadocombinarimagensemumsistemademúltiplasvisualizações,comoporexemplocomdoisprojetoresumaoladodooutroouemumaCAVE,porexemplo.

OcódigoparasesimularessesistemaemOpenGLéumpoucomaiorpoisusa

recursosmaisprimitivosdoOpenGL:

glFrustum(leftCam.leftfrustum,leftCam.rightfrustum,leftCam.bottomfrustum,leftCam.topfrustum,nearZ,farZ);glDrawBuffer(GL_BACK_LEFT);gluLookAt(eyeX/2,eyeY,eyeZ,centerX,centerY,centerZ,upX,upY,upZ);drawscene();glDrawBuffer(GL_BACK_RIGHT);gluLookAt(-eyeX/2,eyeY,eyeZ,centerX,centerY,centerZ,upX,upY,upZ);drawscene();

Vejaqueofrustumdeformadogeradoécomosefosseumfrustumregular,mascortadonocanto,comomostradonafigura4.6.

Figura4.6–Frustumregularcortadoparapermitircálculoestereoscópicocorreto.

4.2.2DispositivoseTécnicasEstereoscópicas

Aestereoscopiaestárelacionadaàcapacidadedeenxergaremtrêsdimensões,istoé,deperceberaprofundidade.Oprincípiodefuncionamentodamaioriadosdispositivosestereoscópicoséooferecimentodeimagensdistintasaosolhosesquerdoedireitodoobservador,proporcionandosensaçãodeprofundidade,tal

qualquandoseobservaumobjetoreal.Algunsdosprincipaisdispositivosetécnicasdeestereoscopiaestãoresumidasnaspróximasseções.

4.2.2.1Estereoscópio

Oestereoscópioéuminstrumentocompostoporlentesquedirecionamumadasimagensdoparestereoscópicoparaoolhodireitoeaoutraparaoolhoesquerdo,permitindovisualizar-seaimagemdeformatridimensional.Esseaparelhoseparafisicamenteasvisõesesquerdaedireita,eliminandoapossibilidadedocruzamentoentreasvisões.Noessencial,oestereoscópioéconstituídoporumpardelentesconvexasmontadassobreumsuporte,quepermiteaoobservadorajustaradistânciapupilarentreaslentes,bemcomoajustaradistânciadevisualização.Seuesquemabásicopodeserobservadonafigura4.7.

Figura4.7–ExemplodeEstereoscópio(Pinta,2017).

4.2.2.2Anaglifo

Anaglifoéumatécnicadeseparaçãodeimagensqueutilizaumafiltragemdasimagensporcoresprimárias.Nessesistemaousuáriousaumóculoscomlentesdiferentesqueabsorvemcertascoresepermitequeoutraspassem,emgeralofiltrodecoreséfeitodeformaquenofinaltodooespectrodecoreschegueaosolhos,mesmoqueparteemumolhoeaoutrapartenooutro.

Noprocessodeproduçãodaimagem,oquesedesejaqueapareçaemumolhoédesenhadosomentecomascoresqueaquelefiltrodoóculospermitapassareaoutrapartedaimagemédesenhadaparaqueooutrofiltrodoóculospermitapassar.Porexemplo,atécnicamaiscomumdeseparaçãodecoreséporumfiltroqueabsorvaovermelhonoolhoesquerdoeabsorvacianonoolhodireito,assimasimagensquesedesejaqueapareçamnoolhodireitodevemserdesenhadasnacorvermelhaevice-versa.

Essatécnicaémuitosimplesefácildefazerlogo,émuitousadaparafinsdeprototipaçãoeaplicaçõesmaissimples,contudooprocessopermiteumvazamentodaimagemdeumolhoparaooutroetambémconfundemuitonossocérebropoissópartedoespectrodecoresapareceemumolhoeoutroespectronooutroolho.Afigura4.8apresentaodetalhedestatécnica.

Figura4.8–AlgumexemplodeAnaglifo(Mundo3D,2010).

4.2.2.3PolarizaçãodaLuz

Umatécnicamuitousadaparasepararasimagensparaoolhoesquerdoedireitoépelapolarizaçãodaluz.Nessesistemaaslentesdosóculosdeestereoscopiapossuemapolarizaçãoinversadalentedeumolhoemrelaçãoaooutro.Normalmente,apolarizaçãoéusadacomsistemasdeprojeção,emborapossamserusadoscomoutrosdispositivosdevisualização(figura4.9).Aformamaissimpleséusandodoisprojetores,umvaigeraraimagemparaoolhodireitoeoutroprojetorparaoolhoesquerdo,nafrentedoprojetorsãopostasaslentesquepolarizamaluz.Estaslentespodemserfiltrospolarizadoreslinearesoucirculares.

Nessesistemaoscomprimentosdeondadaluzdasimagenssãomantidos,ou

seja,nãoérealizadaalteraçãonenhumanascoresdasimagenseasimagenschegamcomascorescorretasparaambososolhos.Nocasodapolarizaçãolinearaluzparacadaolhoépolarizada90grausumaemrelaçãoaoutro.Assim,seestivermoscomosóculosnaposiçãocorreta,tudofuncionabemcontudo,aomovermosacabeçaapolarizaçãovaiseperdendo,ecomeçaavazaraimagemquedeveriachegaremumolhoparaooutroolho.Essemesmoproblemanãoacontececomapolarizaçãocircular,masosóculosparaessemétodosãomaiscomplicadosdeseremproduzidos.

Figura4.9–PolarizaçãodeLuz(Oftalmologista,2016).

4.2.2.4ÓculosObturadoresSincronizados

Osóculoscomobturadoressãousadoshámuitotempo,porématecnologiamudoumuitocomotempoparaviabilizartaltécnica.Oprincípiobásicoéexibiraimagemparaumavistaebloquearavisãodaoutravista.Nocomeçoeramusadachapasdemetaldentrodeóculosqueficavamobstruindoounãoavisãodousuário,contudoconformeatecnologiadecristallíquidofoievoluindo,essasetornouapreferida,ondepermite,porsinaiselétricos,tornarummaterialopacooutransparente.Porexemplo,podemosexibiremumatelaaimagemparaoolhodireitoeenviarumsinalparaoóculodeixaropacaaimagemparaoolhoesquerdoetransparenteparaoolhodireito,nopróximoinstanteexibimosaimagemparaoolhoesquerdoedeixamosopacoalentedoolhodireitoetransparenteadoolhoesquerdo.Essaideiaédemonstradanafigura4.10.

Figura4.10-ÓculosObturadoresSincronizados.

Umadasdificuldadesdestatécnicaéfazeracomutaçãorápidaosuficienteparaqueousuárionãopercebaamudançadasimagens.Aspessoascomeçamanãoperceberalteraçõesemfrequênciasapartirde60Hz.Comotemosdefazerissoparacadaolho,aatualizaçãofinaltemdeser,nomínimo,120Hzparanãosetornardesagradável.

4.2.2.5ParEstéreo

Oobjetivodastécnicasparavisãoestereoscópicaéexibirumaimagemcorrespondenteparacadaolho.Assimpodemospensarqueaformamaissimplesdefazerisso,édefatogerardiretamenteumaimagemparacadaolho,conformefigura4.11.Muitosusuáriosapresentamoproblemadediplopia,poisnãoconseguemvisualizarumaimagemestereoscópicaemparestéreo,masalgunsmecanismossimplespodemserutilizadosproduzindoumaimpressãodasrespectivasimagensecolocando-aemalgumconjuntoópticoquefaçaousuárioverasimagensdeformacorreta.Lenteseespelhospodemserusadasparaisso.OdispositivomaisfamosodeRVconhecido,osHMDs(HeadMountedDisplays)usamexatamenteessatécnica,sóqueaoinvésdeimagens,sãousadospequenosdisplays,comoosencontradosemsmartphoneselentesespecialmentecalculadasparaisso.Daítemosumsistemaestereoscópicoqueusaumparestéreo.

Figura4.11-ParEstéreo(Moon3D,2010).

4.2.2.6EfeitoPulfrich

OefeitoPulfrichsebaseianocomportamentodoolhohumanoquefazimagensmaisescuraschegaremcomumcertoatrasononossosistemacerebral.Entãosecolocarmosumalentemaisescurasobreumolho,asimagensdemorarãomaisparaseremprocessadaspelonossocérebroesefizermosalgumaanimaçãodeumacenasedeslocandolateralmente,teremosapercepção3D,semelhanteaoqueocorrecomaestereoscopia.Emboraoefeitosejainteressante,nãoémuitousadodevidoàparticularidadedopossívelusodatécnica.

4.2.2.7EstereogramasdePontosAleatórios

Osestereogramasfizerammuitosucessonosanos90,ondeumparestéreoéimpressoumsobreooutrousandoalgumpadrão,equandoconvergimosnossosolhosemumpontoespecífico,podemosverasimagensem3D.Novamenteesseéumsistemacuriosoedivertido,masdedifícilusoetornainviávelousodeimagensmaiscomplexas,poisumaanulariaaoutranaimpressão.Afigura4.12apresentaumexemplodeestereogramaondeépossívelvisualizarumaimagemde3Ddeumpacman.

Figura4.12-EstereogramasdePontosAleatórios(González,2012).

4.2.3Problemas

Existemproblemasqueenvolvemimagensestereoscópicas,algumasvezesrelacionadosàfalhatecnológicaeoutrasvezesrelacionadosàscaracterísticasdosistemavisualhumano.Essesproblemassãosempremanifestadosquandoseforçaavistaparaobter-seumavisãoestereoscópica,causandodesconfortoparaoobservador.

UmdosproblemaséodeConvergênciaeAcomodação,poisquandoseolhaparaumobjetonomundoreal,osolhosfocalizam-no(acomodaçãopelaalteraçãodaformadoscristalinosnosolhos)econvergem(girodeumolhoemdireçãoaooutro)sobreoobjetoquesedesejavisualizar.Apósoprocessodefocalizaçãoeconvergência,océrebrofundeasduasimagens(esquerdaedireita)emapenasuma,possibilitandoavisualizaçãoestereoscópicaouemprofundidade.Diferentesconjuntosdemúsculoscontrolamessasfunções,eocaminhoneurológicoparaessesdoisprocessosestãotambémseparados.Apesardacomplexidade,oserhumanocresceacostumadoouhabituadoaacumularasrespostasouexperiênciasvisuaisrealizadasdurantetodavida.

Aocontráriodoqueocorrecomosolhosnomundoreal,quandoseolhaparaumatelaoumonitor,osolhossãoacomodadossobreoplanodatela,massãoconvergidoscombasenaparalaxeentreasimagensesquerdaedireita.Portanto,háumaquebradahabitualidadedasrespostasnosdoismecanismos.Paraalgumaspessoas,issogeraumfortedesconfortovisual.Paraminimizarosefeitosnegativosdoproblemadeconvergência/acomodação,oplanode

convergênciadeveestarposicionadonoplanodatelaoumonitor.Issopodeserfeitopormeiodeumatraduçãoeumcorteapropriadodaimagemhorizontal,nocasodeseutilizarumaconfiguraçãodecâmeraemeixoparalelo.

OutroproblemasãoosConflitosentreaInterposiçãoeaProfundidadeParalaxe:Seumobjeto,emvisãotridimensional,temumaparalaxenegativa(estálocalizadoentreatelaeoobservador)eestásendoobstruídopelasbordasdajanelatridimensionalemqueestásendoapresentado,asensaçãodeprofundidadeestereoscópicaéseriamenteprejudicada,conformedemonstraafigura4.13(aeb).Esseproblemaocorredevidoaoconflitoentreaprofundidadetridimensionalresultantedaparalaxenegativaeainterposiçãoentreosobjetosdacenaeatela.Ummodofácilderesolver-seoproblemaéorganizaroplanodeconvergênciadeformaqueosobjetos,emprimeiroplano,tenhamumaparalaxezero.Assim,nenhumobjetonacenaaparentaráestarnafrentedatelaouentreoobservadoreatela.

Figura4.13–ConflitoentreParalaxeNegativaeInterposição:visualizaçãocorreta(a)evisualizaçãoincorreta(b)(Stereographics,1997).

UmproblemabemconhecidoéoEfeitoCrosstalk.Infelizmente,devidoàslimitaçõesdatecnologiaatualemdispositivosdeapresentação,comomonitoresdevídeo,aseparaçãodasimagensesquerdaedireitanãosãoperfeitas,dandoorigemaproblemas.Porexemplo:osobturadoresdecristallíquidodosóculosnãopodembloquear100%apassagemdaluz.Partedaluz(aproximadamente10%)podepassaratravésdosobturadores,permitindoqueoolhoveja,parcialmente,aoutraimagemapresentada.Assimcadaolhovêsuaprópriaimagemmaisumasobreposiçãodaimagemdooutroolho.Vistoqueaprincipaldiferençaentreaimagemesquerdaeaimagemdireitaéodeslocamento

horizontal(paralaxe),oolhoesquerdovêaimagemesquerda,maisum“fantasma”delaprópria,queéasombradaimagemdireita(omesmoaconteceparaoolhodireito).EssedefeitoéconhecidocomoefeitoCrosstalk.QuandoseolhaumaseqüênciadevídeoestereoscópicocomefeitoCrosstalk,oobservadorvê,comdesconforto,aimagemtridimensional,mastambémvêecosesombrasemcadaladodosobjetos,emespecialquandoelesestãobrilhandoenafrentedeumfundoescuro(Lacotte,1995).

4.3Aplicações

QuandofalamosemRV,émuitocomumquerermosgerarimagensomaisrealistaspossíveleaestereoscopiaéalgosempredesejadopois,anoçãodeprofundidadedadapelaestereoscopiafazasaplicaçõestornarem-semaisrealistas,ouseja,simulardamelhorformapossívelumarealidade.

Contudo,aprincipalaplicaçãodaestereoscopiasãosemdúvidaosfilmesestereoscópicos,normalmentechamadosdefilmes3D.DevidoaúltimaondadefilmesestereoscópicosquetevecomoprincipalmotivadorofilmeAvatar,diversoscinemascomeçaramamigrarsuainfraestruturaparaumsistematotalmentedigitaldealtaresoluçãocomsuporteaestereoscopia.Noanode2016foiconstatadoqueexistemmaisde87milcinemasnomundocomsuporteaestereoscopia,segundoCinema3D(2017).

Assimaaplicaçãomaiscomumdeestereoscopiaacabasendoavisualizaçãodefilmes,quepodemtersuasimagenscapturadasporcâmerasestereoscópicas,ougeradosporcomputador,comoosfilmesdeanimação3D.

OsóculosdeRV(HMDs)atuaistambémtrouxeramumasériedenovasaplicaçõesparausuáriosqueantesnãodispunhamderecursos.ÓculoscomooHTCViveouOculusRiftreduziramdrasticamenteoscustosdosHMDseviabilizaramaproduçãodenovosconteúdos.Emespecialépossívelencontrarmuitosjogosemrepositórios,comooSteam(http://store.steampowered.com/),quesãoproduzidosparaambientesestereoscópicostipoHMDs.Issofazcomqueasegundaaplicaçãomaispopularparaestereoscopiasejaadejogosdigitais.Esseéummercadoquecresceumuitonosúltimosanos,eemespecialtambémfoiimpulsionadopelomelhorsuportedasferramentasdedesenvolvimentodejogoscomooUnity3DeUnrealparasistemasestereoscópicos.

Nestemesmosegmentodejogosépossívelverificarumacrescenteofertade

aplicaçõeseducacionais,ondeusuáriosaprendemmaiscomousodaestereoscopia.Porexemplo,aplicaçõesquemostramasimagensdassondasespaciaisqueforamparaMartequecapturaramimagensestereoscópicaspodemservisualizadasdiretamentecomousodosóculosderealidadevirtualou,porexemplo,simulaçõesquemostramorganismosvivosepodemosterumamelhorcompreensãovendoasestruturas3Ddestesorganismos.

Saindodaáreadoentretenimento,umaáreaondeavisãoestereoscópicaémuitoimportanteénamedicina,sistemasdesimulaçãomédicacriamsituaçõesondemédicostêmdefazer,porexemplo,umaintervençãocirúrgicaemumpacienteeavisãoestereoscópicaéfundamentalparaomédicoterumanoçãoprecisadeondeestáatuando.AmedicinaéumaáreaondeaRVsetornamuitoimportantepoismuitasvezesnãoéfácilencontrarumlocalondeosestudantesdemedicinapossamtreinar.Assim,criarsimulaçõeséalgofundamentalparaummelhorentendimentodessesestudantes.Afigura4.14apresentaasimulaçãoparacirurgiadecatarata.

Figura4.14-SimulaçãodeCirurgiadeCatarata(Healthworld,2015).

EmboraaatualgrandepopularidadedosHMDs,ossistemaimersivoscomóculoscomobturadoresaindasãomuitousadosparasimularambientes3Dondeousuárioteriadeandarporumacena.Porexemploparaumasimulaçãodetreinamentoemumaplataformapetrolíferaéimportantequeosusuáriostenhamumaclaranoçãodeondeestãoosobjetosdacenaparapoderinteragiroudesviardeles.

Figura4.15-SimulaçãoemPlataformaPetrolífera.

Nafigura4.15ousuárioestádentrodeumaCAVEetemdenavegarentrediversosobjetos.Semaestereoscopia,asensaçãocorretadotamanhoosobjetosseriaperdidaeousuáriotambémteriamaisdificuldadedesaberquandoestáseaproximandodeumobjeto.

4.4Tendências

Aestereoscopiaémuitousadaatualmentenoscinemas,defatosepercebequefilmesestereoscópicos,oucomocostumamchamarde"filmes3D",sãofacilmenteencontrados.Televisorescomsuporteaestereoscopiatambémsãofacilmenteencontrados,porémorealusopelaspessoasaindaébemlimitado.FinalmentetemososHMDsquesetornarampopulares,principalmentepelousodesmartphonescomodisplays.

Oquesepercebeatualmenteéumcrescenteinteresseporaplicaçõesestereoscópicasparasmartphones:tantoaAppleStorescomoaGooglePlaytêm,cadavezmais,aplicaçõeseconteúdosdevídeoestereoscópicos.Osóculosparasmartphonessãoemgeralsimples,enecessitamdelentesdequalidade,quecadavezmaissãomaisacessíveis.

Umdosgrandesdilemasdomundodaestereoscopia,éanecessidadedosóculos,oqueincomodamuitaspessoas,edefatodificultapessoasconviveremcomessesistema,poisporexemplo:conversarcomoutrapessoausandoóculosestereoscópicossetornaestranho.Esforçosparamonitoresautoestereoscópicosexistem,porémaindaesbarramemdiversaslimitaçõestecnológicasparaapresentarimagensdequalidadeepermitiravisualizaçãodequalquerpontodevista.

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Capítulo5-HardwareRosaMariaCostaPedroKayattTalesBogoni

ComoqualqueraplicaçãodaáreadoProcessamentoGráfico,aRVeRArequeremdispositivosdeentrada,desaídaeumaunidadedeprocessamento.Estecapítuloapresentaráosdispositivos(hardware),tantodeentradaquantodesaída,maisusuaisnomundodaRVeRA.

5.1Introdução

OsequipamentosdeRealidadeVirtual(RV)eRealidadeAumentada(RA)têmsidoatualizadosconstantemente,sendoquenosúltimosanoshouveumsignificativoaumentonaofertadeequipamentosdehardware.Estesavançostêmcontribuídoparamelhoraraqualidadedasexperiênciasdosusuáriosemambientesvirtuais.

DeacordocomBurdea(2003)aáreadespontouapartirdosanos30comossimuladoresdevôo.Estessimuladoreseramartefatosbastantesimples,compostosporumpaineldecontroleconstruídosobreumaplataformamóvel,quesemovimentavadeacordocomosprocedimentosdousuário.Porvoltadosanos50,oaprimoramentodestessimuladorespermitiuquefossemincorporadascâmerasdevídeo,plataformassuspensaseprojeçãodeimagensdeacordocomasmanobraspraticadaspelo“piloto”.Nofinaldosanos50foidesenvolvidoosimuladorSensorama,queofereciaumaexperiênciasensorialbastanterica,compostaporcampodeimagemestereoscópica,som,odores,movimentoseatémesmovento,entretantoousuárionãopodiaintervirnaseqüênciadeatividadesdoprograma.

Porvoltade1965,IvanSutherlanddesenvolveuoprimeirosistemageradoporcomputador,quecombinavaumrastreadordeposicionamento,umcapaceteeummotorgráficoquesintetizavaemostravaumambientevirtualaousuário.Apartirdestaexperiência,váriasoutrassesucederam,criandoetestandodiferentestiposdedispositivosetecnologiasdeinterface.

Nosanos90,grandesempresascomeçaramacomercializardispositivoscomo,rastreadoresdeposição,equipamentosdesom,capaceteseluvasdediferentesmodelos,alémdehardwareesoftwareespecíficos.Estaevoluçãoseintensificounosúltimosanosehoje,umgrandenúmerodepessoasjáacessamconteúdotridimensional-3Ddesuascasas.

Visandofornecerumpanoramadoapoioàsexperiênciasimersivas,estecapítuloapresentadiferentestecnologias,quesãoessenciaisnageraçãodeestímulostáteis,visualizaçãotridimensional,sonorização3D,rastreamento,interaçãoemtemporealenavegaçãocomdiferentesgrausdeliberdade.

5.2Equipamentosdeentradadedados

ParaquehajainteraçãoentreumambienterealeumAmbienteVirtual(AV)énecessárioquesejamutilizadosequipamentosfísicoscapazesdeidentificaralteraçõesqueocorremnoambientereal.Estesequipamentossãochamadosdedispositivosdeentradadedados.Osmaiscomunssãoomouseeteclado,porém,emsetratandodeRVeRA,estesequipamentossãobonsapenasemambientesdesktopnãoimersivos.Comoavançodatecnologiademonitoramento,cadavezmaissistemasprocuramdeixarousuárioagir/reagirdeformamaisnatural,ouseja,deformasimilaraoqueocorrenosambientesreais.Paraisso,sãoutilizadosdispositivosespecíficosparacadatipodesituação.

SegundoBogonietal.(2015)essesdispositivospodemserumsimplesbotão,queacionaumadeterminadaação,ouumconjuntodedados,querepresentamaposiçãoeorientaçãodeumobjetonoAV.Aescolhadomelhordispositivoetecnologiautilizadairádependerdaprecisãodesejada,dotipodoambienteedaformadeconexãododispositivocomocomputador,ouseja,onúmerodedadosqueodispositivoentregasimultaneamenteaosistema.

Aquantidadedegrausdeliberdade(DegreesOfFreedom-DOF)podeserumfatordeterminanteparasuautilização.Porexemplo,umbotãopossuiapenasumgraudeliberdadepoisrepresentaapenasumaunidadedeinformação,comoligado/desligado.Jáparaidentificarumobjetoemumacena3Dsãonecessárias6informações,3querepresentamaposiçãodoobjetonoespaço(x,y,z)eoutras3querepresentamsuaorientação(roll,pitch,yaw).Emalgunscasos,sãonecessáriosmaisgrausdeliberdade,como,porexemplo,parasaberaposiçãodosdedosdeumapessoa.Nestecaso,cadaarticulaçãododedo,oudamãocomoumtodo,éconsideradacomoumgraudeliberdade.

Estesdispositivospodemsermanipuladospelousuário,comoporexemplo,joysticks,oupodemenxergaroambientecomequipamentosquemonitoramasaçõesdosusuários,comoporexemplo,osrastreadores.Aseguir,sãodescritososprincipaistiposdedispositivosdeentradadedadosesuastecnologiasassociadas.

5.2.1.Dispositivosmanipuladoscomasmãos

EstesdispositivossãoresponsáveispormoverobjetosepersonagensnoAV,emrespostaàsaçõesdiretasexecutadaspelousuário.Osjoystickssãooexemplomaiscomum,elesservemparainteraçãoemambientesimersivosounão-imersivos.Estesequipamentospossuemumconjuntodebotões,responsáveisportarefasdiscretas,epotenciômetros,responsáveispelaidentificaçãodevalorescontínuosdentrodeumintervalodeterminado(Jacko,2012).AFigura5.1aexibeumjoystickconvencionaleaFigura5.1bapresentaumcontroleWiimote,quealémdosbotõesdecomando,possuiumsistemainercialdeposicionamentoeorientaçãodocontrolequepermiterastreá-loecomissodetectaravelocidadedamovimentaçãodojoystickeoângulodeinclinação(Wingrave,2010).

Outrotipodedispositivosãoastelassensíveisaotoque,outouchscreen(Figura5.1c).Nestecaso,astelassãodispositivosdeinteraçãobidimensionais,ouseja,possuem2DOF,utilizandoumsistemadecoordenadascartesianas(x,y)paraidentificaraposiçãoqueestásendotocadapelousuário.Esteequipamentoémaisutilizadoemambientesnão-imersivos,poisénecessárioqueousuáriotenhaavisãodatelaparaexecutarasações.Alémdisso,astelasdetoquepodemserutilizadascomodispositivosdevisualização,principalmenteemsistemasdeRA.Estesdispositivostambémsãocapazesdedeterminarainclinaçãodatela,podendorepassaressainformaçãoparaoAV.

Figura5.1:(a)joystickconvencional,(b)Wiimote,(c)Equipamentocomtelasensível

5.2.2.Dispositivosderastreamento

Outracategoriadedispositivosdeentradadedadossãoosrastreadoresqueidentificameseguemobjetosmarcadosnoambientereal,paradepoisreproduzirestasinformaçõesnoAV.DeacordocomBogonietal.(2015),osmaisusadosnoiníciodosanos2000sãoosrastreadoresmecânicos,eletromagnéticos,ultrassônicos,ópticoseinerciais,cadaumacomumatecnologiaespecíficadelocalizaçãodosmarcadores.

Atualmente,astecnologiasdosequipamentosdeKinecteLeapMotiontêmsedestacado,poroferecerpossibilidadeseconômicasmaisvantajosaseconfiguraçõesmaissimples,tornando-asmaisacessíveisaopúblico.

Aseguir,considerandoarevisãorealizadaporBogonietal.(2015),estesequipamentossãobrevementedescritos.

Rastreadoresmecânicos

Osrastreadoresmecânicossãoformadosporumconjuntodecomponentesligadosentresiporarticulações.Estasarticulações,engrenagens,potenciômetros

esensoresdedobra,permitemsabercomprecisãoaposiçãodoobjetorastreado.Comovantagenspodem-sedestacarsuaprecisãoevelocidadedetransmissãodedados(Lino,2009).Comodesvantagemdestaca-sesuafaltademobilidade,poistodoomecanismodeveestaracopladoemumaplataformacujamobilidadeélimitada(Figura5.2).Nuncaforammuitoutilizadosporseualtopreçoeatualmente,nãosãocitadosnaliteraturadaárea.

Figura5.2:RastreadorMecânicodenominadoBOOM.

Rastreadoreseletromagnéticos

Estetipoderastreadorpossuiumemissordeondaseletromagnéticas,queservecomopontodereferênciasdascoordenadasdosistema,ecadaobjetopossuiumreceptorintegradonele.Internamente,cadasensortemtrêsbobinasdispostasperpendicularmenteumasdasoutras,querecebemosinaleletromagnéticodoemissoreconseguemdeterminarsuaposiçãoeorientação.Éumsistemamuitosuscetívelaruídosquandoexistemmetaispróximos(Zhou,2008).Esteproblemafezcomqueseuusofossediminuindorapidamente,poisosruídoscausadosporobjetosmetálicoseramcomplexosdeseremevitados.Atualmente,éconsideradoultrapassado.AFigura5.3apresentaumaimagemdesteequipamento.

Figura5.3.UmexemplodeRastreadorEletromagnético.

Rastreadoresultrassônicos

Funcionadeformasimilaraosrastreadoreseletromagnéticos,substituindooeletromagnetismoporondassonoras.Écompostoporumconjuntodeemissores/receptoressonoros.Oemissorficafixoemumpontodoambienteeosensorépresonoobjetoquesedesejarastrear.Aposiçãodosensoréobtidaconsiderandootempogastoparaosomchegardoemissoratéoreceptor(Sherman,2002).Éumsistemadebaixaprecisão,lentoeatualmenteéconsideradoobsoleto.

Rastreadoresópticos

Rastreadoresópticosutilizamumconjuntodecâmerasparafilmaroambienteerastrearosobjetospresentesnele.Emgeral,podemserutilizadosdoistiposdefiltrosnascâmeras:umquecapturaapenasoinfravermelhoeoutro,quepercebetodasascores.

Nocasoderastreamentoporinfravermelho,oobjetorastreadodevepossuirumconjuntodepontosemissoresourefletoresdeluzinfravermelha,quesãocapturadospelascâmeras.Estespontosdeluzsãoutilizadosparaindicaraposiçãodecadapontonoespaçotridimensionale,apartirdeumconjuntodepontos,épossívelestimaraorientaçãodoobjeto.Énecessárioquepelomenosduascâmerascapturemumpontodeluzparaquesejapossíveldeterminarsuaposiçãoemumambientetridimensional(Bogoni,2015).

Estetipoderastreamentoaindaestáemuso,poisseupreçoéacessíveleatecnologiaenvolvidaébemdifundida.Recentemente,Silva(2017)utilizouestatecnologiapararastrearaposiçãodeusuáriosemcenasdeseusistemaparaidentificaçãodeatividadesquepossuempotencialparagerarSimulatorSicknessemusuáriosdeAV.

Rastreadoresinerciais

Estesdispositivospossuemgiroscópios,acelerômetroseinclinômetrosparadeterminarsuainclinaçãoedireção.Apesardeserpossívelobteraposiçãodoobjetoqueestásendorastreadoaprecisãoébaixa,poisessesrastreadorespossuemapenas3DOF(Sherman,2002).Éumtipoderastreamentoquenãosofreinterferênciadomeio,poistodooprocessamentoérealizadodentrodoprópriorastreadoreposteriormente,osdadossãoenviadosparaocomputador.Estesrastreadoresestãopresentesnamaioriadoscelulares,tabletsedemais

dispositivosmóveis(Bogoni,2015).

Rastreadoresdemovimentodasmãos

Asluvascapturamosmovimentosdasmãosedosdedos,fazendocomqueasrespostasdoambientesejamcompatíveiscomestesmovimentos.Existemváriostiposdeluvasfuncionandocomdiferentestiposdemecanismosdecapturadosmovimentos:tintacondutiva,esqueletosexternos(ouexoesqueletos)emedidoresdeluminosidade.

Asluvasquetrabalhamcomexoesqueletos(Figura5.4)podemdarretornodeforçaaousuárioepodemimpediralgunstiposdemovimentodosdedos.Ouseja,podemserhápticostambém(verseção5.3).

Figura5.4.Imagemdeumaluvacomexoesqueleto

Atualmente,algunsequipamentosderastreamentoeinteraçãovêmsedestacandopelafacilidadedemanipulação,integraçãocomossistemas3Depreçomaisacessível.

LeapMotion

OLeapMotionéumsensorquedetectaosmovimentosdasmãosededosquandosãorealizadosnaregiãodeabrangênciadosensor,queédeaproximadamente1m.Osensorécompostopor3emissoresdeinfravermelhoeduascâmeras,quedetectamanuvemdepontosgeradapelosemissores.Aprecisãodosensorésubmilimétricaeestereoscópica.Afigura5.5mostraumaimagemdo(a)osensorLeapMotione(b)oesquemadadistribuiçãodossensores.Aposiçãoqueosensoridentificaérelativaaoinfravermelhocentral.

Figura5.5:ImagensdosensorLeapMotionedadistribuiçãodesensores.

ExistemalgunsproblemasrelacionadosàinteraçãoutilizandooLeapMotion,entreelesestão:aimprecisãodedetecçãodemovimentosbruscos;afaltadepadronizaçãodostiposdemovimentoparaexecutarasações,oqueacarretaquecadaaplicativopodetergestosdiferentespararealizarasmesmasações;aprecisãodoposicionamentorelativoentreoambienterealeovirtual,queprecisasermelhorada,oqueacarretacliquesemlocaisincorretosquandoexistembotõespequenos,oupróximosunsdosoutros;e,afadigamuscularaointeragircomosistema,umavezque,asmãosficamlivresnoareprecisamestarsempredentrodabolhacriadapelosensor(Potter,2013).AFigura5.6apresentaumexemplodeusodoLeapMotion.

Figura5.6.ImagemdeumaaplicaçãoqueusaoLeapMotionpararastrearosmovimentosdasmãos.

RazerHydra

ORazerHydrajoystickéumsistemaderastreamentomagnéticoqueforneceaposiçãoeaorientaçãodocontrolemanual(6DOF)comaltavelocidade(250Hz)ebaixalatência.Osistemaécompostoporumreceptorqueéligadoaocomputadoredoiscontroladoresportáteis,ligadoscomfioecom8botões(Figura5.7).Épequeno,leve(800g)econsomepoucaenergia.Oscálculosreferentesaoposicionamentoeorientaçãodoscontrolessãofeitospelopróprio

dispositivoeaprogramaçãodosaplicativosqueutilizamosistemapodemserfeitosusandoabibliotecadisponibilizadapelaSixense(2017).

Figura5.7.ImagemdojoystickRazerHydra

Kinect

OKinectéumdosequipamentosderastreamentocorporalmaisutilizadonosúltimosanos.Elepossuiumconjuntodecâmeraeemissordeluzinfravermelhaefazorastreamentodemovimentossemprecisardenenhumequipamentoamais,comooWiimotedoWii.

OKinectémuitoutilizadopararastreamentocorporalemjogoseparaanavegaçãoemambientesvirtuais3D.Mas,jáfoidescontinuadopelaMicrosoft,comohaviasidoprevistodevidoaosurgimentodetecnologiasmaiseficiente(Alecrim,2016).

5.3Dispositivoshápticosdeinteração

Osdispositivoshápticosoferecempossibilidadesdepercepçãodevibraçõeseretornodeforçatátil.PormeiodessedispositivoousuáriorecebedadosdasinteraçõesqueocorremnoAV.DeacordocomBogonietal.(2015)assensaçõesprovidaspelosdispositivoshápticospodemserde4tipos:retornodeaperto,queforneceaousuáriosensaçãodepressão;retornodeapreensão,quefornecelimitaçãodosmovimentosdousuárioemalgumgraudeliberdade;retornotátiloudetoque,queproduzestímulosemformadesensaçãodecalor,toqueouvibração;eretornodeforça,quecriaforçasdirecionaisexigindoqueousuárioempregueforçapararealizarosmovimentos.

Dosdispositivoshápticosexistentes,tantonomercadoquantonoslaboratórios

depesquisa,agrandemaioriautilizaoretornodeforçacomorespostaaosestímulosquerecebemdoAV.

ExistemváriosmodelosdisponíveisnomercadoeumdosgrandesdesafiosdossistemashápticosémantersuaestabilidadefazendocomquerespondacorretamenteaoseventosqueocorremnoAV,semprovocartrepidaçõesoumovimentosbruscosparaousuário(Basdogan,2007).

Ascaracterísticasfísicassãofatoresquepodeminfluenciarnaescolhadeumdispositivoparaequiparsimuladores.AFigura5.8apresentamodeloscomerciaisdestesdispositivos.OsmodelosPhantom(A,BeC,naFigura5.8)possuemumbraçomecânicoeummanipuladoremformadecanetaacopladanaponta,oqueproporcionaorastreamentocom6DOF.JáodispositivoFalcon(D)possui3hastescomumaesferafixaemsuaponta,proporcionando3DOFpararastreamento.DosdispositivosproduzidospelaForceDimensionambososmodelos,Delta(E)eOmega(F),possuem3hastesparamovimentação,proporcionando3DOFderastreamentoemtodososmodelos.Osmodeloscom6DOFpossuemummanipuladornapontaquepermitetratarogiro,e,omodelocom7DOFpossuiumatuadoremformadebastãocomgraspfeedback.

Figura5.8.Diferentesmodeloscomerciaisdedispositivoshápticos.

5.4.DispositivosdeVisualização

Osequipamentosdevisualizaçãopermitemqueosusuáriosdeambientesvirtuais3Dpercebamascenascomprofundidade.Emgeral,essesequipamentosdisponibilizamtambém,som3D,oquegeraestímulosespecíficosparaossentidosaudiçãoevisão.

VisualizaçãoemmonitoreseCavernas

Astelasdemonitoresouastelasdegrandeportepermitemaobservaçãodoambientevirtualdeformamonoscópicaouesteroscópica.Paraaobservaçãocomestereoscopia,asimagenssãorenderizadasduasvezes,comumpequenodeslocamentoentreelas,considerandooângulodevisãodecadaolho.Paraisso,nocasodeestereoscopiapassiva,énecessárioterdoisprojetoreseosóculosestereoscópicos(Figura5.9)vãofiltraraimagemmostradaparacadaolhodeformaalternada,dandoasensaçãodeprofundidadeevolumedosobjetos,gerandoimagensqueparecem“saltar”datela.Nocasodeestereoscopiaativa,comusodeobturadores,osóculosaplicamofiltrodeimagensapresentadasaousuário,sendonecessárioterumabateriaeumsistemaeletrônicoquesincronizeessasimagens.

Figura5.9.Óculosestereoscópicospassivos

CavernasDigitais(CAVES)

Ascavernasdigitais,ouCAVE-CaveAutomaticVirtualEnvironment,sãocompostaspor3oumaisparedesdematerialtranslúcido,ondecadaparedetemumprojetordedicado(Figura5.10).Cadausuáriodeveusaróculosdeestereoscopiaativa.Ascavernaspermitemquegruposdeusuáriospartilhemamesmaexperiência,sendoqueapenasumusuáriopodeinteragircomosobjetosdacenaeosoutrosvisualizamasmodificaçõesemtemporeal.

Figura5.10.Imagemdeumacavernaeseususuários

HMD(HeadMountedDisplay)paravisualização3D

Esteequipamentoinsereosusuáriosemummundogeradopelocomputador.Dependendodomodelodecapaceteouóculos,seusmovimentosreaissãointerpretadoserefletem-senacenaapresentadanovisordoequipamento.Emgeral,utilizamdoisvisoreseapóiam-senomesmoprincípiodosóculos:apresentamumavisãoparacadadisplay,umparacadaolho,gerandoasensação3D.Esseequipamentocolocaousuáriototalmenteimersonomundovirtual,poisnãohápossibilidadedeenxergarpartesdomundorealpelaslateraisdoequipamento.

Esseequipamentodáliberdadeparaousuárioselocomovernacena,eseusmovimentospodemserrastreadospordiferentesmodelosderastreadoresacopladosaosóculos.

Figura5.11:ExemplodeumHMDatual,denomeOculusRift

Atualmente,comaexpansãodousodeaplicativosemsmartphones,abriram-senovaspossibilidadesdevisualização3Demequipamentosdesuporteparacelulares,osCardboardseosMobilePhone3DGlasses.

CardboardeoGearVR

DeacordocomPowelletal.(2016),osavançosdacapacidadeprocessamentográficodosdispositivosmóveistornaramossmartphonesdispositivoscapazesdeexibirambientesvirtuaiselaboradosemtemporeal.Paraquesejapossívelobtervisãoestereoscópicaepermitirimersãonoambienteénecessárioutilizarumdispositivoqueexibaseparadamenteasimagensdecadaolho(Weichert,2013).

UmdestesdispositivoséoGoogleCardboard,lançadoem2014,queéfeitoempapelãoelentes,comocustodeatéUS$10.OobjetivoéapopularizaçãodaRVeconcorrercomóculosdeRVcomooRift(Oculus)eoGearVR(Samsung).AideiadoGoogleCardboardéutilizarossensoresexistentesnoprópriodispositivomóvel,comoporexemploogiroscópio,permitindovisualizaroambienteem360o.

Existemdiversaslimitaçõesnodispositivo,comootamanhododispositivomóvel,quenãosuportaosmodelosmaiores,ocampodevisão(FOV)queficaentre60oe100o,afidelidadegráfica,quedependedomodelodocelular,adeficiênciaderesfriamentodoscelularesquandofazemexibiçãocontínuadegráficoseolimitedasbaterias.

OutrocomplicadordoGoogleCardboardéadificuldadedeinteraçãocomoAV,poiselepossuiapenasumbotãocapacitivoparainteragircomateladocelular.Istopodeserresolvidocomaconexãodedispositivosexternosdenavegação,comoporexemplo,umjoystick,conectadoaocelular,permitindonavegaçãoeinteraçãocomoAV.

EquipamentosmaismodernosqueoCardboard,comooGearVR(Figura5.12),integrammaisfuncionalidadesparaocontroledanavegaçãodacena,contendobotõesespecíficosparaainteraçãocomoambienteeemalgunscasos,trazemumcontrole-remoto,quetornaoprocessodeinteraçãomaisconfortávelparaousuário.

Figura5.12.ImagemdeumCardBoardedoGearVR

5.5.ConsideraçõesFinais

EstecapítuloapresentouumarevisãodosprincipaisequipamentosdeRVeRA.Odesempenhodestesdispositivosestáassociadoàsofisticaçãodaresoluçãodasimagens,precisãodosrastreadores,nívelecontroledacapacidadesonora.Omaisimportantenousodestesequipamentoséqueelestenhamcapacidadedetratarascaracterísticassensoriaisemtemporeal,paraqueainteraçãosedêde

formanaturalenãoprovoquedesconfortoaousuário.Enestecaso,abuscadeprodutosmaisleves,práticoseeficazestemestimuladoaspesquisasnestaárea.

Aintegraçãoharmoniosadoscomponentesdeumambientevirtualexigeváriostiposdecontroledesoftwareedeequipamentos.Cadamodalidadesensorialrequerumcontroleespecífico,enquantoqueumaaçãointegradacoordenaesincronizaasváriasmodalidadessensoriaisenvolvidas.

Recentemente,aexplosãodacapacidadedossmartphonesabriunovaspossibilidadesdeacessoaequipamentosmaisbaratosemaispotentes,aumentandoaqualidadesensorialdasexperiênciasimersivas.

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Capítulo6-SoftwareEzequielR.ZorzalRodrigoL.S.Silva

EstecapítuloapresentaasprincipaissoluçõesdesoftwareutilizadosemsistemasdeRealidadeVirtualeRealidadeAumentada,comênfasenasprincipaistécnicasempregadasemcadaumadasáreasenasprincipaisbibliotecaseframeworksmaiscomumenteutilizados,tantoemaplicaçõesdesktopquantoemaplicaçõesmóveis.

6.1SoftwareparaRealidadeVirtual

ArquiteturasdesoftwareparasistemasdeRealidadeVirtualusualmentesãocomplexasporrequererumagrandequantidadederecursossecomparadasasistemastradicionaisdedesktop(MazurykeGervautz,1996).Umadasrazõesparaessemaiorníveldecomplexidadeéanecessidadedeproveracessoadiversostiposdesistemasdeentradaesaídapoucousuais,comoHMDs(head-mounteddisplays),sistemasderastreamento,mouses3D,entreoutros.Taisdispositivossãonecessáriosparaproverumamaiorimersãoàessessistemas,sendoosdispositivosderastreamentoeinteraçãoresponsáveispelaentradadosistema,osdadosgeradossãopassadosaosistemadeprocessamentoqueforneceráasinformaçõesemumformatoadequadoaosistemadesaídautilizado.

OssistemasdesoftwareusadosemRealidadeVirtualsãomuitomaiscomplexosquesistemasconvencionaispornecessitaremmanusearumgrandevolumededadosoriundosdediversostiposdedispositivosdeentradaesaídaretornandorespostasprecisas,muitasvezesemtemporeal,paramanterosentimentodeimersãoqueessessistemasproporcionam(MazurykeGervautz,1996).

SistemasdeRealidadeVirtualcomumentepossuemcaracterísticassemelhantes,comoadepermitiravisualizaçãodeimagenstridimensionaisemtemporealeproverformasintuitivasdeinteraçãoentreousuárioeosistema.Destaforma,bibliotecasdeRealidadeVirtualdevemprovermeiosdefacilitaressavisualizaçãoeinteração.

AcriaçãodoconteúdoparasistemasdeRealidadeVirtualestáprincipalmenterelacionadaaosobjetostridimensionais.Cadaobjetodomundovirtualpossuiumaaparênciaeumcomportamento.Acriaçãodeumobjetodoambientevirtualenvolvenormalmenteautilizaçãodeferramentasdemodelagemtridimensional,ediçãodeimagem,som,vídeoecomportamento.Poroutrolado,aimplementaçãodefuncionalidadesecaracterísticas,comointerfacecomequipamentosdeRealidadeVirtual,interfacecomousuário,rotaçãoetranslaçãodeobjetos,interatividadedosobjetosedetecçãodecolisãosãoviabilizadasapartirdasbibliotecasdesistemasdeRealidadeVirtual(Torietal.,2006).

SistemasmodernosdeRealidadeVirtualatuamcomosistemasintegradores,projetadosparatrabalharcomumagrandevariedadededispositivosdeentradaesaída.OutracaracterísticadesejáveldossistemasatuaisdeRealidadeVirtualéfacilitarocompartilhamentodeconteúdoentrediferentescentrosdepesquisadeRealidadeVirtual.SoluçõesdesoftwarecomoaVRJuggler(2017)eaFreeVR(2017)sãoexemplosdesistemasqueatuamcomomiddlewarenãosomenteintegrandodispositivoscomotambémbibliotecasgráficas.

ExistemdiversassoluçõesdisponíveisparaapoiarodesenvolvimentodesistemasdeRealidadeVirtual.Estassoluçõesestãodisponíveisemdiversasplataformas,podendosersoluçõesproprietárias,dedomíniopúblicoedecódigoaberto.NestaseçãosãoapresentadasalgumassoluçõesparaapoiarodesenvolvimentodeRealidadeVirtual.

6.1.1LinguagensparaWeb

DeacordocomLemoseMachado(2012),osambientesvirtuaisestãocadavezmaispresentesnocontextodaWeb,ondemaispessoaspodemteracessodeumaformasimpleseeficiente,havendoapenasanecessidadequeousuáriotenhaacessoaInternet.

Inicialmente,alinguagemVRML(VirtualModelingLanguage)(Amesetal.,1997),elaboradaporespecialistasdaáreaacadêmicaedeempresas,foiumadasprincipaisferramentasparaadisseminaçãodaRealidadeVirtualnaWeb.VRMLéumalinguagemindependentedeplataforma,voltadaparamodelagemdeambientestridimensionaisdeRealidadeVirtual.AlinguagemVRMLtrabalhacomgeometrias3D,transformaçõesgeométricas,texturas,iluminação,níveisdedetalhe,movimentos,entreoutros.SuasintaxeédescritapormeiodeumasériedecomandostextuaisnoformatoASCIIquedevemsersalvosemarquivoscom

extensãoWRL.

Dessemodo,pormeiodequalquerprocessadordetextos,umdesenvolvedorpodecriarambientesvirtuaisindependentedeplataformas,tantoparaodesenvolvimento,quantoparaaexecução.Paravisualizar,interagirenavegaremambientesvirtuaiscriadoscomVRMLénecessárioutilizaralgumplug-incompatívelparavisualizaçãoemnavegadoresWebquesuportemalinguagem.Existemváriosplug-insdisponíveis,sendooCortona,desenvolvidopelaParallelGraphics,umdosmaisutilizados.Apósainstalaçãodoplug-in,onavegadorconseguiráinterpretarassintaxesdosarquivosWRLegeraroambientevirtual.

UmaevoluçãodoVRMLéoX3D(Extensible3D)(WebX3D,2017).FoiaproveitadooconceitointroduzidopeloVRML,utilizandoaspremissasbásicasepromovendoaampliaçãodelascomaincorporaçãodenovasfuncionalidades.OX3DapresentamaiorflexibilidadeemrelaçãoaoVRML,éumpadrãoabertoquepermitedescreveremumarquivoformasgeométricasecomportamentosdeumambientevirtualpormeioscripts.

OX3Dapresentaumconjuntodenovasfuncionalidades,secomparadoaoVRML,taiscomointerfaceavançadadeprogramação,novosformatosdedadosearquiteturadivididaemcomponentes.Noentanto,assimcomonaVRML,paraqueavisualizaçãodearquivosX3Dsejapossível,sefaznecessáriaàinstalaçãodeumplug-inespecíficoeautilizaçãodenavegadorescompatíveis.

ApartirdanecessidadedequeosconteúdosparaRealidadeVirtualpudessemserexecutadosemqualquernavegadorsemanecessidadedeplug-inouinterfacesdeplug-ins,APIscomoaWebGL,porexemplo,foramdesenvolvidasejásãosuportadaspelamaioriadosnavegadoresWeb.

AWebGL(WebGraphicsLibrary)(WebGL,2017)éumaAPImultiplataformabaseadanoOpenGLES2.0,paradesenvolvergráficos2De3DquepodemserexecutadosemumnavegadorWebsemanecessidadedeplug-in.AWebGLébaseadanoOpenGLES2.0,usaoelementocanvasdoHTML5eéacessadapormeiodeinterfacesDOM(DocumentObjectModel).OgerenciamentoautomáticodememóriaéfornecidacomopartedalinguagemJavaScript.

DiversasbibliotecasvêmsendodesenvolvidasparaaWebGLcomoobjetivodetornarodesenvolvimentodasaplicações3Dmaissimplesedemaisaltonível,como,porexemplo,aThree.js(Three.js,2017)quepermiteutilizardiversos

recursosnosambientes,taiscomoefeitosdeanaglifo,inclusãodediferentestiposdevisões,iluminação,animações,entreoutros.

6.1.2GameEngines

OsGameEngines(motoresdedesenvolvimentodejogos)sãocomumenteutilizadosparasimplificareabstrairodesenvolvimentodejogoseletrônicosououtrasaplicaçõescomgráficosemtemporeal.Existemdiversosgameenginesquepodemserutilizadosparaapoiarodesenvolvimentodeambientesvirtuais.Nestaseçãosãoapresentadosalgunsdosmaisutilizadosparaessefim.

OUnity(Unity,2017)éumgameengine,desenvolvidopelaUnityTechnologies,quefornecefuncionalidadesparaacriaçãodejogoseoutrosconteúdosinterativos.ÉpossívelutilizaroUnityparadesenvolvergráficoserecursosemcenaseambientes2Dou3D;adicionarfísica,editaretestarsimultaneamenteoambienteepublicaremdiversasplataformas,taiscomocomputadores,celulareseconsoles.

Alémdisso,oUnitypossuisuporteinternoqueapoiaodesenvolvimentodeaplicaçõesparadeterminadosdispositivosdeRealidadeVirtual.Dentreestesdispositivos,pode-secitaroOculusRift(DK2),GearVRdaSamsung,HTCVive,alémdeoutros.

OUnityébemdocumentadoepossuiumaamplacomunidadededesenvolvedores.Ainda,eleéconsideradaumdosgameenginesmaispopularesentreosdesenvolvedoresdejogosetambémaferramentamaisutilizadaparadesenvolverjogos3Dparadispositivosmóveis.

AUnrealEngine(Unreal,2018),produzidapelaEpicGames,éoutropoderosogameenginequepodeserutilizadoparaapoiaracriaçãodeambientesvirtuais.Alémdesuasfuncionalidadescomomotordejogos,aUnrealEnginesuportatambémváriosHMDsdisponíveisnomercadocomooOculusRifteoGearVR.Umavezdesenvolvidooconteúdodesejadonaplataforma,omotorfornecefuncionalidadesparaexecutá-lodiretamentenoHMD,habilitandoautomaticamenteosprincipaisrecursosdoequipamento,comoorastreamentodemovimentosdecabeça.AdocumentaçãooficialtambémfornecemuitasinstruçõesdecomoutilizarosdiversossensoresquesãonormalmenteutilizadosemaplicaçõesdeRealidadeVirtual.

SeunúcleoéintegralmenteescritoemC++fazendocomqueelasejaportávelparamuitasplataformascomoMicrosoftWindows,Linux,MacOSX,PlayStation,XboxOneetc.

AlémdoUnityedaUnrealEngine,pode-secitaraCryEngine(Cryengine,2017)quetambéméconsideradaumaimportantegameenginedisponívelnomercado.

ACryEngineéumaplataformabastanteversátilepodeserutilizadaparacriarconteúdoemRealidadeVirtualparasistemasWindows,Linux,XboxOneePlayStation4.PossuisuporteparaosHMDsHTCViveeOculusRift.ACryEnginetambémpossuiintegraçãocomaSDKOSVR,quedásuporteacentenasdedispositivosdeRealidadeVirtual.

6.1.3Outrassoluções

UmproblemacomumencontradonodesenvolvimentodesoftwaredeRealidadeVirtualéanecessidadederealizaracomunicaçãoentreosdispositivosdeentradaesaídapoucoconvencionais.ExistembibliotecaslivrescomoaVRJuggler(VRJuggler,2017),Avango(Avango,2017)eaInstantReality(Instantreality.org,2017)quefacilitamestetipodeinterfaceamentodeformatransparenteaumagrandequantidadededispositivos.

HáaindadisponíveisnomercadováriassoluçõesdeRealidadeVirtualparaodesenvolvimentodesistemasdemédioegrandeporte.UmadestassoluçõeséotoolkitVizard(Vizard,2017),quepossuiambientededesenvolvimentointegradoefacilidadesparageraraplicaçõescompatíveiscomCAVEs,Powerwalls,HMDs,sistemashápticos,sistemasdecapturademovimentoetc.Estasoluçãotambémcontacomapossibilidadedeexecutarsimulaçõesemclusters,possuiumsistemaprópriodesimulaçõesfísicasdealtaperformancealémdesistemassofisticadosderenderizaçãobaseadosemGLSL(OpenGLShadingLanguage).

6.2SoftwareparaRealidadeAumentada

OdesenvolvimentodesoftwaredeRealidadeAumentadatemsidocontínuoetendeatornar-secadavezmaissofisticadoecompleto.Computadores,celularesetabletsmodernosgarantemàestasaplicaçõesmaiorvelocidadedeprocessamentoemaiorestabilidadenoreconhecimentodeobjetos.Estaseção

apresentaalgumasdasprincipaiscaracterísticasesoluçõesdesoftwareconstruídasparaapoiarodesenvolvimentodeaplicaçõesdeRealidadeAumentada.

6.2.1Características

AodesenvolversistemasdeRealidadeAumentada,trêscaracterísticasbásicasdevemestarpresentes:(a)funçõesparacombinarelementosvirtuaisemumacenareal;(b)interatividadeemtemporeale(c)meiosderegistrarosobjetosvirtuaisemrelaçãoaosobjetosreais.

Dascaracterísticascitadasanteriormente,amaisdesafiadoracontinuasendooregistroentreobjetosvirtuaisereais.Oproblemadoregistrodizrespeitoànecessidadedealinhardemaneiraprecisaosobjetosvirtuaisqueserãosobrepostosaosobjetosreais.Emaplicaçõesemqueháexigênciasprecisasdomapeamentodosobjetosvirtuaissobreoambientereal,porexemplo,aplicaçõesqueapoiemprocedimentoscirúrgicosdealtaprecisão,osproblemasrelativosaoregistrosãocruciaisepodemocasionarerrosgraveseatémesmofatais(ZorzaleNunes,2014).

Umaformadeproveroregistroentreobjetosreaisevirtuaiscomumenteutilizadaéousodemarcadoresfiduciais.Marcadoresfiduciaissãomarcaçõespassivas(nãonecessitamdefontedeenergia)queservemcomopontodereferência,geralmentepossuemumaformageométricafixaeumidentificadorexclusivo.Sãoamplamenteutilizadosporpossuírembaixocustoemínimamanutenção.Ousodessesmarcadoressimplificaconsideravelmenteoproblemageralderastrearobjetosemimagensemmovimento.AFigura6.1apresentaalgunsexemplosdemarcadoresfiduciaisutilizadosemumaaplicaçãodeRealidadeAumentada.

Figura6.1-ExemplosdemarcadoresfiduciaisquepodemserusadosnasaplicaçõesdeRealidadeAumentada.

Sistemasqueutilizamidentificadoresfiduciaispossuemváriasvantagens:marcadorespodemserimpressosdeformarápidaeeconômica,fazendo-seusodematerialencontradoemqualquerescritório.Osistemadeaquisiçãoutilizadotambémnãoprecisasersofisticado,bastandoousodeumacâmerapadrãodevidamentecalibrada.

Aoperaçãodeumsistemafiducialétrivial.Inicialmenteumacâmeracapturaaimagemdeumoumaismarcadoresfiduciais.Osoftwarebuscaidentificarestaimageme,apartirdessaidentificação,calculaaposiçãoeorientaçãocompatívelcomaprojeçãoperspectivaestimadaparaasobreposiçãodoobjetovirtual.

Apesardesuasvantagens,sistemasbaseadosemmarcadoresfiduciaispossuemalgumasrestriçõesquelimitamconsideravelmenteseuuso.Osmarcadoresfiduciaisdevemestarsemprevisíveisnacena.Destaforma,oclusõesdoprópriousuáriopodemprejudicarousodessetipodesistema.Umaformaderesolveroproblemaéinserir,quandopossível,umnúmeromaiordemarcadoresnacenaparaseremusadoscomoidentificadoresdeapoio.Outrarestriçãoimpostapelousodemarcadoresfiduciaiséanecessidadedeprepararpreviamenteacenainserindomarcadoresemposiçõesdeinteresse,sendoqueemdeterminadasaplicaçõesessarestriçãoéinaceitável.

Atualmenteécomputacionalmenteviávelrastrearobjetosnaturalmentepresentesnoambiente,comofotografias,capasdelivroserevistasoumesmoobjetostridimensionais.EstaáreadaRealidadeAumentada,quetratadosmarcadoresnaturais,éconhecidacomoMarkerlessAugmentedReality(MAR).EstaéumaáreaemfrancodesenvolvimentoeaspesquisasmaisatuaisapontamparaousodetécnicasdeSLAM(SimultaneousLocalizationandMapping)comasotimizaçõesnecessáriasparaquesistemasdeMARsejamviáveisatémesmoemdispositivosmóveis(Liuetal.,2016;Mur-Artaletal.,2015).

OutraáreaquetemrecebidoatençãoéainclusãodetécnicasderealismoemsistemasdeRealidadeAumentada.Ointuitodessetipodepesquisaécriarambientesaumentadosondeosobjetosvirtuaisereaissejamvisualizadosdeformaindistinguível.Nestessistemasénecessáriodescobriremtemporealaposiçãodasfontesdeluzedaspropriedadesdosobjetosdoambienteparaquesejamproduzidosefeitosdeiluminaçãoesombrasconvincentes(Jiddietal.,2016).

6.2.2Bibliotecas

DiversasferramentastêmsidodesenvolvidasparafacilitarodesenvolvimentodeaplicaçõescomRealidadeAumentada.Estaseçãoapresentaalgumassoluçõesdisponíveis.

ARToolKit

ARToolKit(AugmentedRealityToolkit)(ARToolKit,1999)éumsoftware,comcódigoabertoegratuito,apropriadoparadesenvolveraplicaçõesdeRealidadeAumentada.

Atualmente,oscódigosfonteseSDKsdoARToolKitestãocompiladosparaasplataformasOSX,Windows,iOS,AndroideLinux.Umplug-inparaoUnitytambémestádisponívelnapáginadedownloadoficialdabiblioteca.ApáginaoficialdoARToolKitdisponibilizadocumentação,tutoriais,exemplosesuporteapartirdeumfórumdediscussão.

OARToolKitfazusodetécnicasdeVisãoComputacionalparaoreconhecimentodepadrõeseinserçãodosobjetosvirtuaisnoambientereal.AestratégiadeconcepçãotradicionaldesoluçõescomusodoARToolkitfundamenta-seemumconjuntodeprocedimentos.Inicialmenteaimagemcapturadapelacâmeraétransformadaemvaloresbinários.Essaimageméanalisadapelosoftware,procurandoporregiõesquadradasquepossamindicaraexistênciadeummarcador.Assim,quandoummarcadoréreconhecido,eleexaminaointeriordomesmofazendoumabuscapelosímbolodesenhado.Emseguida,estesímboloécapturadoecomparadocomossímbolospré-cadastradosnabiblioteca.Porfim,seforencontradaalgumasimilaridadeentresímboloscapturadosesímbolospré-cadastradosconsidera-seentãoquefoiencontradoumdospadrõesdereferência.

Dessaforma,oARToolKitutilizaotamanhoconhecidodoquadradoeaorientaçãodopadrãoencontradoparacalcularaposiçãorealdacâmeraemrelaçãoaposiçãorealdomarcador.Assim,umamatriz3x4égerada,contendoascoordenadasreaisdacâmeraemrelaçãoaomarcador.Estamatrizéusadaparacalcularaposiçãodascoordenadasdacâmeravirtual.Seascoordenadasvirtuaisereaisdacâmeraforemiguais,oobjetovirtualédesenhadoprecisamentesobreomarcadorreal.

Alémdorastreamentotradicionaldemarcadoresfiduciais,outrapossibilidadeéutilizaroARToolKitcomorecursoderastreamentodecaracterísticasnaturais

(NaturalFeatureTracking-NFT).AideiadoNFTémelhorarorastreamentodosmarcadoresutilizandomarcadoresfiduciaiscomimagensnaturais.AFigura6.2apresentaalgunsexemplosdemarcadoresfiduciaiscomimagensquepodemserutilizadosemaplicaçõesdeRealidadeAumentada.

Figura6.2-Exemplosdemarcadoresfiduciaiscomimagensnaturais.Marcadoresretiradosdosexemplosdaa)ARToolKipotedab)Vuforia.

Vuforia

AVuforia(Vuforia,2017)éumabibliotecadeRealidadeAumentadaoriginalmentedesenvolvidapelaQualcommerecentementecompradapelaPTC.ElaécompatívelcomAndroid,iOS,UWPeUnity.Apesardenãopossuircódigolivre,égratuitaparaaplicaçõesnãocomerciais.Porestaremconstantedesenvolvimento,abibliotecaincorporainúmerascaracterísticaspresentesemdispositivosesistemasatuais,comoapossibilidadedeutilizarcâmerasdesmartphonesdealtaresoluçãooudispositivosbaseadasnaplataformaUWPcomooMicrosoftSurfaceProeSurfaceBook.

Osistemadereconhecimentodecaracterísticaserastreamentodabibliotecaébastanterobusto.AVuforiaécapazdereconhecerimagensplanasnaturaisfornecidaspelousuárioalémdosVuMarks,quesãomarcadorescustomizáveissemelhantesaosQR-Codes.UmacaracterísticaquedifereaVuforiadeoutrasbibliotecasdeRealidadeAumentadaéapossibilidadedereconhecerobjetostridimensionais,maisespecificamentecubosecilindros.Alémdestesobjetostridimensionaismaissimples,aVuforiatambémfornecefuncionalidadespararastrearobjetosmaiscomplexos,desdequesejamopacos,rígidosecompoucaspartesmóveis.Estafuncionalidadesóestádisponívelparaalgunsdispositivos,comoSamsungGalaxyS5,GoogleNexus5eversõesmaisrecentes.

OutrafuncionalidadeinteressantedaVuforiaéaopçãoSmartTerrain.Elapermiteàumaaplicaçãoutilizarosobjetospresentesnacenaparainteragircomaaplicação.

Alémdisso,aVuforiapossuiorecursodeTextRecognitionque,comoonomesugere,permiteàaplicaçãoreconhecerpalavrasemumdicionáriode~100.000palavraseminglês.Estafuncionalidadepodeserexploradaemaplicaçõesquenecessitamlertextosemumaimagemparapoderapresentaralgumconteúdoassociado.

Wikitude

ASDKWikitude(Wikitude,2017).combinatecnologiaderastreamento2De3D,reconhecimentodeimagensegeolocalizaçãoemseusaplicativos.ASDKpossuicaracterísticasquepermitemodesenvolvimentodeaplicaçõescomousemmarcadoreseseufocoestánasaplicaçõesmóveisparaasplataformasAndroideiOS(Figura6.3).

Figura6.3-ExemplodeaplicaçãoutilizandoaWikitudeSDK(Wikitude,2017).

UmadasprincipaiscaracterísticasdaSDKéoseusistemadeSLAM.Alémdedispensarousodemarcadoresfiduciais,elaprovêumafuncionalidadedenominadaExtendedTrackingquepermiteincluirobjetosvirtuaisnacenamesmoquandooobjetoutilizadonomomentodoregistronãoestámaisvisível.Osistemaaindacontacomumabasededadosdemaisde1000imagensquepodemserutilizadascomomarcadoresoffline.Outracaracterísticaquedifereestabibliotecadasdemaiséoseurobustosistemadegeolocalização.EstesistemafacilitaacriaçãodeaplicaçõesdeRealidadeAumentadaqueutilizamoposicionamentoatualdodispositivo,comoinformaçõessobrerestaurantes,hotéiseoutrosestabelecimentoscomerciais.

AWikitudesuportaoutrosframeworksdedesenvolvimentocomoUnity,CordovaeXamarin.Atualmente,aWikitudesóestádisponívelparaversõescomerciais,noentanto,podesertestadagratuitamente.

OsdesenvolvedoresdaSDKKudan(Kudan,2017)afirmamqueelapossuiumadasmelhorestecnologiasdeSLAMdisponíveisparaodesenvolvimentodeaplicaçõesdeRealidadeAumentada,robóticaeIA.ASDKpossuiversõesparaasplataformasmóveisAndroideiOSbemcomoversõesparaWindowseOSX.AKudanpossuiversõesgratuitasnãocomerciaiseversõescomerciaispagas.

OsistemadeSLAMdaKudanfornecefuncionalidadesparaadquirir,processar,analisareentenderimagensdigitaisemapearosambientes3Dqueestasimagensrepresentamcomsistemascombaixopodercomputacional,contendoumaúnicacâmeraeprocessador.

6.3Consideraçõesfinais

AssoluçõesdesoftwareparadesenvolveraplicaçõesdeRealidadeVirtualeRealidadeAumentadavêmevoluindoconstantemente.Percebe-sequealgunsdesafiosnodesenvolvimentodessasaplicaçõesaindasãoobjetosdeestudosparamelhoraraexperiênciadousuário.Oproblemadoregistro,porexemplo,emaplicaçõesdeRealidadeAumentadavemsendomelhoradoapartirdainclusãodenovastécnicasaplicadasnorastreamentoereconhecimentodemarcadores.Poroutrolado,aeliminaçãodessesmarcadores,quecomumentesãoutilizadosemsistemasderastreamento,eadificuldadenainterpretaçãodesistemasbaseadosemgestos,nosambientesmultiusuários,aindasãofatoreslimitantes.

Atendênciaéqueassoluçõesdesoftwaresejamatualizadoscomnovastécnicasparaaperfeiçoartaisdesafios.Ainda,épossívelosurgimentodenovassoluçõesquepermitamodesenvolvimentoágildessasaplicaçõesparaambientesmóveisinteligentes.

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Capítulo7-DispositivosMóveisEzequielR.Zorzal

NestecapítuloserãodescritosasprincipaiscaracterísticasdossistemasmóveiscomRealidadeVirtualeRealidadeAumentada.

7.1OUsodeDispositivosMóveis

Nosúltimosanos,devidoaoavançonastecnologiasdehardwareeprincipalmentecomosurgimentodostelefonesinteligentes(smartphones),experiênciascomRealidadeVirtualeAumentadasetornaramcomunseamplamentedisponíveisparausoemcomputadorespessoais,portáteiseinclusiveparadispositivosmóveis.

Amobilidadeeapossibilidadedeadquirirconhecimentoapartirdaaprendizagemmóvel(MobileLearning),podemsercitadascomounsdosprincipaisbenefíciosdousodaRealidadeVirtualeRealidadeAumentadaemdispositivosmóveis.Outrograndebenefíciodessastecnologiaséoenvolvimentoamplodesentidosdoserhumanonainteraçãohomem-máquina.Sendoassim,elaspodemseraplicadasdediferentesmodosemdiversoscontextos.

Aomesmotempo,ousodesmartphonestemsidoindispensávelparanossocotidiano.Jásabemosqueestatecnologiavemalterandoocomportamentodoconsumidor,ajudandoosusuáriosanavegarempelomundo,mudandoomodocomoosconsumidoresfazemcompraseajudandoosanunciantesaentrarememcontatocomosclientes.

Autilizaçãodedispositivosmóveisvemaumentandoconstantemente.Emumapesquisa(WeAreSocial,2017),realizadapelaDigital,Social&MobileWorldwide,mostrouquenoanode2017pelomenos50%dapopulaçãomundialteveacessoàInternet,66%utilizacelularese34%dapopulaçãopossuicontasativasemredessociais,oquerepresentaumsaltosignificativoemnúmerosrelatadosdesdeorelatóriodoanoanteriorelaboradopelamesmaempresa,quandoamesmapercentagemeraapenasde46%dapopulaçãomundialcomacessoàInternet,51%possuíacelulareseapenas27%dapopulaçãotinhacontas

ativasemredessociais.

Caberessaltarquebaseadonessastendências,espera-sequeousodecelulares,emespecialossmartphones,deveráimpulsionaraindamaisoacessoàInternetdapopulaçãomundialempoucotempo.Alémdessecrescimento,anomofobia,queéodesconfortoouaangústiacausadospelaincapacidadedecomunicaçãoatravésdeaparelhoscelularesoucomputadores,temsetornadocomumentreaspessoas,principalmenteentreosjovenseadolescentes(Caetano,2017).Estasinformaçõesconfirmamaspreferênciaseumdomíniocadavezmaiordousodedispositivosmóveisnomundo.

Concomitantemente,astecnologiasvestíveistêmproporcionadosoluçõesmóveiscriativasparacomunicaçãoecaptaçãodeinformações.Taistecnologiastêmsetornadocadavezmaiseficientesemtermosdeconsumodeenergia,elasticidadeeadaptaçãocomousuário(SeymoureBeloff,2008).

Ainda,cabecitarosexperimentosrealizadosparatestaraviabilidadedeumarede5Gmundial(Startse,2017).Recentemente,coreanoseamericanosfizeramaprimeiratransmissãodehologramavia5Gdahistóriautilizandotablets.EssatransmissãoocorreuentreasredesdaKoreaTelecomGwanghwamuneadaVerizonemNovaJersey.AexpectativaéqueessanovaredesejaumgrandepassoparaodesenvolvimentodaInternetdascoisas(InternetofThings-IoT)edenovastecnologias.AIoTpodeserdefinidacomoumarededeobjetosfísicos,estáticosoumóveis,quepossuemtecnologiaembarcada,sensoreseconexãocapazdeinteragir,coletaretransmitirdados(Greengard,2015).

Alémdeoferecergrandevelocidadeparatransmissãodedados,asredes5GpermitirãoquecadadispositivobaseadoemIoTutilizesomenteosrecursosnecessários,evitandodesperdíciodeenergiaegargalosnarede.

7.2SistemasdeRealidadeVirtualMóvel

Noâmbitocomputacional,mobilidadeéacapacidadedelevar,paraqualquerlugar,umdispositivodetecnologiadeinformação(KalakotaeRobinson,2002).Comoadventodastecnologiasdecomunicaçãosemfioeapopularizaçãodosdispositivosmóveis,diversasaplicaçõescomessacapacidadetêmsidodesenvolvidasemdiversasáreasdoconhecimento.

Essadisseminaçãodeaplicaçõesmóveistempropiciadonovosmeiosde

comunicação,interaçãoegeradonovoscomportamentos,alémdemelhoresexperiênciasaosusuários.

ARVmóvelfazusodosrecursosdecomunicaçãoparaoferecerumaexperiênciaagradáveleefetivaaousuário.Normalmente,asaplicaçõesdeRVmóvelsãodesenvolvidascomtécnicasbemespecíficasquepermitemanavegaçãoeinteraçãodiretadousuáriocomoambientevirtual.Comumente,essasaplicaçõesutilizamatécnicaWalking,quepormeiodesensoresdegeolocalização,porexemplo,permitereproduzirocaminhardousuárionoambientevirtual.Alémdisso,essasaplicaçõespodemserpotencializadascomautilizaçãodecontrolesfísicoseautilizaçãodetécnicasdereconhecimentodegestosouvozparamelhorarainteraçãodousuário.

OssistemasdeRVmóveldevemutilizaralgumdispositivodevisualização.Inicialmente,parafazerousoeficazdastecnologiasdecomputaçãoecomunicação,empregava-seumconjuntodeaparatoscomputacionaisquepoderiagerarumcertodesconfortoaousuárioedificultaramobilidadedomesmo.EsseconjuntodeaparatosgeralmenteeraformadoporumcomputadorcomacessoàInternet,rastreadores,sistemasdegeolocalização(GlobalPositioningSystem-GPS)eumHead-MountedDisplay(HMD).Noentanto,aevoluçãodoscomputadoresedastecnologiasdecomunicaçãopropiciaramodesenvolvimentoeautilizaçãodaRealidadeVirtualmóvelemnovosdispositivosdevisualização,taiscomoHMDsindependentesesmartphones.

DiversasempresastêminvestidorecursosnodesenvolvimentodegadgetsparaRealidadeVirtual.Podem-secitaroAscendHMDVRdesenvolvidoparaoXboxOne(MVR2017),oOculusRifteaplataformamóvelGearVRutilizadacomsmartphones,inclusivecomcontrolesfísicosquefacilitamainteraçãodousuário(Oculus,2017).

7.2.1GoogleVR

OSDKOpenSourcedoGoogleVRfoidesenvolvidoparacriaraplicaçõesnativascomRealidadeVirtualemdispositivosmóveis(GoogleVR,2017).PermiteaintegraçãodoCardboard(visualizadoresdepapelão)(Cardboard,2017),apartirdeumaAPIsimplificadaedisponibilizaumaAPImaiscomplexaparasuportarsmartphonespreparadosparaoDaydream(2017).ApesardoCardboardserumaalternativaeconômicaeinteressante,oDaydreamofereceumaexperiênciamaisconfortáveleimersiva,naqualépossívelinseriro

smartphoneemumheadsetsemelhanteaoSamsungGearVR.OGoogleVRNDKparaAndroidforneceumaAPIC/C++paradesenvolvedoresqueescrevemcódigonativo.

ComoSDKdoGoogleVRépossívelutilizarrecursosOpenGLparaimplementartarefas,taiscomo:acorreçãodedistorçãodalente,inserçãodeáudioespacial,rastreamentodosmovimentosdacabeça,manipulaçãodoseventosdeentradadousuário,entreoutros.

Ainda,épossívelutilizaroGoogleVRemaplicaçõesintegradascomoUnity3DoucomaUnrealEngine4,possibilitandoodesenvolvimentodeaplicaçõescomRVemdiversasplataformas,inclusiveparaosistemaoperacionaliOS.

7.2.2OculusMobileSDK

OOculusMobileSDKincluibibliotecas,ferramentaserecursosparaodesenvolvimentonativodoGearVReautilizaçãodesensoresnativos.OSDKpermiteodesenvolvimentoeintegraçãodeaplicaçõescomUnity3D,UnrealeaScratch(Oculus,2017).

7.3SistemasdeRealidadeAumentadaMóvel

DeacordocomChatzopoulosetal.(2017),umsistemaqueregistraobjetosvirtuaisemumambientereal,éinterativoemtemporealeexibeavisualizaçãomisturadaemumdispositivomóveléconsideradoumsistemadeRealidadeAumentadamóvel.Emsuma,ossistemasdeRealidadeAumentadamóveisconsideramosmeiosdeentradadedadosdosdispositivos,taiscomocâmera,giroscópio,microfoneseGPSparacaptarosdadosqueserãoutilizadosnoprocessamento.Depoisdeprocessados,sãoregistradosdeformaefetivanoambienterealeapresentadosnateladodispositivomóvel,porexemplo.AoanalisaraliteraturaépossívelencontrardiversossistemasdeRAmóveiscompropósitosearquiteturasdistintas.

Inicialmente,pode-secitarostrabalhosde(Cheoketal.,2003;Tamuraetal.,2001)queapresentaramsistemasdeRealidadeAumentadamóvelbaseadosemcomputadorespessoais.Aideiainicialerareunirestesaparatosemcombinaçãocomtecnologiasmóveisemumamochilaparafacilitaramobilidadedousuárionoambiente.Emborainteressante,odesconforto,tamanhoeopesodos

equipamentoseramalgunsfatoreslimitantesdaproposta.

OutrasalternativasvieramcomaspropostasdousodePDAs(PersonalDigitalAssistant)(BarakonyieSchmalstieg,2006;Gausemeieretal.,2003)eUMPCs(UltraMobilePersonalComputer)(Peternieretal.,2007).Apesardeapresentaremresultadosmelhores,osPDAseUMPCseramumaalternativacommaiorcustoedificultavamousodaRealidadeAumentadamóvelpelalimitaçãodehardware.

Recentemente,ostablets(Lindneretal.,2014)eossmartphones(HellereBorchers,2015;Chenetal.,2015;Paavilainenetal.,2017;Juanesetal.,2014)têmsidomaisutilizadosemsistemasdeRealidadeAumentadamóvel.Emespecial,ossmartphonesseapresentamcomoumaplataformapromissoraparaodesenvolvimentodeaplicaçõesdeRealidadeAumentadamóvel.Pois,possuemaltopodercomputacional,sistemasdecomunicaçãosemfio,interfacesmultimodaisquepermitemainteraçãomaiseficiente,intuitivae,decertaforma,maisinteligente.Umfatorpositivoéqueatualmenteossmartphonesfazempartedocotidianodaspessoas,dispensandoousodenovosgadgets.Poroutrolado,osóculosdeRealidadeAumentadamóveis,oGoogleGlass(GoogleGlass,2017)eoMicrosoftHoloLens(Hololens,2017),porexemplo,podemserapresentadoscomoosúltimosavançosnacomputaçãomóvel.Apropostadeinteraçãocomosistemapormeioderecursosnaturais,utilizandocomandosporvoz,porexemplo,podefornecerumamelhorexperiênciaaousuário.

Atualmente,osóculosdeRealidadeAumentadamóveisnãosãomuitoacessíveisaopúblicogeraleamaioriadasaplicaçõesdesenvolvidasparaessesdispositivosaindaestãoemfasedepesquisas.

7.3.1NavegadoresdeRealidadeAumentada

Conformemencionadoanteriormente,ossistemasdeRealidadeAumentadamóveistradicionaispermitemcombinarinformaçõesvirtuaisaoambienterealutilizandoalgumtipodedisplaymóvelparavisualizaroambientemisturado.Assimsendo,osnavegadoresdeRealidadeAumentadaagregamosrecursosdaRealidadeAumentadamóveltradicionalcommétodosdegeoprocessamento,disponíveisnamaioriadosdispositivosmóveisatuais,paraobterascoordenadasespaciaisesobreporasinformaçõesvirtuaissobreaposiçãodesejadanoambientereal.

OsnavegadoresdeRealidadeAumentadasãocomumenteusadosemaplicaçõesqueexigemaidentificaçãodepontosdeinteresse,integraçãocomredessociais,visualizaçãodemídiasvinculadasàlocaisespecíficos,etc.

DiversasferramentasebibliotecaspodemserencontradasparadesenvolveraplicaçõescomnavegadoresdeRealidadeAumentada.OLayar(Layar,2017)eoWikitude(Wikitude,2017),sãobonsexemplosquepodemsercitados.

7.3.2ARCoreeARKit

ARCoreeARKitsãoplataformascriadasparaodesenvolvimentodeaplicaçõescomRealidadeAumentadaemdispositivosmóveis.DesenvolvidaspelaGoogleeApple,respectivamente,paraseremutilizadascomosuportenodesenvolvimentodeaplicaçõesnativasnossistemasoperacionaismóveisAndroideiOS.AmbasasplataformasforamlançadasrecentementeepossibilitamousodeRealidadeAumentadasemanecessidadedeumhardwareespecífico.

Asduasplataformascompartilhamdasprincipaiscaracterísticas,sendoelasorastreamentodemovimento,adetecçãodeplanoshorizontaiseaestimativadeluminosidade.

Orastreamentodemovimento,atravésdacombinaçãodeinformaçõesentreacâmeraeossensoresdemovimentododispositivo,permitequeobjetosvirtuaispermaneçamnomesmolugarmesmocomamovimentaçãododispositivo.Adetecçãodesuperfícieshorizontaisnomundo,atravésdaanálisedoschamadospontosdecaracterísticas,umacoleçãodepontosúnicosnormalmentepresentesemplanoshorizontais,permiteaalocaçãodeobjetosvirtuaisrespeitandoassuperfíciesexistentesnomundoreal.Eaestimativadeluminosidade,baseando-senailuminaçãodomundoreal,permiteailuminaçãodeobjetosvirtuaisdeacordocomailuminaçãodoambientecaptadopelacâmera,aumentandocomissoasensaçãodeimersão(ARCore,2017;ARKit,2017).

Porém,apesardeserembastantesemelhantesemrelaçãoàsfuncionalidades,existemdiferençasentreasduasplataformasnoquedizrespeitoasuportededispositivos.Atualmente,poucosdispositivosAndroidsuportamconteúdoscriadoscomARCore,sendoeles:GooglePixel,GooglePixelXLeSamsungGalaxyS8,emboraaGoogleestejaplanejandocontemplarumaamplavariedadededispositivoscomAndroidNougatouposteriorescomoamadurecimentoda

plataforma(GoogleVR,2017).

Poroutrolado,oARKitfornecesuporteparatodososdispositivosiOScomprocessadoresA9,A10eA11,contemplandotodososiPhonesapartirdo6s,todososiPadProeoiPad2017(ARKit,2017).EssadiferençanosuportesedevebasicamenteporcontadocontrolequeaApplepossuisobreseuhardware,jáqueporpossuircontrolenodesenvolvimentodaarquiteturadeseusprocessadoreselapodedesenvolversoftwareotimizadoequepoderáserexecutadoefetivamenteemseusdispositivos,enquantonãoexisteumapadronizaçãodehardwareentreosdispositivosAndroidquesãoproduzidospordiferentesempresas.

7.3.3AR.js

AR.jséumabibliotecaOpenSourceemJavascriptquepermiteacriaçãoeexecuçãodeconteúdoemRealidadeAumentadadiretamentenaWeb(AR.js,2017).AAR.jspossibilitaofornecimentodeconteúdosdeRealidadeAumentadasemanecessidadedeinstalaçãodequalqueroutrocomponente,efocanaotimizaçãoparaqueatémesmodispositivosmóveispossamexecutaressesconteúdosdeformasatisfatória.

Paraalcançarseusobjetivos,abibliotecaAR.jsutilizadiversosrecursosjáestabelecidosnoJavascript.Pararenderização3D,aAR.jsfazusodabiblioteca/APIThree.js,bastanteconhecidaeutilizadapordesenvolvedoresWebqueenvolvemconteúdosem3D.Paraapartedereconhecimentodemarcadores,aAR.jsutilizaumaversãodoSDKARToolKitcompiladodalinguagemCparaJavascriptcomocompiladoremscripten,podendocomissoutilizardiversasfuncionalidadesdoARToolkitdiretamentenaWeb.Alémdisso,aAR.jstambémfornecesuporteparaA-Frame,umframeworkWebparadesenvolvimentodeexperiênciasemRealidadeVirtual,oquepermiteodesenvolvimentodeconteúdodeRealidadeAumentadautilizandotagsHTML.

Porém,mesmoapresentandoresultadossurpreendentes,abibliotecaaindaestánosestágiosiniciaisdedesenvolvimentoeporisso,aindaapresentaalgunsdesafiosparaseremsuperados,comoporexemplos,aexigênciadenavegadorescomsuporteaospadrõesWebRTCeWebGLqueaindanãoforamimplementadosemtodososnavegadorese,apossibilidadedeutilizarapenasmarcadoresfiduciais,enquantooutrassoluçõesnativasjáfornecemsuporteàRealidadeAumentadamarkerless.

7.4Tendênciaseoutrasconsiderações

Otamanhodatela,precisãonalocalizaçãodousuário,qualidadedacâmeradevídeo,registro,comprometimentodaexperiênciadousuárioocasionadapelabaixavelocidadenatransmissãodedados,altoconsumodeenergiaeprocessamento,faltadememóriaegerênciadegrandevolumedeinformaçõespodemsermencionadoscomoalgunsdosprincipaisdesafiosencontradosaosedesenvolveraplicaçõesparaRealidadeVirtualeRealidadeAumentadamóvel.

UmadasmelhoresformasdedifundiraRealidadeVirtualeaRealidadeAumentadamóveléodesenvolvimentodeaplicaçõesqueoferecemexperiênciasoutdoorbaseadasnalocalizaçãodosusuários,comoporexemploemmuseus,parquestemáticosefestivais.Alémdisso,odesenvolvimentodeexperiênciasconvincenteserealmenteefetivaséquepoderãofazeradiferençaentreautilizaçãodeRVeRAmóvelsobumaspectodemodismooualgoquerealmentefaçasentido.

TantoaRVquantoaRAmóvelpodemseraplicadasemdiferentesáreasdoconhecimento.Alémdosjogoseentretenimento,elastambémpodemseraplicadasnamedicina,educação,treinamento,entreoutras.Apublicidadepreponderaàsaplicaçõesdesenvolvidascomfinscomerciais.

Éimportanteressaltarquenemsempreamelhorsoluçãoéousodeambientestridimensionaisparaavisualização.Emalgumassituações,asinformaçõesaseremvisualizadassãotãosimplesqueumaapresentaçãocomtaisrecursospodecomprometerobomentendimentodasinformações.Mas,semdúvidaasaplicaçõesdeRVeRAmóvelapresentamgrandespotenciaisepodemamplificarascapacidadesdaspessoasavaliareminformaçõestridimensionais,umavezqueflexibilizamaatuaçãodousuárionoespaçotridimensionalepermitemousodeinteraçõesmultimodais(KelnereTeichrieb,2008).

Opróximopassoéincrementaratecnologiacomnovoselementosecomportamentos(realidadefísica,inteligênciaartificialehumana)parafacilitarepotencializarainteraçãodousuáriocomosrecursosqueelenecessitanodiaadia.Estesambientespermitirãoqueosusuáriosreaisinterajamcomoutrosusuáriosremotamentelocalizados,bemcomocomobjetosouformasdevidasimagináriasouartificiais,geradosporcomputador,emum“mundomisturado”.Cadausuáriopoderáenxergaroquelheinteressa,deacordocomseuperfilousuanecessidade,einteragircomosobjetosouavatares,deformaatersuas

necessidadessatisfeitas.

ARVeRAmóvelcominterfacesinteligentessãocapazesdeseadaptaradiferentestiposdeusuários,fazendocomqueosmesmospossamreorganizarosmódulosapresentadosnainterfacedaformaqueacharmaisagradávelparaseuuso.Elassãoartefatosquevãoreconhecerosobjetivosemetasdosusuáriosesabercomoatingi-los.Tambémserãomaistolerantesaerros,oferecerformatosagradáveis,proverumainteraçãomaisnaturalaosusuários,assimcomo,empregarosrecursosdeInteligênciaArtificial,afimdefacilitaroseuuso.Ainteligênciadasinterfacesfaráossistemasseadaptaremaosusuários,tirarsuasdúvidas,permitirumdiálogoentreousuárioeosistemaouapresentarinformaçõesintegradasecompreensíveisutilizandováriosmodosdecomunicação.

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Capítulo8-AmbientesvirtuaisonlineFabianaCecin

FábioA.C.Modesto

EstecapítuloofereceumaintroduçãoaosuporteaAmbientesVirtuaisDistribuídos(AVDs),ondeváriosusuárioshumanoscompartilhamdeummesmoespaçooumundovirtualatravésdasincronização,viaredesdedados,entreosdispositivoscomputacionaisdestesparticipantes.OsAVDsincluemtodasasaplicaçõesdeRealidadeVirtual(RV)eRealidadeAumentada(RA)distribuídas,comváriosparticipantesemdispositivosdistintosquesãointerconectadosporumarede.

EstecapítuloforneceumaintroduçãoàimplementaçãodeAVDsemarquiteturascliente-servidorparaaInternetAsSeções8.2,8.3e8.4oferecemumaintroduçãoconceitualaotema.ASeção8.5concluiocapítulo,revisandoalgunsframeworksdesenvolvidosparasuportarexplicitamenteAVDsdeRealidadeVirtual(RV)eRealidadeAumentada(RA).

8.1Introdução

Provavelmente,oexemplomaisconhecidoepopularatualmentedeespaçosemundosvirtuaisdistribuídossãoosjogosonlinemultijogador,ondeváriosusuárioshumanosgeograficamentedispersosutilizamdedispositivoscomputacionaisconectadosàInternetcomocelulares,tablets,desktops,laptops,consoleseoutrosparainteragirememumambientevirtual3Dcompartilhado.Osjogosonlinemultijogadorclássicos,maiscomuns,apresentamparacadaparticipanteumavisãográficadeumambientevirtual,geralmenteem3Deemumatelaplanacomoadeumcelular,monitoroutelevisão,ecapturamasintençõesdoparticipanteatravésdeteclados,mousesejoysticks.Apesardestaserumavisãosimplificadadosjogosonline,elacapturaumperfildeaplicaçãobemcomumnaindústriaemercadodejogos,eéumperfilquepodeserenquadradocomoumexemplodeaplicaçãodeRVdistribuída.Osuportederededisponívelajogosonlinemultijogadoré,naprática,abasedosuportederedeaaplicaçõesdeRVdistribuída.

Defato,jogosonlinemulti-jogadorsãoumtipodeaplicaçãodeAmbientesVirtuaisDistribuídos(AVDs),conceitoqueenglobatodootipodesimulaçãodistribuídaeinterativadeumambientevirtualcompartilhadoporváriosusuários.ApesquisaemAVDsorigina-sehistoricamentenapesquisaemsimulaçãointerativaemredecomváriosparticipantesparatreinamentosesimulaçãodeexercíciosmilitares.OprimeiroAVDconstruído,oSIMNET(SimulatorNetworking)(Miller,2015)era,basicamente,um“jogosério”,multijogador,emrede,paratreinamentomilitar,eosconceitosetécnicasutilizadasnoSIMNETeemseussucessores,comodead-reckoningefiltragemporáreadeinteresse,foramadotadaspelosmotoresderededosjogosonline3Dcomavataresparamelhoraraconsistênciavisualdasinteraçõesentreosjogadoresereduziralarguradebandautilizadaparaasincronizaçãodasváriasversõesdomundovirtualquesãomantidaspeloscomputadoresdosparticipantes,interconectadosporredeslocaisoupelaInternet.

Em2017houveumrenovadointeressedomercadodetecnologiaemaplicaçõesdeRVeRA.Inovaçõestecnológicassignificativasemequipamentosdeinterfacehomem-máquinaestãotantoaumentandoafidelidadeecapacidadedeimersãodestesequipamentosquantobaixandoseuscustosdeprodução,tornandocadavezmaisplausívelaadoçãoemmassadeaplicaçõesdeRVeRA.MuitasdestasaplicaçõesserãoAVDsnaInternetquenecessitarãodebaixalatênciadecomunicaçãoealtalarguradebandaparainterconectartodososusuários,oqueimpõedesafiosparaapesquisaedesenvolvimentoemredesenainfraestruturadaInternet(Westphal,2017).

IndependentementedecomoaInterneteastecnologiasderedesdedadosirãoevoluirnospróximosanos,éprovávelqueosAVDsdeRVeRAsigam,nasuamaioria,asarquiteturascliente-servidor,quesãoasoluçãodedistribuiçãomaisadotadaparaosjogosonlinenaInternet,quesãooexemploatualdesimuladoresinterativosdistribuídoseservemdereferênciaparaasvindourasaplicaçõesdeRVeRA.Portanto,naspróximasseções,iremoscobrirostemasdesuporteàdistribuiçãodesimulaçãointerativacomfoconassoluçõescliente-servidor,concluindoocapítulocomumarevisãodealgunsframeworksdisponíveisquesuportamaconstruçãodeaplicaçõesdeRVeRAdistribuídas.

8.2Simulaçãodistribuídainterativa:conceitosbásicos

OSIMNETfoioprimeirosistemadesimulaçãodistribuídadeuma“realidade

virtualcompartilhada”(Miller2015)desenvolvidoapartirde1983nosEUAparapermitirquesoldadosdoexércitopudessemsertreinadosemsimuladoresdecombate.AntesdoSIMNET,jáexistiamequipamentosindividuaisparasimulaçãodeveículoseaviõesdecombateemmundosvirtuais3D.AinovaçãodoSIMNETfoiautilização,pelaprimeiravez,decomunicaçãoemredeentreosváriossimuladores3Dgeograficamentedispersos,colocando-ostodosemsincronia,emtemporeal,participandodeumaúnicaRVcompartilhada.OsistemaSIMNEToriginouoprotocoloDIS(DistributedInteractiveSimulation)(Fullford,1996)queporsuavezfoisucedidopeloHLA(High-LevelArchitecture)(Kuhl,1999).TantooDISquantooHLAsãopadrõesmantidospelaIEEE.

ÉnotávelqueasoluçãogeralutilizadapeloSIMNETpodeserútilhojeparaqualquernovoprojetodeAVD,compoucasmodificações.UmsimuladorSIMNETindividualeraumequipamentodotipo“arcade”comváriastelasequerepresentavafisicamenteointeriordeumveículomilitarterrestreouaéreo,queconectava-seaumaredelocalondedezenasoucentenasdeoutrosequipamentossimuladorestambémestavamconectados.Alémdisso,umaredelocaldesimuladores,queconstituíaumsítiodetreinamento,comunicava-secomváriosoutrossítiosgeograficamentedispersosatravésdemodems.Quandoumusuáriointeragiacomomundovirtualcompartilhadoatravésdecomandosenviadosaoseuequipamentosimulador,estasinteraçõestornavam-semensagensdebroadcastparaasuaredelocale,dependendodeumalógicaderelevânciaedepriorização,poderiamserenviadastambémparaasredesdesítiosremotos.Quandoumcomputadorsimuladorlêumamensagemquechegapelarede,eleécapazdesaberoqueosoutrossimuladoresestãofazendonomundovirtual,eportantopodeatualizaroseumodeloemmemóriae,consequentemente,asuavisãolocalsobreoestadodestemundovirtualcompartilhado.Oterrenodomundovirtualéimutávelepreviamentedistribuídoentretodososparticipantes,oquereduzdrasticamenteautilizaçãodosrecursosdaredeparamanterosváriosmodelosemmemóriadomundovirtualsincronizadas.

Destaforma,oSIMNETfoi,naprática,oprimeiroexemplodeumjogo3Dmultijogadoremredeeemtemporeal,utilizandoumaarquiteturadistribuídasemservidores(distributedserverlessarchitecture)(Fujimoto,2000).Estaarquiteturasimples,praticamentesemumahierarquiadecomunicaçãoentreossimuladores(baseadaemumprotocolobroadcast),serviuparaatarefadesimulaçãomilitardevidoemparteaofatodetodososparticipantesconectarem-seporumaredeprivada.Porém,aarquiteturamaiscomumparaadistribuiçãoda

simulaçãodemundosvirtuaispelaInternetsetornariaaarquiteturacliente-servidor,popularizadaatravésdofenômenodosjogosonlinemultijogadorqueseproliferaramapartirde1996comojogoonlineQuake(1996).

Emumaarquiteturacliente-servidor,osdispositivoscomputacionaisqueparticipamnasimulaçãodomundovirtualparaosusuáriossãodivididosemduascategorias:clienteeservidor.Cadaclienteconecta-seaumservidor.Osclientessãoresponsáveisporenviarconstantemente,emtemporeal,oscomandosemitidospelojogadorlocalaoservidor.Oservidor,porsuavez,mantémosclientesconectadosaeleconstantementeatualizadossobreoqueestáacontecendonomundovirtualatravésdoenviodemensagensdeatualização.Estasmensagenspodemsercompostasdeváriasformas,desdesimpleslistasdecomandosenviadospelosoutrosjogadores(sendooservidorummerodistribuidordemensagens)atédescriçõescompletasdoestadocorrentedomundovirtual,namedidaemqueoservidormodificaoseumodeloautoritativodomesmocombasenoscomandosquerecebedetodososparticipantes.

Casohajaapenasumservidorcentral,aarquiteturadosistemaéditacliente-servidorcomservidorcentral.Casocontrário,éumaarquiteturacliente-servidorcomservidoresdistribuídos(Fujimoto,2000).Naprática,amaioriadosmundosvirtuaiscomerciais,quandoseutilizamdeservidoresdistribuídos,conectamestesporredeslocaisoudedicadas.esseéocasodamaioriadosjogosonlinemassivamentemultijogador(massivelymultiplayeronlinegames,ouMMOGs),comooEverquest,WorldofWarcraftemuitosoutros(Cecin,2015).

Aprincipalvantagemdaseparaçãoentreclienteseservidoresemumasimulaçãodistribuídaéasimplificaçãodoproblemadadifusãodeeventosedesincronizaçãodasimulação:oservidor(ouservidores)é(ousão)aautoridadefinalsobrequaiseventosocorreramnasimulaçãodomundovirtual,quandocadaumocorreueemqualordem.Destaforma,oladoservidordarededesimulaçãodistribuídainterativacentralizaoproblemadeordenamentodeeventosededeterminaçãodoestadooficialdomundovirtual.Adesvantagemprincipaldestacentralizaçãoéademandacomputacionaledecomunicaçãocolocadanoladoservidor,poisosservidoresprecisamrecebereprocessaroseventosinterativosgeradosportodososclientesconectadosnasimulaçãoe,namedidaemqueomundovirtualémodificado,osservidoresprecisamconstantementeenviarmensagensdeatualização,vistoquecadaclientenãotemcomosaberoquetodososoutrosestãofazendoe,portanto,éincapazdesincronizarsuasaçõescomeles.

Naprática,oparadigmacliente-servidordominoucompletamenteaimplementaçãodemundosvirtuaissobreaInternetExistemjogosonlinemultijogadorqueoperamdeforma“par-a-par”(Peer-to-Peer,distribuída,semservidoresdedicados)(Lyncroft,1999;Bettner,2001)emuitapesquisafoidedicadaàconstruçãodemundosvirtuaismassivosqueoperamparcialmenteouatémesmototalmentesemservidores(Cecin,2015),masatéagoraosAVDsquesebaseiamnaarquiteturapar-a-parcapturaramapenasumapequenaminoriadosusuários.

Napróximaseção,seráanalisadaaconstruçãodeumprotocolodecomunicaçãoentreclienteseservidores,paraummundovirtualquesuportaváriosclientesconectadosaapenasumservidorque,porsuavez,centralizatotalmenteoprocessodeordenamentodeeventosedeatualizaçãodoestadodomundovirtualdeformadefinitiva.Jáaseçãoseguintefazumabreverevisãodasalternativasparadistribuiçãodatarefadesimulaçãodeummesmomundovirtualentreváriosservidores.

8.3SincronizaçãoentreclienteeservidordeumAVD

Deformaabstrata,ummundovirtualinterativoéumaestruturadedadoscompartilhadaentreosváriosprocessosqueinteragemcomessemundo.Naprática,seobservarmososexemplosconcretosdemundosvirtuaisjáimplementados,podemosperceberqueestesdealgumaformamodelamaexperiênciainterativacomomundoreal.Porexemplo,umdoselementosdemodelagemdemundosvirtuaisinterativosrecorrenteséoavatar,queébasicamenteopontodevistadousuáriodentrodeumambientegráficovirtual.Adicionalmente,emmuitasaplicações,oavatardeumusuáriohumano,dentrodeummundovirtual,éumhumanóideououtracriaturacomumcorpoequeselocomovesobrearepresentaçãodeumterreno.EmAVDscomavatareseterrenos,épossívelumparticipantehumanoobservaramovimentaçãodoscorposdosoutrosavatares,controladosporoutroshumanos,atravésdopontodevistatridimensionaldoseupróprioavatar,emtemporeal.

Nestaseção,descreveremosoprojetodeumprotocolocliente-servidorparaumAVDhipotéticoondecadaparticipantepodecontrolaroseuavatarsobreumterrenovirtual3Dcompartilhado.Alémdisso,consideraremosque,nestaaplicação,háaregradequeocorpodedoisavataresnãopodemocuparomesmoespaçosimultaneamente.EstadescriçãodeumAVDbastantesimplesé

suficientementerepresentativadosprincipaisproblemasenfrentadosnosuportederedeededistribuiçãodeambientesvirtuaisinterativos.

VistoquecadaclienteemumAVDcliente-servidorcontrolaoseupróprioavatar,énecessárioqueoscomandosdemovimentaçãodoavatardeumclientesejapercebidopelosoutrosclientes.Alémdisso,comandosconflitantesprecisamserresolvidos,comoquandodoisclientesdesejammovimentarseusdoisavataresparaocuparemomesmoespaçonomundovirtual(assumindoqueistonãosejapermitidonestemundovirtualhipotético).Adisseminaçãodainformaçãodemovimentaçãodosavataresdecadacliente,bemcomoaresoluçãodeconflitosdecorrentedasmovimentações,éderesponsabilidadedoservidorque,noexemplodeprotocoloqueiremosconstruir,seráumúnicoprocessocentral.

Oexemploqueserádesenvolvidonestaseçãoéparaaplicaçõesnão-competitivas,tambémconhecidascomoAmbientesVirtuaisColaborativos(AVCs),aplicaçõesdetele-presençaoujogoscooperativos.Parajogoscompetitivos,existemoutraspreocupaçõesdesegurançaquenãoserãotratadasnestaseção,vistoqueopresentefocoéemaplicaçõesdeRVeRAemgeral.

8.3.1UmprotocolobásicoparaAVDscliente-servidorbaseadosemavatares

AFigura8.1ilustraumprotocolodesincronizaçãobásicoparaumAVD.Cadaclienteenviaaoservidor,comalgumaregularidade(porexemplo20vezesporsegundo),umamensagem(porexemplo,emumpacoteUDP/IP)queinformaoestadodosdispositivosdeentradadoclientecomo,porexemplo,seoclienteestácomumacertatecladirecionaldemovimentopressionadaounão.Oservidor,deformasimilar,realizaumpassodesimulaçãodoseuestadoautoritativodomundovirtualdeformaregular(porexemplo20vezesporsegundo).Oclientepodetentarsincronizarseurelógioaodoservidor,mascadaprocessodaredecomputaosintervalosdeenviodemensagensedecomputaçãodepassosdesimulaçãoutilizandoasuapróprianoçãodetempolocal.

Figura8.1:ExemplodeprotocolobásicoparaAVDscliente-servidor.

Quandooservidorexecutaumpassodesimulação,eleutilizaainformaçãomaisrecentequepossuisobreoestadodosdispositivosdeentradadecadajogador,eexecutaestecomandosobreacópiaautoritativadoavatardecadajogador.Istoé,seaatualizaçãodocomandodeumjogadornãochegaatempodeserconsideradaparaopróximopassodesimulaçãodoservidor,oservidorirárepetiroúltimocomandorecebidoparaaquelejogador.NonossoAVD,casoumjogadorestejacomandandooseuavatarparaocuparomesmoespaçoqueumobstáculosólido,comoumaestruturadoambienteououtroavatar,ojogadorsimplesmentenãosemovenaquelepassodesimulação.

Finalmente,quandooservidorterminadecomputarcadapassodesimulação,eleenviaumamensagem(porexemplo,umpacoteUDP/IP)quecontémaposiçãoatualdecadaavatarparatodososclientes.Istoé,seojogopossuiNclientesconectados,cadaumcontrolandoumavataremtemporealnomesmoambientevirtual,oservidorenviaumamensagemdetamanhoO(N)paraNclientes,paraumcustototaldecomunicaçãodeO(N^2).Ocliente,quandorecebeumamensagemdeatualizaçãodoservidor,simplesmentemovetodasascópiasdosavatareslocaisparaasposiçõesinformadaspeloservidor.

8.3.2Filtragemporinteresse

UmadasmaneirasdesemitigarocustoO(N^2)deenviodeatualizaçõesdoservidorparaosclienteséatravésdafiltragemporinteresse[Morse1996],quereduzotamanhodospacotesenviados.Aoinvésdoservidorenviar,emumpacotedeatualização,Nposiçõesatuaisdetodososavataresparaumdeterminadocliente,oservidorenviaapenasasposiçõesdosavataresqueestãopróximosevisíveisaoavatardaquelecliente.

Figura8.2:ExemplodefiltragemporinteressenoservidoremumAVDcliente-servidorcom4clientes.

AFigura8.2mostraumexemplodefiltragemporinteresseemummundovirtualsimplificadocomquatroavatarescontroladosporquatroclientesdistintos.Nestafigura,oavatarlistradoestáatrásdeumaparedeenãoérelevanteparanenhumoutroavatare,similarmente,nenhumoutroavatarestáinteressadonoavatarlistrado.Oavatarcinzaestáentreosavataresbrancoepreto,eportanto,eleérelevanteaestes,eestessãorelevanteaele.Ocírculopontilhadorepresentaaáreadeinteresse(Bezerra,2008)doavatarpreto,eéutilizadaparadetectarqueoavatarbrancoestámuitolongedoavatarpretoparaserrelevanteaele.Umfiltrodeáreacomoesteéútilemambientesvirtuaisdelargaescalapoispoupaaexecuçãodeoutrosfiltrosmaisrefinadose,portanto,maiscaroscomputacionalmente.

Afiltragemporinteressepodeserseguidadeumapriorizaçãoporrelevância(Frohnmayer,2000).Porexemplo,seumclientenãotemlarguradebandasuficienteparareceberumaatualizaçãoparatodososavataresnosquaisestaria,emprincípio,interessado,oservidordeveescolher,apósumpassodesimulação,quaisatualizaçõesenviarparaestecliente.Porexemplo,seumclienteestácercadoporNavatares,massótemlarguradebandaparareceberatualizaçõesdeN/2avataresporpassodesimulação,oservidorpodeenviaratualizaçõesparaosprimeirosN/2avataresnospassospares,eparaosN/2últimosavataresnospassosímpares.Ocliente,então,consegueacompanharamovimentaçãodetodososNavataresquecercamoseuavatarcommetadedaqualidadedeserviço.

8.3.3Extrapolaçãodemovimentos

Ataxadepacotesenviadospeloservidoraoclienteemjogosonlineésignificativamentemenordoqueataxadequadrosporsegundoqueumamáquinaclientepodeapresentaremumatelaaojogador.Porexemplo,umamáquinaclientepodeexibir60quadrosgráficosporsegundoaojogador,aopassoemqueapenasrecebe20atualizaçõesporsegundodoservidor.Nestecaso,eseguindoonossoprotocolodeexemplo,oclienteapenasiriaredesenharamesmatelatrêsvezesentreorecebimentodeduasatualizaçõesconsecutivasdoservidor.Istoé,ojogadorhumanoiriaperceberapenas20quadrosgráficosdiferentesporsegundo,oquequebraailusãodeimersãonomundovirtual.

UmatécnicaimportanteelargamenteutilizadadesdeoprimeiroAVD,oSIMNET,éatécnicadeextrapolaçãolocaldeatualizaçõestambémconhecidacomodeadreckoning.Aidéiacentraldaextrapolaçãodeatualizaçõeséadeatualizaroestadodosobjetos“fantasmas”locaisaoclientedeformaindependentedassuascópias-mestras,autoritativas,mantidaspeloservidor.Emoutraspalavras,aoinvésdoclienteredesenharumatelagráficaquemostraomesmoestadodomundoaojogador(quandoaindanãochegaramnovasatualizaçõesdoservidor),oprocessoclienteextrapolaoestadodomundoatualdeformaproporcionalaotempoquepassou(deacordocomorelógiolocaldocliente)desdeaúltimaatualizaçãorecebidadoservidor,eentãodesenhaestaestimativanatelaparaojogadorhumano.

Emgeral,aextrapolaçãodeatualizaçõeséutilizadaparaposiçõesdeobjetosremotos,eporissoéfrequentementereferidacomo“extrapolaçãodemovimento”.Afunçãodeextrapolaçãodemovimentosé,emgeral,umaequaçãobalísticasimplesqueassumequeoúltimovetordevelocidaderecebidoparaumobjetoremotopermanececonstante.Aposiçãoextrapoladadeumobjetoécalculadabaseadanaúltimaposiçãoevelocidadeconhecidadoobjetoremoto(recebidanamaisrecenteatualizaçãodoservidorqueacontinha).Comumpoucodesorte,asextrapolaçõesexibidasaojogadorestarãocorretaseosquadrosgráficosadicionais,geradoslocalmente,preenchemperfeitamenteadeficiênciadefluidezgráficaedeimersãodeixadapelasatualizaçõesdoservidorfaltantes.

Figura8.3:Exemplodeextrapolaçãodeposiçãodeumavataremmovimentoretilíneouniforme.

AFigura8.3mostraumcenárioidealondeavelocidadedeumavatarremotosemantémconstanteentreduasatualizaçõesderedequechegamcom50msdediferençanocliente.Oexemplomostraoestadodojogoevoluindonocliente,otempoatualnoclienteeondequeoquadromostradoaojogadorcorrespondeaumaatualizaçãodoservidore,ondeelaéumaextrapolaçãocomputadalocalmente.Nesteexemploideal,oclienteestáatualizandoatelagráficaaumataxaconstantede60quadrosporsegundo,eoservidorestáenviando20atualizaçõesporsegundoaocliente.Portanto,existemdoisquadrosextrapoladosentrecadapardeatualizações“oficiais”informadaspeloservidor.Parasimplificar,oexemploilustraumúnicoavatarmovendo-seemumplanounidimensional.

Adesvantagemdestatécnicaéqueelafalhaquandoaextrapolaçãodesviadoqueécalculadopeloservidor.Paraumaextrapolaçãobalísticadeposição,istosignificaqueoclienteerraquandooobjetomudaoseuvetordevelocidadenoservidor.Acorreçãovisualdeumaextrapolaçãolocalerrôneaparaaposiçãoautoritativainformadapeloservidorpoderompercomasensaçãodeimersãodojogadorseacorreçãodaposiçãoforvisualmenteextrema.Paraminimizaresseproblema,muitosjogos3Dmultijogadorlimitamaquantidadedetempoemqueextrapolaçõeslocaissãofeitaspara100ms(Bernier,2010)ou250ms(ValveSoftware,2009).Ouseja,emtermosdeconsistênciavisualeusabilidade,épreferívelqueocliente“congele”aimagemdomundovirtualquandoaconexãoaoservidorétemporariamenteinterrompida,doquecontinuarumaextrapolaçãolocalpormaisdoque10ou20quadrosdeanimaçãolocal.Aextrapolaçãolocaldeatualizaçõesfuncionamuitobemparaeconomizaralarguradebanda(eo

processamento)doservidoreparasuavizaroimpactovisualdepequenosatrasoseperdasdepacotespelarede,masnãodeveserutilizadaparacompensarcongestionamentosgravesouperdasdeconexão.

8.3.4Prediçãolocaldemovimentos

Paracomplementaronossoprotocolobásicocliente-servidorparaAVDs,adicionaremosprediçãolocaldemovimentosparaoavatardoclientelocal.Aoinvésdeapenasenviaroestadodosdispositivosdeentradalocaisaoservidor,oclienteinterpretaestescomandoslocalmenteeosexecutasobreaprópriacópia“fantasma”(local)doavatarcontroladopelojogadorlocalantesdedesenharcadaquadrográficolocalmente.

Estaéumamodificaçãoconceitualmentesimplesmas,naprática,podeinduzirumacomplexidadeadicionalnoladocliente,poisoclienteprecisarespeitarasmesmasregrasqueoservidorrespeitaquandotraduzoscomandosdeentradadosjogadoresnasimulaçãodasregras“físicas”domundovirtualsobreosseusavatareseoambientevirtual.Porexemplo,oclienteprecisarásimularaaceleraçãoeaanimaçãodoavatar,seconsiderarmosqueomovimentodosavatareséminimamenterealista,possuindoinérciaeaceleração,equeoavatardojogadorpossuianimaçõesquesãoumafunçãodasuadireçãoeaceleração.Antesdestamodificação,oclientepoderiasimplesmentereceberainformaçãodequalquadrodeanimaçãoexibirparacadaavatardurantecadaatualizaçãoderede,eselimitarafazerumasimplesextrapolaçãodeposiçãobalística,comodescritonaSeção8.3.3.

Oresultadodestamodificaçãoéqueojogadorpercebeoresultadodosseuscomandosimediatamente.Semprediçãolocaldemovimentos,ojogadorprecisaesperar,nomínimo,oatrasodecomunicaçãodoclienteaoservidor,paraoenviodocomando,eoatrasodecomunicaçãodoservidoraocliente,parareceberoresultadodocomando.Praticamentetodososjogosonlinemultijogadorseutilizamdestatécnica,sendoqueumaexceçãonotáveléojogoQuake[Quake1996],quefoiumdosprimeirosjogos3DonlinemultijogadornaInternetOimpactodaausênciadeprediçãolocaldemovimentosfoitãograndequemotivouodesenvolvimentodeumnovoprotocolocliente-servidorparaomesmojogo,quefoilançadonoanoseguintecomonomedeQuakeWorld(Sanglard,2009).

8.4SincronizaçãoentreservidoresdeummesmoAVD

Emmundosvirtuaisondeumaúnicamáquinaservidoranãoconsegueprocessarasimulaçãoparatodososjogadoresconectados,comoéocasodosjogosonlinemassivamentemultijogadorcomcentenasdemilharesdeusuáriossimultâneos,sefaznecessáriaumaestratégiaparadistribuirafunçãodesimulaçãodoladoservidordaredeemmúltiplasmáquinas.Paratal,osimuladorprecisaserdistribuídoemváriosprocessoslógicosquecooperamportrocademensagensequepodemexecutaremmáquinasservidorasdistintas,ealgumalgoritmodesimulaçãodistribuídainterativaprecisaseradotado(Fujimoto,2000).Emgeral,assume-sequeestasmáquinasestejaminterconectadasporumaredelocalou,nomínimo,umaredededicadaquecauseomínimodeatrasonatrocademensagens.

Figura8.4:Particionamentodeummundovirtualemcélulascontíguasparasimulaçãodistribuída.

Umamaneiradesedistribuiroestadodeumúnicomundovirtualgráficoemváriosprocessossimuladoresdeformatransparenteéodeespacialmentedividiroterrenoouespaçodestemundovirtualemcélulasouzonascontíguas,comoilustradonaFigura8.4,reservando-seumprocessológicoparacadaumadessascélulas.Cadaprocessológicoficaresponsávelpelasimulaçãodosobjetoslocalizadosnasuacélula.Quandoumobjetosemovimentaalémdafronteiradesuacélulaatual,aresponsabilidadesobreomesmoétransferidaparaoprocessosimuladordarespectivacéluladedestino.Quandoobjetoshospedadosem

diferentescélulasestãosuficientementepróximosnomundovirtualparainteragirem,ainteraçãoéresolvidacooperativamentepelosprocessossimuladoresdasduascélulasenvolvidas.

Umdosproblemasdeumaabordagemdedivisãodomundovirtualemcélulassãoasconcentraçõesdeobjetosinterativos,principalmentedeavataresquerepresentamavisãodeclientesconectadosequegeramtráfegodecomandosedeatualizaçõesentreosservidoreseosclientes.Casoumacélulafiquesobrecarregadadetarefasdesimulaçãodevidoaoacúmulodeobjetoseavatares,oespaçodestacélulapodeserdinamicamentedivididoemduasoumaiscélulasnovas.Jáquandoduasoumaiscélulasadjacentessãosubutilizadas,elaspodemsercombinadasemumaúnicacélula,liberandorecursoscomputacionais.

Existemoutrasmaneirasmaissimplesdeseproveracessoamundosvirtuaisonlinequenãorequeremoempregodesimulaçãodistribuídainterativaemtemporealnoladoservidor.Defato,aprimeiraestratégiadeescalabilidadeadotadapelosjogosonlinemassivamentemultijogadorfoiadosimplesparticionamento.Nestaestratégia,asimulaçãodomundovirtualéliteralmentedivididaemváriasmáquinasservidoras.Cadaservidorexecutaumasimulaçãoisoladadeumapartiçãodomundovirtual,epodeservista,naprática,comoummundovirtualàparte.Quandoumclientequermoverseuavatardeumapartiçãoaoutra,énecessárioqueapartiçãodedestinopossuacapacidadepararecebê-lo,docontrárioalocomoçãoérejeitadapeloservidordedestino.Seaaplicaçãoespecíficadeummundovirtualpermiteoseuparticionamento,estaéaestratégiamaisrecomendadadevidoàsuarelativasimplicidade.

8.5Frameworks

8.5.1StuiertubeES

OStuiertubeES(STES)(Mullonietal.,2008;SchmalstiegeWagner,2007)éumainiciativadoInstitutodeComputaçãoGráficaeVisãodaUniversidadedeGraz(Áustria).EleéumframeworkdestinadoaaplicaçõesdeRAparadispositivosportáteis,sendocriadoemmeadosde2006,implementadoemC++tendosuaúltimadistribuiçãoestávelStuiertubeES4.4(2008).

STEStrabalhaemplataformalivre(windows,windowsceesymbian)evoltadoparamanipulaçãodegráficos,vídeos,rastreamento(detecçãoeestimativade

poses),armazenamentopersistente,sincronizaçãomultiusuárioeautoriadeaplicações.OutrosatributosimplementadosepertinentesaRAimplementadossãomarcadoresderastreamento,carregamentodemodelosegrafodecena(xml)possibilitandoodesenvolvimentodegamesdeRAinclusive(Mullonietal.,2008;Xuetal.,2008).NaFigura8.5estáaabstraçãodecamadasdoSTES(SchmalstiegeWagner,2007).

Figura8.5:AbstraçãoemcamadasdoSTES

Oprocessamentodeaplicaçõeséfeitodeformanativaemcadadispositivoportátiloquetornaarbitráriaaescalaeinfraestruturaaplicadaaquantidadedeusuários.Possuiumcomponenteservidorquepossibilitaaplicaçõesmultiusuárioatravésdecomunicaçãorealizadaporredewireless.

Oservidorédenominado"Muddleware"econstituídoportrêspartes(SchmalstiegeWagner,2007):

1. BancodeDadosdeMemóriaMapeada;2. Componentesdecomunicaçãoderedecomclientes,e;3. Componentedecontrolequeédescritocomoumamáquinadeestado

finitos.

AFigura8.6ilustraaimplementaçãomultiusuáriodoSTEScomaimplementaçãodeumservidorusandoMuddle.NafiguraestãorepresentadosnclientesemcadaumdelescomSTESenoCliente1umamacrovisãodainteraçãodoSTEScomMuddle.ComotodoclienteSTEStemumclienteMuddle(Figura8.6)paraquehajaainteraçãocomservidortrabalhandocommensagensnopadrãoXMLentreclienteeservidorparasincroniajáqueemcadaclienterodaumaréplicadaaplicação.

Figura8.6:InterfaceentreclienteeservidornoSTES

OXMLfoiutilizadoparaterheterogeneidadeentreinfraestruturaedispositivosquesefaznecessárioparaRAequenãofoiconseguidonoiníciodoframeworkutilizandoSQL.TambémosautoresoptarampeloXMLporpermitiracriaçãodecoleçõesestruturadasdedados,validaçãoeapresentarmanutençãodecódigoaberto.TambémseencontrounoXpathumalinguagemdeconsultaqueforneceexpressividadeevelocidadedeperformance.

Exemplo-EnigmaRallygame

NoEnigmaRally(WagnereSchmalstieg,2007)cadajogadorusaumPDAparainteragirexposiçõesprédeterminadasdomuseuqueestãoguarnecidascomrecursosdeRA,dandoumnovoenfoqueàsamostrashistóricasdomuseu.Porexemplo,osjogadorespodemusarumlocalizadorderádiodeguerramundialoriginalpararastrearegravarumsinalderádiodeumamaneirasimilaraoquefoifeitonaqueletempo.Aexposiçãopossuemdispositivosdeinteraçãomanualcomoumcontroladorrealdecódigomorsequeconectadoaumcomputadorinterfaceadoaojogo(Figura8.7):

Figura8.7:InfraestruturadoEnigmaRallygame(WagnereSchmalstieg,2007)

Ospontosdeverificaçãodaequipedisponibilizaçãoomapasdotrajetoinseridonamecânicadojogoedadosestatísticodaperformancedaequipe.MastambémagregaoservidordojogoformadopelobancodedadosemXMLecontroladodoMuddleware.Elereageaeventosdeterminadosnobancodedados,comodesbloquearnovospontoschavesassimqueantecessoresforemconcluídos.AteladoterminalfoiconcebidaatravésdeumaaplicativoFlashesua

comunicaçãocomservidoratravésdeummódulogatwaylash-Muddleware.

8.5.2DistributedWearableAugmentedRealityFramework

ODistributedWearableAugmentedRealityFramework(DWARF)forneceserviçosdistribuídos,quepodemser:rastreamentodeposicionamento,renderização3D,entradasousaídasmultimodaise,modelagemdetarefasdousuário.Osserviçossãorealizadoscomoprocessosouthreadsindividuais,executadosemdiferentescomputadoresmóveiseestacionárioseseconectamdinamicamenteusandoredescomousemfio(Baueretal.,2003)

TomandoestaimplementaçãosetemaflexibilizaçãoparaconstruçãodeaplicaçõesdeRAemambientesdecomputaçãoubíquas.Exemplosquecorroboramcomoimplementaçãopodemserencontradosem(Klinkeretal.2002;Macwilliamsetal.,2000;Sandoretal.,2002)eutilizamentre10a50serviços.Osserviçosforamconcebidosparaquetivessemreconfiguraçãoemtempodeexecuçãooqueconcedeflexibilidadeaousuário,oquepodeserfrisadoporexemplo,pelosserviçosdeinteraçãomultimodalusandodispositivosdeinteraçãodinamicamenteescolhidoseumsimplesserviçoderecalibraçãodemarcadordetempodeexecução.

OsserviçossãogerenciadosporummiddlewarebaseadoemCORBA,osnósdeumaredeDWARFtêmumgerenciadordeserviço(nãoexistindoumcomponentecentral)econtrolamosnósdeserviçolocalemantémseusdescritores.Eelescooperamentresiparaestabelecerconexõesentreserviços.Oconceitodenecessidadesehabilidadeséusadoparadesignaroqueosserviçosirãooferecerereceberdeoutros.Estarelaçãoculminanumaconexãoentreserviçosqueseráconfiguradapelosgerenciadoresdeserviçosdistribuídos.Aistosedánomede"habilidades",porexemplo,osdadosquedescrevemaposiçãodemarcadoresópticos.Dentrodeumserviçopodeexistirváriashabilidades,comoumrastreadorópticoquepoderastrearváriosmarcadoressimultaneamente,porexemplo(Baueretal.,2003).

Quandoumafuncionalidadeésolicitadaporumserviçoaoutro,sedáonomede"necessidade",porexemplo,umrastreadorópticoprecisadeumaseqüênciadevídeoedescritoresdosmarcadoresqueeledevedetectar.Cadagerenciadordeserviçoscooperacomoutrosnaredeparaconfigurarasconexõesentreserviços,cadaumtemsuashabilidades,necessidadeseconectores(protocolodeconexão)especificadasporumdescritorXML,comonaFigura8.8.

Figura8.8:ServiçosseconectamporNecessidadeseHabilidades

Exemplo-Sheep

OSHEEP(Macwilliamsetal.,2000)éumjogoprojetadoedesenvolvidoparatestaredemonstraropotencialdeinterfacestangíveissobrevisualizaçãodinâmica,manipulaçãoecontroledeoperaçõescomplexasdeváriosprocessosinterdependentes.Elepermiteaosusuáriosmaisliberdadedeaçãoeformasdeinteraçãoecolaboração,utilizandoametáforadeferramentaqueagrupasoftwareehardwareemunidadesquesãofacilmentecompreensíveisparaousuário.

Ojogoacontecenumcenáriodepastoreioprojetadosobreumamesa,ondeexistemcarneirosvirtuaisecadaumtemconsciênciadaexistênciadooutroevitandoassimcolisões.Quandoojogadorcolocaumaovelhatangívelnasuamesavirtualasdemaisareconhecemcomomembrodoseurebanhoesedirecionamparaela.

Paraadicionarumnovaouremoverumaovelhaojogadortocanamesanolocaldesejadoeusaocomandovocalinseriroumorrer,respectivamenteparacadaação.Utilizandoumpalmtopojogadorpoderetirarumaovelhavirtualdeumaposiçãodopastoecolocá-laemoutro.EutilizandoumHMDsemitransparenteousuáriopodeverocenárioem3D.Elepodepegarumaovelhacomamãoeinspecioná-la.Pode-secolorirasovelhasmovendobarrasdecoresvirtuais,ecolocarasovelhasdevoltanamesaondeelaentãosejuntaaorebanho.

Osespectadorespodemverumavisãotridimensionaldapaisagemnateladeumlaptopquepodesermovidolivremente.Asovelhasaparecememsuaposiçãotridimensionalcorreta,mesmoquandoapanhadasporoutrojogador.

8.5.3.Unit3D

AUnityéummotordejogosdigitaisquetevesuaprimeiraversãolançadaem

2005.ElasetornouumaferramentapopularusadapormuitodesenvolvedoresdejogosdigitaisetrássincronismoChamadadeProtocoloRemoto(RPC--RemoteProcedureCall).AUnity5.1introduziuumanovabibliotecaderedechamadaUNETpossuindoduasdiferentesAPI´s:(1)AltoNível(Figura8.9)-queforamimplementadasparaousodamaioriasdoscasosdo"jogos"emredee;(2)BaixoNível-transportedenívelinferiorquepodeserusadaparacomunicaçãopersonalizadapelaInternet,conformenecessário.

Figura8.9:AAPIdeAltoNíveléconstruídaapartirdeumasériedecamadasqueadicionamsuafuncionalidade(Unity,2017)

AcamadadetransportedaUNETfornecefunçõesparacriarconexõescomoutroshosts(tantoenvio,quantorecebimentodedados),selecionarotipodeconexãoconsiderandoUDPouTCP,criaçãodecanaisdecomuniçãoeváriosvaloresdeQoSType,incluindo:

Unreliable.Enviarmensagenssemquaisquergarantias;UnreliableSequenced.Asmensagensnãotêmgarantidasdechegadas,masasmensagensforadeordemsãodescartadas.Issoéútilparacomunicação

devoz;Reliable.Amensagemtemchegadagarantidaenquantoaconexãonãoédesconectada;ReliableFragmented.Umamensagemconfiávelquepodeserfragmentadaemváriospacotes.Issoéútilquandosedesejatransmitirarquivosgrandespelarede,jáquepodeserremontadanaextremidadederecebimento.

AUnitytemumaabordagemmodularemrelaçãoaosobjetosdojogo(ouaplicaçãoRV/RA).AAPIdealtonívelusaaclasseNetworkManagerparaencapsularoestadodeumjogoemrede.Elepodeserexecutadosemtrêsprocedimentosdiferentes:(1)clienteautônomo,(2)servidorautónomo(dedicado)e;(3)umacombinação"host"queétantoclienteeservidor.

Exemplo-UsodoNetworkManager

EsteexemploéumsegmentoqueestádisponívelnapáginadetutoriaisdaUnit3D,subseçãoMultiplayerNetworkingeelesepropõeàintroduçãoaosaspectosmaisimportantesdosistemaMultiplayerNetworkinginternoesuaAPIdealtonível.

OestadodoprojetomultiplayerserácontroladoporumNetworkManager(considerandooestadodegerenciamento,gerenciamentodoespalhamento,gerenciamentodecena,uniãoepermitindooacessoainformaçõesdedepuração.

ParacriarumNetworkManerger,seutilizaumnovoGameObjetceadicionaoscomponentesNetworkManager(Figura8.10)eNetworkMangerHUD(Figura8.11).

Figura8.10:ComponenteNetworkManagergerenciaoestadodarededojogo/aplicação.

Figura8.11:OcomponenteNetworkManagerHUDfuncionacomNetworkingManagerfornecendouma

interfacesimplesdousuárioparacontrolaroestadorededojogo/aplicativoenquantoomesmoestáemexecução

AFigura8.12ilustracomoNetworkManagerHUDémostradoparaousuárioduranteaexecuçãodojogo/aplicação.

Figura8.12:NetworkManagerHUDduranteotempodeexecução

Écriadoummoldeparajogadoroujogadoresutilizandoumprehab,ocomponenteNetworkManagerinstanciaumGameObjectparacadajogadorqueseconectaaojogoemredeclonandoojogadorprehabegerandooclonenojogo.EocomponenteNetworkIdentityéusadoparaidentificaroobjetonaredeetornarosistemaderedecientedisso.

Nafigura8.13estáilustradoousoNetworkIdentity.AconfiguraçãodoNewtorkIndentifyparadarAutoridadedoJogadorLocalqueoclientecontrolaomovimentodesteGameObject,deve-secriarummoldeparaoGameObjectdojogadorarrastandooGameObjetctdojogadorparaapastaAsset,deletaroGameObjectdacenaesalvaracena.

Umavezqueomoldedojogadorforcriadobastaregistrá-lonosistemaderede.EssemoldeseráusadopeloNetworkManagerparaespalharnovosGameObjectsdejogadoresnacena,masénecessáriooregistrarcomoNetworkManagercomoummoldedeGameObject.

Figura8.13:NetworkManagerHUDduranteotempodeexecução

AFigura8.14trazumexemplodescriptdecontroledejogadoresemrede.Destacandoduasdiferençasqueseencontramemnegritoquediferenciaaaplicaçãomonousuária,(1)adicionandoUnityEngine.Networkingemnamespacee(2)alterandoMonoBehaviourparaNetworkBehaviour.

Figura8.14:Exemplodescriptdecontrolemultiusuário

8.5.4.Layar

OLayarutilizapontosdeinteresseparaespecificaralocalizaçãodosobjetosvirtuaisqueserãovisualizadosecomametáforadeumacamadadigitalsobreacamadareal.NaFigura8.15estáumaabstraçãodoLayarquesebaseiaaaplicaçãodeuma"camadadigital"sobrearealidadevistaatravésdacâmera.

Figura8.15:IdeiadautilizaçãodascamadasdoLayar.

ArquivosXMLespecificamascamadas.UtilizandooPorPOIse2comoumservidorqueconvertetodosospontosdeinteresseemformatoJSONrespondendoaosarquivosXMLdosclientesaindasuportandoarquivostabuladosdelimitadosebancodedadosSQL.LayarforneceumarquivoPHPsimplesparafiltrarospontosdeinteresse(POI-PointsofInterest).AscamadassãoespecificadasporarquivosXMLporpadrão,masexistemoutrasferramentasparaauxiliaradefiniçãodecamadas,comoPorPoise:.

OLayaréumaaplicaçãocliente-servidorcompostoporcincocomponentesquesão:

1. App.Clientenodispositivomóveldousuário;2. Servidor.ForneceainterfaceaoApp,aplataformadeprovisionamentoe

osProvedoresdeServiçosExternos;3. SitedeProvisionamento.Umsitenoqualosdesenvolvedorespodem

enviarnovascamadas,gerenciarsuascamadasecontas;4. ProvedoresdeServiço.Criadopelosdesenvolvedores;5. FontesdeConteúdo.Forneceoconteúdoaservisualizadononavegador

Layar.

AAPIéusadaparabuscardadosativossobreacamada.AFigura8.16apresenta

aestruturadetalhadadaAPILayar.NafiguraestárepresentadaaestruturadoLayarAPI.ArespostadoservidoréconfiguradanoformatoJSON.Conteúdovisíveléfornecidopelafontedeconteúdodacamada(componentefinaldaLayar),oscomponentesdoLayaremcontatocomusuárioéoAPIdoclienteLayarqueéresponsávelpelaconexãoentreoservidoreoclienteLayar.OAPIdeDesenvolvimentoLayaréresponsávelpelainterfaceentreoservidorLayareosprovedoresdeserviçoLayar.

Figura8.16:ArquiteturadaAPILAYAR

Exemplo-Layar

THEEMPA(EishitaeStanley,2010)éumexemplodejogodeRAqueutilizadoLAYARAPKcomobasedogênerodecaçaaotesouro,foiimplementadodeformaaterfácilextensãoeadaptaçãoparaacriaçãodenovosenigmasde

labirintossimples.Pontoschavessãomarcadoscomavatares3Dexibindoinformaçõessobrepistasaseremprocuradaseojogadordeverátersuaatençãovoltadaapontosdeinteressequedirecionaadinâmicadojogo.Combasenasdicaseledevedecidiropróximolocalparaexplorar.

ConstruídosobreoLayarAPKqueforneceoserviçodedadosatravésdegeo-taghabilitados,oaplicativoclientesolicitaoposicionamentosdePOIsaoprovedordeserviço.opORpoisE(servidordepontodeseviçodoLayar)converteoconjuntodedadosdePOIcomorespostaàsolicitaçãodosclientes.UmarquivoXMLédisponibilizadocomodefiniçãodascamadas.UmsegundoXMLédefinidoparacorrigirospontosdeinteresseassociadoscomosobjetos3D.E,porúltimo,foidesenvolvidaacamadaparajogoutilizandooLayarAPKnoGoogleAndroidDevPhone2.

8.5.5.MorganAR/VR

OMORGAN(Ohlenburgetal.,2004)éumframeworkdestinadoaaplicaçõesRAeRVqueutilizampadrõesdeprojetoconhecidoparafacilitarodesenvolvimentoesuaextensão,usaCORBAparaseestenderparadispositivosexternoseseracessadopordispositivosexternos,aindacomponentesquepermitemaimplementaçãodedispositivosdeentrada(porexemplo,rastreamentoevoz)enquantoofereceummecanismoderenderizaçãoquefoiprojetadoparasuportarmúltiplosusuáriosemumframeworkdistribuído.AFigura8.17ilustraaestruturadoframeworkMorgan.

Figura8.17:EsquemageraldoFrameworkMorgan

Destaca-secomocomponenteoBroker,quetemafunçãodecriar,excluirerecuperaroutroscomponentes,derivando-osdeumcomponentebaseparaseterumainterfacecomum.

AlgunsdispositivosjáseencontramintegradosaoMorgan,suaimplementaçãoérealizadaatravésdeumpadrãoeditor-assinante,cadadispositivoéumeditorquefornecesuasamostrasaumadeterminadataxaeoscomponentesqueestãointeressadosemumadeterminadaamostraseinscrevemcomoserviço.Pode-secitarcomodispositivosjáintegradosoInterSense(IS-600,IS-900eInertiaCube2),bemcomotrêstiposderastreamentodeobjetobaseadoemvisãocomputacional(incluindoARToolkiteumdispositivodeentradadevozbaseadonoViaVoice,daIBM.

Ressalta-setambémousodofactorymethodpatternparacriação,implementaçãoeinstanciaçãodecomponentesremotos,considerandoarelevânciaquandooscomponentestêmqueserexecutadosemumcomputadordeterminado,porexemplo,quandoumdispositivoemparticularestáconectado,eletemaresponsabilidadedainstanciaçãonoscomponenteseinformaroBrokersobreaexistênciadestecomponente.

AindasobressaiousodopadrãoproxyparaosprotocolosdecomunicaçãonãobaseadosemCORBAoucomoumainterfacedefinidaporsoftwareexterno,porexemploparaconectarserviçosbaseadosemTCP/IP.

Aarquiteturadosaplicativoscriadosnoframeworknãopossuemlimitações,poisacolaboraçãoedistribuiçãodecomponentes(incluindomecanismoderenderização)éocultadapelopróprioframework.

OMorganpossuiseuprópriomecanismoderenderizaçãovoltadoparaaplicaçõesmultiusuáriosparaaplicaçõesdeRVedeRA,possuindoumgrafodecenaconsistentepermitindováriosacessosaomesmonódografosimultaneamente.Sepreocupouemsepararosdadospertencentesarenderizaçãodosoutrosdadosgráficosnografodecena,possibilitandoousodegrafodecenasexternos(XSG-ExternalSceneGraphs)oqueépossívelpelogerenciamentoqueografodecenaumnúmerodeidentificaçãoespecíficoparacadanós.

OusodosXSGpermiteaimplementaçãocompactadografodecenadesdequeoformatoeinterfacederenderizaçãodeoutrografodecenapermitaum

mapeamentonografodecenanativofornecendoumasoluçãouniversaleextensívelparaaintegraçãodeváriostiposdegrafosdecenacomoporexemploVRML,X3DeCAD.

Exemplo-ProjetoArthur

OprojetoARTHUR(Brolletal.,2005;Ohlenburgetal.,2004)éumapesquisainterdisciplinarentredesenvolvedoresdetecnologiaearquitetoscomumainteraçãonaturalcomobjetos3Dutilizandotrêstiposdeentradasdeinteraçãocomousuário(1)objetosreaisparainterfacestangíveis,(2)varinhasusadasparaapontamentocom5DOF(DegreesofFreedom)e,(3)movimentodemãocomrastreamentodededosusadosparadesenharnoespaço,navegaremmenuseselecionarouobjetosouexecutarações.

UtilizandoosuportedoframeworkMORGAN,osistemapermitequeusuárioscompartilhemumespaçovirtualprojetadoemumambientecomum.Osusuáriostêmumavisãocompartilhadadosmesmoobjetosvirtuaiseinformaçõesemenuspersonalizadospodemseroferecidosacadaum.Quandoumusuáriorealizaalteraçõesemumobjetovirtualcompartilhadoelaépropagadapelaestruturadistribuídaeimediatamentesetornavisívelaosoutrosusuários.

8.5.6.UnReal

Tratar-se-áaquisobreoengineUnReal4(queseencontranadistribuição4.16).PontoachamaraatençãoquecomonaseçãosobreUnit3DapalavrajogotambémserefereaaplicaçãodeRAouRV.OdesenvolvedordoUnrealgeralmentenãosereservapartedoseufocoparaosdetalhesdebaixonívelderede,naverdadeeleestácentradonosdetalhesdealtoníveldocódigodogameplaydoseuprojetoecolocasuaatençãoparaqueesteestejaemconformidadeparafuncionarcomcorretudeumambientederedecomoacontecenomodeloderedeTribes.

ParaolequedeplataformasexistentesoUnrealutilizaaabstraçãodesocketatravésdeumclassechamadaISocketSubSystemqueéresponsávelpelacriaçãoeendereçamentodosoquete,paratantofoiimplementadoparadiferentesplataformassuportadaspeloUnreal.

AclasseUNetDriveréresponsávelporreceber,filtrar,processareenviarpacotesecomosocketsubsystempossuiimplementaçõesparacontemplarotransporte

subjacente,sejaIPououtroserviçodetransporte,comousadopeloSteam.Quantoatransmissãodemensagem,estasetemumextensomaterialepodeconsultadonadocumentaçãodoUnrealdestinadaemparticularaesteaspecto.

Unrealpossuitermosespecíficosparadescreverasclassedeseugameplay,naFigura8.18estáumarepresentaçãodahierarquiadasclassesdoUnreal.

Figura8.18:HierarquiadeclasseUnreal

AinfraestruturaderedeimplementadaparaoUnrealéomodelocliente-servidor,apresentandodoisdiferentesmodelosdetrabalhodeservidor:(1)Dedicado-executaprocessosemummáquinaseparada(nãosendoexigência);(2)ListenServer-umadasinstânciasdaaplicaçãoestánoservidoreoutranocliente.

Exemplo-ReplicaçãodeActor

EsteexemploseencontranadocumentaçãodoUnreal4naseçãodeexemplodeconteúdoderede.Eledemonstraousodereplicaçãológicadosatorespermitindoqueosclientesestejamcientesdeatoresgeradosnoservidor,apartirdeumaperspectivaderede.

Umatorédefinidocomoréplicaounão,pormeiodaguiadepadrõesnaseçãoreplicação,comnaFigura8.19.

Figura8.19:DetalhedaSeçãodeReplicação

Aoentraremumasessãodejogo,doisatoressãogeradospeloPlanodeNívelcomonaFigura8.20:

Figura8.20:Geraçãodosatores

Onó“SwitchHasAuthority”éusadoparaverificarseoscriptestásendoexecutadoemumamáquinaquetenhaNetworkAuthority(servidora)ou,seeleestiversendoexecutadoemumamáquinaremota.

Paraesteexemplo,elesóestásendoexecutadonoServidorondeumdosatoresfoicriadocomoumaréplicaeooutronãoé.ComonaFigura8.21oservidorpodeverambososatoresenquantooclientesópodeveroqueestádefinidopara

Replicar.

Figura8.21:Exemplo(a)ladoeservidore(b)cliente

DesenvolvermundosonlineinterativossobreaInternetimpõeaodesenvolvedordesoftwareumavariedadedeproblemasdesistemasdistribuídos,desdeserializaçãodedadosparaenvioempacotesatéasimulaçãodosobjetosdaaplicação.AtendênciaéqueaplicaçõesdeRVeRAdistribuídas,assimcomoosjogos3Donlinequeforamasaplicaçõesonlineimersivaspioneiras,sejamimplementadassobremotores,frameworksebibliotecas,istoé,componentesdesoftwarequeresolvemeabstraemosproblemasdesimulaçãodistribuídainterativa.

EstecapítuloapresentoualgumasdasferramentasdisponíveisparaacelerarodesenvolvimentodeaplicaçõesdeRVeRAdistribuídas.Alémdisso,buscou-seproverumaintroduçãoaosproblemasbásicosdesimulaçãodistribuídainterativaeotipodesoluçãoqueosmotores,frameworksebibliotecasimplementam.Espera-sequeestaintroduçãoajudeoleitoreodesenvolvedoramelhorentenderoqueestasferramentasprontasfazeme,porconseguinte,possammelhoraproveitarosrecursosoferecidosporelas.

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Capítulo9-MetodologiasdeDesenvolvimento

EduardoFilgueirasDamascenoSergioRobertoMatielloPellegrinoEduardaMaganhadeAlmeida

AlexandreL'ErarioJoséAugustoFabri

EstecapítulovisaapresentarosprincipaismétodosdedesenvolvimentodesistemasnodomíniodaRealidadeVirtual(RV)eAumentada(RA),considerandoaaplicabilidadeparaarepresentaçãovisualdeseusprocedimentos.Comesteapanhado,oleitorpoderáverificarecompararporsisó,aevoluçãodosprocessosdemelhoriadesoftwareedemelhoradequaçãoaosfinsdeatendimentodeRVeRA,verificandoamaturidadedosprocessosdedesenvolvimento,oquelevaemconsideraçãootempoderespostaerecursoscomputacionaisexigidos.

9.1Introdução

AsMetodologiasdeDesenvolvimentodeSoftwarecomumenteaplicadasadiversosdomíniossãoumalicerceparaconstruçãodeaplicaçõeseporseremessesprocessosgeralmentedotadosdegrandecomplexidade,umaboapráticaparaodesenvolvimentoédefiniradivisãodotrabalhoporumaequipeouemestágios,quandosetratardeumdesenvolvedorúnico.

Odesenvolvimento,cadavezmaior,destasaplicaçõesimplicaemumaestruturadeprojetoadequadaàcapacidadedeproduçãoentreosenvolvidos,eporisso,identificaroviéspeloqualoprocessodedesenvolvimentoseprocedepodegarantirqueestasaplicaçõescheguemaopontodequalidadeesperadoparaumprodutodesoftware.

RVeRApodemserconsideradascomotécnicasqueenvolvemgrandes

inovações,contendodesdeodesenvolvimentodedispositivosdeinteraçãoevisualização,aaplicaçõesdirecionadasaosmaisdiversosdomíniosdeconhecimento.UmaaplicaçãodeRVouRApodeenvolver,alémdosprofissionaisdaáreadecomputação,profissionaisadvindosdaáreademarketing,gestão,psicologiaeoutros.

Adifusãodestesdomíniostrouxeumadiversidadedemétodosparaaconstruçãodeaplicações.Transpondodesafiosdeimplementação,muitospesquisadoresusufruemdeabordagenscomasquaisestãomaisacostumados,trazendoapráticadodesenvolvimentodesistemastransacionaisparaoprocessodedesenvolvimentodesistemasdeRVeRA.

OprojetodesistemadeRVouRAconcentraumagrandegamadedesafiosinterligadostaiscomo:olayoutestético;oprojetodeinteração;asonoplastia;interfacecomohardwareeocontextodomodelotridimensional(Takalaetal,2017).

Paraqueoprojetosejaeficienteealcanceaqualidadedoprodutofinaldesejado,énecessárioqueosprocessosdedesenvolvimentosejambemdefinidoseométododetrabalhoestejaclaroparatodososstakeholdersenvolvidosnoprojeto.Destaformaépossívelidentificarasfragilidadesedetalhesdeimplementaçãoantesquepossamserencontradospelosprogramadoresouporusuáriosfinaisnoaplicativojáemexecução.

Algumasdefiniçõessãonecessáriasparaacompreensãodoprocessodedesenvolvimentodesistemas,tantoumsistematransacionalquantoumsistemadeRVouRA.

Comoporexemplo,oconceitodeMétodo,queaquiéentendidocomoamaneirapelaqualserãorealizadososprocessos(ospassos)paraodesenvolvimentodeumsistema.Osmétodosenvolvemumvolumedetarefas,queincluem:comunicação,análisederequisitos,modelagemdoprojeto,programação,testesesuporte.Paratanto,baseiam-seemumconjuntodeprincípiosquedefinemeorganizamcadaáreadoconhecimentoeincluiatividadesdemodelagemeoutrastécnicasdescritivas.

Metodologia,porsuavezéentendidocomoumconjuntoorganizadoesistematizadodestesmétodos,cujopropósitoédefinirevalidarosmétodoscomfoconamelhoriadequalidade.

Pode-sequalificarasmetodologiasdeacordocomseudomínioeseuconstructo,sendoasmaisconhecidascomo:orientadaa<domínio>(Rumbaughetal.,1991);baseadaem<constructo>(LunzeeLehmann,2010);dirigidaao<processo>(Chitforoush,Yazdandoost,eRamsin,2007),e;centradono<consumidor>>(Gabbard,Hix,eSwan,1999),quesãorepresentadasdidaticamentenaFigura9.1.

UmaMetodologiaOrientadaéaquelanaqualodomíniodoproblemanãoestáimplícitonoconstructo,ouseja,cabeaoanalistaempregarométododeacordocomodomínio.Porexemplo,emumametodologiaorientadaaobjetos,estesobjetossãoosprincipaisplayersesãoempregadosparacomporumdeterminadodomínio.

JáumaMetodologiaBaseadatem-seodomíniodefinido,porémoescopoédiretamentedependentedoconstructo.Porexemplo,emumametodologiabaseadaemeventosoprincipalplayerestárelacionadocomaaçãoquesóexistedentrodoconstructo.

Entende-secomoMetodologiaDirigidaaquelaquetemcomoobjetivoprincipaldelinearoselementosusadoparaarefinaçãododomínioeoobjetivoédesenvolverumprodutodependendodatécnicadefinida.Porexemplo,emumaMetodologiaDirigidaàArquitetura,osprincipaisplayerssãoosrequisitoselimitaçõesdaarquiteturatantodehardwarequantodesoftware.

AnalogamenteaMetodologiaCentrada,opivôdametodologiaéoobjetoprincipalpeloqualodomínioeoconstructosãodefinidos.Porexemplo,aMetodologiaCentradanoUsuárioofocoprincipalsãoasrelaçõesdeinteraçãodousuáriocomosistemaeseuaspectodecogniçãoparaoentendimentodatarefa.

Figura9.1.QualificaçãodasMetodologias

Nasabordagensatuaisencontradasnaliteraturapercebe-sequeamaiorpartedosdesenvolvimentosdesistemasdeRVeRAusufruemdeumametodologiajáconhecidaebemestudadaemsistemastransacionaisedepoisadaptadaparasistemasdeRVouRA,taiscomo:metodologiaestruturada(Eastgate,2001),metodologiaorientadaaobjetos(Jayaram,Connacher,eLyons,1997),metodologiaorientadadesistemasdetemporeal(Silva,Hounsell,eKemczinski,2007)emetodologiamaiêutica.Muitasvezesametodologiapodeseconfundircomomodelodeprocessodesoftware(DeTroyer,Kleinermann,Pellens,eBille,2007).

NesteCapítuloseráconsideradootermo“modelo”porestarmaisligadoaoparadigmadecomoumproblemadedesenvolvimentodesoftwareéabordado,ecomoéentendido,projetadoeconstruído.Trata-sedaabstraçãodasoluçãodesoftwareemtermosquepossibilitamstakeholderscompreenderemeficazmenteocenárioeosproblemasrelacionados.

Algunsautoresconsideramum"modelo"dociclodevidaumtermomaisgeralparaumacategoriademetodologiaseum"processo"dedesenvolvimentodesoftware,umtermomaisespecíficoparasereferiraumprocessoespecíficoescolhidoporumaorganizaçãoespecífica.

Assimtem-sediversasformasdeobservaromodelo,comoosmodelosde

desenvolvimentoTop-DowneBottom-Up,dametodologiaestruturada;modeloporciclos(espiral,interativo,ganha-ganha)vistosnametodologiaorientadaaobjetos;modelodeprototipaçãoededesenvolvimentorápido/acelerado,muitocomumnametodologiaorientadaaobjetosenametodologiadesistemasdetemporeal.

9.2MaturidadedasMetodologias

Otermo“maturidade”devesercompreendidocomoacapacidadedeserepetirumasériederesultadosdeumamaneiraprevisível,e,portanto,umametodologiapodeserditamaduraquandoháevidênciasdesuaaplicaçãoestejarelacionadadiretamentecomamelhoriadoprocessooudoprodutofinalgerado.

Historicamenteasinterfacescomputacionaisforamdesenvolvidasparaseadequaraosrequisitosdehardwaredetelas2Djáexistenteseosdispositivosconvencionais.Destaforma,asmetodologiasqueforamidealizadasnestedomíniopossuemlimitaçõesdeadequaçãoecomissosuamaturidadeficaprejudicadapelafaltadeartefatosparadefiniçãodoescopodentrodametodologia.

Apesardosesforçosdeengenheiroseprojetistasdesoftware,aadaptaçãoestárelacionadaàformadevisualizaçãoaoconteúdo2Dpara3D,modosdenavegaçãoeinteraçãodentrodacena,oudiretamenterelacionadocomumdispositivoespecífico,traduzindoasexperiênciasdomundorealparaíconeseoutroselementosdainterfacedousuáriodemodoorientarousuáriodentrodeumatarefanosistemadeRVouRA.

AlémdascaracterísticasdeinterfacevisualossistemasdeRVAseutilizamdedispositivosdisplays(visores)queaumentamacomplexidadedosistema,poisnecessitamsincronizaravisãodousuárionoambientevirtualcomasuaorientaçãoeposicionamentonoambientereal.Ademais,osentimentodepresençadentrodossistemasdeRVeRAdeveserbemexploradopelainterface3Dparapropiciarumainteraçãomaisintuitivaeimersiva.

Soma-seaistoascaracterísticascomportamentaisdeinteraçãoedosobjetos3D(inanimados/passivoseautônomos/ativos),poisestespossuemdeterminadasrespostasaaçõesdousuárioquesãofundamentaisparapromoverainteraçãoeaimersãonoambiente.Estesobjetos3Dpodemsecomunicarentresiecomosusuáriosequepodemafetaroambienteoumesmosuacomposição.

Ainda,aconcepçãodesistemascomatecnologiadeRVouRAépreconizadapeloentendimentodeconjuntodecaracterísticastantododesigndainterface,quantodainteraçãocomohardware,sendoqueoprópriodesigndetermotemdeserinterpretadodeformasbastantedistintasnestecontexto.Sendoodesigndainterface,quantoaoprojetográfico,eodesigndainteração,relacionadocomareaçãodosistemacomasaçõesdousuárioeseusdispositivosdemanipulação

9.3ClassificaçãodasMetodologias

SeforemolhadososconceitosdeRVeRAépossívelobservardeformacompartimentadoosdoisprocessos,contudoquandooselementospassamaserintegrados,novaspossibilidadesdeinteraçãosãovislumbradasecadapassoexigedosdesenvolvedoresaaberturadenovoscaminhos.

AconstruçãodoprocessocompletodeRVouRAnãoestánempertodoseuprimeirodécimodocaminho.

ApenasolhandodeformafatoradaosconceitosdeRVeRAequeestãoamplamentedistribuídosnaliteratura,podemserencontradasinúmerasdefinições,comoapresentadasnoscapítulos1e2.

ARV,entreosvárioscomponentesqueaconstitui,destaca-seumdeles,quefoi,desdesempre,explorado,aSimulação.

Nestesentido,chama-seaatençãoqueosmétodosdedesenvolvimentodesoftwareparasistemaRVdevemestarfortementefocadosnasimulaçãodosfenômenos,nocaso,emquestão,sãoosderepresentaçãodeambientes“reais”emambientecomputacional.Quantomaiorforaeficiênciaemcriaromodelodoambienteeasimulaçãodeseusefeitos,melhorpoderáserarepresentaçãofinaldoMundoVirtual.

Arepresentaçãodequesefala,nadamaisé,emtermosdaCiênciadaComputação,doqueousointensivodeComputaçãoGráfica.Então,dentrodaestruturadeRVarepresentaçãográficaéfundamentaleparadarsuporteaela,todoarcabouçodesoftwareprecisaestarperfeitamenteintegrado,paraqueohardwaretenhacondiçõesdeatenderademandaerealizarcomsucessoasentregasesperadaspelousuário.

Nãoédehojequesediscuteaintegraçãoentreoqueévistoeoqueéesperado

pelousuário,sabe-sequeomínimodelayentredoisacontecimentoscausamal-estaraousuário,porque?Porquenomundorealessesdelaysnãoexistem.

NaFigura9.2sãoapresentadosalgunscomponentesdaestruturadeumsistemadeRV.Olhandoparaelavê-sequeoscomponentesestãodispersosequesefossemtratadosemumaformapipeline,otempodeprocessamentopoderiaserproibitivo,porquecertamentehaveriamrepetiçõesdeprocessoseacréscimonotempodeprocessamento.

Figura9.2-MódulosdeconhecimentoparageraçãodeMundosVirtuais.

Destaforma,oscomponentesdesoftwaredevemserdesenvolvidosrigorosamenteintegradospossibilitandoquecadaaçãosejaexecutadaemumaaçãocompleta,sejaporantecipaçãooupordemandadecadaprocessoqueenvolvea“naturalidade”dosfenômenosfísicossimulados.

ComissoasaplicaçõesemRVprecisamcontarcommúltiplosprocessadores,fornecendoaagilidadeesperadaparaarepresentaçãodomundoVirtual.

AFigura9.3mostra-semaisadequada,porém,aindaincompletaparadesenvolvimentodeaplicaçõesdeRVcomimersãototal.

Onúcleocentralcorrespondeàprópriaestruturadaaplicação,oselementosfolhassãooscomponentesqueirãotratardecadalinhadecondutaecadaramificaçãocomoumanovatarefa.OsfractaissãoumbomexemplodecomoseconstituemosaplicativosdeRV,naessênciaformadosporpequenosobjetos,quenestecasosãopequenasestruturas.

Numoutrosentidoeusandoumavisãopoética,essenúcleoseencontraemconstantemutaçãosendoampliadocomotempobemcomoaauraqueenvolveosdemaisprocessos.OProcessocomputacionalévivo.

OaumentodacomplexidadedoSoftwaregeraoaumentodacomplexidadedohardware,assim,olhandoapenasparaoramo“comportamentosocial”daFigura9.3,nota-seclaramentequeohardwareaserutilizadoédiferenteparacadasituação.Asensibilidade,oodoreopaladarestãolongedeserexperimentadospelosviajantesemmundosvirtuais,masnãoseépermitidotecerlimitaçõesquandosequerrepresentaroambientereal,assim,senestafasenãoépossívelobteralgunsefeitos,certamenteelesdeverãoseralcançadosnofuturo.Essassãoasbuscasdoscientistasdaspróximasgerações.

Figura9.3–EstruturaorganizadaparaumsistemadeRealidadeVirtual.

AsaplicaçõesemRVnãoselimitamajogosouapasseiosemsaladeaulavirtual,masdevedefatoserumeventovirtualquedeixeconfusooparticipanterealdeondeeleesteve–NoRealouVirtual.

QuandosefalaemRA,logovemàcabeçaosurgimentodealgumainformaçãoadicionalàquelaqueéapresentadaaosolhosdousuário.Issoatémesmopodeserverdade,maspodeiralémdisso.

ComojámencionadonoCapítulo1,aRAenriqueceoambientefísicocomobjetossintetizadosporcomputaçãográfica.Eestesobjetosquandoacionadosdevemsermapeadospeloanalistaeinfluemdiretamentenaespecificaçãodosistema.

Ademais,diversosoutroselementosinfluemnaespecificaçãodosistema,comootipodemétododerastreio,seépormarcas(marcadoresfiduciais,marcadoresdecoloração,marcadorescodificadoscomoosQRCodes)ousemmarcadores(markerless),queestesusamcaracterísticasdoambienteparaposicionarosobjetosvirtuaisprojetadosnoambientefísico.UmaoutrasituaçãoéousodeumsistemadeGPSindoorsquemapeiaaposiçãodoobjetoedevolveumconteúdoadicional,quandoháaproximaçãodeumaregiãocujainformaçãoérelevante.

AcomputaçãoPervasivaouUbíqua,émaisumexemplo,quepodeserconsideradocomoauxílioàrealidade,emquesensorespodemserinstaladosemumindivíduo,atravésdecracháouqualquerdispositivoquepossaseridentificadaporumsistemadevisãocomputacionalouumsensoreletrônico.

Classicamenteéconhecidaaquestãoemqueaoseaproximardeumestabelecimentocomercial,ousuárioéalertadoporseucelulardequealitemumprodutodeseuinteresse,conduto,outrasaplicaçõespodemserinvestidasnessetipodecomputaçãodeauxílioàrealidade,porexemplo,emumacreche,obebedordeáguaaoperceberqueumacriançaestáporperto,podealertá-lademodofestivo,emitindoumchamarizparaqueelatomeumpoucodeágua,ounooutroextremoumidosopodeseralertadopela“garrafadeágua”queestánahoradebebê-la,ouestánahoradetomarummedicamento,oumesmodefazerarefeição.

DentrodesseconceitobastanteespecíficoaRAatravésdeseubraçopervasivoéumgrandeauxílioparaamanutençãodasatividadesbásicasdosusuários,liberando-osdousodegrandesequipamentos,oambientesepreparapara

receberousuário.Entãocomosurgimentodanecessidadeeaobservaçãodeoportunidade,ossistemascomputacionaiscrescemapontodeinteragircomosusuárioslibertando-osdoprópriocontatocomamáquina.

Estaéumadasmaneirasdesetrataravirtualidadedeambientes,aindadeformaparcial.Difíciléimaginarestedescolamentoquantoaatuaçãopossaocorrerpuramentenosentidopsico-sensorial,comofazerousuáriosentiratemperaturaaomudardeumambientevirtualparaoutro,ouotoqueentreduaspessoasoumesmooapertodemãos.

Comoidentificarapresençadeumoutrousuáriodentrodasalavirtual,comopermitirqueeleentrenessasala.Sãomuitasasquestõesquevãoalémdeumasimplesbrincadeira.Essasquestõesdavirtualidadeexigemmétodosdesegurançaparagarantirqueomesmoespaçodanuvemnãosejainvadido,alteradooudestruído,comotambémomesmoespaçovirtualcolaborativatenhaasegurançacomrelaçãoaentradadeseusmembros.

9.4PrincipaisMetodologiasdeRepresentaçãodoProcessodeDesenvolvimento

Diversasmetodologiastradicionaisaplicam-senodesenvolvimentodeumsistemadeRVouRA,edentreelassedestacamaAnáliseOrientadaaObjetos,Fluxogramas,Modelosdestatechart,workflows(MillseNoyes,1999)emodelosinterligadosdemídiacomooRMM(RelationalMultimediaMethod)(Isakowitz,Stohr,eBalasubramanian,1995).Mas,mesmocomoavançodestasespecificaçõesdesistemasdemodelagemconceitualestetipodesistemaaindaéprecárioemuitasvezesemsuaaplicaçãoreinventadaparaseconceberumaaplicaçãodeRV(DamascenoeOliveira,2009).

SurgiramdiversasmetodologiasdedesenvolvimentodesdeoestabelecimentodoconceitodeRVeforamavançandonasestratégiasdeuso,bemcomoatecnologiadeRAquefoiseestabelecendocomotempo.Destaformadiversospesquisadorescomeçaramadesenvolvermétodosqueseparamoprocessodedesignemumnívelaltoeumafasedebaixonível,ajudandoassim,odesenvolvedorparaprojetarsistemasdeRVouRA(TanriverdieJacob,2001).

Boapartedestasmetodologiasreúnemrequisitosdevisualização,interaçãoenavegaçãosoboprismadousuáriofinal.Noentanto,elesnãoexpressama

modelagemdaaplicaçãoVRoudeRAemtermosdedomíniodeinteresse.

OusodeontologiaspermitecompreenderoconhecimentodeumdeterminadodomínioeassimprovêumaestratégiadeprojetarumsistemaRVAsemterqueconheceraspremissasoulimitaçõesdodesenvolvimentodestetipodetecnologia(Bille,Pellens,Kleinermann,eDeTroyer,2004).

Billeetal(2004)desenvolveuumaabordagemcontemplandoousodeontologiasparacriarumambientevirtual(Bille,Pellens,Kleinermann,eDeTroyer,2004),aexemplovistonaFigura9.4.Aabordagemapresentadanotrabalhocitado,édivididaemtrêsestágios.Oprimeiroestágioédeidentificaçãodeespecificação,depoisumestágiodemapeamentoeporconcluiroestágiodegeraçãodecódigo/visualização.

a)RepresentaçãodaOntologia

b)Ambiente3DemVRML

Figura9.4–ModelagemcomOntologia(Bille,Pellens,Kleinermann,eDeTroyer,2004)

Noentanto,aabordagemdeBILLEetal(2004),seapresentoumuitoútilnacriaçãodeambientesvirtuais,noentanto,paraespecificaçãoemodelagemderequisitosdeinteração,tevesuaslimitações.

JáametodologiaapresentadaporSeoeKim(2002),denominadodeCLEVR(eminglês,ConcurrentandLevelbyLevelDevelopmentofVRSystems)(Seo,Kim,eKim,2001)discuteumaabordagemparaoprocessodedesenvolvimentodesistemasdeRVconsiderandoaaçãosimultâneadeforma,funçãoecomportamentodosobjetosdeinterfaceemummodelodeprocessoincremental,apartirdarealizaçãodeumprocessodemodelagemespiral.

NaFigura9.5éapresentadoummodeloemespiral,emque,asinteraçõesfundamentaissão:Requisitos,Design/ProjetoeValidaçãoocorrendocontinuamenteemcadaetapa.Asprimeirasinteraçõesfocamcaracterísticasgeraisecomponentes,comoarquiteturadosistemageral,objetodeidentificação,características,hierarquiadeclasses,modelosdetarefasdousuárioecomportamentodosistema.

Figura9.5–MetodologiaCLEVRbaseadoem(Seo,Kim,eKim,2001).

MetodologiasexperimentaiscomoomodelopropostoporMills&Noyes(1999)foiinspiradonousodestoryboardpararepresentarasaçõesereaçõesdosistemadeRVcomousuário.EstetipodeestruturanãoseadaptaasistemasdeRV,quandoolhadodeformairrestrita.Omundovirtualnãopodeficarrestritoaumasequênciapré-definidaeprevisíveldeações.

Decertamaneira,comumstoryboardfoipossívelidentificareesclarecerosrequisitosfuncionaisenãofuncionaisdosistema.Ademais,ocontroledecenaeoperaçõesqueousuáriopoderealizardentrodoambientesãopercebidaspelosnão-programadores.

MaistardeestametodologiafoirebatizadaporKim(2005),comoMessageSequenceDiagramforVirtualReality(Kim,2005).AssimcombinandoomodelopropostoporMillseNoyes(1999)comosartefatosdaUML(UnifiedModelingLanguage)eStoryboard,houveumaressignificaçãodoprocessodemodelagemeespecificaçãoderequisitosemambientesvirtuais.UmexemploéapresentadonaFigura9.6.

Figura9.6–ExemplodaMetodologiadeDiagramaSequencialparaRealidadeVirtual(Kim,2005)

Nosentidodeseapoiaremmetodologiasjámaismaduraspercebe-seofrequenteusodeestratégiassequenciais,comoomodeloemcascatadeBowman,Gabbard,&Hix(2002),quemaistardefoiaprimoradousandoumametodologiadifundidapelométodoRUP(RationalUnifiedProcess)usadoporScherp(Scherp,2002).

OmétodoRUPdesempenhagrandepapelnaunificaçãodasmetodologiasdeprocessodesoftwareedevidoaessacaracterística,facilitouaintegraçãotantodaequipedeprogramadoresenão-programadores(artistasouleigos)emdiversosoutrostrabalhos.

OutralinhaderaciocínioqueseguiuomodeloUMLfoiaSSIML(SceneStructureandIntegrationModellingLanguage)(Vitzthum,2006),elapossibilitadescreverastarefasdousuário,ainterfaceesuaestruturaemdiagramadeatividadesestereotipados.ÉbaseadoemumalinguagemdemodelagemvisualestilizadaparadarsignificadoascaracterísticasparaambientesdeRVeRA.OexemplodamodelagemvisualpodeservistonaFigura9.7.

Figura9.7–ExemplodaLinguagemdeModelagemSSIMLbaseadoem(Vitzthum,2006).

ApesardeeficienteaestratégiadeusarumaLinguagemdeModelagemparaabstrairosconceitosdeumaaplicaçãodeRVouRA,aSSIMLaindadeixaoutrascaracterísticasdeforadoconstructo,comoocomportamentodosobjetosesuasinterações.

NestesentidootrabalhodeFigueroaetal.emproduziraInTML(eminglêsInteractionTechniqueMarkupLanguage)(Figueroaetal.,2008),corroboranatentativadesuprirtaisdeficiências.AdemaisestatécnicademodelagemauxiliaaespecificaçãoderequisitodedispositivosparaRVeRA,poiséfocadonainteraçãodousuáriocomodispositivoesuarelaçãocomouniversovirtual.

AFigura9.8apresentaumdiagramaquemostraasequênciadoprocessodeidentificaçãodeobjetodeapontamentoeobjetoapontado,gerandoainteração.

Figura9.8–Exemplodeumtoquenosobjetosvirtuaiscomumamãovirtual(Figueroaetal.,2008).

Pode-seperceberqueanotaçãoemUMLfoiamaisutilizadanesteprocessodeevoluçãodatecnologia,devidoprincipalmenteasuaflexibilidadederepresentardiversoscontextosdeaplicaçãodosoftware.KimeLee(2014)produziramuma

especializaçãodanotaçãoUMLpararepresentarosprocessosenvolvidoeelucidarasfasesdoprojetodedesenvolvimentodeumambienteimersivodeRealidadeVirtual.

AtécnicadeespecificaçãodeprocessoerequisitosdesoftwareaplicadoporTroyeretal(DeTroyeretal.,2007;Pellens,Bille,DeTroyer,eKleinermann,2005),denominadadeVR-WISE,quepermiteespecificarumambientevirtualaumnívelconceitual,livrededetalhesdeimplementação,permitindoquepartesinteressadasnãoestãofamiliarizadascomatecnologiaVRpossamparticipardoprojeto.Éumaabordagemquecontemplaousodemapasconceituaiscomometodologiadeelucidaçãoderequisitosemaltoníveldeabstração,deixandoosdetalhesespecíficosparaumaassociaçãodetoolkitsdedesenvolvimento3Dedeinteraçãocomdispositivos.

ConformeaFigura9.9,aimplementaçãodaaplicaçãoédivididaemtrêsfasesprincipais:fasedeespecificação;fasedemapeamento,e;fasedeprodução.

Figura9.9–MetodologiaVR-WISEadaptado(Pellensetal.,2005).

OfoconaanálisedeprojetodosistemadeRVdeveserdadopelainter-relaçãoentreoscomponentesdeInterfacesHumano-Computador,característicosacadaprojeto(Segura,AmescuaSeco,CuadradoeAntonio,2003).

AinterfacedeRVécomplexadeserprojetadaeprincipalmentedeserimplementada,eseuprocessodedesenvolvimentoédestacadopelasatividadesdeabstraçãodastarefasqueousuáriofinaldesejacomosistema,acomplexidadedarealizaçãodatarefanoambienteeasrestriçõesfísicasecomportamentaisdoambiente.

NaFigura9.10évistoumdiagramadecasodeusoestilizado(Isakowitzetal.,

1995).Elecontemplaainterfacecomousuário,comreconhecimentodemovimentosegestos,alémdevisualizaçãoemHMD.Acaracterísticadestaabordagemésepararoscontextosdosoftware:contextodaaplicação;contextododispositivo(capturademovimentoevisualizaçãoimersiva);contextodeinterface.

Figura9.10–DiagramadeCasodeUsoEstilizadoparaRV(Isakowitzetal.,1995).

Maisrecentemente,estametodologiaevoluiujuntoaomanifestoágilenovastécnicasdeprototipaçãoacelerada,destamaneirafavorecendoodesenvolvimentoporpequenasequipes,multidisciplinaresounão,aconstruirmaisrapidamenteaaplicação(Mattiolietal.,2015).UmexemplodosprocessosenvolvidosnométodoágilparaRVeRApodemservistosnaFigura9.11.

Figura9.11–MetodologiaÁgil(Mattiolietal.,2015)

Dasmaisdiversasmetodologiasapresentadas,observa-sequeumadassoluçõespossíveispararepresentarumaaplicaçãodeRVAtalvezsejapelautilizaçãode

umaLinguagemEspecíficadeDomínio(DSL).ComumaDSLépossívelespecificareresolverproblemasquantoàmodelagemnafaseinicialdodesenvolvimentoouagilizaracriaçãodeprotótiposdemodelos(VanDeurseneKlint,2002).

ADSLéumalinguagemdeprogramaçãooudeespecificaçãodeanotaçõespróprias,queofereceumasoluçãoparaosproblemasquelimitamumdomínioespecífico(Congetal.,2011).

ADSLdeconstruçãoéfocadanaresoluçãodeproblemasespecíficos,gerandoumaumentodeprodutividade,flexibilidadeefacilidadedemanutenção,refletindopositivamentenaqualidadedoprodutofinalenotempodedesenvolvimento(Mattiolietal.,2015).

AprincipalvantagemdeumaDSLestánosuporteaoprocessodedesigne,especialmente,aprototipagemiterativa.Tradicionalmente,nodesenvolvimentodeaplicativosdeRVeRA,adescriçãoderealevirtualélançadaemlinguagemnãointerpretativae,portanto,difícildemudar,seadaptaranovosmecanismosdeinteraçãooutransferirdeumdispositivoparaoutro(Seichter,LoosereBillinghurst,2008).

Figura9.12–ComposAR(Seichter,LoosereBillinghurst,2008),aplicaçãodeumaDSLnacriaçãodeambientesdeRA

NaFigura9.12évistaoComposAR(Seichteretal.,2008)ébaseadoemumalinguageminterpretativaquepermitedesignersrapidamenteprototiparcenasemRAcontendointeraçõesentreosobjetosdecena.Destaforma,osdesignerspodemvermudançasinstantaneamenteepodemmudardinamicamentesuasaplicaçõesatéobterainteratividadequedesejam.

DifícilfalaremumatendênciadecomoosmétodosdedesenvolvimentodesoftwareparaRVeRA,oudeformageral,irãoevoluir.Atéentãovêmevoluindocomumavisãoconstrutivistadereproduçãodarealidadesem,noentanto,umolharconcretodomododeoperaçãodoobjetodesejado.

Aexploraçãodopotencialdestesambientesdevesercadavezmaior,tendoemvistaonúmerodepossibilidadesdeaplicaçõespossíveis.

Assimobservou-sequeautilizaçãodosprincípiosdeEngenhariadeSoftwareédeextremarelevância,emvistadocrescimentogeométricodohiperespaçoedafaltadeflexibilidadenaorganizaçãodaestruturadearquiteturas,caracterizadapelasuaapresentaçãofixa,comcritériosadotadospeloprojetistadosistemadeformaextremamentecentralizadaemumcontextoouaplicação.

Osdesenvolvimentoságeissãobemexecutados,quandoseus“orquestradores”forempossuidoresdegrandecapacidadetécnicaparaolhar,apartirdorecorte,àprojeçãofutura.Associadaaessacapacidade,existeaequipedeapoio,especializadaparagerarumaamostradeformarápida,fazendoalapidaçãodasarestasparaoutromomento,quecertamentevirá.

Emsuma,vale-sesempreaprofundareflexãodosmétodoseconceitosaquiapresentadosparaqueodesenvolvedoridealizeeestipuleamelhorformadeabordagemparaoprojetodeumsistemadeRVouRA.

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Capítulo10-TécnicasdeInteração

MárcioSarrogliaPinhoCléberGimenezCorrêaRicardoNakamura

JoãoLuizBernardesJr

Estecapítuloapresentaumavisãogeralsobreosaspectosrelativosàinteraçãoemambientesvirtuaisimersivos.Sãoapresentadasconsideraçõesgeraissobreambientesvirtuaisimersivoscomenfoquenasformasbásicasdeinteração,metáforaseparâmetrosdeinteração,bemcomoastécnicasdenavegação,seleçãoemanipulaçãodeobjetos,controledosistemaeentradasimbólicaemsistemastridimensionaisimersivos.EstetextoébaseadonotrabalhodePinhoeRebelo(2006)trazendorevisõeseatualizações.

10.1InteraçãoemAmbientesVirtuaisImersivos

ConformediscutidonoCapítulo1,umambientevirtualimersivopodeserentendidocomoumcenáriotridimensionalemqueosusuáriosdeumsistemadeRVpodemnavegareinteragir.DeacordocomBowmanetal.(2004),essainteraçãopodeserorganizadanascategoriasdenavegação,seleção,manipulaçãoecontroledosistema.

Éimportantenotarque,emboraainteratividadepossacontribuirparaasensaçãodeimersãoemumambientevirtual,ousodetecnologiasparavisualizaçãoimersiva,taiscomoosHMDs,nãoimplicamnecessariamenteeminteração.Poroutrolado,aadoçãodessesdispositivosparaimersãolevaànecessidadedenovastécnicasdeinteração,vistoqueousodedispositivosconvencionaiscomo,tecladoemouse,nãoéadequado.

Atéadécadade2000,grandepartedosambientesvirtuaisimersivoscommaiorinovaçãoeminteraçãoeralimitadaaoslaboratóriosdepesquisa,devidoaocustodosdispositivos.Maisrecentemente,osurgimentodedispositivosdecustoreduzido,taiscomooOculusToucheoHTCVive,temlevadoaumanovaonda

deexperimentaçõescominteraçãoemambientesvirtuaisimersivosacessíveisaopúblicogeral,incluindojogos,aplicaçõeseducacionaisedesaúdeereabilitação.Tradicionalmenteasaplicaçõesdessesambientesseconcentravamemsistemasdevisualizaçãoespacialemáreascomoarquiteturaepatrimôniohistórico.Outroexemplosãoasaplicaçõesdevisualizaçãocientífica,nasquais,oscientistaspodemvereinteragircomcenaseobjetoscomplexosdeumaformamuitomaisrica,poderosaeintuitivadoqueatravésdeumateladecomputador(Tayloretal.,1993;Linetal.,2000;Wanetal.,2000),alémdepodersituar-sedentrodoexperimentosemafetarsuasimulação.

Apesardamaiordisponibilidadedetecnologia,limitaçõestécnicaseoutrosfatoresmenosóbviosrepresentamdesafiosparaodesenvolvimentodeaplicaçõesdeRVparaochamado“mundoreal”.Oprincipaldeleséatotalfaltaderestriçõesfísicasdosambientestridimensionaisgeradosporcomputador.Porexemplo:emambientesgráficosbaseadosnomodelo“Window,Icon,Mouse,Pointer”(WIMP),éfrequenteaadoçãodeumametáforademesadetrabalhoouescrivaninha(oconceitodemetáforaseráexplicadoposteriormente).Nessecaso,ousuáriointeragecomosistemaatravésdeummouseapoiadosobreumamesaououtrasuperfície.Alémdacorrespondênciaentreabidimensionalidadedasuperfíciedamesaedatela,osuportefísicodamesaeasinteraçõesfísicasentremouseemesafornecemrestriçõesdemovimentoqueauxiliamacompreensãodosistemapelousuário.Essetipodesuporteeretornotátilémaisdifícildeimplementarnocasogeneralizadodeinteraçãocomobjetostridimensionaisemambientesvirtuaisimersivos.

Emoutraspalavras,aideiadeNorman(1988),dequeo“conhecimentodecomosemanipulaumobjetoestáarmazenadonopróprioobjeto”(umbotãodeelevadorsópodeserpressionado,umcontroledevolumesópodesergiradoetc.),nãopodeseraplicadaemambientesvirtuais.Istoestáassociadoaoqueousuáriorecebederetornoaotentarmoverincorretamenteumobjetoreal,poiseleporsisó,impedeestemovimento.Astécnicasdeinteraçãoemambientesvirtuaisimersivosnãooferecemaousuário,namaioriadasvezes,oretornotátile/oucomportamentalqueoobjetorealprovê.Aplicarrestriçõesfísicasdependedaexistêncianoambientevirtualdeartefatosreaisqueimpeçamosmovimentos.

Alémdisso,aincapacidadeinerenteaosdispositivosdeRVouRAdecaptartodasasinformaçõesquepodemserproduzidaspelousuárioobrigaesteusuárioaseguirregrasrígidase,àsvezes,pouconaturaisnoprocessointerativo.

NaTabela10.1pode-seobservarumacomparaçãoentretarefasdomundorealeasimplicaçõesderealizá-lasnumambientevirtual.Nota-seclaramentequeautilizaçãodesistemasdeRVdeformaampla,aindadependedeumgrandedesenvolvimentonaáreadastécnicasdemanipulação.

Astécnicasdemanipulaçãomaiscomunsemambientesvirtuaissãoaquelasclassificadascomodeinteraçãodireta.Estastécnicaspermitemaousuáriotocarvirtualmenteoobjetoeutilizarosmovimentosdeseucorpo(mãos,braços,cabeça,etc)paraprovocarmudançasdesteobjeto(porexemplo,naposição,naorientaçãoounaescaladoobjeto).

Deve-seressaltarqueastécnicaspodemserimplementadascombasenastarefasaseremrealizadasnoambientepelosusuários;emuitasvezesatéseconfundemnaliteratura.

Tabela10.1-CaracterísticasdeTarefasdoMundoRealemAmbientesVirtuais.

Embasandoumatécnicademanipulaçãohásempreachamadametáforadeinteração.Estadefinecomoosmovimentosdousuáriosãomapeadosparamovimentosnoambientevirtual.Otoquevirtual,mencionado,podeserfeitotantocomamãodousuário,queatingeumobjetopróximodeseucorpo,quantoatravésdeumraiodeapontamentooudeumatécnicaqueestendaobraçode

formaaalcançarumobjetodistante.ParaefetivarestastécnicassefaznecessárioqueosistemadeRVouRApossuafunçõesdesuporteaorastreamentodasmãosedacabeçadousuário,oreconhecimentodegestosedetecçãodoapontamentodeumobjeto.Osucessodastécnicasdeinteraçãodiretadependedacapacidadedosistemaderealizarummapeamentonaturaleintuitivoentreaaçãodousuárionomundorealeaaçãoresultantenomundovirtual.

Outroaspectoquetemdificultadoadisseminaçãodatecnologiadeinteraçãoemambientesvirtuaiséafaltadepadrõesparainteraçãonestetipodeambiente.Comisto,todavezqueousuáriotemquemudardesistema,deplataformaouatémesmodedispositivo,temquereaprenderumanovaformadeinteração.

Adiscussãosobreesteassuntoéintensaentrepesquisadoresdaárea.Bowman(emlistadediscussão),porexemplo,sugerequeauniversalizaçãodetarefasdeinteração3D,porcausadesuageneralização,caracterizariaumaalternativadeexcelênciaduvidosaparatarefasespecíficas.Suajustificativaéquenemsempresefariaproveitodetaisregrasemcenárioscomcaracterísticasespeciaisparatarefas,domínioouusuárioespecíficos.Porisso,eledefendequeseriaimpossívelcriarumalistacompletacomtodasasopçõespossíveisdetarefasdeinteração3D,masqueseriaútilaclassificaçãodediferentescategoriaseníveisdeespecificidadedetarefasparaasquaissepodeprojetartécnicasdeinteração.

Dessaforma,surgeapropostadesecategorizartarefasemnavegação,seleção,manipulaçãoecontroledosistema.Paramelhorcompreendê-lasserãointroduzidosalgunsconceitosrelacionados,comoformasdeinteração,metáforaseparâmetrosdoprocessodeinteração.

10.2Formasbásicasdeinteraçãoemambientesvirtuais

Naanálisedequalquertarefainterativatrêscategoriaspodemserdefinidas,deacordocomtipodecontroleexercidopelousuário.Elassãoasseguintes(Mine1995):

Interaçãodireta:envolveastécnicasinterativasqueseutilizamdocorpodousuário(mãos,braços,cabeça,etc)atuandodiretamentesobreoobjetoatravésdeum“toquevirtual”.Paratanto,sefaznecessárioqueosistemadeRVouRApossuafunçõesdesuporteaorastreamentodasmãosedadireção

doolhar,reconhecimentodegestosedetecçãodoapontamentodeumobjeto.Osucessodastécnicasdeinteraçãodiretadependedacapacidadedosistemaemrealizarummapeamentonaturaleintuitivoentreaaçãodousuárionomundorealeaaçãoresultantenomundovirtual;Interaçãocomcontrolesfísicos:incluiousodebotões,joysticks,pedais,etc.Usarcontrolesfísicosparainteragircomummundovirtual(comoumguidão,emumsimuladordecarro)podeaumentarasensaçãodepresençadousuárionomundovirtual,poislhepermitealgumtipodesensaçãotátilnãodisponívelnainteraçãodiretasemousodedispositivosdegeraçãodeforçaoudesensaçãoháptica.Dispositivosfísicostambémsãoúteisparaocontroleprecisodatarefadeinteração.Estesdispositivos,noentanto,nemsempreoferecemummapeamentonaturalquefaciliteatarefadeinteraçãonomundovirtual;Interaçãocomcontrolesvirtuais:aideianestecasoérepresentarvisualmenteumdispositivofísico.Qualquercoisaqueseimaginepodeserimplementadacomocontrolevirtual.Estagrandeflexibilidadeéamaiorvantagemdoscontrolesvirtuais,entretanto,asdesvantagensincluemafaltaderetornosensorialeadificuldadedeinteraçãocomoobjetovirtual.

ShermaneCraig(2003)sugeremaindaumoutromodelodecontroleacionadoporagente.Osagentesdecontrolesãoentidadesquepodemsercontroladaspelousuário.Elesatendemacomandosenviadospelousuárioatravésdevozougestos,resultandonarealizaçãodatarefadentrodoambientevirtual.

Éimportantedestacarqueumproblemarelacionadoaoscontroleséatrocademodoparaarealizaçãodenovosprocedimentos.Quantomaisprocedimentosousuáriotiverqueaprendermenostarefasserãorealizadas,oquesugerequeumpequenonúmerodeinteraçõesdentrodeumespaçolimitadoparamanobratornaoprocedimentodeinteraçãomaissimples(ousuárionãopoderealizarmaisdoqueumatarefaporvez).SegundoGabbard(1997)metáforasmanuaisoudiretasoferecemconfortoaousuário,apesardeestaremassociadasàproblemasprovenientesdamudançade“modo”ou“controledosistema”(principalmentemudançasentrenavegaçãoemanipulação),oquepodeacarretardiminuiçãonousodosprocedimentosdurantearealizaçãodatarefa,principalmentequandohouvercombinaçãoimersiva(HMD+dispositivosmanuaiscommuitosbotões),tambémconhecidapor“interaçãocega”.Pesquisasconfirmamqueexisteumaumentonataxadeerrosenotempodeexecuçãodetarefasdesempenhodousuário(alémdedesorientaçãoefrustração)duranteamudançadaposiçãodamão,dedoseprocedimentosdeapertarbotões(Gabbard,1997).

10.3MetáforasdeInteraçãoDireta

Aformadeinteraçãodiretaéamaiscomumnasimplementaçõesdeambientesvirtuais.Amaioriadasmetáforaspodeserenquadradaemumadasseguintessubcategorias:

Interaçãocomamão:ousuárioutilizaaprópriamãoparaselecionaremanipularosobjetosdoambientevirtual.Apossibilidadedeaproveitaroconhecimentointuitivodousuáriosobreestetipodemanipulaçãoéograndeatrativodestacategoria.Entretanto,elalimitaoprocessoaobjetospróximosaousuário;Extensãodebraço:obraçodousuárioéestendidodeformaaatingirqualquerobjetodentrodoambientevirtual.Agrandevantagemdestametáforaéapossibilidadedecontinuarausarosmovimentosdasmãospararealizarumatarefa,oquerepresentaumaformabastantenaturaleintuitivadeinteração;eaomesmotempo,atingirobjetosqueestãoalémdeseucampodeação.Asváriasimplementaçõesdestametáforadiferemnaformacomoobraçoéestendidoecomoomovimentodamãorealémapeadoparaomovimentodamãovirtualnoambientetridimensional(BowmaneHodges,1997;SongeNorman,1993;Poupyrevetal.,1996);Ray-casting:oconceitoéapontaroobjetoatravésdeumraiocontroladopelousuário.Oraioatingeoobjetoquepodeserselecionadoeposteriormentemanipulado.Asváriasformasdeimplementarestametáforadiferemnamaneiracomousuárioespecificaadireçãodoraio,vistoqueemalgumaseleusaumdispositivofísicocomoumacaneta,eemoutras,odedo,asduasmãos(criandoumraioquetemorigememumadasmãossendoadireçãocontroladapelaoutramão),ouaindaadireçãodacabeça;Image-plane:oaspectotridimensionaldaimagemnãoéconsiderado,sendofeitaumaseleçãosobreaprojeçãoperspectivadacenatridimensional.Estatécnicaéumaadaptaçãodatécnicaanterior(ray-casting),ondeoraiopartedoolhodousuárioetemsuadireçãocontroladaporsuamãoouumoutrodispositivo,atingindooobjetodesejado.Oefeitodistonapráticaéquesepodeselecionarumobjetoapenasposicionamentoamãodousuárioentreseuolhoeaimagemdoobjeto,obstruindoavisãodoobjetodeinteresse.

Existemoutrastécnicasquenãoseenquadramnestassubcategoriascomo,porexemplo,omundoemminiaturaouWIM(WorldinMiniature)(Stoakleyetal.,

1995;Mineetal.1997).Pode-sedizerqueéumamanipulaçãodireta,masseuefeitoocorredeformaremota.

10.4ParâmetrosdoProcessoInterativo

Adefiniçãodeumatécnicadeinteraçãoéguiadapelodesejodoprojetistadeproverumaformademaximizaroconfortoeodesempenhodousuárioenquantoestedesenvolveumatarefadeinteração.Dessemodo,édeextremarelevânciaparaoprojetodeinteraçãocomousuário,entenderatarefaesuaspropriedades,objetivandoefetividadeefacilidadedeuso.Algunsparâmetrosinfluenciamdemaneirafundamentalaqualidadeeoresultadodeumametáforadeinteração.Entreestescabedestacar:

Densidadedeobjetosexistentesnaregiãodoobjetoalvo:quantomaioronúmerodeobjetospróximosaoobjetodeinteresse,maioradificuldadeparaselecioná-loemanipulá-lo,emespecialnocasodeumaseleção,poisencontraroobjetodesejadopodelevarmaistempoediferenciá-lodosdemaispodesermaiscomplicado;Distânciaatéoobjeto-alvo:seoobjetodeinteresseestivermuitodistantedousuário,oprocessodemanipulaçãopodetornar-sedifícil,emespecialseforutilizadaalgumatécnicadeapontamentoporraios;Tamanhodoobjeto-alvo:casooobjeto-alvoapareçamuitopequenoparaousuário,suaseleçãopodetornar-secomplicada,poishaveráanecessidadedeumamaiorprecisãonosmovimentosdeseleçãoouapontamento;Oclusãodoobjeto-alvo:casooobjeto-alvoestejaobstruídoporoutros,amanipulaçãoficainviável.Paraefetuá-la,ousuáriodeverádeslocarosobjetosqueoobstruemou,entãoredefinirsuaprópriaposiçãoemrelaçãoaesteafimdeconseguirvisualizá-lo;Númerodeobjetosaseremselecionados:casoonúmerodeobjetosaserselecionadosejagrandeousuárionecessitarádealgumametáforaadicionalquepermitamarcarnovosobjetoscomoselecionadossemperderaseleçãofeitaanteriormente;Grausdeliberdade(DOF)domovimento:umametáforadeinteraçãocomseisDOFpermiteumexcelentecontroledoobjeto,possibilitandosuamovimentaçãoeorientaçãoemtodasasdireções.Isto,entretanto,podenãoserinteressantequandoénecessáriorealizaroperaçõesdeajustefinonaposiçãoounaorientaçãodoobjeto,nemmesmoquandoduranteummovimentonãoénecessário,nemdesejável,realizarodeslocamentoem

umdeterminadoeixo;Princípiosorganizacionais:organizamoambientevirtualeseulayoutterritorial,prevendoumamelhornavegaçãopormeiodadivisão/setorização(dividirgrandesambientesvirtuaisempartesmenores,distintasehierárquicas,comosetoresdevizinhanças,áreascentrais,marginais,etc.)eestruturação(estruturarpartesmenorescomesquemasorganizacionaisutilizandodicas-visuaisesonoras–tambémconsideradas“elementosdereferência”esinalizaçãoinformativaparaauxiliarousuárioaresponderquestõescomo:Ondeestouagora?Comodevoprocederemeorientarcorretamente?Ondeeuqueroir?Comoeuchegolá?;Elementosdereferênciaeorientadores:servemdesuplementoparaaaquisiçãodoconhecimentoporobservação,dependendodeumaconsistênciaespacialdelayoutouplantabaixa(Gabbard,1997).Dicasvisuaisaumentamahabilidadedousuáriodeconheceroespaçoeassimcriarmodelosmentaisparamelhornavegar(DarkeneSilbert,1996).Esteselementospodemserrepresentadosporestruturadereferência(linhadohorizonte,caminhos,pontosdereferência),rótulosdeorientação(denominações,registroserastros,gradesortogonais)einstrumentos(mapas,bússolas,instrumentosdeguia,placasdesinalização,coordenadasnuméricas,trocadequadrodereferência).

Nasseçõesaseguirserãoapresentadasascaracterísticasdosprincipaisgruposdetarefasinterativasexecutadasemambientesvirtuaistridimensionaispormeiodetécnicas(navegação,seleçãoemanipulação,controledosistemaeentradasimbólica).

10.5NavegaçãoemAmbientesImersivos

Emumambienteimersivo,entende-sepornavegação,oprocessodedeslocamento,porpartedousuário,representadoporseuavatar,ouoseupontodevista,dentrodoambientevirtual.Estedeslocamentocompreendetantoamudançadesuaposição,quantoàspossibilidadesderotaçãodoavatar(mesmoqueestenãosaiadesuaposiçãoatual)e;ainda,astarefasdepararealteraravelocidadedomovimento.

Nocontextodenavegação,algunsautoresdividemastécnicasnavegaçãoemtécnicasdedeslocamento(Bowmanetal.,1998;Bowmanetal.,1996),etécnicasdewayfinding(Ruddleetal.,1998;Slateretal.,1995;Walleretal.,

1998,DarkeneAllard,1998).Nestecontexto,odeslocamentoconsisteemmudaroobservadordelugarreferindo-seàhabilidadequeousuáriopossuidemover-senoambientevirtual.Owayfindingrepresentaumprocessocognitivodedecisãoligadoàtarefadecriaçãodeumconceitodoespaçocomoumtodo(DarkeneSibert,1996).Elaobjetivaauxiliarousuárioaencontrarocaminhocorretooudesejadopormeiodeestímulosoferecidospeloambiente.

10.5.1Categoriasdoprocessodenavegação

Anavegaçãoemumambientevirtualtambémpodeserdivididasegundoseusobjetivos,emtrêscategorias:

Navegaçãoexploratória:quandoomovimentonãotemdestinoouobjetivoespecífico.Nestecaso,anavegaçãoserveprincipalmenteparadeixarousuáriomaisfamiliarizadoecomumconhecimentomaiordoambiente;Navegaçãodebusca:quandoousuárioestáindoaumaposição,conhecidaounão,afimdeencontrarumobjeto-alvo,ouposição-alvo,ondealgumaoutratarefaserárealizada.Duasderivaçõesdestacategoriasão:buscasemdomínio(semobjetivo,ousuáriodesconhecealocalizaçãodoalvo,ouseja,trata-sedeumabuscapordescobertaouheurística),ebuscaelaborada(deslocamentodirecionadoporumobjetivoondeousuárioconheceoalvoepodeconheceroespaço,masnãopossuiummapaparaestabelecerrotasdepasseio,mesmoassimabuscaémenosexaustiva);Navegaçãodemanobra:quandooobjetivododeslocamentoéoposicionamentodousuárioparaarealizaçãodeumatarefa.Emgeraléfeitoatravésdemovimentoslentos,pequenoseprecisos,principalmentelançando-semãoderotaçõesdacabeçaedocorpodousuário.

10.5.2TécnicasdeNavegação

Omapeamentodomovimentofísico(comooandar,porexemplo)paraomovimentovirtual,éumadasmaneirasmaisintuitivasdeserealizarmovimentosemumambientevirtual.Feitodestaforma,omovimentonãorequernenhumaaçãoespecialporpartedousuárioepropiciainformaçõesquepodemajudarousuárioamanterummodelomentaldasualocalizaçãodentrodoambientecomgrandefacilidade.Adesvantagemdeusaromovimentofísicoparamover-senomundovirtual,équeoalcancedomovimentodousuáriodependediretamentedatecnologiaderastreamentoutilizadanaaplicação.

Quandoseoptaporcapturaromovimentodocorpodousuáriocomrastreadores,fica-serestrito,namaioriadoscasos,aumaáreadetrabalho(áreaderastreamento)de1a2metros,oque,muitasvezes,nãoproporcionaumaadequadamobilidadedousuárionoambiente.OmesmoocorrecomsensorescomoumacâmeraRGBD,quepermitecapturarmovimentosdocorpodousuárioemumaárearestrita.

Outrasalternativasparacapturadodeslocamentosãoas“plataformasdemovimento”quepermitemaousuáriomover-sedentrodoambiente“caminhando”deformaestacionáriasobreumaesteiraousobredegrausmóveis(Figura10.1).Estesdispositivos,tradicionalmenterestritosalaboratóriosdepesquisaeaplicaçõesmilitares,tambémtêmsidoaprimorados,podendoembrevesetornardisponíveisaopúblicogeral.UmexemplodissoéaplataformaOmnidedeslocamentoestacionário(Virtuix,2017).

Estasobservaçõesmostramquealgunsmeiosalternativosparadeslocamentodevemserencontrados.Tipicamenteestacarênciaésupridaporformasdevôospeloambiente(movimentaçõesaéreassobreoambiente)ou,também,algumasformasdeteletransporteinstantâneocomoelevadores,portaisoucarrosqueconduzemosusuáriosde/paralocaisestratégicosnocenáriovirtual.

Emfunçãodadificuldadederealizaramovimentaçãonaturalemummundovirtual,costuma-secontrolaroprocessodedeslocamentoatravésdedoisparâmetrosdistintos:direçãodomovimentoevelocidadedomovimento,osquaisserãoabordadosmaisprofundamentenasduaspróximassubseções.

Figura10.1-Dispositivodenavegaçãocomdegrausmóveis.

10.5.3ControledaDireçãodoMovimento

Ocontroledadireçãodomovimentopodeserfeitodediversasformas.

Ocontroledanavegaçãopelomovimentodamãodependedaorientaçãocorrentedamãodousuárioquepodeapontaradireçãoaseguir.Estaalternativapermiteumagrandeflexibilidadeeliberdadenamovimentação,possibilitandoinclusive,movimentaçõesemmarcharé.Entretanto,paraalgunsusuários,emespecialparaaquelesquenãoestãohabituadosaambientesvirtuaisimersivos,oapontamentonoespaçopodecausarconfusão,alémdecausarumpoucodefadiganobraço.

Umaalternativaparaessatécnica,éusaramãoapenasparamoverumaespéciedecursordeformaacolocá-lovisualmentesobreumobjeto-alvo.Adireçãodomovimento,então,édadaporumvetorquesaidacabeçadousuárioevaiatéocursor.Umfatorlimitantedousodestatécnicaéanecessidadedemanterobraçoerguidoduranteanavegação,causandofadigaedesconforto.

Umaterceiraalternativaparaomovimentoporapontamentoéousodeumfatordeescala.Aideiaconsisteemaplicarumfatordeescalasobreoambientevirtual

deformaqueopontodedestinofiqueaoalcancedamãodousuário.Feitoisto,ousuáriomarcaestepontocomamãoeumanovaescalaérealizada(inversaàanterior),oqueresultanopontocomoreferência.Oresultadofinaléotransportedousuárioparaopontomarcado.Éimportantequeaaplicaçãodasescalassejafeitadeformagradualeanimada,demaneiraqueousuáriopossaobservararealizaçãodomovimentoafimdenãoseperdercomoprocedimento.

Outraformadedeslocarumavataremumambientevirtualéautilizaçãodomovimentodacabeça.Nestaalternativa,ousuárioescolheadireçãoaseguirpelosimplesgestodemovimentarsuacabeçalivremente.Estemétodo,entretanto,impossibilitaaobservaçãodoambienteaoredordousuárioduranteomovimento,semqueexistaamudançadedireção.

Ousodedispositivosfísicosparaanavegaçãoéoutraopçãoque,àprimeiravista,podeserbastanteinteressanteparaocontroledadireçãodomovimento.Entretantoalgunscuidadosdevemseradotadoscomaescolhadosdispositivos.Opçõescomojoysticks,trackballsebotõestêmumcustobaixoesãodefácilincorporaçãonasaplicações.Poroutrolado,estesdispositivos,podemcriardificuldadesnomapeamentodadireçãoentreoseumovimentoeomovimentodoavatarnomundovirtual.Ogirodeumbotãodeumjoystick,porexemplo,representaráqualmovimentonoambientevirtual?Caberessaltar,aindaque,emalgumasaplicaçõesdomundorealemquejáseusadispositivosfísicos,aformamaisefetivadecriarummecanismodeinteraçãoéincorporaroprópriodispositivoàaplicação.Exemplossãoossimuladoresdeavião,carrosoubicicletas(Pauschetal.1992).

Aoinvésdeutilizardispositivosfísicos,umaalternativaéaimplementaçãodedispositivosvirtuais(DoellnereHinrichs1998)paracontrolaramovimentaçãoemumambientevirtual.Estatécnicatemaflexibilidadecomograndevantagem,poisqualquerdispositivopodesermodelado.Ainteração,entretanto,édifícil,fundamentalmentedevidoàfaltaderetornosensorialtátilduranteoprocesso(ousuáriotocaemumbotãovirtual,masnãosentequetocou).Algumasalternativascomomudaracordeumbotãovirtualoumovê-loàmedidaqueousuáriointeragecomelesãoalternativaspossíveisparareduziresteproblema.

Algumasvezesadireçãodomovimentodousuáriopodenãosercontroladaporelediretamente,massim,dirigidaporobjetospresentesnomundovirtual.Entreelesencontram-seveículosautônomos(umavezdentro,ousuárioétransportadoparaumpontoespecíficonomundovirtual,comoemumelevadorouemum

ônibus),atratores(comoumplanetaesuagravidade)eobjetosrepelentes.

Nestamesmalinhadesubtrairdousuárioocontroledomovimentoenquadra-seaideiadelimitaromovimentoporcaminhospré-definidos,damesmaformaquenocasodenavegaçãoemambientesnão-imersivos.Exemplodestetipodecontroleéquandoousuárioestásendorebocado,maspodesemovimentardentrodaáreadealcancedocaboqueoconectaaoobjetorebocador.

Umaoutraformadecontrolaromovimentoemumambientevirtualédirigi-loporobjetivos,tarefaqueconsistedaexibiçãodeumalistadealvosexibidasaousuárioatravés(textosouconjuntodeícones).Escolherumadireçãodenavegaçãodeterminandoumaposiçãoexigequeousuárioescolhaapenasumadasopçõesdalista.Paraaefetivaçãodestatécnicaénecessárioqueosistemadecontroledoambientevirtualofereçaalgumaformadeacessoamenusoupainéisdeopçõesvirtuais.Pode-seimplementarestaformadenavegaçãoatravésdoapontamentosobrepequenosmapasouminiaturasdoambientevirtual.

Adireçãodomovimentopodeaindaserespecificadacomousodasduasmãos.Nestecaso,osistemadevecriarumvetorbaseadonasposiçõesdeambasasmãos,queserveparadirecionaromovimento(Mineetal.,1997)(Figura10.2).

Figura10.2-Controledadireçãocomasduasmãos(Mineetal.,1997).

10.5.4ControledaVelocidadedoMovimento

Aformamaissimplesdeespecificaravelocidadedomovimentoemummundovirtualétorná-laconstante,qualquerquesejaadireçãoouaposiçãodousuárionoespaçovirtual.Pode-selevaremconta,paradeterminartalvelocidade,arelaçãoentreotamanhodesteespaçoeotempodisponíveloudesejávelparaatravessá-lo.Apesardeserdefácilimplementação,ousuáriopodeenfrentar

dificuldadesparaobterumposicionamentoespecífico,oqueemgeraléfacilitadopeladiminuiçãodavelocidadeaoseaproximardoalvo.

Aoinvésdeumavelocidadeconstante,ousuáriopodesemovimentarcomumaaceleraçãoconstante.Nestamodalidadeomovimentoinicia-secomumavelocidadebaixa,queéidealparadeslocamentoscurtose,àmedidaqueestedeslocamentoperdura,aplica-seaeleumaaceleração.Issopermitequeavelocidadecresçacomaduraçãododeslocamentonoambientevirtual.Estetipodecontroledevelocidadeéútilquandosetemumambientemuitograndeaserpercorridoetambém,quandoexistemmuitosdetalhesnocenárioparaseremexplorados.Devehavernestecasoformasdereduziravelocidadeafimdeatingircommaisfacilidadeaposiçãodesejada.

Ousodaposiçãodamãotambémpodeserumaformadecontroledavelocidade.Ousuáriopodeindicaravelocidadeatravés,porexemplo,dadistânciaentresuamãoeseucorpo.Nestaconfiguração,mantendo-seamãopróximaàcabeça,tem-seumavelocidadebaixa,àmedidaqueseafastaamão,aumenta-setambémavelocidadededeslocamento.Mine(1995)sugerealternativamente,quesedefinamintervalosouzonasnasquaissãoestipuladosníveisdevelocidades,bastandoaousuário,indicarcomamãoointervalodesejado(Figura10.3).

Figura10.3-Controledevelocidadeporintervalos(adaptadodeMine(1995)).

Outratécnicaparaaespecificaçãodavelocidadededeslocamentopodeserousodasduasmãos.Nestecasoadistânciaentreasmãosdeterminaavelocidadededeslocamento(BuxtoneMyers,1986;MapeseWatt,1995;Zelezniketal.,1997).Amaiorlimitaçãodestasalternativaséafadigademanter-seobraçomuitotempoesticadoparacontrolaravelocidade.

Controlesfísicostambémpodemserusadosparaocontroledavelocidade.Paraistousam-sedispositivosconvencionaiscomoteclado,mouseoujoysticks.Outrosdispositivoscomopedaisparaaceleração,bicicletaseesteirasrolantestambémpodemserempregados.

Assimcomonocontroledadireçãododeslocamento,avelocidadepodeserdefinidaporcontrolesvirtuais.Damesmaformaquenaespecificaçãodadireçãodomovimento,afaltaderetornotátilpodecausardificuldadesnanavegação.

10.5.5SeleçãoeManipulaçãodeobjetosemAmbientesImersivos

Antesdamanipulaçãodeumobjetoéessencialqueeleseja“selecionado”,ouseja,queousuáriopossainformaraosistemaquecontrolaoambientevirtualqualé,ouquaissão,osobjetosalvodafuturamanipulação.

Noprocessodeseleçãoépossívelidentificarduasetapas.Naprimeira,aindicaçãodoobjeto,ousuário“mostra”aosistemaqualoobjetodesejamanipular.Nasegunda,aconfirmaçãodaseleção,ousuáriodefineoobjetocomoselecionado,concluindooprocessodeseleçãoepermitindo,apartirdisto,amanipulação.Aindicaçãodeobjetopodeserfeitaapontando-se,tocando-se,englobando-seoobjetocommoldura,escolhendo-sediretamentesobreumalistadetexto(menu),oudeícones,ouaindaatravésdecomandosdevoz.Aconfirmaçãodoprocessodeseleçãoéfeitapormeiodegestos,botões,vozoumecanismodetempocapazdecontrolarotempodeapontamentodeumobjeto(casoaseleçãoseprolongueporumperíodoestipulado).Comaconfirmaçãodaseleçãooobjetopodeentãosermanipulado.

Umaspectoessencialnoprocessodeseleçãoéanecessidadederetorno(feedback)aousuário.Esteretornoénecessárionosdoismomentosdoprocessodeseleção.Noapontamentoénecessáriodestacaroobjetodosdemais.Alternativassãoexibiroobjetoselecionadocomumacordiferenteoucomumamolduraaoseuredor(Figura10.4).Noinstantedaconfirmaçãoéprecisoquealgumsinal,sonoro,visualoutátil,sejaoferecidoaousuário.

Figura10.4-Feedbackvisualduranteoprocessodeseleção.

Amanipulação(PoupyreveIchikawa,1999)consistenamudançadealgumparâmetroouoestadodeumobjetopreviamenteselecionado.Estamudançadeestadoincluiorientação,posição,tamanhoououtroparâmetroqualquer,seja

geométrico(formaouposição),visual(coroutextura)oucomportamental(iniciarmovimentoouparar,porexemplo).

Astécnicasdemanipulaçãomaiscomuns(ounaturalepróximadarealidade)emambientesvirtuaissãoaquelasclassificadascomointeraçãodireta.Estastécnicaspermitemaousuáriotocarvirtualmenteoobjetoeutilizarosmovimentosdeseucorpo(mãos,braços,cabeça,etc)paraprovocarmudançasnaposiçãoe/ouorientaçãodesteobjeto.Estastécnicasserãoaquiclassificadascomoindividuais,poissereferemàmanipulaçãoqueumúnicousuáriorealizasobreumobjeto(semcolaboração).Tambémassociadasametáforasdeinteração(analogiaousemelhançadeinteraçãocomomundoreal)estastécnicasdefinemcomoosmovimentosdousuáriosãomapeadosparaarealizaçãodemovimentosdoobjeto.

Otoquevirtual(ouinteraçãodireta)podeserfeitocomamãodousuário(atingindoumobjetopróximodoseucorpo),atravésdeumraiodeapontamentooudeumatécnicaqueestendaobraçodeformaaalcançarumobjetodistante.ParaefetivarestastécnicassefaznecessárioqueosistemadeRVpossuafunçõesdesuporteaorastreamentodasmãosedacabeçadousuário,oreconhecimentodegestosedetecçãodoapontamentodeumobjeto.Osucessodestastécnicasdependedacapacidadedosistemaderealizarummapeamentonaturaleintuitivoentreaaçãodousuárionomundorealeaaçãoresultantenomundovirtual.Paraissosãoutilizadosdiferentesprocedimentosdecontrole,osquaisdeterminamdiferentesmodelosdemetáforas.Amanipulaçãoencerratrêstécnicasdivididasemtrêscategoriasdemetáforas:manipulaçãodireta,porraioouapontamentoeextensãodebraço.

10.6SeleçãoeManipulaçãoDireta

Paraselecionarobjetospróximosaoseucorpo,ousuáriopodemoverumarepresentaçãodesimesmo(cursor,mãovirtual,etc)viadispositivo,oqualpodeestarpresoàsuamão.Quandoarepresentaçãotocaumdeterminadoobjetovirtual,obedecendoomovimentodousuárionomundoreal(deslocamentodamão),aseleçãoéexecutada.

Cursordeseta:refere-seàseleçãodiretadeobjetosfeitaatravésdetoquecomamão,sendoestaamaissimplesdetodasastécnicas.Porémelapossuialgunsproblemascomoàinacessibilidadedeobjetosdistanteseainstabilidadedoapontamentocausadapeloserrosgeradospelosrastreadoresdeposição.Uma

soluçãoparaesteproblemapropõeumcursortridimensionaltransparenteecomvolumequepermiteumamaiorcomodidadenoapontamentodeumobjeto(Zhaietal.,1994).Adificuldadenestecasoestáemescolhercorretamenteotamanhoeaformadestecursor.

Namanipulaçãodiretaousuário“pega”oobjetovirtualcomamão,move-onoambientevirtualcomomovimentodobraçoeo“libera”quandojulgarqueatarefaestáconcluída,exatamentecomofariacomumobjetoreal.Representaaformamaissimplesdeinteraçãodiretaassociandoosmovimentosdamãoeosmovimentosdoobjetonoambientevirtual(Mine,1995).

Aimplementaçãodestatécnicapressupõeorastreamentodaposiçãodamão(edosdedos)dousuárioafimdecapturarseusmovimentos(rotaçãoetranslação)etransferi-losaoobjetoselecionado.Agrandepotencialidadedestatécnicaéapossibilidadedeaproveitaroconhecimentointuitivodousuáriosobreestetipodemanipulação.Oprincipalproblemaéalimitaçãodealcancedeobjetosqueseencontrampróximodamãodousuário.Dispositivoscomoluvasdedadospodemserutilizadosnestecontexto.

10.6.1TécnicasdeRaio

Aseleçãodeobjetosdistantesexigeacriaçãodealgumaformadeextensãodoalcancedosbraçosdousuário.Váriasalternativaspodemserutilizadascomo,porexemplo,umraiodeapontamento(ray-casting).Nestatécnicaumaespéciederaiolasersaidamãodousuárioeprojeta-senadireçãodoambientevirtualsendocontroladopelomovimentodealgumobjetooupelaprópriamãodousuário(Figura10.5).Emambososcasosháanecessidadedealgumdispositivoderastreamentoafimdecapturaromovimentodamãoeadireçãodoapontamento.

Adireçãodoraiotambémpodesercontroladapelomovimentodacabeçadousuário.Omovimentodacabeçaquecontrolaosraioséumadasformasmaispoderosaseintuitivasdeapontareposicionarobjetos.Testessugeremapreferênciadeorientaçãoporraiosutilizandoacabeçaaoinvésdousodemouse(Chung,1994;Chung,1992).

Figura10.5-Usodeumraioparaselecionarobjetovirtual(adaptadodeArgelagueteAndujar,2013).

Umadasdificuldadesnousoderaioséaprecisãonoapontamentodeobjetosdistantes,oquepodesersolucionadopermitindoqueousuárioefetueescalasnoambientevirtualmudandoassimotamanhodosobjetos.Estaideiabaseia-senatécnicaWIM.

Outraalternativaéusarconesdeluznolugarderaiosdeapontamento.Assim,quantomaiorforadistânciaentreobjetoeusuário,maiorseráaáreadeaberturadocone,ouseja,aáreaatingidapelabasedoraiocresce(Figura10.6).Estaideiabaseia-seemduastécnicasconhecidascomoSpotlighteAperture(Forsbergetal.,1996).

Figura10.6-Seleçãopor“conedeluz”

Amanipulaçãoporraiosouapontamentosugereumametáforaqueofereceaousuárioumamanipulaçãodiretaparaaplicaçõesderotaçãoetranslação.Oconceitosugerequeousuárioaponteoobjetoemumambientetridimensional(Bolt,1980)utilizandoumraiocontroladopelousuárioqueatingeoobjetoasermanipulado.Asváriasformasdeimplementarestametáfora(Jacobyetal.,1994;Mine,1995)diferemnamaneiracomoousuárioespecificaadireçãodoraio.Asalternativasmaiscomunssão:

A. Comumdispositivofísicocomoumacaneta;B. Comodedo;C. Comasduasmãos(criandoumraioquetemorigememumadasmãosea

direçãoécontroladapelaoutra);D. Comadireçãodacabeça.

Nestecaso,algumaslimitaçõessãocaracterísticas.Arotaçãotorna-sebastantenaturalàaplicaçãodegirosaoredordoeixodefinidopeloraio.Entretanto,arotaçãoemoutroseixostorna-sedifícilepouconaturaldeserindicadapelousuário.Nocasodatranslação,odeslocamentodoraiopode,fácileintuitivamente,alteraraposiçãodoobjeto.Porémestedeslocamentoficarestritoaospontosqueestãopróximosàcircunferênciacujocentroéousuário,ecujoraioéadistânciaentreeleeoobjetoqueestásendoapontado(Figura10.7).

Figura10.7-Possibilidadesdetranslaçãocomraiodeapontamento.

Amovimentaçãodamãoparafrenteouparatráspodeaumentaraspossibilidadesdedeslocamentodoobjeto,masnãoapontodedartotalliberdadedeescolhadaposiçãofinaldoobjeto.Umaformadeampliaressaspossibilidadesédaraousuárioalgumtipodecontrolequeaproximeouafasteoobjetodopontodeorigemdoraio(Figura10.8).Nestecasoháanecessidadedeproveralgumtipodecontroleadicionalparaqueestecomandodeafastarouaproximarsejaefetivadopelousuário.Istopodeserfeito,porexemplo,atravésdebotõesoucomandosdevoz.

Figura10.8-Movimentodeaproximaçãoeafastamentodoobjetosobreoraiodeapontamento.

UmasoluçãoparaproblemasderotaçãodoobjetoaoredordeseupróprioeixoéHOMER(Hand-centeredObjectManipulationExtending“Raycasting”)(BowmaneHodges,1997).Apósaseleçãodoobjetocomumraio,amãodousuáriotransfere-separaolocalondeseencontraoobjetoe,apartirdestemomento,seugiropassaacontrolarogirodoobjetocomoseesteestivesse

presoàmãousadaparacontrolaroraio.Emoutraspalavras,paraselecionarumobjetoousuárioutilizaumraiodeapontamento,edepoisdeselecionado,oobjetopassaatersuarotaçãocontroladapormanipulaçãodireta.Emconsequênciadisto,arotaçãodoraiodeixadetransladaroobjeto.Parapermitirodeslocamento,atécnicacriaumraioimaginárioentreopeitodousuárioesuamão,emantémoobjetopresoaesteraio(Figura10.9).Comomovimentodamãodousuário,oraioérecalculado,oquepermiteoreposicionamentodoobjeto.Tambémépossívelagregaràtécnicaoafastamentodeaproximaçãodoobjetoaolongodoraiodeapontamento,comosefazcom“ray-casting”.

Figura10.9-TranslaçãodeutilizandoHOMER(BowmaneHodges,1997).

10.6.2MetáforasdeExtensãodeBraço

Nestacategoriaobraçodousuárioéestendidodeformaaatingirqualquerobjetodentrodoambientevirtual.Agrandevantagemdestametáforaéapossibilidadedecontinuarausarosmovimentosdasmãospararealizaratarefa,oquerepresentaumaformabastantenaturaleintuitivadeinteração,atingidoinclusive,objetosqueestãoalémdeseucampodeação.Suaimplementaçãodiferenaformacomoobraçoéestendidoecomoomovimentodamãorealémapeadoparaomovimentodamãovirtual.

AtécnicaGo-Go(Poupyrevetal.,1996)criaumafunçãonão-linearquemapeiaomovimentodamãorealparamãovirtual,fazendocomqueoespaçoaoredordousuáriosejadivididoemduasesferasconcêntricas.Enquantoamãoestiverdentrodaesferainterna,istoé,maispróximadocorpodousuário,éfeitoummapeamentolinearentreosmovimentosdamãorealedamãovirtual.Quandoamãoestiveralémdoslimitesdestaesfera,omapeamentopassaaserexponencial,permitindoummaioralcancedobraço.Estatécnicapossuiumavariante(Go-Goindireto),queaocontráriodaoriginal(queexigeaextensãoemovimentosreaisdoprópriobraço),exigeousodedisparadores(botõesem

mouse3D)pararealizaratarefadeextensão(umbotãorealizaaextensãodobraçodeformaconstante,enquantooutrobotãooretrai).

Existemtrabalhos,poroutrolado,emqueéaplicadoumfatordeescala,diminuindootamanhodoambientevirtuale,comisto,aumenta-seoalcancedamãodousuário.UmexemplodestaabordageméosistemaWIM(Stoakley,1995).Nestecaso,oambientevirtualéreduzidodetalformaaficarsobreumadasmãosdousuário,podendomanipularosobjetoscomoutra.Colocaroambientevirtualsobreumadasmãosdousuáriopermiteefetuarrotaçõesetranslaçõescomfacilidade.Aformaremotadeinteraçãodeixaqueousuáriomanipuleoobjetoreferênciadamaquetedeformadireta,sendoqueareaçãodestainteraçãoprovocaamanipulaçãodosobjetos“reais”nocenárioprincipal.

OutroexemploéScaledWorldGrab(Mineetal.,1997),querealizaumescalonamentoautomáticodoambientevirtualassimqueoobjetoforselecionado,fazendocomqueoobjetofiqueaoalcancedamãodousuário.Feitaamanipulação,umaescalainversadevolveosobjetosaseutamanhooriginal,respeitandoastransformaçõesrealizadasduranteoprocessodemanipulação.

10.6.3SeleçãoSobreaImagem2DdoAmbiente3D

Bastanteconvenientenaseleção,oapontamentosobreaimagemdoambientetridimensionalatravésdeumcursorquesedeslocasobreoplanodeprojeçãodaimagemservecomoferramentadeseleção.Ametodologiaéadoapontamentoporraiocomorigementreosolhosdousuárioecontroledadireçãofeitopelocursorsobreatela.Omovimentodocursor,porsuavez,podeserfeitopelamãodousuário,desdequeestemovimentosejarastreadoatravésdealgumdispositivodecapturademovimento.Oprimeiroobjetoatingidopeloraioédadocomoselecionado.Estatécnicaéchamadadestickfinger(Pierceetal.,1994).

Trêstécnicasvariantes(Pierceetal.,1994)permitemaseleçãodeobjetosusandosuaimagem.ElasexigemqueousuáriovistaumHMDeluvadedados,amboscomsuasposiçõescapturadaspororastreador.NatécnicachamadadeHead-crusherousuárioselecionaumobjetocolocandosuaimagementreosdedosdamãodireita.Aseleçãodoobjetoérealizadadisparando-seumraioquepartedentreosolhosdousuárioepassandopelopontomédioentrededos(indicadorepolegar)damãousadaparaaseleção.

Outratécnicafuncionacomoum“truque”visualondeapalmadamãopareceestarsegurandoalgoqueseencontraemumplanomaisafastado.Aseleçãoocorreapartirdaposiçãodamãodousuárioassociadaaumraio.Parecendoseguraroobjetoemsuapalma,osistemareconheceoobjetoapontadopeloraioeestabelecidopelo:seupontodevista,obraçodousuárioestendidoe,osdedosdamãoabertos.Podeserexecutadocomousodeluvadedados,comumrastreadoroucomacapturadaimagemdamãoeposterioridentificaçãodesuasposições.

Umaúltimavariantepermiteaseleçãodeumgrupodeobjetosutilizandoasduasmãosparadelimitarumamoldurasobreacenaespecificada,atravésdoposicionamentodasmãosemfrenteaoobjetodeinteressedousuário.Atécnica“framinghands”significaemoldurarcomasmãosepodeserincrementadaaooferecerumaformadedesenharumretângulorepresentandoamolduradeseleção.

10.6.4OutrasFormasdeSeleção

Alémdeusarapontamentodiretoouporraiosépossívelselecionarobjetosdistantesusandocomandosdevoz(Harmonetal.,1996;Billinghurst,1998).Comandosdestetipoidentificamobjetosatravésdenomesqueosdiferenciedosdemais.Oinconvenientedestatécnicaéqueousuárioprecisalembraronomedeidentificaçãodecadaobjeto.Aseleçãoporlistadeobjetos,porsuavez,pressupõeousodemenusapartirdosquaisoobjetopodeserescolhido.Tambémnestecasoénecessárioconheceraidentificaçãodoobjetoquesepretendeselecionar.

10.6.5InteraçãoAtravésdeDispositivos

Oscontrolesfísicos,comomousetridimensionalourastreadordeposição,podemdaraousuárioumgrandepoderdeinteração,emespecialnoquedizrespeitoàprecisão,poisomovimentoeocontroledosDOFpodemserfeitosdeformaindividualeseletiva.Entretanto,comoestesdispositivosnãotêmparalelonastarefasrotineirasdamaioriadaspessoas,seuusopodecausardificuldades,principalmenteaosusuáriosiniciantes.Asformasdeusosãoasmaisvariadasedependemdascapacidadesdodispositivo,dasnecessidadesdaaplicaçãoedashabilidadesdousuário.

Damesmaformaquenocasodamanipulaçãonão-imersiva,umaspecto

relevantenotratocomqualquerdispositivoéocontroledosseusDOF.Emcertoscasos,este“controle”éimprescindívelparaobomandamentodoprocessointerativo.Porexemplo,numaaplicaçãoemqueousuáriotemqueencaixarumobjetoentredoisoutros,depoisatingiraorientaçãocorreta,serámuitomaissimplesposicioná-loseasrotaçõessubsequentes,lidaspelorastreador,nãoforemrepassadasaoambientevirtual.Oinversovale,porexemplo,paratarefascomoapertarumparafusonumaaplicaçãodemontagemvirtual.Nestecasoosdeslocamentoslidospelorastreadorapenasirãoatrapalharogirodoobjetosobreoeixodesejado.

10.7MenusemAmbientesImersivos

Menusvirtuaisaindacarecemdepesquisasparaodesenvolvimentoeprocessodeinteraçãoemambientesimersivos.Énecessáriobuscar,acimadetudo,técnicasdeinteraçãomenosatreladasaostradicionaismenusdeinterfacebidimensionais.Otipomaiscomumutilizadoéaquelequeapresentaaousuárioummenususpensodentrodeumambientevirtualcomosefosseumaplacanaqualaparecemopçõesdisponíveisparainteração(Figura10.10).

Oapontamentodasopçõespodeocorrernormalmenteatravésdeumacanetarealnaqualseacoplaumrastreadordeposição(outrosdispositivoscomrastreadorestambémpodemserutilizados).Oobjetivodestametáforadeinterfaceésimularumaespéciedeapontadorlaser,queindicaitensemumaprojeçãoqueserealizasobreumobjetoplanocomoumaparede,porexemplo.

Figura10.10-Exemplodemenususpenso(Antoniazzi,1999).

Háváriasdiferençasentreosmenusbidimensionaiseosmenusaseremusadosemambientesvirtuais.Segundo(JacobyeEllis,1992),aprincipaldiferençaéqueosmenusbidimensionaissãoexibidossempreaumadistânciadeaproximadamente60centímetrosdousuárioeemlocaisjáconhecidos.Osmenustridimensionais,porsuavez,podemserexibidosemdiversasposições,comdiversostamanhosecomváriasorientações.Alémdisso,háocomplicadordequeusuárioestáimersonomesmoespaçodomenu,podendotambémestarposicionadoeorientadodequalquerforma.Emborasejapossívelatrelaromenupermanentementeaopontodevistadousuário.

Estasoluçãopodeserutilizadaquandohouvernecessidadedeseleçãodevalores,parâmetrosdeobjeto,identificaçãoespecíficadentrodeumconjuntodeobjetos,entreoutros.SegundoShermaneCraig(2003),estaformadeseleçãoéfamiliaràmaioriadeusuáriosdecomputador,poisoprocedimentorequeradisponibilizaçãodeumalistadeitenspossíveis.Estesitensnãoprecisamserobjetosnomundo,masénecessárioofereceralgummeiodeentradaparaindicarqueumitemdomenufoiescolhidoparaaseleção.

10.7.1CategoriasdeMenus

Feiner(1993)eLindeman(1999)classificamousodemenudeacordocomaposição,dentrodoambiente3D,dajanelaondeéexibidoomenu.Sãodefinidostrêstiposdejanela.Oprimeirotipoagrupaasjanelasfixasnomundo.Estasjanelastêmsempreamesmaposiçãonoambientevirtual,aparecendooudesaparecendodavisãodousuário,dependendodasualocalizaçãoeorientaçãodentrodoespaçovirtual.

Osegundotipodejanelaéajanelapresaàvisãodousuário,queaparecesemprenamesmaposiçãodocampodevisãodeste.Estajanela,narealidade,move-sejuntocomopontodevisãodousuário,eéusadaparamanipularcaracterísticasglobaisdoambientevirtualcomo,porexemplo,ativaroudesativarumsom,definiromododeexibiçãodosobjetos,salvaroucarregarumarquivo.

Oterceirotipodejanelaéafixaaobjetos.Estetipodejanelaacompanhaosobjetosdocenário,sendoexibida,semprequenecessário,comoumaespéciede“menudecontexto”.Éusadaprincipalmenteparacontroledecaracterísticasintrínsecasdosobjetosaosquaisestãovinculadas,comoporexemplo,paradefinirvelocidadedeumcarro,opesodeumaesfera,acordeumaparedeouparaligaredesligarummotor.OsoftwareAlice(http://www.alice.org),porexemplo,utiliza,namaiorpartedeseuscomandos,estetipojanela.OmesmoocorrenoambienteTHERE(http://www.there.com),ondeosobjetoscominteraçãosãoacompanhadosdeumsímboloemformadesetaqueindicaaexistênciademenu2D.Seoobjetoforumcarro,porexemplo,omenudisponibilizaopçõesdeguardaremsuascoisaspessoais,dirigir,sentarnoespaçodecaronaoupegaremprestado.

10.7.2OutrasFormasdeMenus

Nasalternativasapresentadas,osmenustridimensionaissãofortementebaseadosnosmenusdeinterfacesgráficastradicionais.Entretanto,emambientesvirtuaisépermitidoousarecriarformasdiferenciadasdemenu.Umexemploéo“RingMenu”dosistemademodelagemJDCAD(LiangeGreen,1994),oqualapresentaasopçõesaoredordousuáriodemaneiracircular,formandoumaespéciedecintoouanel.Estemenuoferecefacilidadedeseleçãodasopções,poisenquantonumsistemaconvencionalousuáriodeveapontaraopçãodesejada,neste,osimplesgirodoanel,controladopelamão(ouporoutroartifícioqualquer)permiteaseleçãodaopção.

Outroexemplodemenudiferenciadoéo“HIT-Wear”(Sasakietal.,1999),onde

assuasopçõessãoextensõesdosdedosdousuáriodeformaqueaseleçãoéfeitaapontando(comaoutramão)odedoquecontémaopçãodesejada.Nestesistema,oenquadramentodasopçõessobreosdedoséfeitocapturando-seaimagemdamãocomumacâmeraeidentificando-seasposiçõesdosdedosatravésdoprocessamentodasimagens.Nadaimpede,entretanto,queestasinformaçõessejamobtidasatravésdautilizaçãodeumaluvaoudeumrastreadordeposição.

10.8UtilizaçãodoCorpodoUsuáriocomoReferência

Quandoousuárioestáimersoemumambientevirtual,semapossibilidadedesentirotoquedosobjetos,aúnicasensaçãotátilexistenteéseuprópriocorpo.Baseadonisso,(Mineetal.,1997)propõeousodetécnicasqueaproveitemesteconhecimentoparatornaramanipulaçãomaisfácildeseraprendidaeutilizada.

Mine(1995)defendequeastécnicasdemanipulaçãoquesebaseiamnanoçãode“propriocepção”ofereceummaiorcontrole,precisãoesegurançanamanipulaçãodeobjetos.Apropriocepçãodoserhumanoéasensaçãoquetodapessoatemdaposiçãoedaorientaçãodaspartesdeseuprópriocorpo(Boffetal.,1986).

Aideiadeinteraçãoproprioceptivatrazvantagensaousodetécnicasparamanipulaçãodiretaeparatécnicasdemanipulaçãodemenus.Usandoasinformaçõesdoprópriocorpodousuário,comoaposiçãodasmãosoudacabeça,astécnicaspropostaspossibilitamentreoutrascoisas:

Umareferênciafísicarealnaqualousuáriopodeapoiar-separacompreenderoprocessointerativo;Umcontrolemaisfinosobreosmovimentos;Apossibilidadedeumainteração“eyes-off”(semosolhos),naqualousuárionãonecessitaestarsempreolhandoparaosobjetosouparaaquiloqueestiverfazendo.

Emtécnicasdemanipulaçãodireta,osobjetospodemserfacilmentemovidosereposicionadosemfunçãodoconhecimentodousuáriosobreasdimensõesdeseuprópriocorpoeaspossibilidadesdeaçãodeseusbraçosemãos.

Namanipulaçãodecontrolesinterface,comomenus,apossibilidadedequeousuárioandelivrementepeloambientevirtualpodeacarretardificuldadespara

encontrarosobjetosapósgrandesmovimentosoudeslocamentos.Usandooprópriocorpocomoreferencialpode-seutilizaraopçãodemenucircularouanel,oudesenvolveropçõesdeusodosbolsos,porexemplo.Istopermitequeousuáriotenhaumalcancefacilitadodeinformaçõesecomandossemprequenecessitar,alémdeocultartaisobjetosduranteoprocessodeinteração.Esteaspectotem,ainda,duasvantagensadicionais:reduzirotempodeexibiçãodacenaeaumentaraáreadisponívelparaavisualizaçãodoambiente.

Umasegundaalternativa,usando-seaideiadepropriocepção,éesconderosmenusvirtuaisemlocaisfixosemrelaçãoaocorpodousuário.Colocando-os,porexemplo,acimaouabaixodacabeçadousuário.Comisto,esteusuárioprecisaapenasolharparacimaouparabaixoealcançaromenucomamãopuxando-oparafrentedeseusolhos.Parainteragircomomenuousuáriopodeusaraoutramãoouadireçãodoolhar.

Pode-setambém,imaginarqueomenucomporte-secomoumacortinaque,aoserpuxadaatécertoponto,fixa-senaposiçãodesejada.Puxando-amaisumavez,elaéliberadaeretornaàposiçãooriginal.O“liberar”domenutambémpodeserfeitoatravésdeumaalavancavirtual.Estatécnicatemavantagemdedispensarousodebotõesedenãoocuparespaçonocampodevisãodousuário.

10.8.1UsodeMiniaturasdoAmbienteVirtual

Nocasodemanipulaçãodiretaousodepropriocepçãorequerqueoobjetoestejapróximodocorpodousuário.Quandoistonãoocorre,ousuáriopodemover-seatéoobjetoeassimassumirumaposiçãomaispróxima.Isto,entretanto,causaumasobrecarganosistemacognitivodousuário,quenummomentoestárealizandoumdeslocamentoelogoaseguirumamanipulação.

Nestescasos,umaformadeinteraçãoquepodeseradotadaéousodeminiaturasdoambientevirtualparamanipulaçãodeobjetos.Estastécnicassãotambémclassificadascomotécnicasexocêntricas,poisousuáriooperasobreambientedeforadosistemadereferênciadele.Aideiacentralétornaroambientepequenoosuficienteparacolocá-lotodoaoalcancedamãodousuárioepermitirqueesteomanipulecomousodasmãos,comoseestivessetrabalhandosobreumamaquete.

Omundoemminiaturaou(WIM)sugereacolocaçãodoambientevirtualsobreumadasmãosdousuáriopermitindoefetuarrotaçõesetransaçõescom

facilidade(Figura10.11).

Figura10.11.TécnicaWorldInMiniature(WIM)(ArgelagueteAndujar,2013).

Damesmaforma,atécnicadeinteração“scaleworldgrab”fazcomqueoambientevirtualsejaautomaticamenteescaladodeformaqueoobjetofiqueaoalcancedamãodousuário.Feitaamanipulação,umaescalainversadevolveoobjetoaseutamanhooriginal,respeitandoastransformaçõesrealizadasduranteoprocessodemanipulação.

10.9UsodeGestosnoProcessoInterativo

Autilizaçãodegestosémaisumaformadeinteraçãoemambientesvirtuais.Esteprocessointerativopodeirdesdeoreconhecimentodegestossimplesatécomplexasanálisesdecomoaspessoasusamasmãosparaamanipulaçãodeobjetos.

Nocasodegestossimples,pode-se,porexemplo,usarogestode“atirarporcimadoombro”paraefetuarremoçãodeobjetos.Estemétodoébastanteintuitivo,fácildelembrar,nãousanenhumtipodebotãooumenue,alémdisso,ébastanteseguro,poisnãoéfacilmenteexecutadoporacidente(principalmente

porqueumserhumanonãocostumamanipularobjetosemsuascostas).Estatécnicapermitetambémqueseutilizearegiãonascostasdousuáriocomoumazonaondesepodebuscaroobjetosanteriormenteremovidosdoambiente.

Nocasodeanálisedegestosmaiscomplexos,umexemploéaarquiteturaTGSH(Two-HandedGestureEnvironmentShell)(Nishinoetal.,1997),capazdereconhecerumconjuntodeatédezoitogestosusadosemummodeladorgeométrico.Ainterpretaçãodosgestosérealizadaatravésusoderedesneurais,utilizando-sedeumatécnicachamadaDynamicGestureRecognition(Vamplew1995).

Ousodegestospressupõecompreendercomoaspessoasescrevemobjetoscomgestosicônicos(MarsheWatt,1998)(gestosqueimitamaformadeumobjeto).Umaformadeestabelecerrelaçõeseestudarcomoumconjuntodeobjetospodeserinterpretadoatravésdegestos,estabelecendorelaçõesdediferençasentreobjetosprimitivos(cuboeesfera)ecomplexos(bola,cadeira,pão,mesa),comosugereotrabalhode(MarsheWatt,1998).

Normalmenteaimplementaçãoacontececomomovimentodasmãoscapturadoporluvaserastreadoresdeposição.Emoutroscasos,acapturapodeocorreratravésdecâmerasdevídeo(SegeneeKumar,1998)oucâmerasRGBD,ondeasimagenseposiçõessãoprocessadasafimdepermitirainteraçãocomoambientevirtual.

10.10PainéisTridimensionais

Autorescomo(Conneretal.,1992)propõemousodecontrolesdeinterfaces(widgets)presosaobjetoscomoformadecontrolarsuaspropriedades.Estescontroles,assimcomoosmenus,são,poristo,batizadosdeobject-boundwidgets.Umproblemasérionainteraçãocomestetipoderecursoéaausênciadesensaçãotátilduranteainteração.Estefatoratrapalhaedesorientanovosusuáriostornandodifícilsuainteraçãocomosobjetosquelhesãoapresentados.

Pensandonestesproblemas,algumassoluções,principalmenteasqueutilizamRA(Azumaetal.,2001),têmconquistadoespaçocomoferramentadeinteraçãocomousuário.ARAofereceimersão,mantendomesmoassim,algumgraudeconexãocomummundoreal.

Parasolucionaroproblemadafaltadeapoioparaasmãos,comumaospainéis

demenusedewidgets,algunspesquisadoresutilizaramumconceitochamado“Pen-and-Table”.Trata-sedeumacategoriadetécnicasdeinteraçãoemqueumaplataformafixa(comoumamesaouumpaineldeparede),oumóvel(comoumaprancheta),controlaaposiçãodajanelaondedevemserexibidasopçõesdemenusouwidgetsdeinterface.Comumacaneta,ousuárioapontaasopçõesdesejadas.Algunsexemplosdestacategoriadetécnicainterativasão:

“PersonalInteractionPanel-PIP”(SzalavárieGervautz,1997):formadoporumapranchetaeumapontador.Ousuáriovesteumpardeóculostransparentesnoqualsãoexibidosobjetosdeinterface(widgets)eobjetostridimensionaisdoambientevirtual.Ofatodeusarestetipodeequipamentodáàferramenta,segundoseusautores,umamaiorfacilidadedeaprendizado,poisousuárionãosesenteisoladodomundorealaoiniciarousodaaplicação.OprincipalusodoPIPéocontroledeexperimentosdevisualizaçãocientífica.Nestes,alémdecontrolaralgunsparâmetrosdavisualização,interagindocomacanetasobreaprancheta,estaúltimapodeserutilizadaparadefinirplanosdecortesobreoobjetooufenômenoemestudo,ouainda,aposiçãoeaorientaçãodeumobjetodentrodoespaçovirtual.Umacaracterísticainteressantedodispositivoéapossibilidadedeselecionarumobjetoetrazê-loparapranchetaafimdeobservá-lo,comoseestafosseumamesasobreaqualsecolocaumobjetodeestudo;“VirtualNotepad”(PoupyreveWeghorst,1998):umaferramentadeinterfacesquepermiteaousuário,anotartextossobreimagens,dentrodoambientevirtual.AprincipalaplicaçãodestaferramentaéaanotaçãodetextosedesenhossobreimagensdeexamesdeRaio-X.Usandoumapranchetasensívelàpressão,umrastreadordeposiçãoeumacaneta,ousuáriopodeescrever,apagar,copiarealterartextos.Parapermitiracorretaoperaçãodestaferramenta,hádoismodosdeoperação.O“mododedeslocamento”,emqueousuáriomoveacanetaligeiramenteafastadadamesaeo“mododeescrita”,emqueousuáriotocaamesacomumacanetaepodeescreversobreela.Paraapagaroqueestáescritoousuárioviraacanetaeencostaaextremidadeoposta(ondeexisteumaborracha)sobreoquejáfoiescrito;“3DPalette”(Billinghurst,1999):criadoespecificamenteparamodelagemdecenáriosemambientesvirtuais,oequipamentooperacomumacanetaeumapranchetarastreadasmagneticamente.Sobreaprancheta,sãoexibidosobjetostridimensionaisquepodemserapontadosnapranchetaeinstanciadosnoambientevirtual.Alémdestesobjetostridimensionais,aferramentapossuiumeditorgráficoparaacriaçãodetexturasquepodem,

posteriormente,seraplicadasaosobjetos.

10.11ControledoSistema

Ocontroledosistemaédefinidocomoumconjuntodecomandosparaalteraçãodoestadodosistemaoudomododeinteração.PodeserdivididoemMenusGráficos,ComandosdeVoz,ComandosdeGestoseFerramentas.

OsMenusGráficospodemser:menus2Dadaptados,consistindoemumaadaptaçãodosmenus2DdeambientesDesktopparaosAmbientesVirtuais;menus1-DOF,quesãopresosàmãodousuário;menusTULIP(Three-Up,LabelsinPalm),comasopçõesdomenuposicionadasnosdedosdousuário;ewidgets3D,cujasopçõessãoinseridasnosprópriosobjetosvirtuais.

OsComandosdeVozconsistemnoreconhecimentodediscurso,depalavrasousentençasparaindicarcomandos,exigindootreinamentodosistemanoreconhecimentoenasuperaçãodeproblemascomo:diversidadedetonsdevozeruídossonorosnoambiente.

OsComandosdeGestosconsistememposturasemovimentosdepartesdocorpodousuário,comoasmãos,paraindicarcomandosaosistema,sendoqueosusuáriosdevemmemorizarosgestosparainteração.Asferramentasvirtuaispermitemaadoçãodeobjetosreaisevirtuaisparaespecificaçãodecomandos.

10.12EntradaSimbólica

Aentradasimbólicatratadacomunicaçãoentreusuárioesistemapormeiodautilizaçãodesímbolos(númerosetexto),atuandonacomposiçãodemensagens,documentos,cartaseoutrasespecificações.

Astécnicasdeinteraçãodessacategoriaforamdivididasem:BaseadasemTeclado,BaseadasemCaneta,BaseadasemGestose,BaseadasnaFala.OconjuntodetécnicasBaseadasemTecladoéconstituídoporTecladoemMiniatura(tecladoemtamanhoreduzido);TecladoChord(tecladocontendopoucasteclas);TecladoSoft(tecladovirtual).NaFigura10.12éapresentadoumtecladovirtualemumatarefadeanotaçãonoambiente.

Figura10.12.Tecladovirtualutilizadoparaanotaçõesnoambiente(Medeirosetal.,2013).

OgrupodetécnicasBaseadasemCanetaéformadoportécnicasdeReconhecimentodeGestosPen-Stroke,envolvendoomovimentodacanetaquandotocaumasuperfície,sendoquestrokerepresentaaunidadebásicadereconhecimento;EntradaUnrecognizedPen,umaespéciede“tintadigital”.

grupodetécnicasBaseadasemGestosincluiGestosdeLinguagemdeSinais,exigindootreinamentodosistemaparareconhecimentoeaaprendizagemdousuárionalinguagemadotada;GestosNuméricos,cujosdedossãoempregadosparaindicarnúmeros;GestosInstantâneos,indicadospormeiodeluvadedados,quecapturamaflexãodosdedos.

OgrupodetécnicasBaseadasnaFalaenvolveReconhecimentodeFala-Caracteres,parareconhecimentodecaracteresemumprocessodesoletrar;eReconhecimentodeFala-PalavrasInteiras,parareconhecimentodepalavrasoufrasescompletas.

10.13Tendênciaseoutrasconsiderações

Ainteraçãohumano-computadoréconsideradacaracterísticafundamentalemambientesvirtuaisbaseadosemRVeRA.Comodiversastarefasdevemserrealizadasnessesambientesvirtuaispelosusuários,comonavegação,seleçãoemanipulaçãodeobjetos,diversastécnicasprecisamserprojetadas.Naimplementaçãodetaistécnicasocorre,emdiversoscasos,aaplicaçãodemetáforasvinculadasaoconhecimentopréviodousuário,oriundasdastarefasrealizadasnomundoreal.

Nessecontexto,osdesenvolvedoresdesistemasdeRVeRAtambémdevemlevaremconsideraçãooscanaissensoriaisdousuárionaimplementaçãodetécnicasdeinteração.Oscanaissensoriaisdevisão,audiçãoetatotêmsidoexplorados,especialmenteoprimeiro;emcontrapartida,olfatoepaladaraindanãosãopesquisadosamplamente.

Nomomentodaelaboraçãodestetexto,estamospassandoporumperíododerenovadointeressenaexploraçãodesistemasdeRVimersivoseinterativos,bemcomodesistemasdeRA,motivadopeladisponibilidadededispositivosdebaixocustoparavisualizaçãoeinteração.Assim,épossívelesperarosurgimentodemaisambientesvirtuaiscomdiferentespropostasdeinteração,incluindo:

Técnicasdenavegaçãobaseadasemcaminhadaemplataformasousimulaçãodemarchaapartirdecapturademovimentos;TécnicasdenavegaçãoeseleçãobaseadaemrastreamentodeolharembutidoemHMDs;Técnicasdemanipulaçãobaseadasemdispositivossemfiocomfusãodesensores(rastreamentoópticoedadosdeacelerômetros,porexemplo).

Alémdasexperimentaçõesmotivadaspelatecnologia,adisponibilidadedosambientesvirtuaisimersivoseaumentadosinterativosaopúblicogeraldevelevaraumarevisãodemetáforasetécnicasexistentes.Afinal,muitasdessastécnicasforamprojetadaseavaliadasnocontextodelaboratóriosdepesquisaepúblicosespecializados.

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Capítulo11-Avaliação

FatimaL.S.NunesDanielaG.Trevisan

EunicePereiradosSantosNunesCléberGimenezCorrêa

SilvioRicardoRodriguesSanchesMarcioE.Delamaro

AlinneC.CorrêaSouza

Avaliarimplicaemrealizarmedidasparaaferiroalcancedeobjetivospré-estabelecidos.EmRealidadeVirtual(RV)eAumentada(RA),aavaliaçãopermiteaosdesenvolvedoresdeAmbientesVirtuais(AVs),identificarecorrigiropercursodedesenvolvimentodosoftware,assimcomoverificarproblemasepontosfortesnarelaçãoentreousuárioeoAV.Quantomaiscedofordescobertoumproblema,menorpoderáserocustodecorreção.NestecapítuloéabordadaaavaliaçãoemRVeRA,considerandotantoquestõesrelacionadasaousuárioquantotópicosrelacionadosamétricasobjetivasesubjetivasquecontribuemparaqueoprodutofinalsejamaisadequadoàsfuncionalidadesplanejadas.

11.1Introdução

Naáreadacomputaçãoháconsensoemrelaçãoaoaumentoexponencialdocustodecorreçãodedefeitosemsistemasàmedidaqueaumentaomontantedetempodespendidonodesenvolvimento(Delamaro,JinoeMaldonado,2017).Assim,quantomaistardeadescobertadeumerro,maiscaraseráasuacorreção,poisestadeveráenvolvermodificaçõesemdiversosartefatosproduzidosemfasesanterioresdodesenvolvimento.

Talconstataçãodeveriasersuficienteparaquequalquerprojetodesoftwareincluíssedeformasistemáticaatividadesdeteste,acompanhadas,quandonecessário,pelousuáriofinal.Noentanto,nãoéoqueseverificanapráticadaCiênciadaComputação,aomenosquandosetratadeprojetosdesenvolvidosnoâmbitodepesquisascientíficas(Tichyetal.,1995).

Tichyetal.(1995)avaliaram400artigospublicadosem1993,classificando-osemcincocategorias:trabalhoteóricos,projetoemodelagem,trabalhoempírico,testedehipóteseeoutros.Apartirdestaclassificação,verificaramque40%dosartigosquepropuseramumnovosistema,modelo,frameworkououtrotipodedesenvolvimentonãocontemplavamnenhumtipodeavaliação.Em2009,Waineretal.(2009)repetiramparcialmenteoexperimentoanterior,avaliando147artigosde2005,randomicamenteselecionadosdaáreadaComputação,encontrando4%deartigosclassificadoscomoteóricos,17%detrabalhosempíricos,4,7%detestedehipótese,70%dedesenhoemodelageme3,4%emoutrascategorias.Dentrodaclassededesenhoemodelagem,verificaramque33%dosartigosnãoapresentaramavaliaçãoalguma.EspecificamentenaáreadeRealidadeVirtual(RV)eRealidadeAumentada(RA),emNunesetal.(2010)foiverificadoque55%dosartigospublicadosnasediçõesdoSimpósiodeRealidadeVirtualeAumentada(SVR)de2008e2009nãoapresentavanenhumtipodeavaliação.Deformasemelhantemasconsiderandooâmbitodeaplicaçõesnaáreadesaúde,emNunesetal.(2014)constatou-sequequasemetade(46%)dostrabalhosnãoapresentavaqualquertipodeavaliação.

Luckesi(2011)declaraqueavaliarédiagnosticar,ouseja,éoprocessodequalificararealidadepormeiodesuadescrição,combaseemdadosrelevantes.Oautorcomplementaque,nasequênciacompara-searealidadedescritacomumcritério,queéassumidocomoumaqualidadedesejada.

NocontextodeRVeRA,questõesquesefazemrecorrentementepresentessão:Quaisavaliações?Comoconduzi-las?Comoautomatizá-las?Asatividadesdeavaliaçãopodemenvolverdiversosaspectos,considerandotodasasfasesdoprojeto.Quandoenvolvemousuário,referem-se,emgeral,àavaliaçãoderequisitosfuncionais,istoé,averificaçãodoatendimentodenecessidadesdosindivíduos.EmRVeRAessasavaliaçõesassumemgrandeimportância,devidoprincipalmente,arequisitosnecessáriosemrelaçãoavisualização,interaçãoesensaçãodepresença.Quandosetratadeaplicaçõesparatreinamentodeprocedimentosouhabilidades,essesrequisitosassumemaindamaisimportância,vistoquetaissistemaspodemsermaiseficazesseumaltograuderealismoforalcançado.

Estabelecermétodosdeavaliaçãoquesejamfáceisdeaplicar,generalizáveisdentrodecertocontextoequepermitam,aindaqueparcialmente,automatizaçãodoprocessoaindaéumdesafionaliteraturadeRVeRA.Ainfinidadedequestõesenvolvidasfazcomqueosmétodospropostossejam,namaioriados

casos,específicoseintegradosàaplicação,oquedificultaseureuso.

Considerandoestecenário,estecapítulovisaapresentarconceitos,métodoseconsideraçõesnocontextodeavaliaçãoemRVeRA,considerandoespecificamenteaexperiênciadousuário,bemcomoaperspectivadaaprendizagem,apercepçãodequalidade(visualeháptica)econtribuiçõesdaáreadeEngenhariadeSoftware.

11.2AvaliaçãodaExperiênciadoUsuário

ÉpossívelobservarumcrescimentononúmerodepesquisassobreotemadeExperiênciadoUsuárionaáreadeInteraçãoHumanoComputadorcomacompreensãodesuasdimensões.

AdefiniçãoatualdaOrganizaçãoInternacionaldeNormalizaçãoéqueaExperiênciadoUsuário(UX-UserExperience)focanapercepçãodoindivíduoenasrespostasresultantesdautilizaçãoouantecipaçãodautilizaçãodeumproduto,sistemaouserviço(Bemhaupt,2010).PodemosdizerqueUXéumadiscussãorecenteparaumadefiniçãoantiga.DonaldA.Normanemseulivro“Odesigndodiaadia”(Norman,2013)jádefiniaUXcomosendooresultadodaexperiênciaíntimadeumdeterminadousuárionousodeumainterfaceemumcontextoespecífico,considerandoacomplexidadedousodoambiente:“IinventedthetermbecauseIthoughtHumanInterfaceandusabilitywastoonarrow;Iwantedtocoverallaspectsofaperson’sexperiencewithasystem,includingindustrialdesign,graphics,theinterface,thephysicalinteraction,andthemanual.Sincethen,thetermhasspreadwidely,somuchsothatitisstartingtoloseitsmeaning“(DonNorman).

HassenzahleTractinsky(2011)definemaUXcomosendoaconsequênciadoestadointernodousuário(expectativas,predisposição,necessidades,motivações,humor,etc),ascaracterísticasdosistema(comocomplexidade,finalidade,usabilidade,funcionalidades,etc)eocontextonoqualainteraçãoocorre(ambienteorganizacional/social,usovoluntário,significadodaatividade,etc).

Assim,UXpodesetornardifícildeoperacionalizareavaliar.Aliteraturaexistenteapontaqueaexperiênciadousuáriocomsistemasinterativosemgeralpodesermedidapormeiodeváriosindicadores(HartsonePyla,2012).AnalisandosobaóticadesistemasdeRVeRApodemosveraexperiênciado

usuáriosendoestudadapormeiodecritérioscomo:usabilidade,aprendizagem,diversão,imersão,presença,conforto,satisfação,emoção,atratividade,percepção,dentretantosoutros.

Existemváriosmétodosparaavaliarestescritérios,basicamentesendoestesdivididosentremétodosqualitativos/quantitativoseobjetivos/subjetivos.Aescolhadaanáliseaserfeitadependedocontextoquesedesejacompreender,deformaaquecertosmétodossemostrammaisapropriadosaproblemasespecíficos.Comoformademelhorestruturarestetema,abordamososmétodosutilizadosnaavaliaçãodaexperiênciadosusuáriosemsistemasdeRVeRAdeacordocomcadaumdosindicadoresaseguir.

11.2.1Usabilidade

AISOdefineusabilidadecomosendoamedidapelaqualumprodutopodeserutilizadoporutilizadoresespecíficosparaalcançarobjetivosespecíficoscomeficácia,eficiênciaesatisfaçãoemmcontextodeusoespecífico(InternationalOrganisationforStandardisation,1997).Mediarefere-seaosvaloresresultantesdeumamediçãoeaosprocessosutilizadosparaseobteressesvalores(eficácia,eficiênciaesatisfação).Aeficáciaéamedidadeconcretizaçãodosobjetivosiniciaisdeinteraçãopelousuárioeéavaliadaemtermosdeconclusãodeumatarefacomotambémemtermosdequalidadedoresultadoobtido.Aeficiênciarefere-seaoesforçoeaosrecursosnecessáriosparasechegaraumdeterminadoobjetivo.Osdesvioseaquantidadedeerroscometidospelousuárioduranteainteração,sãoexemplosquepodemservirparaavaliaroníveldeeficiênciadeumadeterminadainteração.Aterceiramedidadeusabilidadeéasatisfação,queestárelacionadacomfatoressubjetivos.Refere-seaoníveldeconfortoqueousuáriosenteecomoalcançaosseusobjetivosaoutilizarainterface.

SegundoNielsen,cincocritériospodemserempregadosparamedirausabilidadedeaplicaçõescomputacionais(Nielsen,1993):

1. facilidadedeaprendizado:serefereaotempoeesforçonecessáriosparaqueousuárioaprendaautilizarosistemacomdeterminadoníveldecompetênciaedesempenho;

2. facilidadederecordação:serefereaoesforçocognitivodousuárionecessárioparalembrarcomointeragircomossistemasconformeaprendidoanteriormente;

3. eficiêncianouso:estárelacionadacomosrecursosnecessários,como

tempoeesforço,paraosusuáriosinteragiremcomosistemaealcançaremseusobjetivos;

4. segurançanouso:refere-seaograudeproteçãodeumsistemacontracondiçõesdesfavoráveisouatémesmoperigosasparaosusuários,ouseja,ograuemqueosistemaconsegueajudarosusuáriosaevitarouserecuperardeerros;

5. satisfaçãonouso:relaciona-secomasemoçõesesentimentosdosusuários,avaliando-secritériossubjetivosdainteração.

Aavaliaçãotradicionaldeusabilidadepodeserrealizadapormeiodeváriosmétodoscomoestudoinformalcomusuários,experimentosformaiscomusuários,estudosdeusabilidadebaseadoemtarefas,avaliaçãoheurísticaseusodemodelospreditivosdedesempenho.OestudodeBowman,GabbardeHix(2002)apresentouumprimeiroestadodaartesobreavaliaçãodeusabilidadeemambientesvirtuais.AseguirsãoapresentadososprincipaismétodosparaavaliarusabilidadeeaexperiênciadousuárioemambientesdeRVA.

Métodosdeavaliaçãodeusabilidadequenãoenvolvemusuários

Dentreosmétodosquenãoenvolvemusuáriosasavaliaçõesbaseadasemheurísticas,aplicadasporespecialistasdeusabilidade,sãoosmaisdifundidos.OmétododeavaliaçãoheurísticafoiinicialmentepropostoporNielseneMolich(1990),emquetrêsacincoavaliadorestreinadosdevemprocurarporviolaçõesdeumconjuntodedezheurísticasnainterfacedousuário.Essasheurísticassãorelacionadasaproblemasdeusabilidadeeminterfacesgráficas.

AavaliaçãoheurísticaemambientesvirtuaiségeralmentedifícildeseraplicadadadaagrandevariedadedeprincípiosexistentesparaodesigndeinterfacesdeambientesdeRVeRA.MotivadospelanecessidadedeavaliaraintuitividadedainteraçãoesensodeimersãopresentesnosambientesdeRV,SutcliffeeGault(2004)propuseramumconjuntode12heurísticasinicialmentepropostasemSutcliffeeKaur(2000),sãoelas:

1. engajamentonatural:namedidadopossívelainteraçãodeveatenderàsexpectativasdousuárioemrelaçãoaomundoreal.Idealmenteousuárionãodeveperceberqueestáemmundovirtual.Estaheurísticadependedorequisitodenaturalidadeedosensodepresençaeengajamentoestablecidos;

2. compatibilidadecomatarefadousuárioedomínio:oAVeo

comportamentodosobjetosvirtuaisdevemcorresponderaocomportamentoefuncionalidadedosobjetosnomundoreal;

3. expressãonaturaldaação:oníveldepresençanoAVdevepermitiraousuáriointeragireexploraroambientedemaneiranaturalsemrestringiraçõesfísicas.Estaheurísticaestádiretamenterelacionadacomosdispositivosdeinteraçãodisponíveis;

4. coordenaçãoentreaçãoerepresentação:arepresentaçãodepresençaemanifestaçãodocomportamentonoAVdeveserfielàsaçõesdousuário.Otempoderespostaentreomovimentodousuárioeaatualizaçãonoambientevirtualdevesermenorque200msparaevitarproblemasdedesconfortocomoenjooetonturas;

5. feedbackrealístico:osefeitosdasaçõesdousuárionoAVdevemserimediatamentevisíveiseestaremdeacordocomasleisfísicaseexpectativasperceptuaisdousuário;

6. pontosdevistafiéis:arepresentaçãodomundovirtualdeveestardeacordocomapercepçãousualdousuárioemudançasdopontodevistaoriginadaspormovimentosdacabeçadevemserrenderizadassematraso;

7. apoioanavegaçãoeorientação:ousuáriodevesemprepodersaberondeestálocalizadonomundovirtualefacilmenteretornarapontosconhecidosoupré-definidos;

8. deixarclarosospontosdeentradaesaída:osmeiosdeentraresairdoambientevirtualdevemserclaramentecomunicadosaousuário;

9. partidasconsistentes:comunicarclaramentesubstituiçõesdemodalidadeseempoderamentodeaçõesparanavegação;

10. apoioàaprendizagem:objetosativosdevemestardestacadose,senecessário,autodescritosparaauxiliarnaaprendizagemdoAV;

11. deixarclaroquemestánocomando:semprequeosistematomarocomandodainteraçãoistodeveserclaramentecomunicadoeconvençõesdevemserestabelecidasparaatrocadecomandos,e;

12. sensaçãodepresença:apercepçãodeengajamentodousuárioeasensaçãode"estar"nomundorealdeveseromaisnaturalpossível.

Essas12heurísticasnãosãoumaferramentadeavaliaçãopropriamenteditamaspodemserusadascomoumaformadeplanejamentodaavaliaçãofinal.ProvavelmenteomaiorganhoemaplicarométododeavaliaçãoheurísticaemAVsconsisteempromoveracomunicaçãoentredesignersdainteraçãoedesenvolvedores.Comasheurísticasépossívelestabelecerumvocabulárioparatrocadepontosdevistassobreaexperiênciaimersivadestesambientes.

OutrotipodeavaliaçãoquenãoenvolveusuárioséaavaliaçãopreditivadedesempenhodosusuáriospormeiodousodemodeloscomoGOMS(JohneKieras,1996)eFitts’Law(Mackenzie,1992).Originadanapsicologiaexperimental,omodeloFitts’Lawestabeleceotempo(T)queumusuáriolevaparaapontarparaumalvodetamanho(S)epercorrerumadistância(D)entreamãodousuárioeoobjetoalvo.Estaleiéespecialmenteimportanteparaaplicaçõesemqueodesempenhoécrítico.AleideFittsajudaosdesignersadecidiremsobreotamanhoeoposicionamentodosobjetosnainterface.AlgunsestudosmaisrecentestêmestendidoousodeFitts'Lawparamedirodesempenhodetarefasdeapontamentoeseleçãoemambientestridimensionais(3D)(ChaeMyung,2010;TeathereStuerzlinger,2011).

Umterceirométodoéopercursocognitivonoqualoespecialistasecolocanolugardousuárioeexecutapassoapassotarefasnoambienteinterativoavaliandoahabilidadedainterfaceemapoiartaistarefas.Estemétodoéespecialmenteutilizadoquandosedesejaentenderausabilidadedosistemaporpartedeusuáriosnovatosorusuáriosinfrequentes,ouseja,usuáriosqueseencontramemummodoexploratóriodeaprendizagemdoambiente(Polsonetal.,1992).

Métodosdeavaliaçãodeusabilidadecomusuários

Otestedeusabilidadeéummétodoquesebaseianaparticipaçãodiretadosusuários,osquaisexecutamtarefaspré-definidasecomentamsobreainterfacedaaplicação,enquantoobservadoresregistramasdificuldadesencontradas.Porcontadessaparticipaçãodiretadosusuários,ostestesdeusabilidadetornam-seimportantesporauxiliarosdesignersacompreenderemaaplicaçãoapartirdasperspectivasdosusuários.Apartirdaanálisedosresultadosdostestesdeusabilidadeépossívelobterinformaçõesqueauxiliamnadetecçãodeproblemasdeusabilidadeenoentendimentodasnecessidadesdosusuáriosfinaisdaaplicação.

Notestedeusabilidadeoavaliadordeveescolheroperfileonúmerodeparticipantescombasenosperfisdosusuários,nosobjetivosenoescopodaavaliação.Porexemplo:seoobjetivoforverificarcomousuáriosnovatosaprendemarealizardeterminadastarefasutilizandoosistema,oavaliadordeverecrutarusuáriosinexperientesnousodosistemaenarealizaçãodastarefasemquestão.Osavaliadoresdevembuscarparticipantesquerepresentemopúblico-alvodosistemaavaliado,ousejaquepossuamcaracterísticassemelhantesaosusuáriostípicos.Adefiniçãodosperfisdosparticipantespodeconsiderarfatores

como:sexo,idade,formaçãoacadêmica,graudeconhecimentosobreodomínio,níveldeconhecimentonousodedeterminadatecnologiaoudispositivoetc(RubineChisnell,2008).Quantoaonúmerodeparticipantes,NielsenNormanGroup(2017)apontaquecincousuáriosporperfilidentificadosãosuficientesparadetectaramaioria(cercade85%)dosproblemasdeusabilidadenainterface,fornecendovaliososinsightssobreaqualidadedainteração.Entretanto,paraestudosestatísticosdesignificâncianomínimo20usuáriossãorequeridos.

AelaboraçãodostestesdeusabilidadeedeexperimentosquantitativoseestatísticosparacompararausabilidadedeambientesdeRVeRA,considerandodiferentesdispositivosdeentradaesaídaediferentesinterfaces,édesafiadora.Deve-seidentificarquaisosfatoresquerealmenteterãoalgumimpactonosresultados.Critérioscomumenteobservadosemtestesdeusabilidadeestãorelacionadosatempodeexecuçãodastarefas,desempenho,esforçocognitivo,quantidadedeerrosesatisfação.Osobjetivosdaavaliaçãodeterminamquaiscritériosdeusabilidadedevemsermedidos.Essescritériossãogeralmenteexploradosporperguntasespecíficasassociadasaalgumdadomensurávelquecomfrequênciapodeserobjetivamentecapturadoduranteainteraçãodousuáriocomosistema.Porexemplo,casooobjetivodaavaliaçãosejaavaliarafacilidadedeaprendizadodeumdeterminadosistema,umtestedeusabilidadepoderáfornecerrespostasparaperguntascomo:Quantoserrososusuárioscomentemnasprimeirassessõesdeuso?Quantosusuáriosconseguiramterminarcomsucessodeterminadatarefa?Quantasvezesosusuáriossolicitaramajuda?

PorexemplonoestudodescritoemGabbardeSwan(2008)foramrealizadostestesdeusabilidadeparaentendercomousuáriospercebemalegibilidadedetextosnasinstalaçõesaoarlivre(outdoors)deRA.Foramcapturadosdadosde24participantesexecutandotarefadeidentificaçãodetexto.Paracadatestecomusuárioforamcapturadasasseguintesvariáveisindependentes:texturadefundo,cordotexto,estilodedesenhodotexto,algoritmodedesenhodetexto.Asvariáveisdependentescapturadasforamerroscometidosetempoderespostadosusuários.

11.2.2Atratividade

Dentreosmétodoscomumenteutilizadosparaavaliaraexperiênciadousuário,destaca-seoquestionárioAttrakDiff(Hassenzahl,2004),oqualébaseadonomodelodeexperiênciadousuáriopropostoporHassenzahl(2003)epermite

avaliaraatratividadepormeiodosdiferentesaspectosdeumaaplicação.Oquestionárioestádivididoemtrêsdimensões:(a)QualidadePragmática(QP),(b)QualidadeHedônica,subdivididaemEstímulo(QH–E)eIdentidade(QE–I);e(c)Atratividade.

Aqualidadepragmática(QP)indicaograudesucessoqueusuáriosalcançaramemrelaçãoaosobjetivosutilizandoaaplicação.Adimensãodequalidadehedônicaparaestímulo(QH-E)indicaatéquepontoaaplicaçãopodeapoiarasnecessidadesdedesenvolvereavançarnaaplicaçãoemtermosdeoriginalidade,interesseeestímulo.Adimensãodequalidadehedônicadeidentidade(QH-I)indicaatéquepontoaaplicaçãopermiteaousuárioseidentificarcomela.Adimensãodeatratividadeavaliaovalorglobaldaaplicação,combasenapercepçãodaqualidade.

OquestionárioAttrakDiffpossui28paresdepalavras.Cadapardepalavrasrepresentaumitemdoquestionárioeébaseadoemumaescalacomdiferencialsemânticodesetepontos(-3a3,sendozeroopontoneutro).Osparesdepalavrasusadosnaescalacomdiferencialsemânticosãocolocadosnosextremosdaescala.Diferenciaissemânticossãodescritoscomoumaboaescolhaparaavaliarasrespostaspositivasafetivas(Heise,1970),queéocasodasdimensõesdoAttrakDiff.SeteitensavaliamadimensãoQualidadePragmática,catorzeitensavaliamaQualidadeHedônica(seteavaliamoEstímuloeseteavaliamaIdentidade)eseteitensavaliamaAtratividade.

Critériosdeatratividadetêmsidousadosparamediraexperiênciadousuárioemváriostiposdesistemasinterativos.Porexemplo,notrabalhodescritoemLankes,BernhaupteTscheligi(2009)foiaplicadooquestionárioAttrakDiffparaentendercomoosestímulosemocionais(expressõesfaciaisgeradasporAgentesdeConversaçãoesituaçõesqueprovocamemoção)nosistemainterativoafetamaexperiênciadousuário.Emoutrotrabalho,Christou(2012)aplicouomesmoquestionárioparaexploraraconexãoentreaspercepçõesdosjogadoresrelacionadasaocritériodeusabilidadeeaatraçãoemjogosmultijogador.Osachadosapontaramquearelaçãoentreusabilidadeebondadeéreafirmadanomundodojogo,enquantonenhumarelaçãofoiencontradaentrebelezaeusabilidade.

Finalmente,estequestionáriofoiutilizadojuntamentecomoutrosmétodosparaavaliaraexperiênciadousuárioemumsistemadeRAmóvelparainteraçãocommobílias(Swaminathanetal.,2013).Osistemapropostopermiteamedição

interativadotamanhodeumobjetoeacriaçãodemodelos3Dapartirdeumaúnicafotografia.Resultadosdaavaliaçãocomusuáriosmostraramqueaqualidadepragmáticaestárelacionadacomosfatoresdedesempenhodainteraçãocomoerrosnamedição,tempoepassosdeinteraçõesenquantoasqualidadeshedônicas(deestímuloeidentidade)sãomenosafetadaspeloscritériosdedesempenho.Surpreendentemente,oaumentodotemponainteraçãodotoquefoipercebidocomoestimulanteeemocionante(medidoatravésdadimensãoQH-E)pelosusuários.

11.2.3Desconforto

SistemasdeRVeRApodemcriarnousuárioasensaçãodeestarinteiramentetransportadoparaumAV.Boaspráticassãoessenciaisparaqueseevite,duranteodesenvolvimento,queaaplicaçãofinalpossacausardesconfortoaosusuários.Quandoestasrecomendaçõesnãosãoseguidas,umasériedesintomasdedesconfortopodemsernotados(DeveloperOculusVR,2017;Porcinoetal.,2017).

DispositivosHMDpossuemumhistóricodedesconfortoemsuautilização.Umdosmaioresproblemasrelacionadoaodesconfortoéalatência.Adivergênciaentrelatênciasdorastreadoredogeradordeimagemdodispositivopodecausartaldesconforto.SegundoJerald(2010)apercepçãodalatênciaévariáveldepessoaparapessoa,ouseja,pessoasqueforemmaissensíveisalatênciaterãodesconforto.

Aalturadopontodevistadoobservador("pointofview-POV")podeserumfatorindiretoparasurgimentodedesconforto.Quantomenoropontodevisãodoobservador,maisrápidasserãoasmudançasvistasnoplanoterrestredoambientevirtualenocampovisualdousuário("fieldofview-FOV"),criandoumfluxodeimagensintenso.EstasensaçãodedesconfortopodesercomparadaàmesmasensaçãodedesconfortoocorridaemsubirescadasolhandoparaosdegrausProblemasdeconvergênciaeacomodaçãovisualnãotratadoscausamextremodesconforto.Ateladeumdispositivovirtualéposicionadaporvoltade3polegadasdistantedosolhos.Porestemotivoaimagemproduzidaaparentaestarmaispróximadoqueonormal(emmédia3metrosdedistância).AfaltadoborramentoemobjetosquenãofazempartedaatençãovisualdousuáriopodecausardesconfortodeacomodaçãovisualdepoisdeumlongotempoutilizandoumdispositivodeRV.

Avelocidadedemovimentopodecausarsintomasdedesconforto.Baixasvelocidadesdemovimentoproduzemumasensaçãomaisconfortávelemgeral.Aaceleraçãosimuladavisualmente(semtransmissãoparaosórgãosvestibularesdoouvido)criaumconflitosensorialquepodecausardesconforto(Laviola,2000).Umaaceleraçãoinstantâneaémaisconfortáveldoqueumaaceleraçãoprolongada.Nestecaso,odesconfortoaumentaemrelaçãoafrequência,tamanhoeduraçãodaaceleração.OtamanhodoFoVtambéminfluencianoaumentodedesconforto.Quantomaiorocampodevisão,maioréasensibilidadedousuárioparasofreralgumdesconfortovisual(SteinickeeBruder,2014).

MesmoemAVscomlatênciazeroaindapodemocorrersintomasdedesconforto.Nestecaso,adificuldadeestáassociadaàcriaçãodeumaexperiênciarealemAVs.Umavezquenãoexistasimilaridadeentreasimagensvisualizadaseoqueousuáriorealsente,épossívelamanifestaçãodesintomasdedesconforto.Porexemplo:seumpersonagemécontroladoporumjoystickemumespaçovirtual,sempreexistirádivergência.Aformadeevitartaldesconfortoseriacriarmovimentosidênticosemambosambientes:virtualereal(DeveloperOculusVR,2017)

Alémdosdescritos,diversosfatoresquenãoestãoassociadosasoftwareouhardwarepodemgerardesconfortovisualnousodesistemascomHMD(Porcinoetal.,2017).Paramelhorcompreenderodesconfortosãonecessáriostesteseavaliaçõesdeusuários.Ométodomaisfrequentementeutilizadonaliteraturatrata-sedeumquestionárioconhecidocomoquestionáriodedesconfortodesimulador(SimulatorSicknessQuestionnaire-SSQ)(Kennedyetal.,1993).NormalmenteoquestionárioéaplicadoantesdoexperimentoiniciareapósumcertoperíododeexposiçãodousuáriocomosistemadeRVouRA.Ousuáriodeveatribuirumarespostaindicandoseugraudedesconfortoemumaescalade4pontos,emquezerocorrespondeanenhumapresençadosintomaetrêscorrespondeàpresençaseveradosintoma.Ossintomasavaliadossão:mal-estargeneralizado,cansaço,chateação,sonolência,dordecabeça,sudorese,náusea,dificuldadedeconcentração,cabeçapesada,visãoembaçada,tontura,vertigem,flashbacksvisuais,vontadededesmaiar,desconfortoabdominal,entreoutros.

OexperimentodeCarnegieeRhee(2015)utilizaramumdispositivoHMDquerespondeamovimentosfeitospelacabeçadousuárioe,apesardofocoestarcentralizado,foicriadoumatrasodemudançadefocode500ms,jáquea

mudançaimediatadefocopoderiacausardesconfortoaousuário.Segundoosautores,otemponecessárioparareorientarofocoestáligadodiretamentecomaidadedousuárioeosníveisdeluznacena.Paraquefossepossívelumdesempenhoemtemporeal,assumiramquetodososusuárioslevariam500mspararealizararefocagemdeumadistânciainfinitaatéumadistânciapróximaaummetro.Paraesteestudo,osautoresfizeramumaavaliaçãocom20participantesutilizandooquestionárioSSQ(Kennedyetal.,1993).Segundoosautores,30%daspessoasqueutilizaramestatecnologiapelaprimeiravezsesentiramtãoincomodadosquemencionaramseremincapazesdeutilizá-lapormeiahora.

11.3.AvaliaçãonaPerspectivadaAprendizagem

OusodeAVs3Demcenárioseducacionaistemsedespontadocomoumrecursoparaalcançarnovospreceitoseducativosdecaráterinovadorelúdico,equeperpassapelasdiversasdimensõespedagógicas,taiscomoadidáticaeaaprendizagem(Anjos,AnjoseNunes,2016).

Logo,osAVs3DpodemseraplicadoscomoAmbientesVirtuaisdeAprendizagem(AVAs).MasoquesãoAVAs?DeacordocomAnjos,AnjoseNunes(2016),AVAspodemserconceituadoscomosistemasinformacionais,dotadosdeinstrumentoseferramentasquevisamapoiarosprocessoseducativos.

OsAVAsevoluíramepassaramaagregarcenáriostridimensionaisalinhadosàsdiversasestratégiasdeinteraçãoecolaboração.Estaevoluçãofoipossível,devidoaointeressedacomunidadecientífica,principalmentedasáreasdeJogos,RVeRAemconceberAVs3Dcompropósitoeducacional,oquefezemergirosAmbientesVirtuaisdeAprendizagemTridimensionais(AVAs3D).ParaNunes(2014),osAVAs3Dpermitemotreinamentoefetivoeafamiliarizaçãorápida,proporcionadospelainteratividadedealtaqualidadeexistentenomundovirtual,possibilitandorecriarcenáriosdiferenciadosparasituaçõesespecíficasdeaprendizagem.Aautoraenfatizaque,pormeiodosAVAs3D,oprocessodeensino-aprendizagemtempotencialparatornar-semaisativo,dinâmicoepersonalizado.

OsAVAs3Dganharamdestaqueàmedidaqueseobservaasuautilizaçãodeformapontualemdiferentescontextoscomoformasdeensinareaprender.Ademais,especialmenteemrelaçãoaosrecursostecnológicosproporcionados

pelosAVs3Dque,inicialmente,sedestacaramnaáreadoentretenimentoe,passaramaseradotadosnocampoeducacional,comoépossívelverificarse,defato,taisambientesestãocolaborandocomoprocessodeaquisiçãodeconhecimentooudehabilidadesdosusuáriosnessetipodeambientevirtual?

EssadiscussãotemcomopontodepartidaaperspectivamultidimensionaldaaprendizagemapresentadaporKraiger,FordeSalas(1993)ilustradanaFigura11.1.DesenhadaapartirdastaxonomiasdeBloom(1956)eGagne's(1984),osautorespropuseramtrêscategoriasderesultadosdaaprendizagem:resultadoscognitivos,resultadosbaseadosemhabilidadeseresultadosafetivos.

Figura11.1-Classificaçãodosresultadosdaaprendizagem(perspectivamultidimensional)(Fonte:AdaptadodeKraiger,FordeSalas(1993,p.312)).

AavaliaçãoderesultadoscognitivoséapresentadaporKraiger,FordeSalas(1993)considerandoaprópriaconcepçãodapalavracognição,entendidacomo“umaclassedevariáveisrelacionadasàquantidade,aotipodeconhecimentoeàsrelaçõesentreoselementosdoconhecimento”(Anjos,2014).

Adimensãodeavaliaçãocentradanaaquisiçãodehabilidadestemcomoobjetivoverificarseosusuáriosalcançaramdeterminadosresultadosnoprocesso

deaquisiçãodehabilidades,desenvolvidasemambientesprevisíveisderealizaçãodeumatarefa(Anjos,2014).

Osresultadosnocampoafetivoconsideramfatoresmotivacionaisedeatitudes,comorelevantesparaoprocessodeensino-aprendizagem(Gagne,1984).Essesfatoressãomedidosporindicadores,comodisposiçãomotivacional,autoeficáciaemetasaferidasduranteoprocessodeensino-aprendizagem(Anjos,2014).

Diantedessecenário,umadiscussãoqueédelineadaserefere,principalmente,àcontribuiçãoqueosAVAs3Defetivamenteoferecemparaaaquisiçãodeconhecimentoedehabilidadesdosujeito,ecomoépossívelavaliar,sistematicamente,talconhecimentoouhabilidadenomundovirtual3D.

OsAVAs3Dsãodesenvolvidosparaasmaisdiversasfinalidades.Noentanto,deformageral,seusobjetivosestãorelacionadosafazercomqueousuáriodominealgumconteúdo,sejaeleteóricoouprático.Nestaseçãodeseja-sediscutircomoosAVAs3Dtêmatingidoessesobjetivos,ouseja,comotêmcontribuídoparaqueousuário(aprendiz)adquiraalgumconhecimento.OidealéqueamensuraçãosejafeitaautomaticamentepelopróprioAVduranteainteração.Assim,nasubseção11.3.1sãoapresentadosconceitos,parâmetroseummétodoparamediraaquisiçãodeconhecimentocombasenotrabalhodeNunes(2014)enasubseção11.3.2ofocoémensuraraaquisiçãodehabilidades,combasenotrabalhodeAnjos(2014).

11.3.1Avaliaçãodaaquisiçãodeconhecimento

Estaseçãoapresentaaavaliaçãodaaprendizagemnaperspectivadoconhecimento,considerandoosresultadoscognitivos.Sãoencontradasnaliteraturadiversasdefiniçõesparaavaliaçãodoconhecimento,queadmitemváriossignificadoscomomedir,verificar,diagnosticar,investigareaferir,osquaispodemserconfundidosentresi.

Nocontextoeducacional,Pimentel(2006,p.73)defineavaliaçãocomo“[...]umprocessocontínuodecoletadedadossobreodesempenhodoestudanteeainterpretaçãodestesdados(análise)[...]”.

ParaFilatro(2008)aavaliaçãoéusadaparafazerjulgamentossobreavalidadeouosucessodepessoasoucoisas.Oautordeclaraqueaavaliaçãonaaprendizagemsignificaverificarosconhecimentosadquiridospelosalunos,

duranteouapósoprocessodeensino-aprendizagem.

Aavaliaçãonaaprendizagempodeserclassificadaemfunçãodasuafinalidade,comodiagnóstica,formativaousomativa(MadauseBloom,1983):

avaliaçãodiagnóstica–oprincipalobjetivoémensuraroquantooestudantesabesobreoqueseráabordadodoinícioaofinaldocursoepossibilitadetectaraexistênciaounãodepré-requisitos.Éconsideradaimportanteparaconhecerograucognitivodoaluno;avaliaçãoformativa-visaaofereceraosalunosumfeedbacksobreoseuprogressoedesenvolvimento,jáquetemcomocaracterísticaofatodefornecerinformaçõesaoprofessoreaoestudantenodecorrerdoprocesso,facilitandooentendimentoeacorreçãodospróprioserros;avaliaçãosomativa–oobjetivoprincipaldaavaliaçãoénoquedizrespeitoàatribuiçãodenotasouconceitos,forneceumamedidadesucessooufracassoemrelaçãoaodesempenhodoalunoaosresultadosesperadosdaaprendizagem.

Contudo,independentementedafinalidade(diagnóstica,formativaesomativa),oatodeavaliartemopapeldediagnosticar,porémemmomentosdiferentes.

Modeloparaavaliaçãodaaquisiçãodeconhecimento

ParaavaliaraaquisiçãodeconhecimentoemAVAs3D,Nunes(2014)propõeoModelodeAvaliaçãodaAquisiçãodeConhecimento(MAAC)queestáembasadonaperspectivadasTeoriasCognitivasetemcomopropósitoverificarsehouveaquisiçãodeconhecimentodoaprendizsobreodomíniodeconhecimentoemestudo,apósousodeAVA3Dcomomeiodeaprendizagem.

OMAACsegueomodelocognitivoclássicodeAtkinsoneShiffrin(1968),oqualprevêqueoconhecimentofluiapartirdosestímulosdoambienteedefendemquequantomaisumainformaçãoresidenaMemóriadeCurtoPrazo(MCP),maioraprobabilidadedesuatransferênciaparaaMemóriadeLongoPrazo(MLP)(Baddeley,204).Logo,transferindoesteconceitoparaoaprendizadopormeiodeAVAs3D,supõe-sequequantomaisoaprendizinteragenoAV,maioraprobabilidadedoconhecimentosertransferidoparaaMLP.Baddeley(2004)tambémdeclaraemseusestudosacercadomodelocognitivoclássicodeAtkinsoneShiffrin(1968),queumainformaçãoouexperiênciaéprocessadapelamemóriadeformamaisprofundaesusceptívelde

sermuitomelhorconservadanaMLP,quandoseconsideranaexperiênciaoconhecimentopréviodoaprendiz.Destemodo,omodelodeavaliaçãoconsideramedironíveldeconhecimentodoaprendizantesderealizaroprocessodeaprendizagemnoAV.

Alémdisso,espera-sequeomeiodeaprendizagemapresenteatividadesrelacionadasaoobjetodeestudoeestratégiasqueestimulemosdiferentesníveisdeaquisiçãodeconhecimentopropostospelaTaxonomiadeBloom.Bloometal.(1956)estruturouaaquisiçãodeconhecimentoemseisníveisdecomplexidadescrescentes,criandoumahierarquiadecompetênciascognitivaserelacionandoaaquisiçãodeconhecimentoàmudançadecomportamentodoaprendiz.

Entretanto,Nunes(2014)aplicouemseuestudoaTaxonomiadeBloomrevisada,aqualconsideraapossibilidadedeintercalarascategorias(lembrar,entender,aplicar,analisar,criar,avaliar)doprocessocognitivo,quandonecessário.Salienta-sequeoprincipalobjetivodoMAACésistematizaraavaliaçãodaaquisiçãodeconhecimentoemAVAs3D,comoformadeverificarsehouveevoluçãodaaprendizagemdoestudantesobreodomíniodeconhecimentoemestudo.Dessaforma,oMAACconsideraquatrofases(Figura11.2):

I. AvaliaçãoDiagnósticaPré-Teste-avaliaroconhecimentopréviodoaprendizantesdeusaroAVA3D;

II. CapacitaçãoemAVAs3D-capacitar/qualificaroaprendizausaroAVA3D,paraqueomesmopossaambientar-seeentenderofuncionamentodoambientevirtual;

III. AprendizagememAVA3D-processodeaprendizagemsobreodomíniodeconhecimentoemestudo.Duranteafasedeaprendizado,omodeloprevêcapturareregistrarasinteraçõesdoaprendiznoAVA3D,paraposteriormentecorrelacionarasinteraçõesdoaprendizcomosresultadosobtidosnasfasesdeAvaliaçãoDiagnósticaPré-TesteePós-Teste.ValeressaltarqueoprocessodeaprendizagemsebaseiasomentenafasedeexploraçãonoAVA3D,semestudopréviodoconteúdo;

IV. AvaliaçãoDiagnósticaPós-Teste-avaliaoníveldeconhecimentodoaprendizapósaexploraçãonoAV,compropósitodeverificarasuaevolução.Paratanto,utilizadosmesmosinstrumentosdecoletadedadosaplicadosnafasedeAvaliaçãoDiagnósticaPré-Teste.

Figura11.2-ModelodeAvaliaçãodeAquisiçãodeConhecimento-MAAC(Fonte:[Nunes2014]).

TantooMódulodeAvaliaçãoDiagnósticaPré-TestequantodePós-Testepreveeminstrumentosdecoletadedadoscompostosporquestõesabertasefechadas,comníveisdedificuldadesbaixo,intermediárioedifícil,elaboradaspeloespecialistadaáreadedomínio,eestruturadasdetalformaquecaptureodesempenhodoaprendizereveleoníveldeaquisiçãodeconhecimentosobreotemaabordadopeloAVA3D(Nunes,2014).

Osinstrumentosdecoletadedadosdevempreveracapturadosdadosemconformidadecomosparâmetrosdeavaliação.OsparâmetrosconsideradosnosexperimentosrealizadoscomoMAACsãoapresentadosnaTabela11.1eforamidentificadospormeiodeumaRevisãoSistemáticaconduzidaporNunes(2014),queinvestigousobreosmétodosdeavaliaçãodeaquisiçãodeconhecimentoemAVAs3D.Osparâmetrossãoindicadoresdosdadosaseremconsideradosnaavaliaçãodaaprendizagem;noentanto,recomenda-sequesejamselecionadosconformeodomíniodeestudo.

Tabela11.1-Parâmetrosdeavaliaçãoconsideradosnosexperimentos(Fonte:Nunes,2014).

Alémdaproposiçãodomodeloconceitual,foidefinidaumaarquiteturaeimplementadoumsistemacomputacionalcapazderegistrarasinteraçõesdos

usuáriosemAVAs3D(Nunesetal.2012;Nunes,TeslaeNunes,2013),afimdeautomatizarométodoeosinstrumentosdeavaliação.

Cadainteraçãoregistradaéclassificadapeloavaliador,considerandoostiposdeinteraçõesdefinidosporBowmanetal.(2005):

Navegação–refere-seàmovimentaçãodousuáriodentrodoambientevirtual;Seleção–consistenaescolhadeumobjetovirtual,queéconfirmadapormeiodocliquedomouse,pressionamentodeumaoumaisteclas,gesto,comandodevozououtraação;Manipulação–consistenamanipulaçãodeumobjetoselecionado,modificandosuascaracterísticas,comoporexemplo,posição,rotação,escala,cor,tamanho,transparência,textura,entreoutras;Controle–comandosespecíficosdisponíveisparaalteraroestadodosistemaquepodemseremitidospormeiodemenus,comandosdevoz,comandosgestuais,entreoutros.

NoMAAC,aclassificaçãodasinteraçõespermitequeoavaliadorverifiquequaltipodeinteraçãoestámelhorexplicandoanotaobtidapeloaprendiznafasedeAvaliaçãoDiagnósticaPós-Teste(Nunes,NuneseRoque,2013).

ApartirdosdadoscoletadosnosexperimentosconduzidoscomdiversosAVAs3Dediferentesperfisdeusuários,umaanáliseestatísticafoirealizadaaplicandométodosdeestatísticadescritiva,estudodeamostraspareadasecorrelaçãodevariáveis,afimdevalidaroMAACemdiferentescontextos(Nunes,NuneseRoque,2013).OsresultadosmostraramqueéfactívelavaliaraaquisiçãodeconhecimentoemAVAs3DaplicandooMAACemostrouindíciosdequealgunstiposdeinteraçõesdousuário(navegação,seleção,manipulação,controle)comosAVAs3Dmantêmcorrelaçãocomoníveldeaprendizadodousuário(Nunes,NuneseRoque,2013).

Aanáliserevelou,ainda,queoconhecimentopréviodoaprendizéumparâmetrorelevantequedeveserconsideradonoprocessodeavaliação,conformeéalertadoporeducadores(Bloometal.,1983;Luckesi,2011).Destemodo,foipossívelconcluirqueparaAVAs3Dcomatributossimilaresaosqueforamaplicadosnosexperimentos,oMAACécapazdeavaliaroníveldeaquisiçãodeconhecimentotendocomomeiodeestudoumAVA3D(Nunes,2014).

11.3.2Avaliaçãodaaquisiçãodehabilidades

Oconceitodehabilidadesmotoras“compreendetarefascomfinalidadesespecíficasaserematingidas”erelaciona-seaaspectosdemovimento,podendosubdividir-seemhabilidadesgrossasoufinas(Magill,2000).

PóvoaseRodrigues(2007)definemashabilidadesmotorasgrossasembasadoscomoaquelasque“[...]utilizamosgrandesgruposmuscularesdocorpoparaproduzirumaação.Fazempartedessashabilidadesasatividadescomopularecaminhar,nasquaisaprecisãoderefinamentodosmovimentosémenor”,enquantoqueashabilidadesfinasconsiderammovimentosdemúsculospequenos.

Kraigeretal.(1993)afirmamquetradicionalmenteodesenvolvimentodehabilidadeséavaliadopormeiodemétodosdeobservaçãodeaprendizes,verificandoseusdesempenhosoucomportamentosduranteaexecuçãodeumatarefa.

Paracompreensãoeaveriguaçãodoprocessodeaquisiçãodehabilidades,énecessárioreconheceraexistênciadediferentesestágiosdeaprendizagem,nosquaisosindivíduosseiniciamdeformaprocedimentaleseintegramemdeterminadomomento(compilação),atéatingiroseuníveldeautomaticidade[58].Kraigeretal.(Kraiger,FordeSalas,1993)apresentamumaperspectivaevolutivadeaprendizagemcompostadetrêsestágios:i)aquisiçãodehabilidadesiniciais;ii)compilaçãoouelaboraçãodehabilidades;eiii)automaticidadedehabilidades.

EmumarevisãoconduzidaporAnjos,NuneseTori(2012)édisponibilizadaumacategorizaçãodemétodosdeavaliaçãodehabilidades,tantoemAVsquantoemambientesreais,considerandoquehátécnicasoriundasdacinemática,estatística,matemáticaecomputação.Nestemesmotrabalho,umacompilaçãodosparâmetrosusadosparaavaliarhabilidadesemAVséapresentada,verificando-sequetaisparâmetrossãorelacionadoscomerros,perdadeobjetosduranteainteração,danoscausadosnoAV,tempodespendidoparaconclusãodetarefas,variáveisrelacionadasaesforçoeorientação,taiscomo:força,posição,velocidadeeautonomiadomovimentoevariáveisrelacionadasatarefas,taiscomo:trajetória,gravaçãodegestos,destreza,sucessoouinsucesso.

Modeloparaavaliaçãodaaquisiçãodehabilidades

EmAnjos(2014)épropostoummodeloqueconsideraafragmentaçãodetarefasduranteainteraçãodeusuáriosemumAVparaavaliaroquantoousuárioadquiriudehabilidades.Omodelo(Figura11.3)édefinidoemdoisblocos:calibraçãoeavaliação.

Oprimeirobloco(calibração)sesubdivideemtrêsmódulos:Configuraçãodoambiente,quepermiteconfigurarcenárioseobjetosquefazempartedocontextodeavaliação;Definiçãoeconfiguraçãodeparâmetros,dentrodoqualosparâmetrosdeavaliaçãosãodefinidoseconfiguradoscombasenaexperiênciadeespecialistasdodomíniodeaplicação;Ajuste,quepermitequeespecialistasajustemoureferenciemométododeavaliaçãoeopadrãodetarefa.Aúltimaédefinidacombaseemumgrupodeexecuçõesrealizadasemdeterminadodomíniodetreinamento.

Osegundobloco(Avaliação)écompostodequatromódulos.Noprimeiromódulo(Capturadeinterações)sãoregistradasasinformaçõesdeexecuçãodemovimentosdosindivíduos.OmódulodeDiscriminaçãoprocessaasexecuçõesdastarefasvirtuaiseasdiscriminasegundoparâmetroseregrasdeavaliaçãodefinidasporespecialistashumanos.

NomódulodeClassificação,éexecutadooprocessodeclassificaçãoeocálculodediferentesgrausdehabilidadescombasenaexecuçãodetarefasvirtuais.Asexecuçõesaseremclassificadassãoresultantesdoprocessodediscriminação,quefazumadivisãoemexecuções“habilidosas”e“nãohabilidosas”.Execuçõesnãohabilidosaspodemseridentificadasquandoumoumaisparâmetrosdeavaliaçãorevelamumacondiçãoinaceitávelnaexecuçãodeumatarefaounaavaliaçãodamesma(porexemplo,ainserçãodeumainjeçãoemlocalerradoemumpaciente).

Essasexecuçõesnãohabilidosassãoimportantesnassituaçõesderisco,quandoumadeterminadatarefadeveserimediatamenteinterrompidaparanãocausarriscosaosbeneficiáriosdeumprocedimentoouaopróprioexecutante.

Asexecuçõeshabilidosassãoreconhecidasquandodeterminadosobjetivosdeumatarefasãoatingidosdeacordocomcritériosdeavaliaçãopredefinidosporespecialistashumanos(porexemplo,arealizaçãodeumatarefacomtodososparâmetrosdiscriminatóriosjulgadoscomoexecuçãohabilidosa).Noexemplodado,diferentesgrausdehabilidadepodemseraferidosduranteasdiversasetapasnaexecuçãodeumatarefa.

Figura11.3-ModelodeavaliaçãodeHSMparaAVs3D.

OmodelopropostocapturaosdadosdeinteraçãoqueousuárioexecutaemumsistemadeRVecalculaautomaticamentemétricasapartirdessasinterações.EssasmétricassãobaseadasemequacionamentoscomconceitosprovenientesdaFísicaedaMatemática,taiscomodistânciadatrajetóriaexecutadaàtrajetóriaideal,forçaevelocidadedeexecuçãodatarefa,ângulodemovimentaçãodeobjetos,entreoutras.Épossívelforneceraosistemaparâmetrosegrausdetolerânciaparacadaumadessasmétricas.Alémdisso,omodeloaceitaqueousuárioqueexecutaopapeldeprofessorforneçaparâmetrosenotasavariáveisquenãosãoautomaticamentecapturadaspelosistema.Experimentosconduzidosmostraramqueosistema,alémdeavaliarcomassertividadeahabilidadedeusuários,aindapodefornecermaiorobjetividadeeprecisãoemrelaçãoaavaliaçãoexecutadasporhumanos(Anjosetal.,2014)

11.4AvaliaçãodaPercepçãodeQualidade

AsavaliaçõesdepercepçãodosusuárioscomrelaçãoàssaídasproporcionadaspelosAVsparaestimularoscanaissensoriaisdoserhumanosãoaplicadascomoobjetivodeverificaratolerânciadoserhumanoou,atéquenívelasalteraçõessãopercebidasduranteainteraçãocomumambientedessetipo.Osestímulos

visuaisehápticostêmrecebidoatençãodospesquisadores,especialmentenosentidodedesenvolverformasobjetivasdeavaliação.Combasenotrabalhodosautoresdestecapítulo,estaseçãoapresentadoismétodosparaavaliarapercepçãodequalidade,especificamenteemrelaçãoadispositivoshápticos(subseção11.4.1),qualidadedasegmentaçãoexecutadaparadefiniracoexistênciadeobjetosvirtuaisereaisemambientesdeRA(subseção11.4.2)eavaliaçãodaqualidadedeimersãoepresençaproporcionadaspeloAV(subseção11.4.3).

11.4.1AvaliaçãodePercepçãoHáptica

Asavaliaçõesobjetivasnoâmbitodapercepçãohápticasãopoucoexploradasnaliteratura,noentanto,écomumacombinaçãodedadossubjetivoseobjetivosparaformularmedidasdequalidadeincluindovaloresdeQoE(Quality-of-Experienceou,QualidadedeExperiência),umaextensãodeQoS(Quality-of-Serviceou,QualidadedeServiço)

Trêsmétricasforamencontradasnaliteratura,alicerçadasnapossibilidadededeterminaratolerânciadapercepçãodoserhumanodiantedealteraçõesdesinais,permitindooaperfeiçoamentodainteraçãohumano-computador,econsequentemente,dossistemascomputacionais,vistoquetaissistemasnãoestãolivresdeerrosouruídos.NocasodapercepçãohápticaemAVs,errosouruídospodemsercausadospelaexecuçãodealgoritmosdedetecçãodecolisão,dedeformaçãoecálculodoretornoháptico,queconsomemsignificativosrecursoscomputacionaisparamanterotemporealdasimulaçãosemdeixardeladoorealismo(Nietal.,2011;Ladjal,HanuseFerreira,2013).

Adicionalmente,hátambémerroscausadospelacomunicaçãoviarededecomputadores.Astecnologiasderedesãoempregadasemsistemasdeteleoperaçãoeemcertossistemasdetreinamento.Nestesúltimos,arquiteturasdecomputadoressãoconstruídasparadistribuiçãodosprocessamentoshápticoevisual(Hengetal.,2006)ouparaprocessamentodeinformaçõesprovenientesdedoisdispositivoshápticos(Nietal.,2011).

Sakr,GeorganaseZhao(2007)conceberamamétricaHPWPSNR(HapticPerceptuallyWeighted-PeakSignal-to-NoiseRatio),baseadonamétricaPSNR(comumenteusadaemanálisesdeprocessamentodesinais),queenvolveoMSE(Mean-SquaredError),conformeasequações1,2e3.

Nasequaçõesapresentadas,attrrepresentaovalordeumatributo,normalmentecontendoumvalordedistorção;,edenotamosvaloresoriginal,máximoemínimo,respectivamente,deumatributo;éamagnitudedoworkspacealcançável(nos3eixos-x,yez)dodispositivoháptico(equação4);Néonúmeroamostraldoatributoduranteainteraçãoháptica,nécadaunidadedaamostra;Céumaconstante;kéarelação;eJND(JustNoticeableDifferenceouDiferençaMinimamentePerceptível),estabelecidapelaleideWeber,éovalormínimoquerepresentaolimiardepercepçãodoserhumanoparaperceberavariaçãodeumestímuloemumaexperiênciasensorial(Sark,GeorganaseZhao,2007).Osatributosmáximoemínimovariamdeacordocomascaracterísticas

dodispositivoháptico.

Comrespeitoaosatributos,funçõesforamestabelecidas,sendoafunçãoJND(position)paraoatributodeposição;afunçãoJND(force)paraoatributodeforçaeJND(velocity)paraoatributodevelocidade.Notrabalhorealizadopor(Sark,GeorganaseZhao,2007),oatributodeorientaçãoourotaçãonãofoiconsiderado.Essasfunçõessãodescritascomosegue:,ondeéaresoluçãododispositivoháptico;,ondeforceestáentre5e10%daforçaoriginal;e,ondeestánointervalode10a15%davelocidadeoriginal.

Nomesmoartigo,alógicafuzzyfoiusadaparadeterminarHPW,emcontrapartidaàformulaçãomatemática.Alógicafuzzyfoibaseadaemduasvariáveisdeentrada(degradaçãodeposiçãoedegradaçãodevelocidade)eumavariáveldesaída(qualidadeperceptual).Asregrasdeinferênciaforamderivadasdesereshumanos,classificadascomoregraslinguísticasse-então.Asaídadomodelofuzzyécalculadapelatécnicadedesfuzzificaçãodecentróide(Sark,GeorganaseZhao,2007),dadapelaequação5:

onde,Rrepresentaonúmeroderegrasdeinferência,relacionadasadegradaçõesoudistorçõesdeposiçãoevelocidade;éafunçãoresultanteagregadadoconjuntofuzzydesaída;inéouniversodediscurso.Osautoresusaramnoveregrasdeinferência,sendoosvaloresdesaídadentrodointervalo[0,1],indicandoaqualidadeperceptual(0-ricaqualidadeperceptuale1-pobrequalidadeperceptual)(Sark,GeorganaseZhao,2007).

Conformeosautores,HPWPSNRconsideravaloresmáximoemínimoparaosatributos,escalandoosresultadosdeacordocomointervalodoatributoháptico.Comopreviamentemencionado,essesintervalospodemdiferirporquehádiferentesdispositivoshápticos,especialmentedispositivoshápticoscomerciais

Recentemente,umaoutramétrica,denominadaPMSE(PerceptualMean-SquaredError),foipropostaporChaudhari,SteinbacheHirche(2011),eébaseadanaleideWeber-Fechner,queconsiderasensaçõeshápticasrelacionadasaexperiênciashumanas,conformeequação6.

onde,céumaconstanteescalar,usualmentedeterminadaporexperimentos;Nrepresentaonúmeroamostraldecadaatributonainteraçãoháptica;iécadaitemdaamostra;I(i)eI0(i)sãoasmagnitudesdosestímulosdereferênciaeestímulosdistorcidos,respectivamente.Deacordocomosautores,amétricaincorporaummodelopsicofísicodepercepçãohumanaeummodelodeaçãohumana,totalmenteautomático.Omodelodeaçãohumanaéimportanteparaarealizaçãodetestesindependentedaparticipaçãodeusuários(Chaudhari,SteinbacheHirche,2011).

Aúltimamétrica,,foibaseadanamétricaHPWPSNR,conformeaequação7,apresentadaporCorrêaetal.(2016):

AmétricaHPWPSNRfoialteradaadicionandoumamédiadediversosMSEscompesoswrdistintosparacadaeventoEretransiçãoTr,denotando,sendo.AnotaçãoSrepresentaonúmerodeeventosetransições;réumnúmeroúnicoparaeventooutransição,deformacrescenteapartirde1;UéonúmerodeeventosEretransiçõesTrcujospesossãodiferentesde0.Porexemplo,nocasodedoiseventos(somenteumeventorelevante)eumatransição(altamenterelevante),definem-seasequações8a11.

11.4.2AvaliaçãodeSegmentaçãoemRA

Oprocessodesegmentaçãoconsisteemextrairelementosdeumaimagemcomoobjetivodeutilizaresseselementos,emalgumaaplicação,isoladosdoseuplanodefundooriginal.EmaplicaçõescomoasdeRA,oelementoextraído,namaioriadasvezes,éumapessoacujaimagempodeserinseridaemumambientecompostoporobjetosvirtuais.AFigura11.4(a)mostraumexemplodeumquadrodevídeooriginal,quemostraumapessoa,eaFigura11.4(b)mostraaimagemdessamesmapessoaextraídadoquadroeinseridaemumambientevirtual.

Figura11.4-Quadrodevídeocontendoumapessoaeaimagemdemesmapessoa(isoladadofundo

original)inseridaemumambientevirtual(Salionietal.,2014)

Osalgoritmosdesegmentação,responsáveispelaextraçãodoelementodeinteresse(apessoa,nesteexemplo),podemserclassificadosemdoisgrupos:osqueatuamemambientecontroladoeosqueatuamemambientenãocontrolado(ouarbitrário)(Sanches,2013).Osquepertencemaoprimeirogruposãoosmaisrobustos,poisutilizamacorconhecidadofundodaimagem,usualmenteazulouverde,paraauxiliarasegmentação.Dessemodo,ospixels(pontosdaimagem)quepossuemacorconhecidasãoclassificadoscomopertencentesaofundoparaque,nacenafinal,sejamsubstituídospelonovofundo.Osdemaispixelssãoclassificadoscomopertencenteaoelementodeinteressee,poressemotivo,suacororiginalémantida.

Apesardealgoritmosdessetiposeremimportantesparaalgumasaplicações,existemsistemasdeRAqueexigemqueoalgoritmodesegmentaçãoextraiaoelementodeinteressemesmoquandoofundodacenaéarbitrário(Sanchesetal.,2012).Nessecaso,outrasinformações(comocontrasteentrepixelsvizinhos,movimentaçãodoelementodeinteresseetc)sãonecessáriasparaqueoelementodeinteressesejaisolado.AFigura11.5mostradoisexemplosdequadrosdevídeosegmentados,alémderepresentaçõesdecamadasdeimagemquepossuemapenasoelementodeinteresse(ospixelspertencentesaofundooriginalnãosãoexibidos).NaFigura11.5a,ovídeoécapturadoemambientecomfundodacenacontroladoaopassoquenaFigura11.5bacapturaocorreemvídeocomfundoarbitrário.

Figura11.5:-Quadrosdevídeocomfundocontroladoecomfundoarbitrário,alémdarepresentaçãode

umacamadadeprimeiroplano,quecontémapenasoelementodeinteresse.

Aimagemresultantedesseprocessoéchamadadecamadadeprimeiroplano(foregroundlayer),poiscontémapenasoelementodeinteresseque,normalmente,encontra-senoprimeiroplanodacenaoriginal

Osalgoritmosdesegmentaçãoexistentes,sobretudoosqueatuamemambientenãocontrolado,aindanãosãoprecisososuficientepararealizaremasegmentaçãoperfeita.Váriassituaçõesquepodemocorrerduranteacapturadovídeo,comovariaçõesnailuminaçãooumovimentosnofundo,fazemcomqueerrosdesegmentaçãoocasionalmenteocorramduranteaexecuçãodaaplicação.Poressemotivo,acenafinalexibidaaousuáriopodesergeradaapartirdecamadasdeimagemcomerrosdesegmentação.

SegundoGelascaeEbrahimi(2009),mediraqualidadedessascenase,comoconsequência,dosalgoritmosdesegmentaçãoresponsáveispeloserros,éumproblemadifícildeserresolvido,poisenvolvefatoresperceptuais.Dopontodevistadousuário,umquadrodevídeopodeserconsideradocommenosqualidadequeoutro,aindaqueambospossuamomesmopercentualdeerrosdesegmentação.

Umconjuntodepixelsclassificadosincorretamentepeloalgoritmocomopertencentesaofundoequesãovisualizadosnaregiãodorostodoelementodeinteressepodeprovocarmaiorincômodoaousuáriodoqueerrosdeclassificaçãodepixelsespalhadosportodooquadro.Emoutraspalavras,aquantidadedeerrosdesegmentaçãonãoéoúnicofatorquemedeaqualidadedosalgoritmos,poisaformaeolocalemqueoserrosseapresentamtambémdevemserconsiderados.Dessemodo,umalgoritmoqueapresentaamaioriadeseuserrosemregiõesdaimagemquesãomaisperceptíveisdevemserpioravaliadoqueoutroqueapresentaamesmaquantidadedeerros,porém,emregiõesquesãomenosnotadaspelosusuários.

MétricasSubjetivas

Aformamaiseficientedeavaliaraqualidadedealgoritmosdesegmentaçãoconsiderandofatoresperceptuaisépormeiodeexperimentossubjetivos(LineKuo,2011).Essetipodeexperimentoutilizavoluntários,queemitemsuasopiniõesarespeitodaqualidadedevídeosgeradosapartirdacombinaçãodeelementosdeinteresseextraídosporumalgoritmoecombinadoscomumnovofundoou,nocasodossistemasdeRA,inseridosemumambientevirtual.Na

Figura11.6apodeservisualizadoumquadrodevídeooriginal,quecontémoelementodeinteresse.Umalgoritmodesegmentaçãoé,então,aplicado,gerandoumacamadadeimagemcontendosomenteoelementodeinteresse,mascomerrosdeclassificaçãodepixels.Apartirdessacamadadeprimeiroplano,umvídeoquesimulaumambientedeRAégerado(Figura11.6b).

Essevídeoé,então,exibidoaousuáriopormeiodeumaumainterfacesemelhanteàapresentadanaFigura11.6c.Ainterfaceépartedaimplementaçãodeummétodoformaldeavaliaçãodequalidadedevídeo,quepadronizatodosospassosdoexperimentosubjetivo(ITU-R2009).Métodosdessetipo,quenecessitamdeopiniõesdeusuário,sãoutilizadospelaindústriadatelevisãoparaavaliaçãodequalidadedecodificadoresdevídeo(Kozamerniketal.,2005).Paraavaliaralgoritmosdecodificaçãosãoexibidasversõesdomesmovídeocodificadaspordiferentesalgoritmos.Paraavaliaralgoritmosdesegmentaçãosãoexibidasversõesdomesmovídeocombinadocomumnovofundo(ouinseridoemumambientevirtual),porém,comoelementodeinteressedacenasegmentadopordiferentesalgoritmosdesegmentação.

Figura11.6-Quadrodevídeocontendooelementodeinteresse,ambientevirtualgeradoapartirdasegmentaçãoimperfeitaeinterfaceexibidaaousuárioqueavaliaosvídeosquesimulamumaaplicaçãode

RA(Sanchesetal.,2012b).

UmexemplodemétricasubjetivaparaavaliaraqualidadedealgoritmosdesegmentaçãoemaplicaçõesdeRApodeserencontradonotrabalhodeSanchesetal(2012b).

MétricasObjetivas

Asmétricassubjetivas,apesardeseremconsideradasasmaiseficientes,requeremnormalmenteumgrandenúmerodeusuáriosparaavaliarosvídeosealgumainfraestruturapararealizaçãodasavaliações.Issotornaoprocessodemoradoe,algumasvezes,caro(GelascaeEbrahimi,2009).Essesrequisitospodemdificultaraaplicaçãopráticadessesmétodos.Poressemotivo,muitoesforçotemsidofeitonosentidodeobtermétricasqueconsigampreveraopiniãodosusuáriosarespeitodaqualidadedasegmentaçãoobtidadaaplicaçãodedeterminadoalgoritmo,semqueexperimentossubjetivossejamrealizados.Métricasdessetiposãochamadasdeobjetivas(LineKuo,2011;CorreaePereira,2003).

NocontextodasaplicaçõesdeRA,umamétricaimportanteparaavaliaçãodesegmentaçãoconsiderandoapercepçãodousuáriofoiapresentadanotrabalhodeGelascaeEbrahimi(2009).Napesquisa,osautoresestudaramfatoresperceptuaiseconcluíramqueaqualidadedosalgoritmospodeserassociadaprincipalmentecomaformaqueoserrosdesegmentaçãoporelesprovocadosalteramabordadoelementodeinteresse.Dessemodo,quandooserrosaparecemespalhadospelaimagem,amétricacalculaumníveldeincômodobaixo.Poroutrolado,quandooserrosprovocadospeloalgoritmodeformamabordaouacontecempróximoaoelementodeinteresse,amétricacalculaumníveldeincômodoalto,aindaqueamesmaquantidadedepixelsclassificadosdeformaincorretasejaexibidanoquadro.

AmétricapropostanotrabalhodeSanchesetal(2013),quetambémavaliaalgoritmosdesegmentaçãonocontextodasaplicaçõesdeRA,éformuladaponderandoaocorrênciadoserrosdesegmentaçãodeformadiferentedamétricadeGelascaeEbrahimi(2009).Segundoosautores,oníveldeincômodoéconsideradomaiorquandooserrosdesegmentaçãoocorrenopróprioelementodeinteresse,mesmoquandonãodeformaasbordasdesseelemento.Outrosfatorestambémsãoconsideradosnamétrica,comoaocorrênciadesseserrosemváriosquadrosconsecutivosouemapenasalgunsquadrosemsequência.

OtrabalhodeSalionietal.(2015)apresentaumamétricaqueconsideraníveisdiferentesdeincômodomesmoquandooserrosdesegmentaçãoocorremnaregiãodoelementodeinteresse.Amétricaconsideraoserrosexibidosnaregiãodosolhos(região“A”daFigura11.7)comoosmaisperceptíveis,seguidospeloserrosdaregião“B”.Errosnasregiões“D”,apesardemenosperceptíveisqueos

dasregiões“A”e“B”provocammaiorincômodoqueosexibidosnoplanodefundo.

Figura11.7-Regiõesdoquadrodevídeoemqueaocorrênciadeerrosdesegmentaçãoprovocagrandeincômodoaousuáriodaaplicação(Salionietal.,2015).

Umacaracterísticacomumdasmétricasobjetivaséqueavaliaçõessubjetivassãonormalmenterealizadascomopartedoprocessodedesenvolvimento,paraqueostiposdeerrosquecausamincômodoaosusuáriossejamidentificados.Noentanto,umavezdefinidaamétrica,oníveldeincômodoéautomaticamentecalculado,semquesejanecessárioaparticipaçãodevoluntáriosparaqueamétricaavalieaqualidadedoalgoritmodesegmentação.Ofatodenãohaveraparticipaçãodeusuáriosnaavaliaçãodoalgoritmodesegmentaçãoéoquecaracterizaumamétricacomoobjetiva.

11.4.3Avaliaçãodeimersãoepresença

EmAVs,osconceitosdeimersãoepresençasãoimportantes.Aimersãopodeserdefinidacomooníveldefidelidadedosestímulossensoriais(visual,tátil,sonoro)produzidosporumsistematecnológico(Slater,2003).Presençaéarespostasubjetivadeumserhumanoaumambiente,indicandoasensaçãode"estarlá''(Slater,2003).

ExistemdiferentestiposdepresençaquepodemestarassociadosaumAV:presençafísica-asensaçãode“estarlá”,deestarimersoemdeterminadoambiente;presençasocial-asensaçãodeestarfaceafacecomoutra(s)pessoa(s);eautopresença-asensaçãodeautoconsciência,deidentidade,de

pertenceraocorpo(Biocca,1997).

Naliteratura,tem-seobservadoavaliaçõesdepresençaemsistemastecnológicospormeiodequestionários(Meehanetal.,2003;Ntokas,MaratoueXenos,2015;BierbaumeCruz-neira,2003),medidaspsicológicas(Meehanetal.,2003;Deniaudetal.,2015),observaçõesdecomportamento(Welch,1999;Deniaudetal.,2015),controledebatimentoscardíacos,suorerespiração(Lingetal.,2012;Deniaudetal.,2015),assimcomotarefasdedesempenhoquandopresençaéumrequisito(Welch,1999;Qinetal.2013).Normalmente,umdeterminadoestudocombinaduasoumaisformasdeavaliação.

Nãoháevidênciasconcretasdarelaçãoentremedidasdedesempenho(erros,acertosetempo,porexemplo),poisháestudosqueencontraramumacorrelaçãopositivaentrepresençaemAVsetarefasdedesempenho(WitmereSinger,1994);bemcomoestudosquenãoencontraramtalcorrelação(Nunes,2014).

11.5TécnicasprovenientesdaEngenhariadeSoftware

Emborareconheça-seaimportânciadaEngenhariadeSoftware(ES)nocontextodedesenvolvimentodeaplicaçõesdeRVeRA,poucostêmsidoostrabalhosqueefetivamenteusamconceitosdestaáreaparamelhoraraavaliaçãodasaplicações.NestaseçãosãoabordadosconceitossobreotestedesoftwareprovenientesdaESeumaabordagemespecíficaparaelucidaçãoderequisitosquegeradadosparaotesteautomatizadodeaplicaçõesdeRV.

11.5.1Testedesoftware

Oprocessodedesenvolvimentodesoftwareenvolveumasériedeatividadesparaproduzirsoftwaredealtaqualidade;noentanto,errosnoprodutoaindapodemocorrer.Paraminimizartaiserroseriscosassociados,atividadesconhecidascomoVV&T(validação,verificaçãoeteste)têmsidointroduzidasnoprocessodedesenvolvimento.DentreastécnicasdeVV&T,aatividadedetesteéumadasmaisutilizadas,constituindo-seemumdoselementosparafornecerevidênciasdaconfiabilidadedosoftware(Delamaroetal.,2007).

Aatividadedetestedesoftwareconsisteemumaanálisedinâmicacomaintençãodeexecutarumprogramaouummodeloeverificarseoseucomportamentoestáemconformidadecomoesperado.SegundoMyers(2011),

testedesoftwaretemcomofunçãoexecutarumsistemacomafinalidadedeencontrarpossíveiserros.

Emtestedesoftware,considera-sequeosprogramassãocompostospordomíniosdeentradaedesaída.OdomíniodeentradadeumprogramaP,denotadoporD(P),éoconjuntodetodosospossíveisvaloresquepodemserutilizadosparaexecutarP(Delamaroetal.,2007).Odomíniodesaídadeumprograma,denotadoporS(P)éumconjuntodetodosospossíveisresultadosproduzidosporP(Delamaroetal.,2007).

Define-se“dadodeteste”,umelementododomíniodeentradadeP.Umparformadoporumdadodetesteeoresultadoesperadoparaaexecuçãodoprogramaédenominado“casodeteste”(Delamaroetal.,2007).

UmcenáriotípicodaatividadedetesteéilustradonaFigura11.8.Nessecenário,umconjuntodecasosdetesteTédefinido,emseguidaoprogramaemtesteéexecutadocomTeoresultadoobtidoéverificado.CasooresultadoproduzidopelaexecuçãodePestejaemconformidadecomoesperado,nenhumerrofoiidentificado.Noentanto,casooresultadosejadiferentedoesperado,entãoumdefeitofoirevelado.

Figura11.8.-Cenáriotípicodetestedesoftware.

ConformeapresentadonaFigura11.8,otestadormuitasvezesassumeopapelconhecidocomo“oráculo”,poiséelequemdecideseasaídaobtidadeumadeterminadaexecuçãoestáemconformidadecomasaídaesperada.Partedodesafiodeautomatizaçãodaatividadedetesteconsistenacriaçãodeoráculosautomatizados.

Otestedesoftwareécompostoporquatroetapas:(i)planejamentodetestes;(ii)projetodecasosdetestes;(iii)execução;(iv)avaliaçãodosresultadosdeteste.Aolongodoprocessodedesenvolvimento,essasatividadesdevemserdesenvolvidaseseconsolidamemtrêsfasesdeteste:deunidade,deintegraçãoedesistema(Delamaroetal.,2007).

Otestedeunidadevisaverificarasmenoresunidadesdeumprograma,podendoserfunções,procedimentos,classesoumétodos,afimdeidentificarerrosdelógicaedeimplementação.

Otestedeintegraçãoérealizadoapósasunidadesseremtestadasindividualmente.Apreocupaçãodestafasedotesteécomaconstruçãodosistema,ouseja,verificarseajunçãodasdiversaspartesfuncionamadequadamenteenãolevamaerros.

Otestedesistemaérealizadoquandoosistemaestácompleto,comassuaspartesintegradas,visandoidentificardefeitospormeiodesuascaracterísticasefunçõesbaseadasnasespecificações.Oobjetivoéverificarseosrequisitosfuncionaisenãofuncionaisforamimplementadoscorretamentedeacordocomassuasespecificações.

11.5.2Técnicasecritériosdeteste

Combasenasetapasdotestedesoftwaremencionadasanteriormente,éimportantedestacarqueageraçãodecasosdetesteséconsideradaumdospontoscríticosdaatividadedeteste.OprogramaPdevesertestadocomtodososelementosdeD(P),afimdegarantirquenenhumdefeitoestejapresente.Isso,emgeral,éimpossívelporrazõesdecustoetempo.Dessaforma,oobjetivoéutilizarcasosdetestequepossuemaltaprobabilidadeemrevelaramaioriadosdefeitoscomtempoeesforçoreduzido(Delamaroetal.,2007).

Dentrodessaperspectiva,paraauxiliaracriaçãoouavaliaçãodecasosdeteste,aaplicaçãodetécnicasecritériosénecessáriaparaqueaatividadedetestepossaserconduzidadeformasistemáticaeconsigaatingirumníveldeconfiançaedequalidadecomostestesrealizados(Demillo,1980).

Oscritériosdetestepodemserusadostantoparaageraçãodeumconjuntodecasosdetestequantonaavaliaçãodaadequaçãodesseconjunto,evidenciandoaeficiênciadoteste(FrankeWeyuker,2000).Nessecontexto,aqualidadedos

testesestáassociadaaocritériodetesteutilizado,umavezqueeledefinequaisrequisitosdeverãoservalidadosnaavaliaçãodostestes.

Técnicasdetestesãoempregadasparaconduzireavaliaraqualidadedaatividadedetesteediferenciam-sepelaorigemdainformaçãoutilizadanaavaliaçãoenaconstruçãodosconjuntosdecasosdeteste.Emgeral,oscritériosdetestedesoftwaresãoestabelecidosapartirdetrêstécnicas:(i)funcional,quebaseia-senaespecificaçãodoprodutodesoftware;(ii)estrutural,queutilizaaestruturainternadoprograma;e(iii)baseadaemdefeitos,queutilizaosdefeitostípicoscometidospelosprogramadoresduranteodesenvolvimentodesoftware.

Autilizaçãodetécnicasecritériosdetesteéfundamentalnaseleçãodecasosdeteste,poisconseguemminimizaraquantidadedecasosdetesteeaidentificaçãodedefeitosaumbaixocusto.

TesteFuncional

Atécnicadetestefuncional,tambémconhecidacomotestedecaixapreta,verificafunçõesdosistemasemsepreocuparcomosdetalhesdeimplementação,sendovisíveledisponívelsomenteosdadosdeentradafornecidoseassaídasproduzidas.Otestefuncionalenvolvedoispassos:(1)identificarasfunçõesqueosoftwaredeverealizare;(2)projetarcasosdetestecapazesdeverificarseessasfunçõesestãosendorealizadaspelosoftware(Myers,2011).

Atécnicafuncionalpossuiumconjuntodecritériosquesãoaplicadosduranteageraçãoe/ouseleçãodecasosdeteste,queocorreapartirdaanálisedaespecificaçãoderequisitos.Algunsdoscritériosdotestefuncional(GrafodeCausaeEfeito,TabeladeDecisão,TesteBaseadoemTransiçãodeEstadoseTesteBaseadoemCasosdeUso)sãofundamentaisparaauxiliarnaespecificaçãodosrequisitosdosoftware.

Conformefoidescrito,oscritériosdatécnicafuncionalnecessitamsomentedaespecificaçãodoprodutoparaderivarosRequisitosTécnicos,podendo,dessaforma,seremaplicadosemprogramasdistintos,umavezqueocódigofontenãoéfundamental.Noentanto,comooscritériosfuncionaissãobaseadosnaespecificação,elesnãopodemassegurarquepartecríticaseessenciaisdocódigotenhamsidocobertassendoestaumacaracterísticadotesteestrutural(Roper,1995).

TesteEstrutural

Otesteestrutural,tambémconhecidocomocaixabranca,estabeleceosRequisitosTécnicoscombaseemumdeterminadocódigofonte,requerendoaexecuçãodepartesoucomponentesdoprogramaemteste(Myers,2011).Essatécnicaestádiretamenterelacionadaaoconhecimentodaestruturainternadoprograma,sendoosaspectosdeimplementaçãofundamentaisparageração/seleçãodoscasosdeteste(Delamaroetal.,2007).

Geralmente,amaioriadoscritériosdessatécnicautilizamumarepresentaçãodeprogramaconhecidacomoGrafodeFluxodeControle(GFC)ouGrafodePrograma(GP).UmprogramaPpodeserrepresentadocomoumGFC(G=(N,E,s)pormeiodacorrespondênciaentrevértices(nós)eblocosdecomandoeaindicaçãodepossíveisfluxosdecontroleentreessesblocospormeiodasarestas(arcos)(Myers,2011).

EmumGFC(G=(N,E,s),Nrepresentaumconjuntodenós,Econstituiumconjuntodearcosesretrataonódeentrada.Um``caminho''éumasequênciafinitadenós(n1,n2,...,nk),k>=2,talqueexisteumaarestadeniparani+1parai=1,2,...,k-1.

GFCéumgrafoorientado,comumúniconódeentradasN,sendoquecadanóconstituiumblocoindivisíveldecomandoecadaarestaconstituiumpossíveldesviodeumblocoparaoutro.Portanto,otesteestruturalpodesercaracterizadoapartirdaseleçãodoselementosdoGFCquedevemserexecutados.

OscritériosdetesteestruturalsebaseiamemdiferentestiposdeconceitoseelementosdeprogramasparadeterminarosRequisitosTécnicos.Oscritériosestruturaissãoclassificadosem:critériosbaseadosnacomplexidade(McCabe,1976);critériosbaseadosemfluxodecontrole(Myers,2011)critériosbaseadosemfluxodedados(Hecht,1977)ecritériosbaseadosnacobertura(AmmanneOffutt,2016).

TestebaseadoemDefeitos

Otestebaseadoemdefeitosutilizainformaçõessobreostiposespecíficosdedefeitosquesedesejarevelareoserrosmaisfrequentescometidosnoprocessodedesenvolvimentodesoftware.Dentreoscritériosbaseadosemdefeitos,éimportantedestacaroTestedeMutação(Demillo,1980).

Notestedemutaçãopequenasmodificaçõessintáticassãorealizadasnoprogramaemteste.Essesprogramasalterados,ouseja,comdiferentestiposdedefeitossãochamadosdemutantes.EstecritériovisagerarumconjuntodecasosdetesteTque,apartirdamesmaentrada,osresultadosgeradospeloprogramaoriginalPsejamdiferentesdosgeradospelosprogramasmutantesP'.

Paramodelarasmodificaçõessintáticasnosprogramasmutantessãoutilizadososoperadoresdemutação.UmoperadordemutaçãoéaplicadoaumprogramaoriginalP,transformando-oemprogramasmutantesdeP(Delamaroetal.,2007).OsoperadoresdemutaçãoconsistememregrasquedeterminamasmodificaçõesquedevemserrealizadasnoprogramaoriginalP.Osoperadoresdemutaçãosãocriadoscomafinalidadedesatisfazerumentredoispropósitos:(i)induzirmudançassintáticassimplescombasenoserroscomunscometidosduranteoprocessodedesenvolvimento,porexemplo,modificaronomedeumavariável;ou(ii)forçarobjetivoscomunsdeteste,porexemplo,executarcadaarcodoprograma.

EmseguidaoconjuntodecasosdetesteTgeradoéaplicadoemPenoconjuntodemutantesP'afimdeevidenciarseoscasosdetestesãocapazesderevelardefeitos,ouseja,distinguirassaídasdosprogramasP'doprogramaP.SeummutanteP'gerarumasaídadiferentedoprogramaPparaumdeterminadocasodeteste,então,omutanteP'está“morto”,casocontrário,está“vivo”.CasoomutanteP'apresentesempreamesmasaídadoprogramaPparaqualquervalordeentrada,entãoP'éclassificadocomoequivalente,ouseja,oscasosdetestenãosãoadequadososuficienteparamataressemutante.Éimportantedestacarque,emgeral,aequivalênciaentreprogramaséumaquestãoindecidívelerequeraintervençãodotestador.

Paraanalisaroníveldeconfiançadaadequaçãodoscasosdetestegerados,otestedemutaçãoforneceumamedidaobjetivadenominadadeEscoredeMutação(EM)(doinglês,MutationScore-MS)(Demillo,1980).Oescoredemutaçãorelacionaonúmerodemutantesmortoscomonúmerodemutantesgeradosevariaentre0%e100%.Oescoredemutaçãoécalculadopormeiodaequação12.

Quandoovalordoescoredemutaçãoalcançar100%,significaqueoconjuntodetesteTéadequadoparatestaroprogramaP',logo,aconfiançaéconsideravelmentealtaumavezqueoprogramaemtesteestápraticamentelivrededefeitos.

Éimportantedestacarque,emgeral,ostestesemaplicaçõesdeRVsãorealizadosmanualmenteesomenteapósoprocessodedesenvolvimentodestasaplicações.UmamaneiradeassegurarofuncionamentoapropriadodeaplicaçõesRV,istoé,alcançarumníveldeconfiançaequalidade,épormeiodautilizaçãodetécnicasecritériosdeteste.EstastécnicasauxiliamnageraçãodeRequisitosdeTeste(RTs)quedevemsercobertosduranteoteste.

Algunsestudosexploramdiferentesaspectosdotestedesoftware,comoosuporteatestesdeinterfacesdeRV,testesdeusabilidadedeambientesdeaprendizagembaseadosemRV(Chenetal.,2013),testesevalidaçãodecomponentesparaautomação,ambientedeRVparaarealizaçãodetestesemprogramascomplexos(Marzanoetal.,2015).Noentanto,ousopráticodecritériosdetestefoiapenasabordadonotrabalhodeBezerra,HartlingeCruz-Neira(2003),quepropôsquatrocritériosdetestecombasenografodecenaecominspiraçãoemcritériosdetestesestruturais:All-Nodes-Leaves,All-Nodes-Intermediary,All-Paths-AscendantseAll-Paths-Descendants.

Diantedosestudosapresentados,seráapresentadaumaabordagemquevisaaformalizarparcialmenteaespecificaçãoderequisitosdeaplicaçõesdeRVeauxiliarotestefuncionaldeaplicaçõesdeRV.

AbordagemparaespecificaçãoderequisitosetestefuncionalemRV

Souza(2017)propôsumaabordagemdenominadaVirtualReality-RequirementsSpecificationandTesting(VR-ReST)quevisaapoiaraespecificaçãoderequisitosdeaplicaçõesdeRV,abordandoaspectosvisuaiseinterativos,combasenadescriçãodecasosdeusoeconceitosdodomíniodeRVterminologiae

conceitosdeGrafodeCena.AVR-ReSTtambémutilizaquatrocritériosdetestebaseadosemcobertura(NodeCoverage(NC),EdgeCoverage(EC),Edge-PairCoverage(EPC),PrimePathCoverage(PPC))paraderivarosRTsegerardadosdetesteapartirdosrequisitosespecificados,comafinalidadedeauxiliarotestefuncionaldeaplicaçõesdeRV.

OprocessodaabordagemVR-ReSTconsisteemtrêsmódulossequenciais:(1)EspecificaçãodosRequisitos,(2)MapeamentodosRequisitose(3)GeraçãodosTestes,conformepodeservisualizadonaFigura11.9.

Figura11.9-ProcessodaabordagemVR-ReST(Souza,2017).

Noprimeiromóduloasinformaçõesgeraissobreaplicação,usuário,incluindoosrequisitos,sãoespecificadaspormeiodeummodelodesenvolvidochamadodeVirtualRequirementSpecification(ViReS).Essemodeloconsisteemquatrofasesinterrelacionadas:(i)Descriçãodaaplicação;(ii)Elicitaçãoderequisitos;(iii)Especificaçãoderequisitos;e(iv)Validaçãoderequisitos.Aofinaldoprocessodeespecificaçãoderequisitosutilizandoomodeloégeradoumguidelinecontendotodasasinformaçõesnecessáriaserequisitosreferentesàaplicaçãoaserdesenvolvida.

NosegundomóduloparaauxiliaromapeamentodosrequisitosespecificadospelomodeloViReSfoidesenvolvidaalinguagemchamadaBehaviorLanguageRequirementsSpecification(BeLaRS).ABeLaRSéumalinguagemsemi-formalqueutilizacomoentradaosrequisitosespecificadosnoprimeiromódulopara

obterumaespecificaçãopadronizadadosrequisitosparaauxiliarotestefuncionalnodomíniodeRV.AlinguagemBeLaRSécompostaportrêsfases(conformepodeservistonaFigura11.9):(i)análisesintática;(ii)análisesemântica;e(iii)geraçãodoGrafodeFluxodeRequisitos(GFR).ÉimportanteressaltarqueestemóduloconverteasemânticadaBeLaRSnoGFRdeacordocomasequênciaemqueosrequisitosforamespecificados.CadanónoGFRrepresentaumrequisitoespecificado.OGFRéutilizadocomoentradaparaarealizaçãodostestes.

Porfim,noterceiromódulo,apartirdoGFRgeradonosegundomódulo,osRTssãoderivadoseosdadosdetestesãogeradoscombaseemumcritériodetesteselecionado(NC,EC,EPCePPC).Assim,essesdadosdetestesãoaplicadosaosrequisitosdetesteparaverificarquaisrequisitosforamounãocobertos.Assim,comautilizaçãodaabordagemapresentadaosrequisitospodemserespecificadosdeumaformapadronizadaeotestefuncionalpodeserexecutadoautomaticamente,independentementedaaplicação.

Comomostradonestecapítulo,otemaavaliaçãoéabrangente,profundo,apresentadiversasfacetaseestálongedeseresgotado.

Diferentementedeperíodosanteriores,aliteraturaatualemRVeRAtemdedicadomaisesforçosaestaquestão,principalmentedevidoaexigênciasdeveículoscientíficosdedivulgaçãocomaltofatordeimpacto.Assim,hojeémaiscomumasferramentasdeRVeRAapresentaremalgumtipodeavaliação.ProvavelmenteapesquisaconduzidaemNunes(2010)produziriaresultadosdiferentesnocenárioatual.

Verifica-se,entretanto,queháalgumaspráticasmaiscomuns:(1)aavaliaçãodoprodutodeRVeRAtemsidoespecífica,istoé,embutidanoprópriosoftwareepraticamentesempossibilidadesdereuso;(2)aavaliaçãocomusuário,quandoexecutada,temutilizadoinstrumentospadronizados,semcontemplarasespecificidadesdasaplicaçõesdeRVeRA;(3)devidoàsdificuldadesinerentesaoprocesso,muitasvezesaavaliaçãocomusuárionãoéexecutadacomopúblico-alvo,mascomusuáriostécnicosqueseconfundemcomdesenvolvedores;(4)hápoucasistematizaçãoeautomatizaçãodasavaliaçõesconduzidasequasenenhumusodetécnicasjáestabelecidasdaáreadeEngenhariadeSoftwaree(5)hápoucaspesquisasquevisamaestabelecer

métodosemodelosquesejamaplicáveisnocontextodeRVeRAeextensíveisdentrodedeterminadodomínio.

Apartirdasconstataçõesapresentadas,estecapítulo,alémdeabordarasbasesconceituaisdediversosaspectosdaavaliação,propôs-seaapresentaravançosempesquisa,principalmenteemrelaçãoàsduasúltimaslacunasapresentadas,ouseja,aoestabelecimentodetécnicassistematizadaseautomatizadasparatestedesoftwaredeRVeRAeàelaboraçãodemodelos,técnicasemétodosextensíveisereusáveis.

Aliteraturaaindatemumagrandelacunaemrelaçãoaessasquestões.AlgunsgruposnoBrasiltêmsidopioneiros,inclusiveapresentandoresultadosdeimpactonoqueserefereapublicaçõescientíficas.Taisgrupospodemserlocalizadospelaspublicaçõescitadasnestecapítulo.Espera-seque,emumfuturopróximo,novaseefetivascontribuiçõesbrasileiraspossamcolaborarparaamudançadocenárioapresentado.

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Capítulo12-ProcessamentoGráficoLeandroL.Dihl

AntonioL.ApolinárioJr.SoraiaRauppMusse

EstebanCluaBrunoFeijó

12.1Introdução

NosúltimosanosaindústriadejogostemsidoaprincipalfomentadoradeinvestimentosempesquisaedesenvolvimentodenovastecnologiasparaRealidadeVirtual(RV)eRealidadeAumentada(RA).ARVeaRAsãotecnologiasquesurgiramnoséculopassadocominúmeraspossibilidades,masquesomentenosúltimosanos,comoavançodastécnicasehardwaresdeprocessamentográfico,passoudeumestadodegeraçãodeconceitoseestudosacadêmicosparaumefetivousodestastecnologiasemprodutoscomerciais.Essasnovastecnologiasestãosendoaplicadaseminúmerasáreas,comoporexemplo,emvárioscamposdamedicina,comocirurgiasetratamentosdeestresse,emaplicaçõesparaarquitetura,naáreaeducacionalatravésdesimuladores,naáreadoentretenimentoatravésdejogos,entreoutras.OutraáreaqueestáaproveitandoessanovaondadousodaRVeRAéomarketing,inovandonolançamentoeexperimentaçãodenovosprodutosporclientes/usuários.

AáreadeProcessamentoGráficoestudaosprocessosoutécnicascomputacionaisqueenvolvemutilizaçãoegeraçãodemodelosgeométricoseimagensdigitais,podendoserestáticosoudinâmicosnotempo.Paratanto,temcontadocomdesenvolvimentodenovosdispositivos,bemcomometodologiasparaseraplicadonasoluçãoeotimizaçãodeproblemascadavezmaiscomplexos.Comocitadoanteriormente,osurgimentodenovosdispositivosdehardwareparecetersidoumadascausasdeváriasnovasaplicaçõescomerciais.Emparticular,osurgimentodepoderosasplacasdeprocessamentográfico(GPUs)foiumdosmotoresqueimpulsionaramoempregoefetivodastecnologiasdeRVeRAatuais.EssatecnologiaacabourefletindonasinovaçõesconceituaisdoProcessamentoGráficoemRVeRA.

Umexemploespecíficodestasinovaçõesaconteceunaáreaderendering.Tradicionalmente,osmodelosdeiluminaçãoparacomputaçãográficatemporealtemsebaseadoemmodeloslocais,considerandofrequentementeapenasailuminaçãodireta(raiosdeluzvindosdiretamentedafonte),emboraemaplicaçõesnãotemporealailuminaçãoindiretajásejaconsideradahámuitosanos.Entretanto,oadventodaRVimpulsionouanecessidadedeumrealismomaior,sendonecessárioconsiderarailuminaçãoglobaleindiretacommaiorprecisão.Assimsendo,enginesgráficostradicionaisvêmincluindorecursoscadavezmaispoderososparatal.

Estecapítuloabrangealgumastécnicastradicionaiseoutrasmaisrecentes,usadasparaoProcessamentoGráficoempregadonaRVeRA.Asseçõesdescrevemmétodosemáreastradicionaisdoprocessamentográfico,asaber:Modelagemerepresentação3D,rendering,VisualizaçãoeAnimação.

12.2ModelagemeRepresentação3D

Estaseçãotemporobjetivoapresentarosprincipaisconceitosdamodelagemgeométricaerepresentação3D,principalmentequandoaplicadosemmétodoseaplicaçõesdeRVeRA.

Emummundovirtualimersivoondeespera-secriarumarealidadecrívelaousuário,ascenas,osobjetoseseuscomportamentossãoparterelevantedesteprocesso.Considerando-seque,nestasaplicações,partedoqueseacreditaéoquesevê,existeumagrandeimportâncianosobjetosquefazempartedomundo.Aquantidadeetiposdeobjetosdevemserconcebidosdeformarealistanoquetangesuasformasemaneirasdeinteração,paraumamelhorsensaçãodeimersãodousuário.

Naáreadeprocessamentográfico,amodelagem3Dtemporprincipalobjetivoapresentarastécnicasutilizadas,quepodemserinterativasounão,paraacriaçãodosmodelostridimensionais.Amodelagem3Déoprocessodedesenvolvimentodeumarepresentaçãomatemáticadequalquersuperfíciedeumobjetoemtrêsdimensões.Podeserobtidautilizandoumaferramentaprópriaparaestefim.Oobjetopodeserexibidocomoumaimagembidimensionalatravésdeumprocessochamadorenderização3Douusadoemumasimulaçãocomputacional.HearneBakereCarithers(Hearn,BakereCarithers,2010)descrevemqueamodelagem3Dpodeutilizarpolígonosesuperfíciesquadráticas,poisestasfornecemdescriçõesprecisasparasimplesobjetosEuclidianostaiscomoos

poliedroseelipsóides.Jáassuperfíciessplineetécnicasdeconstruçõessãoúteisparaodesigndeinúmerosobjetoscomdetalhescurvoscomoasasdeaviões,engrenagenseoutrasestruturasdeengenharia.Porfim,osmétodosprocedurais,taiscomofractaisesistemasdepartículaspermitemumarepresentaçãodesistemasmaisprecisosdeobjetosnaturaiscomoporexemplo,fumaça,líquidosouvegetais.PeçasdevestuáriooutecidosemgeralpodemsermodeladosatravésdesistemasbaseadosemFísicausandointeraçõesdeforçasdescrevendoocomportamentodeobjetosnãorígidos.

Jáarepresentação3Déresponsávelporproverestruturasdedadosaseremempregadasnoarmazenamentodasinformaçõesrelativasaoobjetocriado.Inúmerastécnicassãoempregadasparaamodelagemerepresentação3D,eelassãoaplicadasdeacordocomafinalidadedosistemaquesepretenderepresentar.Éimportantedefinirqueaformaderepresentaçãodeumobjeto3Dfocanamaneiracomoosdadosquedefinemoobjetosãoarmazenados.Exemplossãoasestruturasemárvorequadtreeseoctreesquesãousadasparaarmazenarrepresentaçõesinternasdeobjetos.

EstastécnicaspossibilitamdescreveremodelarosobjetosqueestarãoimersosemsistemasdeRVouqueusuáriospodeminteragiremaplicaçõesdeRA.

12.2.1TIPOSDEREPRESENTAÇÕES3D

Aspróximasseçõesvisamdescrevermétodostradicionaisdeprocessamentográficousadosnaliteraturacientíficanaáreasderepresentaçãoemodelagemdeobjetos.

12.2.1.1Representaçãowireframeouaramada

Estaformaderepresentaçãodescreveosobjetosporumconjuntodearestasquedelimitamoseuinterioredefinemassuasbordas,deixandoparaoobservadorreconhecerintuitivamente,oconteúdodoobjeto,tendoasensaçãoquesejaumobjetosólido.AFigura12.2.1ilustraarepresentaçãowireframe.

Figura12.2.1:RepresentaçãowireframeouAramada.Fonte:http://caig.cs.nctu.edu.tw/course/CG2007/images/ex1_wireframe.jpg

Estaformaderepresentaçãopermiteaconstruçãodeestruturascomplexasepesadas,muitoutilizadasemsistemasvetoriais,poissuaprincipalvantageméavelocidadenaexibiçãodosmodelos,sendonecessárioapenasexibirumconjuntodelinhas.Aprincipaldesvantagemdestaformaderepresentaçãoéageraçãodeumarepresentaçãoambíguacommargemparaváriasinterpretações.AFigura12.2.2ilustraarepresentaçãowireframeeasuaambiguidade:

Figura12.2.2:Ambiguidadedeumarepresentaçãowireframe.

Arepresentaçãowireframenãoforneceinformaçõessuficientesparaquea

ambiguidadesejasolucionadaatravésdaeliminaçãodasarestasdapartetraseiradoobjeto.Alémdisso,estetipoderepresentaçãotambémdificulta,ouemalgunscasostornaimpossível,arealizaçãodecertasoperaçõescomoadeterminaçãodemassa,volume,eainclusãoounãodepontos.Outradesvantageméavisualizaçãonãorealistadestaformaderepresentação.Umavezqueasfacesnãosãoconhecidas,orenderingfotorealistanãoépossível.

Comosuaprincipalvantageméasimplicidadeevelocidadederepresentaçãodeumobjeto,sãonecessáriossomenteduastabelas:atabeladevérticeseatabeladearestas.Atabeladevérticesconsisteemvaloresdecoordenadastridimensionaisparacadavérticecomreferênciaàorigem.Atabeladearestasespecificaosvérticesdeinícioefinalparacadaaresta.AFigura12.2.3ilustraastabelasdedadosdarepresentaçãowireframe.

Figura12.2.3:TabelasdevérticesearestasdeumaRepresentaçãowireframe.

12.2.1.2RepresentaçãoporFaces–B-Rep

OsmodelossólidosB-Rep(Boundaryrepresentationouporsuperfícieslimitantes)emergiramdosmodelospoliédricosusadosemcomputaçãográficapararepresentarobjetosecenasno3D.Avisualizaçãodestarepresentação,emcontrapartidaaoWireframe,permitearemoçãodaslinhasesuperfíciesocultasdosobjetos.Elespodemservistoscomomodelosgráficosaprimoradosquetentamsuperaralgunsproblemasatravésdainclusãodeinformaçõescompletasdasuperfíciesdelimitadorasdoobjeto.Existemtrêsentidadesprimitivas:faces,arestasevértices,easinformaçõesgeométricasanexadasaelasformamosconstituintesbásicosdosmodelosB-Rep.Umvérticeéumpontoúniconoespaço,Umaarestaéumacurvanoespaçodirecionada,finita,nãoauto-interceptada,delimitadapordoisvérticesquenãosãonecessariamentedistintose;umafaceéumaregiãoconectadafinita,nãoauto-interceptada,deumasuperfícieorientadafechadadelimitadaporumaoumaisarestas.AFigura12.2.4

mostraastrêsentidadesprimitivas:face,arestaevérticedeummodeloB-Rep.

Figura12.2.4:Astrêsentidadesprimitivas:face,arestaevérticedeummodeloB-Rep.

Alémdeinformaçõesgeométricas,comoequaçõesdefaceecoordenadasdevértice,ummodelodeB-Reptambémdeverepresentarcomoasentidadesfaces,arestasevérticesestãorelacionadasumasàsoutros.Assimsendo,existemdoistiposdeinformaçõesemumB-rep:otopológicoegeométrico.Asinformaçõestopológicasfornecemasrelaçõesentrevértices,arestasefaces,semelhantesàsusadosemummodelodewireframe.Alémdaconectividade,ainformaçãotopológicatambémincluiorientaçãodasarestasefaces.Asinformaçõesgeométricasgeralmentesãoequaçõesdasarestasefaces.

Aorientaçãodecadafaceéimportante,poiselassãocercadasporumconjuntodevértices.Usandoaregradamãodireita,aordenaçãodessesvérticesdescreveumafaceparticularquedevegarantirqueovetornormaldessafaceaponteparaoexteriordosólido.Normalmente,aordeménosentidoanti-horário.Portanto,aoinspecionarvetoresnormais,pode-sedizerimediatamentequaléointeriorequaléoexteriordeumsólidodeacordocomarepresentaçãoB-rep.Essaorientaçãodeveserfeitaparatodasasfaces.AFigura12.2.5mostratrêsfaceseseusvetoresnormaisapontandoparaoladoexternodoobjeto.Paradescreverasuperfíciesuperior,osvérticesdevemser6,7,2,1ou7,2,1,6ou2,1,6,7ou1,6,7,2.Paradescreverafaceesquerda,aordemdeveser1,2,3,4ou2,3,4,1ou3,4,1,2ou4,1,2,3.

Figura12.2.5:Facesevetoresnormaisemvermelho.

Nemtodasassuperfíciespodemserorientadasdestaforma.Quandoasuperfíciedeumsólidopodeserorientadadessamaneira,échamadodeorientável,casocontrário,énão-orientável.AFigura12.2.5mostraaconhecidafitadeMobius,queéunilateralenãoorientável.

Figura12.2.6:FitaoufaixadeMobius.Fonte:https://en.wikipedia.org/wiki/Mobius_strip

12.2.1.3RepresentaçãoporEnumeraçãodeOcupaçãoEspacial(QuadtreeseOctrees)

DeacordocomFoleyecolegas(Foleyetal.,1995),asoctrees(3D)sãoumavariantehierárquicadeenumeraçãodeocupaçãoespacialusadasparadiminuirnecessidadedearmazenamentoparaarepresentaçãodeobjetos.Asoctreessãoderivadasdasquadtrees,quesãoenumeraçõesemespaçosbidimensionais.

TambémsãoconhecidoscomoModelosdeSubdivisão(ouDecomposição)doespaço.Estaclassedeformasdearmazenagemdecompõemosólidoempartesmenores.

Umquadtreeéumaestruturadedadosdeumaárvorenaqualcadanóinternopossuiexatamentequatrofilhos.Quadtreessãoanálogosbidimensionaisdeoctreesesãousadoscommaiorfrequênciaparaparticionarumespaçobidimensionalsubdividindo-orecursivamenteemquatroquadrantesouregiões.Comoestamostratandocommundosvirtuaistridimensionaisfocaremosnasestruturasoctrees.

Umaoctreeéumaestruturadedadosdotipoárvorenaqualcadanóinternopossuiexatamenteoitofilhos.Asoctreessãomaisutilizadasparaparticionarumespaçotridimensional,subdividindo-orecursivamenteemoitooctantes.Asoctreessãofrequentementeusadasemgráficos3Deemenginesdejogos3D.AFigura12.2.6ilustraumobjetoimplementadoatravésdeumestruturaoctree.

Figura12.2.6VisualizaçãodaOctreedeumobjeto.Fonte:https://homes.cs.washington.edu/~edzhang/graphics/a3.html

Umadasabordagensapresentadanestemodeloédividiroespaçoemregiõesedefiniroobjetoatravésdasregiõesqueeleocupanesseespaço.Estatécnicaébastanteútilquandosedesejacalcularpropriedadesdemassa,poisbastasaber,porexemplo,ovolumedeumadaspartesemqueoespaçofoidivididoemultiplicarestevalorpelonúmerodedivisõesocupadaspeloobjeto.

Oalgoritmobásicofuncionadeacordocomosseguintespassos:

Oespaçoésubdivididoemcubosformandoumgrid3D;Acadaumdestescubosdá-seonomedevoxel.Umvoxeléumaposiçãoemumgridregularnoespaço3D;Codifica-seumsólidodeterminandoquaisosvoxelspertencemaele.

Asprincipaisvantagensnousodaestruturaoctreesão:

Éfácildeterminarseumdadopontopertenceounãoaosólidobastaverificarseopontopertenceaalgumdosvoxels;Éfácildeterminarsedoisobjetosseinterferem(setocam);eFacilitaarealizaçãodeoperaçõesdeunião,intersecçãoediferençaentresólidos.

Agrandedesvantageméquerepresentaçõesmuitodetalhadasnecessitamdemuitamemória.Outroproblemaéodesempenho,vistoqueométodoempregaumafunçãorecursivaemseualgoritmo.Assim,quandooobjetopossuimuitosdetalhesessachamadarecursivadafunçãopodecomprometerseudesempenho.

12.2.2MODELAGEMGEOMÉTRICA

AmodelagemgeométricaemComputaçãoGráficaconsistenoprocessodedescreverummodelo,objetoouumacena,utilizandoentidadesgeométricastaiscomolinhas,curvas,polígonosousuperfícies.Omodelodeveincluirapenasasinformaçõesessenciaiscomoomodelogeométrico,eadescriçãodassuaspropriedades,comoporexemplo,propriedadesdereflexãoetextura,oupropriedadeselásticas.Aspróximasseçõesdescrevemasprincipaistécnicasdemodelagemgeométricacomputacional.

12.2.2.1GeometriaSólidaConstrutiva(CSG-ConstructiveSolidGeometry)

MétododeCSGconsisteemconstruirumobjetoapartirdacombinaçãooperatória(união,intersecçãoediferença)dedoisoumaissólidos.Asprimitivassimplessãocombinadaspormeiodeumconjuntodeoperadoresbooleanos.Osobjetospodemserarmazenadosemumaestruturadotipoárvorebinária.AFigura12.2.7apresentaamodelagemdeumapeçautilizandoageometriasólidaconstrutiva.

Figura12.2.7:ObjetocriadoatravésdamodelagemCSG.Fonte:https://en.wikipedia.org/wiki/Constructive_solid_geometry

Estatécnicaéempregadaemdiversastecnologias,comoferramentasCADeemenginesdejogos.

12.2.2.2ModelagemporVarredura(Sweep)

Arepresentaçãoporvarreduracriaobjetosbaseadananoçãodequeumacurvaquandodeslocadanoespaçoaolongodeumatrajetóriadadaporumaoutracurvadescreveumasuperfíciequepodeserusadaparadefinirumsólido.Àcurvaqueédeslocadadá-seonomedeGERATRIZ(Forma)eacurvaquedefineatrajetória,denomina-seDIRETRIZ(caminho).

VarreduraTranslacional(Extrusão)

Umobjetogeratriz,quecorrespondeàseçãotransversaldosólidoe,portanto,deve

serfechado,étransladolinearmente,ouseja,oobjetoéobtidopelatranslaçãodeumacurvaaolongodeumvetor,porumadeterminadadistância.Ossólidosobtidosporvarreduratranslacionalsãochamadasdesólidosextrudados.AFigura12.2.8ilustraestaabordagem.

Figura12.2.8.ExtrusãodaGeratrizdeacordocomdeterminadacurvageradoraobtendoumsólidoextrudado.Fonte:http://www.inf.pucrs.br/~pinho/CG/Aulas/Modelagem/Modelagem3D.htm

VarreduraRotacional

Nestetipodemodelagemporvarreduraasuperfíciedoobjetoédescritaporumacurvaquegiraemtornodeumeixo.Umobjetogeratrizcorrespondeàseçãotransversaldosólidoe,portanto,comonavarreduratranslacional,deveserfechado,égiradoemtornodeumeixocriandooobjeto.Essetipodevarreduraédenominadarevolução.AFigura12.2.9ilustraavarredurarotacionalemtornodoeixoy,obtendoosólido.

Figura12.2.9.RotaçãodaGeratrizemtornodoeixoyobtendoumsólido.Fonte:http://www.inf.pucrs.br/~pinho/CG/Aulas/Modelagem/Modelagem3D.htm

12.3Renderização

OsdoisprincipaisdesafiosemaplicaçõesdeRAsãooregistrodosobjetosvirtuaisnacena3Deaintegraçãovisualdosobjetosvirtuaisdentrodacenareal.Nessesentido,essaseçãodescreveasprincipaistécnicasderenderizaçãodisponíveisnaáreadeComputaçãoGráfica.LeitorescommaiorinteressesugerimosaleituradeKronander(2015),queapresentaumsurveyrelativamenteatualdasprincipaistécnicasderenderizaçãoaplicadasaocontextoderealidademista.

12.3.1ModelodeIluminação

Podemosdefinirrenderizaçãocomooprocessodeproduzircomputacionalmenteumaimagemdigitaldeumacenavirtual,compostadeumoumaisobjetos.Deformabemsimplesesseprocessoenvolvemodelaraintensidadeluminosacaptadaporcadapixeldaimagemdigitalprovenientedacena.Portanto,envolvenãosóamodelagemdascaracterísticasgeométricasevisuaisdecadaobjetodacena,comotambémosparâmetrosrelativosaodispositivodecapturadaluzeasfontesdeluzdacena.

ExistemváriasformasdemodelaroprocessodeformaçãodeimagensemComputaçãoGráfica,quesãotradicionalmenteagrupadosemduasgrandescategorias:fotorealistaenão-fotorealista.Noprimeirogrupo,osprocessosde

renderizaçãotemcomofocoareprodução,omaisfielpossível,dasinteraçõesdaluzcomosobjetos,enquantoquenosegundogrupooobjetivoéformarumaimagemapartirdeestilosderepresentaçãoartísticos,relacionadosadesenho,pinturaoutécnicasdeilustração.NocontextodeaplicaçõesdeRVeRA,éclaroquearenderizaçãofotorealistatemummaiorapelo.Masaindaassimháespaçoparaaexploraçãodetécnicasnão-fotorealistasnocontextodeRA,emáreascomoJogosEletrônicoseInteraçãoHumano-Computador(Fischer,2005).Nestecapítuloestaremosinteressadosnastécnicasfotorealistas.

Umdosprimeirostrabalhosnocaminhodaformalizaçãodoprocessoderenderizaçãofoi(Kajiya,1986),quedefineaEquaçãodeRenderização.Essaequaçãodescreveaquantidadedeenergialuminosapercebidaemumpixelcomo:

Essaequaçãodescrevequalaintensidadeluminosa(radiância)Loemumpontoxdacena,percebidaporumobservadorlocalizadonadireçãow.Loéoresultadodasomadaintensidadeluminosaemitidapeloobjeto(Le)naposiçãoxedaintensidaderefletidanessemesmoponto,calculadaapartirdasintensidadesquechegamnopontox(Li)aolongodasdireçõesw'localizadasnaregiãoΩ(hemisférioaoredordex).AsintensidadesLiprovémdequalquerelementodacenacapazdegerariluminação,sejaporemissãodireta(fontesdeluz)ouporreflexãoindireta.Acomponentedereflexãoéponderadapelotermofr,relativoafunçãodedistribuiçãobidirecionaldereflectância(bidirectionalreflectancedistributionfunction-BRDF),quedescreveocomportamentoreflexivodomaterialdoobjeto,emfunçãodasdireçõesdeincidência(w')edereflexão(w).Outrofatordeponderaçãoéarelaçãodadireçãodeincidência(w')emrelaçãoaorientaçãodasuperfíciedoobjeto,representadapelanormaln,dadopeloprodutoescalardessesvetores(normalizados).

Asoluçãodessaequaçãopodeserfeitapordiversosalgoritmos,entreelesRayTracing(Whitted,1979),Radiosidade(Goral,1984)ePhotonMapping(Jensen,1995),porexemplo.Noentanto,seucálculoparaaplicaçõesemtemporeal,comoRA,aindanãoécomputacionalmenteviável.Umadassoluçõesaproximadasmaisconhecidasfoipropostapor(Phong,1975)econsideraapenas

umsubconjuntobastanterestritodedireçõesincidentesw',aquelasprovenientesdasfontesdeluz,desconsiderandoqualquerreflexãovindadeoutrosobjetos,resultantedeiluminaçãoindireta.OutrasimplificaçãodomodelodePhongéconsideraraBRDFformadaporduascomponentesdereflexão:especularedifusa.AcomposiçãodessasduascomponentesdefineaBRDFdomodelo.Suaformulaçãoédadapor:

OndeIprepresentaaintensidaderefletidaemumpontodoobjeto;im,deim,ssão,respectivamente,asintensidadesluminosasproduzidaspelafontedeluzmemsuascomponentesdifusaeespecular;kdekssãoparâmetrosquecontrolamocomportamentodomaterial,maisespelhadooumaisdifuso(seusvaloressãodefinidosnointervalo[0.0,1.0]).OsvetoresLm,Rmsão,respectivamente,asdireçõesdoraiodeluzincidenteerefletido,vindodafontem,atingindooobjetoemumpontoquetemorientaçãodadapelovetornormalN.Comopodemosnotar,acomponentedifusadependeapenasdadireçãodoraiodeluzincidentenopontoedaorientaçãodasuperfície,enquantoqueacomponenteespeculardependedadireçãodoraiodeluzrefletidoedaposiçãodoobservador(V).Oexpoentenpermitecontrolaroespalhamentodobrilhoespeculardafontedeluznasuperfíciedoobjeto.Porfim,acomponenteIarepresentaumaaproximaçãodasintensidadesprovenientesdasoutrasdireçõesincidentesw'nãocontempladasnaregiãoΩ.Phongchamaessacomponentedeluzambiente,comafunçãodeaproximarareflexãoindireta.Novamente,umaconstante,ka,regulacomoomaterialdoobjetorespondeaessacomponente.

OmodelodeiluminaçãodePhongpossuidiversasvarianteseatéhojeéumdosmodelosmaisutilizadosemComputaçãoGráficapelasuasimplicidadeebaixocustocomputacional.Essaúltimacaracterísticaofez,durantemuitotempo,seroalgoritmoderenderizaçãotípiconocontextodeRA.Noentanto,seugrauderealismoébastantebaixo,oquenosdáumaassinaturamuitocomumarenderizaçãodemodelosvirtuaisemaplicaçõesdeRAcomessemodeloderenderização.ComopodemosvernaFigura12.3.1,oobjetovirtualdestaca-sedoambientepoissuailuminaçãonãoécompatívelcomailuminaçãodoambienterealnoqualestáimerso.Aseguirserãodiscutidastécnicasquetentamtornara

renderizaçãodosmodelosvirtuaismaisintegradaaoseuambiente.

Figura12.3.1-RenderizaçãodeumobjetosintéticoutilizandoomodelodePhongdeiluminação.RenderizaçãofeitacomobibliotecaARToolkit.Fonte:http://alternativeto.net/software/artoolkit/

AntesporémvaleapenacomentarumproblemacomumnoprocessoderenderizaçãodemodelosvirtuaisemaplicaçõesdeRA:aoclusão.Arenderizaçãodaimagemsintéticanoambienterealgeralmenteéfeitapelacomposiçãodospixelsdaimagemsintéticasobrescrevendoospixelsdaimagemdacenareal.Noentanto,oobjetovirtualpodeocuparumaposiçãonacenatalqueelesejaparcialoutotalmenteocultoporoutrosobjetosdacenareal.Nessecasoaimagemdoobjetovirtualdeveserrecortadademodoqueapenasassuaspartesvisíveissejamvisualizadas.Paraqueessetipodesituaçãosejatratadaénecessárioalgumaestimativadeprofundidadedosobjetosdacenareal.Talestimativatradicionalmentepodeserobtidautilizandotécnicasdevisãoestéreooushapefromshading.Comapopularizaçãodedispositivosdecapturabaseadosemluzestruturada,comoossensoresRGBD[Or-El2015],épossívelcapturarnãosóofluxodeimagensRGBmas,tambémosmapasdeprofundidade,queindicamparacadapixeladistânciadesteaoobjetomaispróximodacenareal.Dessaforma,aoinserirumobjetovirtualnacenarealaoclusãopodeserfacilmenteresolvidaaplicando-seumalgoritmosimilaraoz-Bufferduranteoprocessodecomposiçãodaimagemfinal(Macedo,2013).

12.3.2IntegraçãoVisual

Avisãohumanasevaledeumasériede"dicas"visuaisquepermitemqueocérebroidentifiqueobjetoseoscorrelacionetridimensionalmente.Umaforte

"dica"relacionadaaoposicionamentorelativodeumobjetoéasuasombra(Sugano,2003).ComopodemosvernaFigura12.3.2oregistrodasombradeumobjetovirtualnacenarealpermitequesualocalizaçãofiquemaisclaraeprecisa.

Figura12.3.2-RenderizaçãodeumobjetosintéticoutilizandoomodelodePhongdeiluminação(Haller,2003)

AprimeiraemaisconhecidaformadecálculodesombraemComputaçãoGráficafoipropostapor(Williams,1978),denominadadeShadowMap.AbasedessealgoritmopodeservistanaFigura12.3.3.

Figura12.3.3-Apartirdomapadesombra,geradopelarenderizaçãodacenaapartirdopontodevistadafontedeluz,épossível,apartirdareprojeçãodeumpontopvisívelpeloobservador,saberseesseponto

estáemsombraouéiluminadopelafontedeluz.Fonte:(Fernando,2003)

Omapadesombrasnadamaiséqueoregistrodomapadeprofundidadedosobjetosdacena,geradoapartirdopontodevistadafontedeluz.Paradeterminarseumdadopontopdeumobjetodacena,visíveldopontodevistadoobservador,reprojeta-seopontopnosistemadereferênciadafontedeluzecompara-seadistânciazbdessepontocomadistânciazaregistradanoshadowmap.ComopodemosvernaFigura12.3.3,casozb>zaexistealgumobjetodacenamaispróximoafontedeluzqueopontopemquestão,quebloqueiaafontedeluz,fazendocomquepestejanaregiãodesombra.Casocontrário,ouseja,zb=za,nãoexistenenhumoclusorentreafontedeluzeopontop,que,portanto,éiluminadopelafontedeluz.

Essatécnicapossuiváriasvantagensentreelassuasimplicidadeerapidez,oqueatornabastanteinteressanteparausoemaplicaçõesdeRA.Noentanto,possuitambémdiversaslimitações,entreelasotratamentoapenasdefontesdeluzpontuais,serrilhamentodassombrasproduzidas,nãosercapazdeproduzirdiretamentesombrassuavizadas,apenassombras"duras"(hardshadows).

Diversasoutrastécnicasparaproduçãodesombrasemtemporealforampropostas.Umadescriçãodetalhadadessastécnicasfogeaoescopodestetrabalho,masoleitorinteressadopodeconsultar(Eisemann,2011;2013)parainformaçõescomplementares.OsalgoritmosparaproduçãodesombrasemComputaçãoGráficapresumemoconhecimentopréviodalocalizaçãodasfontesdeluzdeumacena.Noentanto,essenãoéocasoparaasimulaçãoadequadadasombraemumaaplicaçãodeRA.Nessecasonãotemosoregistrodoposicionamentodasfontes.Damesmaforma,omodelodePhongpresumeoconhecimentopréviodasintensidadesdasfontesluminosasparaocálculocorretodailuminaçãodosobjetos,informaçãopresentedeformaindiretanaimagemdacenareal.Portanto,paraqueocálculodailuminaçãopossaserfeitodeformarealista,métodoscapazesderegistrarascondiçõesdeiluminaçãodacenarealprecisamserempregados.

OusodeinformaçãodoambienteparareproduzirefeitosvisuaisemComputaçãoGráficaébemconhecido.Aprimeirapropostanestesentidofoifeitapor(Blinn,1976),noqueficouconhecidocomomapeamentodeambiente.Nessatécnica,umaimagemdacenavirtual,geradapor6ângulosdevisão,éarmazenadacomoumatexturaeprojetadanasuperfíciedoobjeto,permitindo

representarummaterialperfeitamenteespecular.Damesmaformaépossívelcriarmapeamentosdeambienteapartirdefotosdeumacenarealeprojetaressaimagemsimulandoumobjetovirtualrefletindooambientenoqualestáimerso.Adificuldadedessetipodetécnicaestánoprocessodecapturadasimagens,comoumafasedepréprocessamento,oquetornaaideiapoucointeressanteparaaplicaçõesdeRA.

Aprimeirapropostapararecuperaçãodailuminaçãodeumacenarealapartirdeumaimagemfoifeitapor(Debevec,2002).Nestetrabalhooautorpropõeousodeumasonda(probe)paracoletarasinformaçõesdailuminaçãodoambienteeutilizá-lanarenderizaçãodosobjetossintéticos.Esseprocesso,denominadoImage-BasedLighting,envolve3componentesprincipais:acenadefundo,acenalocaleosobjetossintéticos.Acenadefundorepresentaapartedacenarealquenãoéafetadapelaobjetosvirtuaisqueserãointroduzidos.Acenalocaléapartedacenarealquesofreinfluênciadosobjetosvirtuais,sejapelasombra,reflexoououtrasinteraçõespromovidaspelosobjetossintéticos.

NaFigura12.3.4podemosvisualizaresses3componenteseoprocessodeintegraçãoenvolvido.AcenarealémostradanaFigura12.3.4(a).PodemosobservarnaFigura12.3.4(b)ummarcadoreasonda,respectivamente,umpadrãogeométricoplanoeumaesferacromadaincorporadosnacenareal.Omarcadorplanoseráabaseparaoalinhamentodosobjetossintéticosenquantoqueasondairácapturarasinformaçõesderadiânciaeiluminaçãoglobaldacena.Combasenessasinformaçõesosobjetosvirtuaispodemseralinhadoserenderizadosnaimagemdacenareal,comomostraaFigura12.3.4(c).

Percebe-sequeasimplessobreposiçãodosobjetosvirtuaissobreaimagemdacenarealnãoproduzumrealismoadequado,jáquearegiãodomarcadorpossuiumatexturanãoincorporadaabasesintéticagerada.Essaregiãorepresentaacenalocaledevesertratadadeformadiferenciadanoprocessodecomposição.AFigura12.3.4(d)apresentaacenalocalsemosobjetosvirtuais.AmáscaraquedescrevealocalizaçãodosobjetosvirtuaisnacenaémostradanaFigura12.3.4(e)Adiferençaentreacenalocaleamáscaradosobjetosvirtuais,mostradanaFigura12.3.4(f)indicaaregiãoemqueacenalocalsofreinfluênciadosobjetosvirtuais,eque,portanto,devesercompostaacenarealincorporandoseusreflexosesombras.Integradosesse3elementosaimagemfinaldarenderizaçãodacenarealéobtidacomomostraaFigura12.3.4(g).

Figura12.3.4-ProcessodeImage-BasedLighting(IBL)propostopor(Debevec,2002).(a)cenareal,(b)cenarealcomomarcadoreasonda,(c)cenarealcomosobjetosvirtuaissuperimpostos,(d)apenasacenalocalsintéticarenderizada,(e)máscararepresentandoalocalizaçãodosobjetossintéticosnaimagem,(f)diferençaentreasimagens(d)e(e),(g)composiçãocombinandoacenalocaleglobalcomasobreposição

dosobjetossintéticos.Fonte:(Debevec,2002).

Asimagensextraídasdasondasãochamadasdemapasderadiânciaomnidirecional,egeralmentesãorepresentadascomoimagensHDR(HighDynamicRange)(Darmont,2013)jáqueprecisamregistraracenarealcompleta,quepodepossuirdiversostiposdefontesdeiluminação,comonatural,elétricaeindireta,comníveisdeintensidadebastantediferentes.UmaformasimplesparagerarasimagensHDRéoregistrodeváriasimagenscomexposiçõesdiferentes,capturandoemcadaexposiçãoregiõescomintensidadeluminosadiferenteedepoiscompondoasintensidadesobtidasemumarepresentaçãodecomlargaescaladeintensidades.

Aideiadecaptarailuminaçãodacenaapartirdeumasondapodeserutilizadatambémparaseterumaestimativadoposicionamentodasfontesdeluz.Issoéoquepropõeotrabalhode(Lee,2011).Apartirdemúltiplasimagensdeumasondaesféricacromadaosreflexosdasfontesdeluzestáticassãoidentificadosesualocalizaçãoéestimada.OprocessopodeservistonaFigura12.3.5.Aidentificaçãodasfontesdeluznaimageméfeitaportécnicassimplesdeprocessamentodeimagem:éfeitaumabinarizaçãodaimagem,apartirdeumlimiarpré-definido,segmentandoasregiõesdealtaintensidaderelacionadasàsfontesdeluz.Umavezqueomodelodecâmeraéconhecido(pelaetapadecalibraçãofeitaanteriormente)épossívelestimarosraiosqueligamasfontesde

luzidentificadascomocentrodeprojeçãodacâmera.Aintensidadedasfonteséestimadapelaáreadospixelsdecadaregiãovinculadaafontedeluz.Comessaestimativadalocalizaçãodasfontesdeluzépossívelgerarsombrascommaiorrealismo.Trabalhosmaisrecentesnessalinhaconseguemestimaroposicionamentodasfontesdeluzemtemporealapartirdasimagenscapturadasdiretamentepelacâmera(Lui,2015).

Figura12.3.5-Estimativadoposicionamentodasfontesdeluzdeumacenaapartirdacapturademúltiplasimagensdeumasondaesférica.Fonte:(Lee,2011).

Originalmenteapropostade(Debevec,2002)nãoalcançavaodesempenhonecessárioparaaplicaçõesemtemporeal,comoocasodeRA.Noentanto,comoaumentodacapacidadecomputacionaleaotimizaçãodosprocessosenvolvidos,hojejátemosmétodosqueusamosconceitosbásicosdeImage-BasedLighting(IBL)emaplicaçõesdeRA.Paraosleitoresinteressadosemmaisdetalhessugerimosostrabalhosde(Pessoa,2008;Ren,2016),queapresentamumpanoramageraldaáreadeabordagensbaseadasemimagempararecuperaçãodailuminaçãoglobal.

12.4Visualização3D

Emumsistemacomputacionalavisualizaçãoéapenasbidimensional.Portantoénecessáriodesenvolverprocedimentosquepermitamrepresentarobjetos3Dem

umespaço2D,ouseja,nosistemadecoordenadasdevídeo.Asoluçãoparaesteproblemaencontra-senosmétodosdeprojeção.Avisualizaçãotridimensionaléobtidapeloserhumanoatravésdapercepçãodosistemanervosoepsicológico,assimdandoumasensação3D(GonzaleseWoods,1993).DeacordocomFoleyecolegas(Foleyetal.,1995),avisualizaçãodeumobjeto3Dédefinidapelaprojeçãoderaios(chamadoslinhasprojetoras)emanadosdocentrodeprojeção,passandoatravésdecadapontodoobjetoeinterceptandooplanodeprojeção,assimdeterminandoasprojeçõesdospontosdesteobjeto.Existemduascategoriasgráficasdeprojeção,cadaumacomsuasprópriascaracterísticas:Projeçãoparalelaeprojeçãoemperspectiva.

Asprojeçõesparalelasouortogonaissãoasmaissimpleseondesãomantidasaformaetamanhooriginaisdoobjeto.Emgeometria,umaprojeçãoortogonaléumarepresentaçãonumhiperplanodekdimensõesdeumobjetoquetemndimensões,considerandok<n.Umaprojeçãoéobtidaintersectandoretas(ouplanos),contendocadapontodoobjeto,perpendiculares(ortogonais)aohiperplanoderepresentação,comeste.AFigura12.4.1ilustraaprojeçãoparalela.

Figura12.4.1.Representaçãodaprojeçãoparalela.Fonte:http://www.glprogramming.com/red/about.html

Característicasdaprojeçãoparalela:

Ocentrodeprojeçãoélocalizadonoinfinito;Todasaslinhasdeprojeçãosãoparalelasentresi;Sãotradicionalmenteusadasemengenhariaedesenhostécnicos;ePreservamadimensãodoobjeto.

Aprojeçãoemperspectivaéaquelaqueacontecenoprocessodeformaçãodeimagensemnossosolhosounumacâmerafotográfica,porissoéaquegeraimagensmaisrealistas.Essaprojeçãoconsideraaprofundidadecomoelementodeseucálculoeapresentaumresultadomaisfamiliaraoobservadorhumano.AFigura12.4.2ilustraaprojeçãoemperspectivadeumlinha.

Figura12.4.2.Representaçãodaprojeçãoemperspectiva.Fonte:http://www.glprogramming.com/red/about.html

Característicasdaprojeçãoemperspectiva:

Todososraiosdeprojeçãopartemdocentrodeprojeçãoeinterceptamoplanodeprojeçãocomdiferentesângulos;Representaacenavistadeumpontodeobservaçãoaumadistânciafinita;Osraiosprojetoresnãopodemserparalelos;Baseia-senonúmerodepontosdefugadaimagemprojetada;Émaisrealistanarepresentaçãodeobjetos;eNãoproduzemasverdadeirasmedidasdoobjeto.

Ostiposdeprojeçõesvistasanteriormentesãoutilizadasnoprocessodevisualização3D.Esseprocessopossuiumtermoconhecidocomothree-dimensionalpipelinequeéumconjuntodetransformaçõesaplicadasdeacordocomosprincipaissistemasdecoordenadas.

Aseguirsãoapresentadasasetapasdothree-dimensionalpipeline.AsetapasdestepipelinesãoilustradasnaFigura12.4.3,eincluemoespaçoondeocorreamodelagem(espaçodoobjeto),visualizaçãonatela(espaçodatela)econversãodediferentestiposdecoordenadas(desdeoespaçodoobjetoatéoespaçoda

tela).

Figura12.4.3:Asetapasdodothree-dimensionalpipeline.

DoEspaçoObjeto(ObjectSpace)paraoEspaçodoUniverso(WorldSpace)

AprimeiraetapaéatransformaçãodoEspaçodoObjetoparaoEspaçodoUniversonopipelinegráfico,ondeosvérticesdoespaçodoobjetosãoajustadosparaoespaçodouniverso,queporsuavezcontémtodososobjetosquecompõemacena.Oespaçodoobjetoéumespaçotridimensionalonde,geralmente,cadaobjetotemseuprópriosistemadecoordenadas.

Figura12.4.4:TransformaçãodoespaçodoobjetoparaoespaçodoUniverso

Pararealizaratransformaçãodosvérticesparaoespaçodouniverso,éfeitaamultiplicaçãodestesvérticesporumamatrizdenominadamatrizde

transformação.Amatrizdetransformaçãoécompostaporumasequênciadetransformaçõesgeométricasquelevamomodelodoespaçodoobjetoparaoespaçodouniverso.AFigura12.4.4ilustraatransformaçãodoespaçodoobjetoparaoespaçodouniverso.Essastransformaçõessãooperaçõesquevisamaalteraçãodealgumascaracterísticas,como:posição,orientação,formae/outamanhodoobjetoaserdesenhado.Elaspodemserrepresentadasporequações,porém,amanipulaçãodeobjetosgráficosenvolvemuitasoperaçõesaritméticas,sendoassim,representá-lasnaformadematrizfacilitaoseuusoeentendimento.Asprincipaistransformaçõessão:

Escala:Nageometriaeuclidiana,escalauniformeéumatransformaçãolinearqueaumentaoudiminuiobjetosporumfatordeescalaqueéomesmoemtodasasdireções.Oredimensionamentodeumobjeto,ouseja,aumentaroudiminuirsuasdimensões,deformá-loouatémesmoespelhá-loéobjetivoprincipaldatransformaçãodeescala,queérepresentadaporumamatrizdeescala.Paraescalarumobjetoporumvetorv=(vx,vy,vz),cadapontop=(px,py,pz)devesermultiplicadopelamatrizdeescaladadapor:

Oresultadoobtidoserá:

Rotação:Arotaçãoconsisteemrotacionarosvérticesdeumobjetoapartirdeumângulodado.Seesseânguloforpositivo,arotaçãoocorrenosentidoanti-horário,porém,seoângulofornegativo,arotaçãoocorrenosentidohorário.Noespaço2Dxy,arotaçãoocorreemtornodoeixoz.Parafacilitaroprocessoéutilizadaumamatrizderotaçãoqueéumamatrizusadaparaexecutarumarotaçãonoespaçoeuclidiano.Porexemplo,usandoaconvençãoabaixo,amatriz

girapontosnoplanoxynosentidoanti-horáriodeumânguloθemtornodoeixoz.ParaexecutararotaçãousandoumamatrizderotaçãoR,aposiçãodecadapontodeveserrepresentadaporumvetordecolunav,contendoascoordenadasdoponto.OpontoresultanteéobtidousandoamultiplicaçãodematrizR.

Noespaçotridimensional,umpontodecoordenadas(x,y,z)podeserrotacionadoemtornodeumdos3eixos,atravésdamultiplicaçãoporumamatrizderotaçãoespecífica.Asmatrizesderotaçãodeumânguloθemtornodoseixosx,yez,respectivamente,sãodadasporRx(θ),Ry(θ)eRz(θ):

Translação:Transladarconsisteemmovimentarosvérticesdeumobjetoadicionandoquantidadesàssuascoordenadas,ouseja,cadapontopodesermovidoporunidadesaolongodecadaeixodosistemadecoordenadas.Nageometriaeuclidiana,umatranslaçãoéumatransformaçãogeométricaquemovecadapontodeumafigura,ouumespaço,pelamesmaquantidadeemumadeterminadadireção.Umatransformaçãoéumacorrespondênciaum-para-umentredoisconjuntosdepontosouummapeamentodeumplanoparaoutro.

Umatranslaçãopodeserdescritacomoummovimentorígido:osoutrosmovimentosrígidossãorotações,reflexõesereflexõesdeslizantes.Atranslaçãotambémpodeserinterpretadacomoaadiçãodeumvetorconstanteacadapontooucomomudançadaorigemdosistemadecoordenadas.Paratransladarum

objetoporumvetorv,cadavetorhomogêneop(escritoemcoordenadashomogêneas)devesermultiplicadoporestamatrizdetranslação:

Finalmente,considerandoquetodasastransformaçõesnecessáriasparatransformardoespaçodoobjetoparaoespaçodouniversoforamrealizadas,opróximopassoéatransformaçãoparaoEspaçodaCâmera.

DoEspaçodoUniverso(WorldSpace)paraoEspaçodaCâmera(CameraSpace)

Nestaetapaosvérticesdoespaçodouniversosãotransformadosparaoespaçodacâmera.Paraissoédefinidodeondeosobjetosserãovisualizados,ouseja,aposiçãodacâmeraeparaondeelaestáapontando,nosistemadecoordenadasdouniverso.Aposiçãodacâmeraédefinidacomoanovaorigemdosistema,entãoénecessáriorealizaroprocessodeortogonalizaçãoquedefineumabaseortonormalapartirdaposiçãodacâmera,paraondeelaapontaeseuvetor"up".Porfiméaplicadaamudançadebasequelevaosvérticesqueestãonosistemadecoordenadasdouniversoparaosistemadecoordenadasdacâmera.

Figura12.4.5IlustraçãodaTransformaçãodoEspaçodoUniversoparaEspaçodaCâmera

DoEspaçodaCâmera(CameraSpace)paraoEspaçodeRecorteouProjetivo(ClippingSpace)

Nestaetapa,asposiçõesdosvérticessãotransformadosdoespaçodacâmeraparaoespaçoderecorte(ouprojetivo).Nesseprocessoosvérticesqueformamacenasãoprojetadoscontraoplanodeprojeção(viewplane).Oresultadodesseprocessodependedotipodeprojeçãoaserfeita,quepodeserortogonaloudeperspectiva,discutidasnoiníciodestaseção.Nestemomento,osvérticesdeverãosermultiplicadosporumamatrizespecialchamadaProjeção,fazendocomqueosvérticesdoespaçodacâmerasejamlevadosparaoespaçoderecorte.

DoEspaçodeRecorteouProjetivo(ClippingSpace)paraoEspaçoCanônico(CanonicalSpace)

Naquartaetapadopipelinegráfico,ospontosdoespaçoderecortesãotransformadosparaoespaçocanônico.Basicamente,divide-seascoordenadasdosvérticesnoespaçoderecortepelassuascoordenadashomogêneas.Estatransformaçãotornaráosobjetosmaisafastadosdacâmeramenoreseosobjetos

maispertoficarãomaiores.

DoEspaçoCanônico(CanonicalSpace)paraoEspaçodeTela(Screen)

Porfim,érealizadaatransformaçãodosvérticesdoespaçocanônicoparaoespaçodatela.Estatransformaçãoéobtidaatravésdamultiplicaçãodosvérticesporumamatrizquecontémduasescalaseumatranslação.AFigura12.4.6ilustraasdiferençasentreosvérticesnoespaçocanônicoenoespaçodetelatornandomaisfácilacompreensãodospassosnecessáriosparalevarosvérticesdeumespaçoparaooutro.

Figura12.4.6IlustraçãodadiferençaentreosvérticesdoEspaçoCanônicoparaEspaçodeTela

Aúltimaetapaconsistejustamenteemrasterizarosvérticesqueforampassadosaolongodetodopipelinegráfico.

12.5Culling

Duranteoprocessoderendering,umagrandequantidadedetriângulosegeometriasãoenviadosaopipeline,sendoquehaveráumagrandequantidadedosmesmosquenãoserãovisíveisnaimagemfinal.Istopodeocorrerpordoismotivos:oselementosresidemforadaáreadoview-frustrumouoselementosestãosendoobstruídosporoutros,queestãoàsuafrente.

Osmétodosdeculling(Culleminglêssignifica"refugo,escolher,selecionarde

dentrodeumgrupo")tentarãootimizarorendering,minimizandoonúmerodeelementosaseremenviadosaopipeline.Oqueastécnicasdecullingtentarãofazerésaberescolherpolígonosadequadamente,deformaquenumadeterminadasituação,sejamenviadosaopipelineapenasaquelesquerealmenteimportamparaavisualizaçãoapartirdopontoemqueacâmeraseencontra.Pode-sepensartambémdaseguinteforma:quaisdospolígonosdeumacenadeverãoserenviadosparaopipelinedaplacagráfica?Obviamentenãosedesejaenviaralgumquenãoteránenhumainfluêncianavisualização,masatéquepontoésimplesrealizarestaescolha,deformarápida.Existemmuitosalgoritmosquefarãoestetipodeescolha.Emmuitoscasosaeficiênciadesteprocedimentoestaráatreladaaotipodeagrupamentoeordemdepolígonos(umterrenopossuiumadistribuiçãodepolígonoscompletamentediferentedequeumpersonagemoudoqueumlabirinto).Ocullingpodeserfeitoemqualquerestágiodopipelinegráfico.Entretanto,pode-sepensarquequantoantesseconseguireliminarpolígonosdesnecessários,melhor.Valeapenaressaltarqueummétododecullingnãoanulaoutro:podem-seterosefeitossomados,emmuitoscasos.

OsalgoritmosdeCullingpodemseragrupadosemduascategorias:FrustrumCullingeOclusionCulling.OsalgoritmosdeFrustrumCullingtemcomoobjetivodetectarelementosqueestãoforadoconedevisãodacamera(frustrum)eosalgoritmosdeOclusionCullingtentarãoeliminarelementosqueestãoocultosporoutros.Aseguirserãodetalhadosalgunsdestesalgoritmos.

12.5.1BackfaceCulling

Oprimeiroconjuntodepolígonostriviaisaseremdescartadossãoaquelesqueseencontramocultospelopróprioobjeto,ouseja,atrásdaprópriageometria(backface).Numprimeiromomento,emobjetos“bemcomportados”,pode-seassumirqueasfacesvisíveisdeumobjetosãoapenasaquelascujasnormaisapontamparao“lado”doobservador.Realizarestecullingnoestágiodegeometriairápouparorasterizadordereceberestaclassedepolígonosindesejados.

Oalgoritmoésimples:aorealizaraprojeçãodospolígonoscomamatrizdeprojeçãodecâmera,anormaldospolígonospossuiráapenasduasdireçõespossíveis:apontadoparadentrodatelaouapontadoparafora.Emúltimainstância,realizarocullingnestecasocorresponderáapenasaumtestedesinaldeumdoscomponentesdovetornormaldopolígonoprojetado.

Outroalgoritmomaisinteressantepermiteaeliminaçãodestespolígonosaindanoestágiodeaplicação:cria-seumvetordadopeladireçãodeumpontoqualquerpertencenteaopolígono(porexemplo,umdosvértices)àposiçãodoobservador.Seoânguloformadoentreestevetoreanormaldopolígonoformaiordoque90o,entãoestepolígonosimplesmenteéignoradoenãoémaisenviadoparaoestágiodegeometria.

Entretanto,nemsempreseráconvenientedescartarasbackfaces.Seumcenáriopossuiespelhosousuperfíciesreflexivas,porexemplo,polígonosocultospodemservistos.Damesmaforma,casoumobjetopossuatransparência,possibilitaráavisibilidadedepolígonosqueestariamocultosporeledeseremvistos.Parasolucionaristo,pode-secriarumaflagquecontrolaseumafaceévisível“pelascostas”ounão.

12.5.2CullingBaseadonumaEstruturaHierárquicadeObjetos

Entende-seporboundingvolumecomoumvolumecapazdeenvolverumobjetoporcompleto.Ostiposmaiscomunssãoboundingsphere(menoresferaqueenvolveumobjeto)eoboundingbox(menorcaixaqueenvolveumobjeto),queporsuavezpodeserdedoistipos:facesparalelasouperpendicularesaosistemadecoordenadasglobais(axis-alignedboundingboxes,ouAABB)oufacesnãoalinhadasaosistemadecoordenadasglobais(orientedboundingboxes,ouOBB).

Esteselementos,alémdeserviremparaosalgoritmosdeculling,serãoimportantesemoutrasoperações,taiscomotestesdecolisão.Criarumaestruturahierárquicadeboundingvolumesparaumacenacorrespondeaagruparumconjuntodeboundingvolumesporoutrosboundingvolumes,fazendocomquecadanófilhosejaumvolumequeseencontranointeriordovolumedoseupai.Assimsendoumaárvorehierárquicaseráumaestruturaemqueosnóscorrespondemaboundingvolumeseasfolhasaobjetosgeométricos.Pode-sechamardegrafodecenaaumaestruturahierárquicadestetipo.

Aprimeiraemaisintuitivadasidéiasqueosboundingvolumestrazempararealizarocullingconsisteem,aoinvésdetestarseumdeterminadoobjetoestádentrodocampodevisãodeumacâmera,realiza-seapenasotesteparaovolumequeoenvolve.Istopodesignificarumasimplificaçãoenorme,poispormenorquesejaomodelogeométrico,dificilmentepossuirámenospolígonosdoqueoseuboundingvolume.Oalgoritmodecullingnestecasopodeserreduzido

aumtestedecolisão.Nocasodovolumeestartotalmentedentrodocampodevisãodacâmera(viewfrustrum),entãotodaageometriaqueseencontradentrodovolumeépassadaparaopipeline.Nestecaso,pode-seinclusivedesativarorecortedepolígonos,umavezquetodososelementosseencontramtotalmentedentrodocampodevisãodacâmera.Casoapenasumapartedovolumepossuainterseçãocomocampodevisãodacâmera,realiza-seumnovocálculodeinterseçãocomcadaumdosvolumesquesãofilhosimediatosdovolumeemquestão.Casoosnósfilhossejamaprópriageometriadeumobjeto,entãotodososseuspolígonossãorepassadosaorasterizador.Nestecaso,entretanto,deve-sedeixarativoorecorte,poishaverápolígonosquepossueminterseçãocomasbordasdoviewfrustrumdacâmeraeprecisarãoserrecortados.

12.5.3BinarySpacePartition(BSP)

OsalgoritmosdeoctreeeBSPsãométodosmaisestruturadosparacullinghierárquicoeutilizamoconceitodeboundingvolumes.Estastécnicas,noentanto,possuemcomoinconvenienteumpré-processamentoprévio(construçãodaestruturahierárquica)quepodevirasercustosoedemorado,dependendodacomplexidadedacena.Istotornaestesmétodossoluçõespoucoflexíveisparaobjetosdinâmicos,quesofremtransformaçõesespaciaisnumacena,masporoutroladotrazemumaotimizaçãoenormeparaobjetosestáticos.Destamaneira,écomumemaplicaçõesquelançammãodeBSPsdividiracenaemduascategorias:aparteestática—daqualserácriadaumaestruturadeBSPatravésdeumpré-processamentoprévio—eapartedinâmica,quenãoiráusufruirdaaceleraçãodestemétodoequeportantonãoestarápresentenaestruturahierárquica.

AidéiabásicadasBSPconsiste,comoonomediz,emrepartirrecursivamenteoespaçoemduaspartes.Existemduasvariaçõesdestealgoritmo:axisalignedepolygonaligned.Serádiscutidoapenasométodoconhecidocomopolygonaligned,jáqueémaiscomumnaimplementaçãodejogos3D.

Oalgoritmoinicia-seescolhendoumpolígonoqueseráonóraizdetodaaestruturahierárquica.Oplanoondeseencontraopolígonodividiráoespaçoemduaspartesetodaageometriaquedefineumacenaestaráapenasnumdosdoissubespaçosresultantes.Aseguir,paracadaumdossubespaçoscriadosescolhe-seumnovopolígonoquelhepertençaeserealizaumanovasubdivisão,restritaapenasaosubespaçoemqueseencontraestepolígono.Istoseráfeitorecursivamente,atéquetodosospolígonosestejampresentesnaárvoreBSP.

Note-sequepoderãoexistirváriasBSPpossíveisparaumamesmacena,definidasdeacordocomocritériodeescolhadospolígonosqueservirãocomodivisoresdeespaço.Asmelhoresárvores—equeportantopermitirãomaioraceleração—deverãoseresparsas.Umaárvorequepossuircomoalturaomesmonúmerodeelementosdacenaseráopiorcasoquesepodeter.

Énecessáriocriarumaconvençãodoqueéfrenteeoqueéatrásdeumpolígonoparaqueaárvoresejaconstruídacomcoerência.Semprequeumpolígonoestiverpresenteemdoissubespaços,estedeveráser“quebrado”emduaspartes,comaquebraexatamentenalinhadeinterseçãodomesmocomoplanodivisor.Aseguir,descreve-sepassoapassoacriaçãodaárvoreBSPcorrespondenteàcenacompostaporcorredoresdaFigura12.5.1,ondeaslinhastracejadasindicamaextensãodoplanoquecontémcadaparede.Escolhe-searbitrariamenteopolígono1paraserraizdetodaaBSP.Ospolígonos2,3e4estãodoseuladoesquerdoeospolígonos5,6,7,8e9doseuladodireito.Paraosubespaçodaesquerdade1,escolhe-separaraizopolígono2,queterácomonósfilhos4,queestáàsuaesquerdae3queestáàsuadireita.Paraosubespaçodadireitade1escolhe-se5comoraiz.Notequeoplanoquecontém5interceptaumpolígono,queseráentãodivididoemdois:8e6.Assim,6estaráàdireitade5ecomonãohámaisnenhumpolígononosdoissubespaçosformadospelaextensãodoplanoquecontém6,esteéumnóterminaldaárvore.Paraoladoesquerdode5,escolhe-seopolígono7comoraiz.Esteterá8àsuadireitae9àsuaesquerda.

Figura12.5.1-Esquerda:Vistadetopodeumacena.Direita:UmaBSPdacena.

ParaavisualizaçãodocenáriorepresentadopelaBSPdeve-sepercorreraestruturadetrásparafrente,istoé,primeirodetermina-sedequalladooobservadorOseencontraemrelaçãoaoplanodonóraiz.Aseguir,oalgoritmo

irámandartodosospolígonosqueestãonosubespaçoopostodeOemrelaçãoaoplano,paraseremdesenhados.Logoemseguidaéplotadooprópriopolígonodonóraizeemseguidamanda-sedesenhartodosospolígonosqueestãonomesmosubespaçodoobservador.Plotartodosospolígonosdosubespaçoondeseencontraoobservadorouosubespaçooposto,correspondenaverdadeaumachamadarecursivadafunção,poissepodetratarosubespaçorepresentadopelapartedireitaouesquerdadaárvoreBSPcomoumanovaárvoreBSP.Estarecursãotemfimquandoasubárvoreéapenasumnóterminal.Opseudocódigoabaixomostracomopodeserimplementadoesteprocesso.

Desenha_BSP(O,nó_Árvore_BSP)senó_Árvore_BSPéfolha

Plota_Poligono(nó_Árvore_BSP)senão

TestadequeladoOestáemrelaçãoaoplanodenó_Árvore_BSPseOestiveràdireitadoplano

Desenha_BSP(O,nó_Arvore_BSP.esquerda)Plota_Poligono(nó_Árvore_BSP)Desenha_BSP(O,nó_Arvore_BSP.direita)

seOestiveràesquerdadoplanoDesenha_BSP(O,nó_Árvore_BSP.direita)Plota_Poligono(nó_Arvore_BSP)Desenha_BSP(O,nó_Arvore_BSP.esquerda)

Estealgoritmoobedeceàseguintepropriedade:todosospolígonosserãoplotadosnaordemdetrásparafrente,ouseja,nãoexisteapreocupaçãodequenumdeterminadomomentoumpolígonodevaserplotadoportrásdealgumoutroquejátenhasidoplotado.Estapropriedadepermitequesejautilizadooalgoritmodopintor:umpolígonopodeserinteiramentedesenhadoporcimadoanterior,sobrepondo-secompletamenteaeste,possibilitandoqueotestedeZ-buffersejatotalmentedispensável.

ParaumobservadornopontoOdaFigura12.5.1(otriângulorepresentao`viewfrustrum),oalgoritmosecomportariadaseguintemaneira:comoOestáàdireitadoplanodopolígono1,oalgoritmodesenhaantesosubespaçodaesquerda.Ao

fazerachamadarecursiva,vê-sequeOestáàesquerdadoplanode2,portantodesenha-seosubespaçodadireitade2,queéapenasopolígono3.Comoonóde3éumafolha,desenha-seestepolígono.Logoemseguidadesenha2edepoisosubespaçodaesquerdade2,queédadoapenaspor4.Antesdechamararecursãoparaoladodireitode1,desenha-seoprópriopolígono1.Aodesenharosubespaçodadireita,vê-sequeOestáàesquerdade5,portantomanda-sedesenharosubespaçodadireita,queéapenasopolígono6.Apósdesenharopolígono5,verifica-sequeOestáàesquerdade7,portantodesenha-seopolígono8,emseguidaopolígono7eporúltimoopolígono9.Assim,aordemdospolígonosdesenhadosserá:3,2,4,1,6,5,8,7,9.

Atéagora,entretanto,aBSPnãoimplicaemnenhumareduçãodepolígonosparaavisualização.ComoumaBSPpodeserutilizadapararealizaroculling?Aidéiaérelativamentesimples:oviewfrustrumdoobservadorpodeserrepresentadoporumconjuntodepolígonosquedefinemumvolume(levandoemconsideraçãoofarplanedacâmeraestevolumeédetamanhofinito).CasonãohajainterseçãodosplanosdoviewfrustrumcomopolígonodonóraizdaárvoreBSP,todoosubespaçoopostoaoobservadorpodeserdesprezado,jáqueestáforadoalcancedevisibilidade,sendoporcertoqueapenaspolígonosnomesmosubespaçosãovisíveis.Opseudocódigoapresentadoanteriormenteficariadaseguinteforma:

Desenha_BSP(O,nó_Árvore_BSP)senó_Árvore_BSPéfolha

Plota_Poligono(nó_Árvore_BSP)senão

TestadequeladoOestáemrelaçãoaoplanodenó_Árvore_BSPseOestiveratrásdoplano

Desenha_BSP(O,nó_Arvore_BSP.direita)seháinterseçãodoviewfrustrumcomnó_Árvore_BSPDesenha_BSP(O,nó_Arvore_BSP.esquerda)Plota_Poligono(nó_Árvore_BSP)

seOestivernafrentedoplanoDesenha_BSP(O,nó_Árvore_BSP.esquerda)seháinterseçãodoviewfrustrumcomnó_Árvore_BSPDesenha_BSP(O,nó_Arvore_BSP.direita)Plota_Poligono(nó_Arvore_BSP)

AFigura12.5.2ilustracomoéfeitoocullingparaoexemplodeBSPdasFigura12.5.1.Verifica-sequeoplanodopolígono1nãopossuinenhumainterseçãocomoviewfrustrumdeO.Nestecaso,todoosubespaçodasuaesquerdaédesprezadoporcompleto,incluindo-seoprópriopolígono1.Aocontinuarpercorrendoaárvorevê-seque9tambémestáforadoalcancedacâmeraeportantoédesprezadodageometria.Perceba-seporoutroladoqueaárvoreBSPnãoforneceasoluçãoótima.Noexemplo,opolígono5nãoseriadesprezado,emboraeleacabesendototalmenteobstruídopor7eportantosendodesnecessárioparaaposiçãoemqueOseencontra.

Figura12.5.2-ExemplodecullingcomárvoreBSP.

12.5.4-Portais

Cenáriosdeambientesfechadospossuemumacaracterísticaimportante:pormaisextensaquesejaaáreamodelada,emcadalocalondeoobservadorseencontraapenasumnúmerorelativamentepequenodepolígonospodemservistos.Istoocorreporqueasparedesfuncionamcomoelementosqueobstruemgrandepartedoselementospresentes.Estefatoébastantetentadorparaodesenvolvedortirarproveitoatravésdealgumatécnicadeculling.

Atécnicadosportaispermitejustamenteeliminarpolígonosqueestejamsendoobstruidosporgrandespolígonos,tipicamenteparedespresentesemambientesfechados.Opré-processamentodosportaisconsistebasicamenteemdividirocenárioemcélulas,comoilustradonaFigura12.5.3.Váriasimplementaçõessugeremqueestascélulassejamconvexas,umavezquetornaráoprocessode

recortemaissimpleserápido(umacélulaéconvexaquando,tomadosdoispontosquaisquerdoseuinterior,aretaqueosunenãointerceptanenhumpolígonodasparedesdacélula).Estarestrição,noentanto,podeacarretarnosurgimentodeumnúmerograndedeportais,mesmoparaumcenáriopequenoecompoucassalas.

Figura12.5.3-Portaispodemservistoscomopolígonosespeciais.Umacélulaapenaspodeveroutra,adjacenteaela,atravésdeumportal.

Criadaadivisãodecélulas,procura-sedeterminarosportais,quesãoregiõesbidimensionaiseinvisíveis,comunicandoumacélulacomasuacélulavizinha.Estespodemsertambémentendidoscomopolígonosespeciais:enquantoasparedessãopolígonosnormaiseaoseremrenderizadoscalculam-seailuminaçãoeatexturadeles,nocasodosportais,avisualizaçãoserátratadadeformaespecial.Normalmente,estesportaiscoincidirãocomasaberturasdeportasejanelas.Éimportantefrisarqueumacélulaapenaspoderáveroutraatravésdeumportal.Faz-senecessárioumaestruturadedadosquesejacapazdearmazenarestasinformações:paredeseoutrospolígonospertencentesaumamesmacéluladevemestaragrupados,sendoqueestegrupopossuitambémainformaçãodequemsãosuascélulasadjacenteseosportaisdecomunicação.EstaestruturadecélulaspodeseradaptadaàestruturadeumaBSP.

OsportaisserãonormalmenteutilizadosemconjuntocomatécnicadePVS(potentiallyvisibleset),queconsistenumatabelaquepossuiainformação,paracadaumadascélulasdocenário,seépossívelounãovercadaumadasoutracélulasexistentes.OcálculodeconstruçãodaPVScostumasercaro,dependendoespecialmentedaprecisãoquesedesejaobteredonúmerodecélulasdocenário.APVSconsistenumatabelacomvaloresbooleanos,dizendoseapartirdealgumaposiçãodeumacélulaXépossívelveralgumapartedeumacélulaY.Existemváriasformasdeserealizarestecálculo,sendoosmais

utilizadososalgoritmosdepointsamplingeodeshadowvolume.

Oalgoritmodepointsamplingfuncionadaseguinteforma:discretiza-seumasériedepontosespaciaispertencentesaumadeterminadacélulaA.Paracadaumdestespontostraça-seumaretaparacadaumdospontosdiscretizadosdecadaumadasicélulasdocenário.Casoalgumaretapossuaumainterseçãovaziacomospolígonosdacena,entãoacélulaApodeenxergaracélulai.Casonenhumaretapossuainterseçãovazia,nãoépossívelveracélulaiapartirdacélulaA.Éjustamenteessadiscretizaçãoumdosfatoresquepodeounãoencarecerestepré-processamento.

Umadasprincipaisvantagensdautilizaçãodeportaisconsistenafacilidadeesimplicidadedaimplementaçãodavisualização.Oalgoritmoresumidoparaistoéoseguinte:

render(Célula*célula,Câmera*câmera,View*view)paratodosospolígonosdacélulaondeestáoobservadorfaça

seopolígononãoéportalPloteopolígonorecortadoparaatela

senãoCrieumnovo_viewutilizandooportaleoviewcorrenterender(célula_vizinha,câmera,novo_view)

Comoacélulacorrenteéumelementoconvexo,ospolígonosquecompõemestacélulapodemserplotadosemqualquerordem,sendoquenãoocorrerásobreposição.Oúnicorecortequeseránecessárioparaosmesmosserácomasbordasdatela.

Otermoviewdefineumplanoquelimitaoalcancedocampodevisãodacâmera,Figura12.5.4.Oprimeiroviewdarecursãoconsistenopróprioplanoquedefineoalcanceoriginalmáximodacâmera.Arecursãodosportaisconsistesobretudoemirdiminuindootamanhodoviewfrustrum,fazendocomqueabasedotriânguloformadosejaonovoview.Esteplanoénaverdadeopróprioportalqueseestátratandonestaetapadarecursão.

Figura12.5.4-Esquerda:Portaiscriadosparaumambientefechado.Direita:partedoprocessodevisualizaçãoutilizandooalgoritmodeportais.

Criarumnovoviewutilizandooportalcomoreferênciapodeserfeitodeduasmaneirasdistintas:

Utilizandopolígonos2D.Cria-seapartirdainterseçãodopolígonoquedefineoportal(jáprojetadosobreoplanodeprojeçãodacâmera,eportantojácomacorreçãodeperspectiva),comoviewcorrente.Ocálculodeinterseçãodedoispolígonos2Démuitosimples,especialmentenestecaso,ondeumpolígono(nocaso,onovoview)estarásempredentrodooutro.Oúnicoquedeveráserfeitoérealizarorecortedapartedopolígonodoportalqueeventualmenteestivernapartedeforadovieworiginal.Assim,casoainterseçãosejavazia,entãonãoépossívelveracélulareferenciadapeloportal,apartirdaposiçãoemqueoobservadorseencontre.Utilizandoviewfrustrum.Nestecaso,ométodoconsisteemcriarumnovoviewfrustrum(formadoporplanos3D),utilizandocomobaseacoordenadaespacialdaposiçãodacâmeraeosvérticesquedefinemopolígonodoportal.

12.6Renderizaçãobaseadaemimagem

Nasseçõesanteriores,tratamosdesíntesedeimagensusandotécnicasbaseadasemgeometria.Entretanto,ageometriaeafísicadomundorealsãoextremamentecomplexasparaqueastécnicastradicionaispossamproduzir

imagenscompletamentefotorealistase,aindamais,emtemporeal.Umaalternativaégerarvistasdiferentesdeumambienteapartirdeumconjuntodeimagensbidimensionaispreviamentecapturadas,semanecessidadedemodelagemgeométrica.Adesvantagemdestatécnicaéqueousuárionãopodeinteragircomobjetosdoambientecomofariaemumacenabaseadaemgeometria,porémaqualidadedaimagemécompletamentefotorealista.Chamamosestasnovastécnicasde“renderizaçãobaseadaemimagem”(image-basedrendering).Estastécnicasdependemdacaracterizaçãodafunçãoplenóptica(plenopticfunction).

FunçãoPlenóptica

Emqualquerpontodoespaçochegaumfeixeinfinitoderaiosdeluzcomtodaainformaçãonecessáriadomundoasuavoltapararecriarqualquervistaapartirdaqueleponto(umconceitojádescritopelogenialLeonardodaVincinoiníciodoséculoXVI).AdelsoneBergen(1991)propuseramumafunção,denominadaplenóptica,quedescreveaestruturadestainformaçãoquechegaaumobservadoremumpontoP.Estetrabalhoseminalabriuatrilhapararenderizaçãobaseadaemimagem.AFig.12.7.1ailustraestaidéia,ondealgunsraios,indicadosporsetasesmaecidas,nãoalcançamoolhodoobservador(porquestõesanatômicas).

Figura12.7.1Parâmetrosdafunçãoplenóptica

Nafunçãoplenópticamaisgeral,oraioéparametrizadopor7parâmetros(Fig.12.7.1b):

onde,oolhoestálivreparasercolocadoemqualquerpontoPnoespaço(Vx,Vy,Vz)equalquerraiovisívelpodeserselecionadopeloazimuteeaelevação,bemcomopelafaixadecomprimentosdeonda.Istotudoemumdadoinstantedotempot.Denominamosestecasogeraldefunçãoplenópticade7dimensões(ou7D).Afunçãoplenópticaservecomoummeiodecomunicaçãoentreosobjetosfísicosreaiseassuasimagensretinaiscorrespondentes.Oobservador,então,tomaamostrasdestafunçãoparageraraimagem.Asrestriçõessobreestesparâmetroseamaneiracomoégeradaarepresentaçãocontínuadafunçãoplenóptica(apartirdeamostras)determinamasváriastécnicasatualmentepropostas.Porexemplo,seconsideramosambientesestáticosecaracterísticasfixasparaaluz,entãopassamosparaumafunçãoplenópticade5dimensões(5D):

Umexemplopioneirode5DéatécnicadeMcMillaneBishop(1995).Nestatécnica,imagensdereferênciasãocapturadasedepoissãodeformadasecombinadasparaformarrepresentaçõesdacenaapartirdequalquerpontodevista.

Seacâmerasempreficarforadacaixaenvolventedeumobjeto(ou,equivalentemente,sempreficardentrodacaixaqueaenvolve),eforlivredeoutrosobjetosqueobstruamavista,entãoafunçãoplenópticapodeserreduzidapara4dimensões:

onde,(u,v)e(s,t)parametrizamdoisplanosparalelosdacaixaenvolvente.Umadaspropostasmaisconhecidasnestalinhaéarenderizaçãodecampodeluz(lightfieldrendering)deLevoyeHanrahan(1996).Nestecaso.Dadaaimportânciadoscamposdeluz,esteassuntoéapresentadocomumpoucomaisdedetalhesnapróximaseção.Nestecapítulo,vamosmanterotermoeminglês(lightfield)devidoaoseuusointensoemprodutosetécnicas.

Seoespaçodeobservaçãoforrestringidoaumplanoenvolvente,afunçãoplenópticapodeserreduzidapara3dimensões.ShumeHe(1999)propuseram

umaparametrização3Ddafunçãoplenóptica,chamadademosaicosconcêntricos(concentricmosaics),ondeomovimentodacâmeraérestritoacírculosconcêntricossobreumplano.Nestecaso,temos:

onde,r(raio)éadistânciadacâmeraparaoeixoderotação,θéoânguloderotaçãoeϕéocampodevisãoverticaldacâmera(verticalFOV).Nestecaso,paracâmerascomumvalorfixodeFOVvertical(ϕ),podemoscapturarumasériedeimagensvariandooraioeânguloderotaçãopararepresentarafunçãoplenóptica.Apartirdestasimagenspodemosfacilmentegerarumanovaimagememqualquerpontodoplano.

Quantomaisrestringimosoespaçodeobservação,maissimplessetornaafunçãoplenóptica.Porexemplo,seopontodevistaéfixo,entãotemosamaissimplesfunçãoplenóptica:

P2representaosconhecidospanoramas2Dcilíndricoseesféricos.OspanoramascilíndricossetornaramfamososquandoaApple,numaatitudepioneira,lançouoQuickTimeVRem1995(eoabandonouem2009pornãoterinvestidonoconceito).Aevoluçãodospanoramasseguiunaturalmenteocaminhodeadicionarotempo,i.e.P3=P3(,,t),edecapturarafunçãoplenópticaesférica(360o)comaschamadascâmerasomnidirecionais.AcâmeradestetipoatualmentemaisconhecidaéaRicohTheta(comresoluçãode4Kprevistapara2017),comduaslentes(umadecadaladodeumaparelhodotamanhodeumcelular)paracapturarpanorama360ocomumúnicodisparo.

Deumamaneirageral,arenderizaçãobaseadaemimagemtemosseguintespontoscríticos:

1. Montagemdosistemadecaptura.Amenosdospanoramas2D(ondeacâmeraéfixa,mascompitcheyaw),todasastécnicasrequerema

montagemdeumsistemacomplexodecaptura(quechamamosderig)comváriascâmerascolocadasemumagradeoucomumaoumaiscâmerasquepodemsemoverlivrementeemumaregiãodoespaço.Acalibragemdestessistemaspodeserdifíciledemorada;

2. Volumededadoscapturado.Agrandequantidadededadosnecessáriospararepresentarafunçãoplenópticarequerousodecompressãoedecodecscomencoderedecodermuitorápidos.Acompressãotambéménecessáriaporquehámuitacoerênciaespacial(etemporal)entretodasasimagenscapturadas;

3. Reconstruçãodasnovasvistas.Antesdarenderização,osdadosgeralmenteprecisamteralgumtipodetratamentoparareduzirartefatosindesejáveis(aliasing,…),reduzirquantidadededadosaseremusadose/ouredefinirintervalosdeamostragem(quechamamosderebinning).Duranteareconstrução,precisamosdedescompressãorápida(i.e.decoderseficientesemaltaresolução)edetratamentodosdados(e.g.desquantização)demaneiraeficiente.

Asimplificaçãodafunçãoplenópticafacilitamuitoospontosmencionadosacimaeconduzatécnicasbastanteeficientes.EstasimplificaçãoédevitalimportânciaparasistemasdeRV,cujosrequisitosdequalidadeemtemporealsãoextremamenteexigentes.

Nestecapítulo,nãovamosdetalharasváriastécnicasderenderizaçãobaseadaemimagem.Porém,vamosdiscutirumpoucomaissobreastécnicasmaisadequadasparaRV,pelaabrangênciadoconceito,pelafacilidadedeusoepeloaltodesempenhomesmoemaltíssimasresoluções(4Ke8K).VamosapresentarmaisinformaçõessobrelightfieldsevisitaraspropostasdeShumeHe(1999)eDebevecetal.(2015).

Emqualquercaso,seinformaçõesgeométricassãousadas,astécnicasficammaissimplificadas(e.g.incluindoprofundidade).Emalgumastécnicasestainformaçãoextraéfundamental.

MosaicosConcêntricos

Afunçãoplenópticademosaicosconcêntricos(ShumeHe,1999)émuitoatrativaparaRealidadeVirtualdevidoasuasimplicidadeeeficiência.

Entretanto,estatécnicagerapanoramasapenascomparalaxehorizontalerequercorreçãodeprofundidadeparamoveravistaparafrenteeparatrás.UmainovaçãorecentepropostaporDebevecetal.(Debevecetal.,2015)gerapanoramascomparalaxeshorizontaleverticalecomodesempenhoexigidoporaplicaçõesdeRV,quecomentamosnapróximaseção.

LightFields

LevoyeHanrahan(1996)propuseramarenderizaçãodecampodeluz(lightfieldrendering),ondelightfieldédefinidocomosendoaradiânciaemumpontoemumadadadireção.Lightfieldéequivalenteàfunçãoplenóptica4D.Comojádissemos,senãoháobjetoscausandooclusão,afunçãoplenópticapodeserreduzidapara4dimensões,P4=P4(u,v,s,t),onde(u,v)e(s,t)parametrizamdoisplanosparalelosdacaixaenvolvente.Chamamos(u,v)deplanodacâmerae(s,t)deplanofocal.AFig.12.7.2(a)ilustraumcasobidimensionalcomadiscretizaçãode4câmerase4pontosnoplanofocal,definindoumespaçodelinhasorientadasquerepresentamraiosdeluz.Paratermosadescriçãocompletadafunçãoplenóptica(i.e.dolightfield)paraacaixaenvolvente,precisamosde6paresdeplanos(umparparacadafacedacaixa,comoilustraaFig.12.7.2(a)paraumquadrado).

Figura12.7.2CapturadeLightField

Areduçãodafunçãoplenópticade5Dpara4Dépossívelemumespaçosemoclusõesdevidoaofatodequearadiâncianãomudaaolongodeumalinhaquenãoébloqueada.Estescamposdeluz4Dpodemserinterpretadoscomofunçõesnoespaçodelinhasorientadas.

Alternativamente,podemosparametrizarafunçãoplenóptica4Demtermosdoplanodacâmeraedadireção(Fig.12.7.2(b)e(c)):

Atualmenteestaéaformaquelightfieldéapresentado.Ademais,aliteraturapassouausarotermofunçãoplenópticaapenasparaocasogeral7D(eparaocaso5Dem(McMillan1995)).Istoé,nosreferimosàfunçãoplenóptica4Dacimasemprecomolightfield(mesmoquandootempoéconsideradocomoaquintadimensão).

Lightfieldesférico(sphericallightfield)refere-seaocasodoespaçoenvolventeserumaesfera.AFig.12.7.2(d)ilustraocasoondeadiscretizaçãoédefinidapelaposição(p,p)epeladireção(d,d).Nestecaso,olightfieldéaseguintefunção:

Debevecetal.(2015)propuseramrecentementeumsistemadecapturadelightfieldesféricoespecialmentevoltadoparaaplicaçõesdeRealidadeVirtual.Ométodopropostoaindavaiprecisar,nofuturo,daajudadeinformaçãosobreprofundidadeparapermitirqueolightfieldsejarefocadocomprecisãosobretodoocampodevisão(casocontráriosurgemartefatosdefantasmas).Umoutrodesenvolvimentofuturonecessáriorefere-seaoparâmetrotempo.Olightfieldesféricodevídeoaumentaadimensãopara5Deasnecessidadesparacompressãoedescompressãopassamaserenormes.Oleitoréconvidadoaanalisarosdetalhestécnicosdestainovaçãoem(Debevec,2015).

Aáreadelightfieldestáatualmentevivenciandoummomentodegrandeevolução.Oleitoréconvidadoaanalisaraspropostasrecentesdecâmerasdelightfieldatravésdorelatóriotécnicoquelançouestaideia(Ng,2005)edoprodutocomercialLytroIllum(https://illum.lytro.com/illum).Câmerasdestetipopermitemmudançasdefocoeaberturaapósacaptura.Outralinhadedesenvolvimentorefere-seamonitoresdelightfieldquepermitemoobservadorexperimentarparalaxesemajudadeóculos,comoumaholografia.Omaisrecentedesenvolvimentonestadireçãoestáapresentadoem(Fattal,2013)e

produtosestãosendoesperadosatravésdaempresaLEIA(www.leiainc.com).

Umaquestãoimportantesobrerenderizaçãobaseadaemimagemrefere-seareiluminação(relighting).Paraumarenderizaçãofinaldequalidade,nãobastaapenasresolveraquestãodolightfield,porqueistonãoresolveaquestãodereflectância.Emparticular,cenascomfaceshumanassãotalvezocasomaiscomplexo,devidoàspropriedadesdereflectânciadapeleeasdeformaçõescomplexasqueocorremduranteomovimento.Debevecetal.(Debevecetal,2000)apresentaramoconceitodecampodereflectância(reflectancefield),quepermitereiluminarobjetoscapturadosporcâmeras.Umestágiomaisavançadodestasidéiaspodeservistoem(Einarsson,2006).EstestrabalhossãoimportantespararenderizaçãobaseadaemimagemcomaplicaçõesemRealidadeVirtual.

12.7Animação

Aanimaçãoporcomputadoréoprocessousadoparagerarimagensanimadas.Oconceitomaisgeraldeimagensgeradasporcomputadorenglobacenasestáticaseimagensdinâmicas,enquantoaanimaçãoporcomputadorapenasserefereàsimagensemmovimento.Atualmenteaanimaçãoemcomputadorusagráficosem3D,emboraosgráficosporcomputador2Daindasejamusadospararenderizaçõesestilísticas.Aanimaçãocomputadorizadapossuidiversosfins,desdeocinema,vídeo,jogoseletrônicos,publicidade,animaçãoparaWEBentreoutras,éosegmentoquemaiscrescenaindústriadoaudiovisual.

Aanimaçãoporcomputadoréessencialmenteumsucessordigitaldastécnicasdestopmotionusandomodelos3Detécnicasdeanimaçãotradicionaisusandoanimaçãoquadroaquadrodeilustrações2D.Elatambémpermitequeumúnicoartistagráficoproduzaanimaçõessemousodeatores,tecnologiasmuitoavançadasougrandesinvestimentos.

Paracriarailusãodemovimento,umaimageméexibidanomonitordocomputadorouemumateladecinemaerepetidamentesubstituídaporumanovaimagemcompequenasvariações,masqueavançouligeiramentenotempo(geralmenteaumataxade24,25ou30quadros/segundo).Paraanimações3D,objetos(modelos)sãoconstruídosnomonitordocomputador(modelado)easfiguras3Dsãomanipuladascomumesqueletovirtual.Emseguida,osmembros,osolhos,aboca,aroupa,etc.dafigurasãomovidospeloanimadoremquadros-chave.Asdiferençasdeaparênciaentreosquadros-chavesãocalculadas

automaticamentepelocomputadoremumprocessoconhecidocomointerpolaçãooumorphing.Finalmente,aanimaçãoérenderizada.

12.7.1MétodosdeAnimação

Emumsistemadeanimação3D,umanimadorcriaumarepresentaçãosimplificadadaanatomiadeumpersonagem,oqueéanálogoaumesqueleto.Aposiçãodecadasegmentodomodeloesqueléticoédefinidaporvariáveisdeanimação.Empersonagenshumanoseanimais,omodeloesqueléticocorrespondemaosossosreais,masaanimaçãoesqueléticatambéméusadaparaanimaroutrascoisas,comoexpressõesfaciais.Omodelocomputacionaldeanimaçãonãousaomodeloesqueléticoparacalcularaposiçãoeaorientaçãoexatasdopersonagem,queeventualmenteéprocessadoemumaimagem.Assim,alterandoosvaloresdeparâmetrosdomodeloaolongodotempo,oanimadorcriamovimentofazendocomqueopersonagemsemovadequadroemquadro.

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Capítulo13-Física,QuímicaeMatemática

JorgeFonsecaeTrindadeJerônimoFreire

NestecapítulodaremosespecialênfaseàconvergênciaentreacomplexaanáliseeprocessamentodegrandequantidadededadosemáreascomoaFísica,QuímicaeMatemáticaeaimportânciaecontributoinestimávelqueambientesvirtuaisinterativoseimersivospodemdarnodesenvolvimentocientífico.Veremoscomoainvestigaçãocientíficadepontanecessitadeumaintegraçãofluidacomambientesdevisualizaçãoeinteração,semosquaisosresultadosdapesquisapodemficarseriamentecomprometidos.

13.1Introdução

Autilizaçãodoscomputadoresnainvestigaçãocientíficaenoensino/aprendizagemdasciênciasdesdemuitocedofoimarcantepelapossibilidadederecriaracomplexidadedasleisdanaturezanasimplicidadedeumalgoritmo.Ocomputadorpossibilitouumanovadimensãonaabordagemteórico-experimental,permitindoreplicarofuncionamentodouniverso,oudepartesdele,atravésdesimulaçõescomputacionaisdasleisnatureza,comoporexemploaquedalivredeumgrave,omovimentoorbitaldeumplanetasobainfluênciadeumaoumaisestrelas,osmovimentosdentrodeumagregadoestelar,oumesmoacolisãodeduasgaláxias.

Noensinodasciênciassãoinúmerosostrabalhosquejustificamautilizaçãodesimulaçõescomputacionaisemambientegráfico(GoodeBerger,2000)paracolmataraocorrênciadefalhasnaaprendizagemdeconceitoscomplexosedifíceisdevisualizar(taiscomodinâmicamolecularouorbitaisatômicas).Tambémnainvestigaçãocientífica,aquantidadeecomplexidadededadosquepodeserproduzidapoderátornarasuaanálisemorosaeextenuantesemautilizaçãodenovastécnicasdesimulaçãoedevisualizaçãointerativa,comoa

visualizaçãocientífica,envolvendooutrasdimensõessensoriaisnaproduçãodeconhecimentocientífico.

Inicialmenteastécnicasdesimulaçãoeramumpoucolimitadas,massurgiraminterfacescadavezmaisperfeitas,commanipulaçãodiretadasvariáveisesaídasnaformadegráficoseanimações(Hartel,1994).Emgeral,podemosdistinguirdoisperíodosnomododeutilizaçãodoscomputadores:oanterioràdécadade80doséculoXX,emquepredominavamoscomputadoresdegrandeporteeosalgoritmosdecálculo,eoperíodoqueseiniciaemmeadosdadécadade80,comoaparecimentodoscomputadorespessoaiseodesenvolvimentodeferramentasdevisualização,nomeadamenteosambientesdeRealidadeVirtual(RV)imersivos.Seocomputadorabriuumanovajanelaentreoconhecimentoteóricoeaexperimentação,aRVabriuumanovadimensãonainteraçãoentreohomemeamáquina.EntreasprimeirasaplicaçõesdaRVencontram-se,precisamente,avisualizaçãocientíficaeaeducação(Fairchild,1993).

Orápidocrescimentodopodercomputacionalnasúltimasdécadasmotivouumamudançadeparadigmaemmuitasáreasdaciênciaedaengenharia.Nosseusdomíniospróprios,asciênciasexatasestãoemcrescentedesenvolvimento,comautilizaçãodemodeloscadavezmaissofisticadosparadescreverfenómenoscomplexos.Assoluçõesnuméricasdessesmodelosoriginamenormesquantidadesdedados,deanálisecomplexaemorosaque,apenaspoderosasferramentasdeanáliseevisualizaçãopoderãofacilitarnessatarefa.Contudo,omodomaiscomumdevisualizaçãoéoprocessosequencialdeprocessamentoemlote:cálculonuméricoemodelagemgeométrica,simulaçãoevisualização.Avisualizaçãoé,assim,frequentementevistacomoumpassodepós-processamentonopipelinedecomputaçãoevisualizaçãocientífica.

Asatuaisexigênciasnainvestigaçãocientífica,deprocessamentodedadosemlargaescalaenecessidadedeanáliseeinteraçãoemtemporeal,demandouumamaiorcapacidadedevisualizaçãodevolumededadosdoqueapenasadeumpequenoconjuntoderesultadosedeumprocessoorganizadoparaosexibir.Oscientistasnecessitamdemaisinteraçãonamodelagem,simulaçãoevisualizaçãodoqueatualmenteépossívelpelamaioriadoscódigosdecomputaçãocientífica.Paraalémdeanalisar,visualizareinteragircomdadosqueresultamdesuper-cálculos,oscientistastêmnecessidadedeinterpretar,emtemporeal,osdadosobtidosduranteoprocessodecálculo,modificandoparâmetrosecondiçõesparavisualizareinteragirnamenorfraçãodetempo.Nestecontexto,exige-seumadinâmicafluidaentreacapacidadecomputacionalnuméricaeacapacidade

gráficaimersivaeinterativa,quepermitaaoscientistasumacomunicaçãoemtemporealcomosdados,manipulandosuarepresentaçãovisualduranteoprocessamento.

Estesprocessossãoferramentasinestimáveisparaosnovosdesafiosdainvestigaçãocientíficadonossoséculo.Oprocessodeinvestigaçãocientíficadependemuitodasrespostasaumasériedequestões"ese?".Ambientesintegradosderesoluçãodeproblemas,queacoplemfortementetécnicasdevisualizaçãointerativacommodelagemgeométricaetécnicasdesimulaçãopermitemqueessasquestõessejamrespondidasdeformamaiseficienteeeficaze,portanto,ajudemaorientarainvestigaçãoàmedidaqueelaocorre,contribuindoparamodosdeinvestigaçãomaisinterativos.

Nestecontexto,apresentaremosalgunsexemplosnocampodainvestigaçãocientíficadasciênciasexatas(Física,QuímicaeMatemática)integradoscomsistemasderealidadevirtual

13.2Física

NodomíniodaFísicajáexisteumaampladiversidadedesimulaçõesemambientesvirtuais,queexploramascrescentescapacidadesdecálculoedevisualizaçãodosatuaiscomputadores,queranívelpedagógicoquernocampodainvestigaçãocientífica.Apresentam-sedoisexemplosquesãoumreferencialnestedomíniopelocaráterinovadoreexploratórioaoabriremasportasdaRVaumterrenoondeopredomínioeraexclusivodacomputaçãonumérica.

13.2.1ÁguaVirtual

Dopontodevistacientíficoepedagógicoaáguasemprefoi,econtinuaaser,umassuntodeinvestigaçãoavançadapelasingularidadedemuitasdassuaspropriedades.Porexemplo,algumaspropriedadesanômalasdaáguacomoassuasaltastemperaturasdesolidificaçãoedeebulição,oelevadovalordasuacapacidadecaloríficaeovalormáximodasuadensidadea4˚C,advêmdasligaçõesporpontesdehidrogénioqueseformamnafaselíquida.Mesmodepoisdogelofundir,sobrevivemaproximadamente90%destasligaçõesqueexistiamnafasesólida.Destemodo,adinâmicadafaselíquidadaáguaébastanteinfluenciadapelorearranjodasligaçõesporpontesdehidrogênio.

ParaoestudodestaspropriedadeseemparticulardoarranjomolecularresultantedasligaçõesporpontesdehidrogéniofoidesenvolvidoporJorgeFonsecaeTrindade,naUniversidadedeCoimbra,Portugal,umasimulaçãodadinâmicamoleculardaáguaemambientevirtual,“ÁguaVirtual”,quecontemplaoestudodageometriadasmoléculasdeágua,dadinâmicamoleculardasfasesgasosaelíquida,afasesólidaeastransiçõesdefase(Trindade,2002).Osmétodosmaisusuaisdesimulaçõesmolecularessãofundamentalmentededoistipos:simulaçõesdeMonteCarlo(baseadonaMecânicaEstatística)eDinâmicaMolecular(baseadonaMecânicaClássica),criadaporB.AldereT.Wainwrightnosanos50doséculoXX.Na“ÁguaVirtual”oalgoritmoquepresidiuasimulaçãodocomportamentodaágua,nasfasesgasosaelíquidaenastransiçõesdefaselíquido/gás,enquadra-senaDinâmicaMolecular,queconsistenaresoluçãonocomputadordasequaçõesdeNewtonparacadaumadasmoléculasdeumdadoconjunto,apartirdasposiçõesedasvelocidadesiniciaisdetodasasmoléculasedaforçaqueatuaemcadamoléculanumdeterminadoinstante.Parasimplificaroscálculosconsiderou-seasmoléculasdeáguaesfericamentesimétricasequimicamenteinertes.

Emqualquercaso,épossívelnavegarentreasestruturasformadaspelasmoléculasdeáguaevisualizaremtemporealainfluênciadevariáveiscomoapressãoetemperaturanocomportamentodasligaçõesporpontesdehidrogênioe,consequentemente,norearranjomoleculardaágua(Trindade,2017).Porexemplo,nasfasesgasosa(Figura13.1a)elíquida(Figura13.1b)vêem-seimagensdasanimaçõestridimensionaisdadinâmicamolecular,correspondentesàscondiçõesdepressãoedetemperaturadaquelasfases.Astransiçõesdefaseobtêm-sepormudançadapressãoe/outemperatura.Emqualquerumadastransiçõesépossívelobservaraformaçãooudissociaçãodeligaçõesporpontesdehidrogênioentremoléculasdeágua(verFigura13.1,ced).

Figura13.1:ÁguaVirtual

Algunsambientesda“ÁguaVirtual”(apresentadasnaFigura13.1)são:a)Fasegasosaàtemperaturade100˚Cmostrandoomovimentodesorganizadodasmoléculas;b)Faselíquidaobtidapordiminuiçãodatemperaturacomformaçãodeligaçõesemenormobilidadedasmoléculas;c)Transiçãogás–líquidoevidenciandoadiminuiçãodamobilidadedasmoléculas,aformaçãodeligaçõesintermolecularesporpontesdehidrogênio,oaumentodadensidadeeoagrupamentodemoléculas;c)Transiçãolíquido–sólidocomperdademobilidadedosagregadosmoleculareseformaçãodenovasligaçõesdemodoaemergiraestruturadogelo

13.2.2AlloSphere

Emqualqueráreadeinvestigaçãocientíficaaaquisiçãodedadosexperimentaiséumafasecrucial,podendoasuaanáliseeinterpretaçãorevelar-seumprocessomorosoededifíciltratamento.Nãorarasvezes,oscientistasficamimersos,eàsvezesatéperdidos,emdados.

Parafacilitaressatarefaeinovarnoárduoprocessodeanáliseeinterpretação

numérica,oInstitutoNanoSystemsnaUniversidadedaCalifórnia,emSantaBárbaranosEstadosUnidosdaAmérica,criouumacâmaradeRVcomumaenvolvênciade360˚decaracterísticaspeculiares,quepermitetransformarmassivosconjuntosdedadosemexperiênciasimersivasdeimagemesom–o“AlloSphere”(AlloSphere,2017).

Instaladonointeriordeumacâmaraemformadecuborevestidocomummaterialdeabsorçãodesom(tornando-oumdosmaioresespaçosquase-anecoicos)o“AlloSphere”ocupaumaáreade5.760metrosquadradoseéconstituídopordoishemisfériosdemetalunidosporumapontesuspensa(verFigura13.2),comumdiâmetroequivalenteatrêsandaresdeumedifício.Nestapontepodemtrabalharmaisde30pesquisadoresaomesmotempo,geralmentefísicos,engenheirosecientistasdacomputação.Maisde500elementosdeáudio(woofers,tweeters,etc,)estãosuspensosemanéisforadoshemisférioseprojetoresdevídeodealtaresoluçãoprojetamimagensemtodaasuperfícieinterna.Oresultadosão360˚desonseimagens,superandosistemasequivalentesdeRVcomooCaveVirtualEnvironment(CAVE)ouumplanetário(Amatriainetal.,2009).

Figura13.2:O“AlloSphere”(Amatriainetal.,2009)

Esteespaçoúnicoéumanovaeradicalformadeinteraçãoederepresentaçãodedadosexperimentais,naconvicçãodequepossibilitaráalcançarnovasdescobertas,comapeloaoutrosníveisdeperceçãosensorial,catapultandodadosnuméricosparaumanovadimensãodacompreensãoerealizaçãohumana,comoporexemploobservaroselectrõesnumátomoou"voar"atravésdeumaressonânciamagnéticadocérebrodeumpaciente.Ainteraçãocomosdados,quepodemseradquiridosetransmitidosemtemporeal,éfeitacomóculos3Dsemfios,controledegestosereconhecimentodevozcomsensoresincorporados

naponte.

Convémrealçarqueo“AlloSphere”nãoéumambientedeRVparaentretenimento,maséuminstrumentodepesquisatãoverossímilquantoummicroscópiodeforçaatômica,umcíclotronouumtelescópio.Emfuncionamentodesde2007,temsidoatualizadoeaperfeiçoadodeformaconsistentecomoobjetivodeoperaremníveisqueseaproximemdosnossoslimitesdepercepçãodarealidade(real):umaresoluçãovisualde24milhõesdepixels(emtodaasuperfície)eumsistemadesomcompletode512canais.

Entrealgunsdosprojetosimplementadosno“AlloSphere”destacam-se:

Estudodacondutividadeelétricaemcondutorestransparentes.Asalteraçõesclimáticas,emgrandeparte,provenientedaemissãodeCO2derivadodaqueimadecombustíveisfósseisparaproduçãodeenergia,têmincentivadoapesquisaeodesenvolvimentodenovasfontesalternativasdeenergiamenospoluentesequeproduzampoucoimpactoambiental.Umadasalternativasenergéticasmaispromissoraséaenergiageradapelosol,principalmenteempaísesondeháumaltoíndicedeincidênciaderadiaçãosolar.Oóxidodezinco(ZnO)apresentatransmitânciaópticanaregiãodovisívelacimade80%ebaixaresistividadeelétrica.Estematerialtemsidoestudadocomocandidatoparasubstituiroóxidodeíndiodopadocomestanho(In2O3:Sn)emaplicaçõescomoeletrodosdecélulassolares,poisalémdesereconomicamenteviável,éatóxicoepossuialtaestabilidadequímica.Algunsinvestigadores,comoChrisVandeWalle,professornoDepartamentodeMateriaisdaUniversidadedaCalifórnia,tem-sededicadoaoestudodacondutividadeelétricaemcondutorestransparentes,paramaximizaracaptaçãodeluzsolar,comautilizaçãodeóxidodezinconaconstruçãodecélulasfotovoltaicas.No“AlloSphere”,ospesquisadoresusamumjoystickparamanobraratravésdeconstelaçõestridimensionaisdosátomosdeoxigênio,hidrogênioezinco(ligadosporumaredecomplexadeligaçõesquímicas)quecompõemessescondutores,colocandoospesquisadoresnointeriordeumcristaldeóxidodezinco,comumnívelderealidadeinaudito,permitindoummelhorentendimentosobreaestruturadomaterial,quepermitareforçarasuaestruturaeaumentarasuaeficiência;Estudodaradiaçãodefundocósmicodouniverso.Emmaiode2009o

satélitePlanck,daAgênciaEspacialEuropeia,transportandoumtelescópiocomumespelhode1,5metrosdediâmetro,foilançadoparaoespaçocomoobjetivodecaptararadiaçãodemicroondasdefundocomumaprecisãoederesoluçãoangularnuncaantesalcançada.EssaradiaçãodefundoprovémdetodooUniversoeconstituiasprimeirasluzesdoUniverso.Quandoelassurgiram,oUniversoeramuitomenorquehoje.Emconseqüênciadissoasprimeirasluzesestavammuitocomprimidaseasuafreqüênciamuitoelevada.OUniversoseexpandiudesdeoBigBangeasondasdeluzseesticaram,diminuindosuafreqüênciaparaafaixademicro-ondas.Oestudodessesdadospermitiráfornecerinformaçõesrelevantesdeváriosassuntoscosmológicoseastrofísicos,taiscomotestarteoriassobreafaseinicialdoUniversoesobreaorigemdaestruturacósmica.No“AlloSphere”osdadosnuméricosobtidosetransmitidospelosatélitesãoconvertidoseminformaçãoaudiovisual,permitindoverocomportamentodoresíduodemicro-ondasdoBigBang"pintado"eouvirumaversãodoqueoUniversoprimordialpodetersoado;EstudodaequaçãodeSchrödingerdependentedotempo(Kuchera-Morin,PelitiePutnam,2017).AequaçãodeSchrödinger,deduzidaem1926pelofísicoaustríacoErwinSchrödinger,éumaequaçãousadaemmecânicaquânticaparaafunçãodeondadeumapartículaatômica,permitindoacriaçãodeummodelocompletoparaoátomo.Trata-sedeumaequaçãodiferencialparcialquedescrevecomooestadoquânticodeumsistemafísicomudacomotempoecujaresoluçãomatemáticaexatanãoégeralmentepossível.UmamaneiramaisdidáticadeobservaraEquaçãodeSchrödingeréemsuaformaindependentedotempoeemumadimensão.LucaPeliti,professordematemáticaestatísticanaUniversidadedaItáliadeNápoles-FredericoII,consideraqueo“AlloSphere”poderádarumcontributoparaaresoluçãodaequaçãodeSchrödingerdependentedotempodadoqueavisualizaçãodeorbitaisdeelétronsno“AlloSphere”superaemmuitoasprojeções2Dregulares,permitindotestarnovassoluçõesemtemporealcomresultadosquetêmsurpreendidoedeixandoaideiadequemuitapossibilidadeaindaháporexplorarequepermitamexplorartodasassuaspossibilidades.

13.3Química

Nofinaldadécadade1970,predominavamosmodelosmolecularescomvaretaseesferaseosquímicosimaginavamumfuturoemqueessesmodelospudessemsersubstituídosporgráficosrepresentadosemcomputadores.Atualmente,arepresentaçãodeestruturasmolecularespormeiodetecnologiasdeRVnãoéumanovametodologia:avisualizaçãodemodelosmolecularesemambientesimersivosjáfoirelatadaemmeadosdosanos90(Terrenceetal.,1995).Oavançopersistentedatecnologiainformáticaviriaapermitiraospesquisadoresmaisdoqueisso,coletandoeprocessandodadosestruturaiscomplexos,visualizaçãoespacialenovasformasimersivasdeinteração.Contudo,estasferramentasnãoconheceramamerecidadifusãonosmeiosdeinvestigaçãocientífica,porpelomenosumadécada,empartedevidoaoslimitesdohardwaresubjacentee,emparte,àinfânciadosoftwaredeRV.

Naúltimadécadaocenáriomodificou-seumpouco,possibilitandoautilizaçãodeambientesvirtuaisimersivosparaumavisualizaçãocientíficarigorosa.Noentanto,aadoçãodestatecnologiaemciênciasmolecularesaindaéumprocessocontínuo,mesmoqueautilidadenavisualizaçãodegrandessistemasdeinteressequímico(destacandopropriedadesestruturaisefuncionais)emambientesimersivosjátenhasidodemonstrada.Porexemplo,recentemente,Redaetal.(2013)desenvolveramumaplicativoparaavisualizaçãointerativadesimulaçõesdedinâmicamolecularemambientesimersivosdeultra-resolução,explorandoumarepresentaçãohíbridaquecombinaomodelodeballs-and-stickscomrenderizaçãodevolumededensidadesestimadasdeelétrons.Atualmente,entreosvisualizadoresmaispopularesemQuímicaestãooVirtualMolecularDynamics,quesuportaváriastecnologiasdeRVcomoCAVEeImmersaDesk(MechdyneCorporation,2016)usandotoolkitsdeRVcomoFreeVR(Sherman,ComingeSu,2013)eCAVElib(MechdyneCorporation,2016).Recentemente,Stoneetal.(2016)implementaramumaversãoexperimentaldoVirtualMolecularDynamicscombinandovisualizaçãoestereoscópicaomnidirecionalviadispositivoscomoOculusRiftDK2,comrenderizaçãoray-tracingcalculadaatravésdeumclusterGPUremoto.

AnecessidadeeoesforçoparaodesenvolvimentodeferramentasdeRVnestecontextoatingiramumpontodenãoretorno,tornando-semesmocrucialparaaprossecuçãododesenvolvimentocientíficonestaárea.Comefeito,asestruturasmolecularessãofuncionalmenteorgânicas,densasecomplexaseopoderdaimersãonaRVoferecenovasperspectivasnaexploraçãodessasestruturaseinformaçõesúnicassobrearelatividadeespacialdosagregadosmoleculares.Podemosmesmoafirmarque,dopontodevistadaquímicateórica,sem

visualizaçãoeinteraçãoadequadacomasestruturasmoleculares,agrandequantidadedeinformação,numéricaeespacial,fornecidapelopodercomputacionalatualprejudicariaaaquisiçãodoconhecimento.

Assim,aimportânciadosambientesvirtuaisemQuímicaédemonstradaporseupapelprincipalnaadoçãodeavançosemcomputaçãográficaparaavisualizaçãocientífica,permitindohojeemdiaobterumanovaevoluçãonarepresentaçãoevisualizaçãodedados,sendoagorapossívelcriarambientesvirtuais3Dqueampliemaperceçãodosusuárioseaumentemahabilidadedospesquisadoresparaabordarrapidamentegrandesquantidadesdedadosprovenientesdefontesmúltiplasediferentes.Dentrodessessistemas,osusuáriospodeminteragirdiretamentecomdadosvisualizados(pormeiodedispositivosdedicados)deumamaneiramaisnaturaleamigáveldoqueapossívelemsistemasdedesktopcommouseeteclado.

Atualmentejáexisteumgrandeconjuntodedispositivosedeprodutosdebaixocusto.Numaprimeiracategoria,podemoscitarsensoresinterativoscomooMicrosoftKinect(2016)eoLeapMotion(2016),capacetesimersivosdegeraçãodecorrente,comoOculusRift(2016)eVivedaHTCeValve(2016),oudispositivosdeforçacomoocontroladorNovintFalcon3DTouch2016.Numasegundacategoriatemososteatrosvirtuais,comooCaveAutomaticVirtualEnvironment(CAVE),equipadocomsensoresderastreamentodealtaprecisãoeconduzidoporumaoumaisestaçõesdetrabalhopoderosas.

Umdosdesenvolvimentosmaisrecentesnestecapítulo,comoobjetivodeassociarainvestigaçãocientíficadepontacomumambientesvirtualimersivoeinterativodedicadoaagregadosmolecularesconsistiunodesenvolvimentodo“Caffeine”.Trata-sedeumsoftwarededicadoàcomunidadedaQuímicaQuântica,especificamenteadaptadapararepresentaçãomolecularevisualizaçãodedadoscomsistemasRVcomoteatrosecapacetes.

Autilidadeeasvantagensquepodemserobtidaspelautilizaçãodestaplataformasãoparticularmenterelevantes,parailustrardiferentesníveisdeteoriaerepresentaçãomolecular.Defato,o“Caffeine”permitevisualizarestruturasmolecularesestáticasedinâmicas(trajetórias)apartirdosmaisdiversoformatoscomoPDB,XYZ(formatoxmol)eGaussianCube,suportandoasrepresentaçõesgráficasmaisdifundidasdeestruturasmoleculares,comoavisualizaçãodotipo"all-atoms"(balls-and-stickseesferasdevanderWaals,verFigura13.3)ediagramasdefitadepolipéptidosepolinucleótidos.Alémdisso,

conjuntosdedadosvolumétricos,comodensidadesdeelétronseorbitaismoleculares,podemserimportadosdearquivosGaussianCubeevisualizadoscomoisosuperfícies.Nocasodeestruturasmolecularesdinâmicas,ageometriagráficaégeradaemtemporealemcadapassodetempo,demodoaevitarpreencheramemóriagráficanocasodetrajetóriaslongas.

Figura13.3:UmavisãodeumsistemamacromolecularnainstalaçãoCAVE,com“Caffeine”,utilizandoomodeloball-and-stick(Fonte:onlinelibrary.wiley.com)

13.4Matemática

ArevoluçãocientíficadoséculoXVIIconduziuaumaradicalmudançadeatitudenacomunidadecientíficaefilosófica.Seantessepensavaqueumaproposiçãopodiaserconhecidacomumtipodecertezaqueresultavaapenasdarazãopura,posteriormenteaideiadequeonossoconhecimentosobreomundosópodiaserinferidoapartirdeverdadesbásicas,suportadapordadosfornecidospelossentidospormeiodaobservaçãoedaexperimentação,foi-setornandogradualmentepredominante.Contudo,ageometriacontinuouaserumespinhoparaestaabordagemempiristadateoriadoconhecimento.Adescobertadasgeometriasnãoeuclidianasveioenfraquecerastesesdestegénero.Seageometriaeuclidiananãoeraaúnicageometriapossível,comopoderíamosentãoafirmarqueasverdadesdageometriapodiamserconhecidasindependentementedaexperimentação?

Osdefensoresdopontodevistadequeageometriaeuclidianadescreveanaturezadomundotentaram,porvezes,questionaraprópriaconsistêncialógicadasgeometriasnãoeuclidianas.Estaestratégiafracassoulogoqueseconstruíramdemonstraçõesdeconsistênciarelativaparaasgeometrias

axiomáticasnãoeuclidianas.Estasdemonstraçõesmostravamquealógicapurapodiaassegurar-nosque,seasgeometriasnãoeuclidianasfosseminconsistentes,omesmoaconteceriacomageometriaeuclidiana.Logo,asgeometriasnãoeuclidianaseram,pelomenos,tãorespeitáveisdeumpontodevistalógicocomoageometriaeuclidiana.Oskantianospuderamcontinuaradefender,recorrendoaoutrasrazões,queageometriaeuclidianaeraaverdadeirageometriadomundo,defendendoquehaviaumtipodenecessidadenaverdadedageometriaeuclidianaqueultrapassavaanecessidadedasverdadesqueeramverdadeirasapenasemvirtudedalógica.Noentanto,amaiorpartedosespecialistasqueestavamfamiliarizadoscomaexistênciadasnovasgeometriasestavamconvencidosqueageometriadomundo,talcomoasuafísicaouasuaquímica,eraalgoquesópoderíamosconhecerpormeiodaexperimentação.

Foisónocontextorelativistaqueasgeometriasnãoeuclidianascomeçaramrealmenteadesempenharumpapelimportantenafísicateórica.Arotapartiudoespaçoedotemponewtonianos,passoupeloespaço-tempodarelatividaderestritaechegouaoespaço-tempocurvodateoriadarelatividadegeraldeEinstein.Emcadafasedetransição,osfatosempíricos,osresultadosdaobservaçãoedaexperimentação,desempenharamumpapeldecisivo.

OestudoeanálisedasgeometriaséestruturantenaatualconcepçãoquetemosdonossoUniversoetemsidorecorrentementeestudado.MaisrecentementerecebeuumnovointeressepelostrabalhosdesimulaçãoemambientesdeRV.

Ageometriaeuclidianatradicionalbaseia-senopressupostodequeaslinhasparalelaspermanecemindefinidamenteàmesmadistânciaumasdasoutras,semsetocaremesemseafastarem.Emgeometriasnãoeuclidianas,esse"paralelismodepostulado"édescartado,podendoocorrerduaspossibilidadesprincipais:umaégeometriaesférica,naqualaslinhasparalelaspodemeventualmentetocar,namaneiracomoosmeridianosdaTerrasecruzamnospolos;ooutroégeometriahiperbólica,emqueelesdivergem.

Paraexploraraspossibilidadesmatemáticasdegeometriasalternativas,comaajudadeambientesvirtuais,osmatemáticosconstroemespaçoscurvos,não-euclidianosemqueaslinhasparalelaspodemcruzar-seouseparar-se,umconceitocontraintuitivocomimplicaçõesparaateoriadeEinstein,subjacenteàgravidade,etambémparaasismologia.

Nadécadade1980,omatemáticoBillThurstonrevolucionouoestudodas

geometrias3D,emparteimaginando-sevagandoporelas.Posteriormentematemáticosdesenvolveramanimaçõeseatémesmosimuladoresdevooquemostramumavisãointernadosespaçosnão-euclidianos.RecentementeostopólogosMatsumotoeSegerman,daUniversidadeEstadualdeOklahoma,emStillwater,criaramo“HyperbollicVR”,quesimulaumUniversocurvonoqualasregrasnormaisdegeometrianãoseaplicam(Hartetal.,2017).Umdosfatosmaisestranhossobreoespaçohiperbólicoéasuavastidão.Considerandoque,noespaçoeuclidiano,aáreasuperficialdentrodeumdeterminadoraiocrescetãorápidoquantooquadradodoraioeovolumecrescetãorápidoquantoseucubo,emáreasevolumeshiperbólicosaumentammuito(exponencialmente)maisrapidamenteemrelaçãoaoraio(verFigura13.4).

Figura13.4:Avisualizaçãosimplesdestesobjetospodeserdedifícilcompreensãodasuageometria.Contudo,emambientevirtual,éperceptívelcomooscubossemodificamàmedidaquesãoobservadosemângulosdiferentes,assimcomooscubosnoespaçoeuclidianoaparecemdemaneiradiferentedependendo

doângulodeobservação.Fonte:elevr.com/portfolio/hyperbolic-vr/

Emcomparaçãocomasvisualizações3D,exibidasemumateladecomputador,osambientesvirtuaistêmavantagemdereproduziromodocomoosraiosdeluzatingemcadaolho.Noespaçoeuclidiano,olharparaumpontonoinfinitosignificaqueaslinhasdevisãodosdoisolhosseguemlinhasparalelas.Masemummundohiperbólico,essesdoiscaminhosseseparariam,forçandoumarespostadiferentedoespectador.

AexploraçãodeespaçosdestanaturezatemsuscitadoointeressedeoutrosinvestigadoresmatemáticoscomoDaanMichielseDavidDumas.Michiels,matemáticodaUniversidadedeIllinoisemUrbana-Champaign,desenvolveuumuniversohiperbólicovirtualcomoumprojetodeestudanteem2014eDavidDumas,topologistadaUniversidadedeIllinoisemChicago,eseusalunoscriaramumjogoderacquetballemumespaçohiperbólicovirtual,noqualumabolaenviadaemqualquerdireçãoeventualmenteretornaaopontodepartida.

ApesardenãosercomumassociarainvestigaçãoemMatemáticaàutilizaçãodeambientesdeRV,estespodemvirapropiciarumanovaferramentaexperimentalquepropiciemaosmatemáticosnovasdescobertas.Avisualizaçãodefractais,porexemplo,levouadescobertassobreamatemáticasubjacente.

Odesenvolvimentodastecnologiascomputacionais,particularmenteaoníveldacapacidadegráfica,edohardwaredeRA,noquerespeitaasuaportabilidadeeusabilidade,propiciouqueosambientesvirtuaisimersivosfossemvistoscomoumnovomeioaliadoàinvestigaçãocientíficadasciênciasexatas,particularmenteparaanálise,compreensão,exploraçãoeinteraçãocomdadosnuméricosdeelevadoporte.Noiníciodesteséculoestá,assim,abertaumanovajanelaparaodesenvolvimentodainvestigaçãocientífica,quepermitiráaosinvestigadoresqueimaretapasedesbravarnovoscamposdoconhecimento.

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Capítulo14-Engenharias

AlexandreCardosoEdgardLamounierGersonF.M.Lima

Nestecapítulo,serãodiscutidasaspossibilidadesdeaplicaçãodastecnologiasdeRealidadeVirtual(RV)eRealidadeAumentada(RA)nasEngenharias,sejanoapoioaodesenvolvimento,sejanaoperaçãoe/oumanutençãodesistemas,sejanaprospecçãodenovosprodutosetecnologias.

14.1Introdução

ConsiderandoaaplicaçãodeRVeRAnasEngenharias,háquesedestacarqueastecnologiasdesoftwareehardwarerelacionadascomasmesmascontribuemparaqueosusuáriosdessasaplicaçõestenhamumaexperiênciamaisamigávelerealistaaointeragircomosobjetosdocenáriovirtual.Acapacidadedereproduzirambientesvirtuaisdeformaimersivaeinterativareduzasdiferençasexistentesentreocenáriovirtualearealidade,facilitandoatransferênciadoconhecimentoobtidopormeiodaferramentadetreinamentoparaumasituaçãoreal(Linetal.,2002;Wexelblat,1993).

Anecessidadedeinovaçãoeasustentabilidadesãoconsideradastendênciasiminentesparaasempresasquepretendemcontinuarcompetitivasnomercadoglobalizado,poisasempresaslocaisestãosujeitasaomercadoglobal.Omercadoexigeafabricaçãodeprodutosdeconsumoinovadoresdaformamaisrápidapossível.Porém,osprocessosdecriaçãopodemsermuitocomplexoseosprazospodemnãocorresponderànecessidadedoconsumidorporprodutosnovosemelhorestodososdias.

ARAaindaseapresentadeformaincipiente,masédemandaatualdepesquisaedesenvolvimento,noscenáriosdasuniversidadeseempresasdealtatecnologia.Idéiaseimplementaçõesdedispositivosetécnicasdeinteração,ferramentasdeautoriaetécnicasdeapresentaçãoparaaplicaçõesdeRAsurgem,nosentidode

amplificarapercepçãosensorialhumana.Algumasdestasseaproximammuitodasáreascorrelatas,comoaRV,multimídiaounarrativasdigitais.Háquesedestacar,entretanto,propostasespecíficasnosdomíniosdaRA.

Dentreasvantagensdeadoçãodestastecnologias,pode-sedestacaravisualização,emumespaçotridimensional,deprotótiposemaltopadrão,comosefossemreais.Esteprocessootimizacustoseaprimoraoprodutoemprocedimentosdesimulaçãoque,porsuavez,antecipamproblemasepermitemaevoluçãoefetivadascaracterísticasdeprojeto,comavisualizaçãodesimulaçõesparaasáreasdeengenhariaedesign.Nocontextodainovaçãoedasustentabilidade,agestãodociclodevidadeprodutosdeveconsideraralimitaçãodosrecursosnaturais.Portanto,ainovaçãocomoorigemmaiordageraçãodevalor,deveserpautadapelosdesafiosimpostospeloconceitododesenvolvimentosustentável,ondeaRVeaRAmuitocontribuem,associandoassimganhoseconômicos,atitudeseaçõesqueconsideremapreservaçãoambientalearesponsabilidadesociale,consequentemente,acompetitividadedasempresas,especialmentenasengenharias.

Nafabricaçãodeautomóveis,porexemplo,osengenheirospodemplanejarvirtualmentecadadetalhedoveículoaserproduzido.Jáasequipesdemarketingevendaspodemcriarcampanhasutilizandoumconfiguradorparapossibilitaraosclientesconstruíremeinteragiremcomocarro,deacordocomoseusonho.Nafabricaçãodeaeronaves,osengenheiros(QuintanaeMendoza,2009)podemdesenvolvervirtualmentetodososelementosdoprojeto,internaouexternamente.Asindústriasdebensdeconsumo(KirnereKirner,2011)podemcompararetestaravariaçãodeseusprodutosutilizandomodelosvirtuais.Osdesenvolvedoresavaliamosdiversosmateriaisecriamaaparênciavisualdoprodutoemtodososângulosdevisualização.Osmesmosprotótiposvirtuaispodemserutilizadosparaelaboraçãodematerialdepropagandaeapresentaçõesinterativas(Jiangetal.,2015).

Nãomenosimportante,naáreadeEngenhariaBiomédicaaplicadasnamedicina,estácrescendoatravésdasaplicaçõesparaapoioemdesimulaçãoetreinamentodeprocedimentoscirúrgicos.Nestecaso,aprecisãoeavisualizaçãodeinformaçõesmédicasganhamterrenonareduçãoderiscosàvidahumana,principalmente,comapossibilidadedeverificaracondiçãodeumórgão,emtemporeal,quandoassociadocomimagens(sinaisdigitais)advindosdeequipamentoscomoostomógrafoseressonânciamagnética.

Estastecnologiaspodemserconsideradascomoinovaçõesdisruptivas,poisalteramassoluçõestécnicasprofundamente,levandoanovassoluçõesenovosprodutos.Amedidaqueestastecnologiasevoluem,novosmercadospodemsercriados.OusodeRVeRAemumaempresaéumprocessoqueenvolvetecnologia,pessoaseprocessos.

14.1.1VantagensdaadoçãodesistemasdeRVeRAparaaplicaçõespráticasdeengenharia

ComovantagensnautilizaçãodaRVedaRA,naengenharia,distinguem-se:

I. motivaçãodeclienteseusuáriosdeformageral,baseadanaexperiênciadeprimeirapessoavivenciadapelosmesmos,comretençãodainformaçãovivenciadadeformainterativaepessoal,outambémchamandode“mapamental”;

II. grandepoderiodeilustrarcaracterísticaseprocessos,emrelaçãoaoutrosmeiosmultimídia,comdispensadegrandesarquivos;

III. permitevisualizaçõesdedetalhesdeobjetos,desdeestruturasmicroscópicasauniversos;

IV. permiteexperimentosvirtuais,nafaltaderecursos,ouparafinsdeeducaçãovirtualinterativa;

V. permiteaoengenheirorefazerexperimentosdeformaatemporal,foradoâmbitodeumaatividadeclássica;

VI. porquerequerinteração,exigequecadaparticipantesetorneativodentrodeumprocessodevisualização,treinamento,aperfeiçoamentoe/ouatualização;

VII. encorajaacriatividade,catalisandoaexperimentação,aprimorandooresultadofinal;

VIII. provêigualoportunidadedecomunicaçãoparadiferentesáreasdaengenhariaremotamenteafastadas,apartirderepresentações;

IX. ensinahabilidadescomputacionaisededomíniodeperiféricos;X. possibilitaumambientedetreinamentoseguro,evitandoacidentesreais

comsereshumanos.

14.1.2DesafiosdoDesenvolvimentodeSoluçõesdeRVeRApara

asEngenharias

DentrodasfasesdeconcepçãodesistemasRVeRAnaengenharia,pode-sedestacar,inicialmente,trêspontosimportantesquedevemserprevistos:

Primeiroponto:Esseambientevirtualéumacenatridimensionalgeradaporcomputador,querequeraltaperformancedependendodonívelderealismo;Segundoponto:Omundovirtualéinterativo.Ousuáriorequerrespostasemtemporealdosistemaparapoderinteragirdeumamaneiraefetiva.Assim,oambientevirtualdevesecomportaranalogamente;Terceiroponto:Ousuárioestáimerso.UmadasmaioresmarcasdossistemasdeRVéoHMD.Essesdisplaysbloqueiamtodoomundoexternoeapresentam,paraquemoveste,umavisãocompletamentecontroladapelocomputador.Eleestátotalmenteimersonummundoartificialeficaseparadodoambientereal.ParaqueessaimersãopareçarealísticaosistemadeRV/RAdeverastrearomovimentodousuárioedeterminarqualefeitoessemovimentoteránacenaqueestásendoprocessadaeexibidanoHMD.

Paraisso,estímulosgeradospelatecnologiasãoenviadosaocorpoqueestáimerso.Issonãoquerdizer,necessariamente,quetodoocorpoestáimerso,ouquetodosossentidossãoestimulados(Raposo,Szenberg,GattaseCeles,2004).Imersãoenvolveasensaçãodeestaremumoutroambienteouestarvendoomundosoboutropontodevista.Nãoestá,necessariamente,vinculadaàRV,poispodemosfalarem“imersãomental”,quandonossentimosdentrodeumahistórianarradaporumlivroouporumfilmenocinema.ARVenvolvea“imersãofísica”,queéosentimentodeestarcomocorpodentrodesseoutroambiente.

EmRA,paraqueoaumentonoambienterealsejaeficiente,osobjetosvirtuaisgeradosnocomputadordevemserprecisamenteposicionadosjuntocomtodasasdimensõesdomundoreal–denominamosissodeRastreamentoouRegistro(verseção2.5).Errosnessesrastreamentospodematrapalharnavisãocombinadadepois.Orastreamentocorretodevesermantidoenquantoousuáriosemovimentanomundoreal.Discrepânciasoumudançasnessaaparênciairãodistrairousuário,oquetornaaRAmaiscomplexaepodetornarosistemainútil.

UmsistemadeRAdevemanterorastreamentodetalmodoqueasmudançasnacenaprocessadaestejamalinhadascomaspercepçõesdousuário.Quaisquererrosaquisãoconflitosentreosistemavisualeosistemacinético.Poroutro

lado,errosnafaltaderastreamentonosistemadeRAestãoentredoisestímulosvisuaisqueestãotentandofundir-separatornaracenaúnica.

GeraçãodeObjetosVirtuais:Comobaseiam-seemcomponentesem3D,faz-senecessáriaamodelagemdoselementosqueserãoutilizadosnosambientes.Talmodelagemrequerdetidaavaliaçãodedemandas,perfisdosobjetosvirtuais,capacidadederenderizaçãodemáquinasdestinoeaderênciadosmodelosaosusuárioseaosambientesvirtuaisafins.

ConcepçãodaInterfaceComportamental:Paraatingirbomgraudeimersão,faz-senecessáriaaconcepçãodainterface,comdefiniçãodafunçãodetransferênciaquepermitaprocessosinterativosdeformanatural,dispensandoaprendizadodeequipamentose/ouadaptaçõesincômodas.Écomumencontrarsoluçõesnasquaisaescolhadoperiféricoseantecipouadefiniçãodasolução,impelindoasoluçãoaodesuso;

AspectosdeImersão:Oprocessodeutilizaçãodosambientesvirtuaiseaderênciaaoensino/aprendizagemdemandaaperdadadescrençaporpartedousuárionaexperimentação/navegação/interação.Viabiliza-setalcaracterísticacomaimersãodomesmonoambiente,pormeiodeaspectosdecomportamentodesejado,comportamentopercebidoeatuaçãomotora.Sintetizando,oconjuntodesoftwareehardwaredeveestaradequadoàcondiçãodepresençadousuário,comprocessosintuitivosquecapazesderepresentaraçõescomplexaspormeiodapercepção/visualizaçãoereaçãointuitivaademandasdainterface.Nestedesafio,asações,tomadasapartirdaspercepçõessãointuitivas,naturaisebemrepresentadasnoscenáriosvirtuais.

Dentreestes,osprincipaisdesafiosparaaimplantaçãodesistemasRVeRAsão:

1. Obtençãodefundosparaoinvestimentovisandocobrircustos.2. Geraçãodeconteúdo;3. MontagemdolaboratóriodeRVeRA;4. Requisitosdosistema;5. Projetodosistema;6. Avaliaçãodosistema;7. Implementação;8. Quebradeparadigmanoambientedetrabalhoenecessidadede

solidariedadedosmembrosdaempresaparaestenovoparadigma.

RVeRAsempreapresentaramdesafiosparaasuapopularização,decorrentesdadependênciadedispositivosespeciaisedeaplicaçõesdesenvolvidasporempresasouespecialistas.Afortemotivaçãodessasáreasnaspessoas,advindadousodeinterfacesavançadasemaisintuitivasnoespaçotridimensional(3D),nãofoisuficienteparasuperaraslimitaçõesetorná-laspopular.

14.2CenárioAtual

ApesardograndeavançodastecnologiasdeRVeRA,asuaaplicaçãopráticanasáreasdeengenhariaaindaétímidaemotivodediversaspesquisasparaseuusopráticoeefetivo.OrelatórioHypeCycleforEmergingTechnologieséoCiclodeHypeGartneranual,forneceumaperspectivainter-indústriasobreastecnologiasetendênciasqueestrategistasdenegócios,lídereseminovação,líderesdeR&D,empreendedores,desenvolvedoresdemercadoglobaleequipesdetecnologiaemergentedevemsempreconsiderarnodesenvolvimentodecarteirasdetecnologiaemergente.Segundoo“HypeCycle”(Gartner,2017),podemosobservarnaFigura14.1,queambasastecnologiasRVe,logoseguidapela,RAestãosaindodo“valedadesilusão”einiciamlentamenteocrescimentoparao“aclivedailuminação”,definidacomoafaseondeocorreusoeacelebraçãodarazão,faseestapelaqualossereshumanosentendemouniversoemelhoramsuaprópriacondição.

Figura14.1-TecnologiasEmergentes.Fonte:Gartner(2017)

Oecossistemaemtornodoconteúdoedosserviçosvirtuaisprecisaevoluirparaquesuacriaçãoedistribuiçãofuncionemcorretamente.Avelocidadedainternet,oprojetodoóculos,opodergráficoeopróximociclodosconsolesserãocatalisadoresimportantesnestecrescimento.

Figura14.2-TaxadeadoçãodeRVeRA[https://www.bloomberg.com.br/blog/o-mundo-virtual-pode-ser-realidade-ate-2020/]

DeacordocomaGlobalVirtualRealitySoftwareMarketandForecastorankingdasaplicaçõespodeserclassificadodaseguinteformamundialmente:

1. Videogames,2. VideoEntertainment,3. Eventosaovivo,4. BemEstar,5. Turismo,6. Social,7. CuidadosdaSaúde,8. Engenharia,9. Imobiliárias,10. Educação,11. Varejo,12. Outros.

OmarketingcorporativopodeserfundamentalparagerarumamplointeressepelaVRnocurtoprazo.OmarketingcomousodaVRvaiatingirosconsumidoresnospróximosanos,incentivandooenvolvimentocomatecnologia.

AsvendasdocomércioeletrônicodevemsebeneficiarcomaadoçãodaVRnascomprason-line.Osestúdiosdecinemadevemexpandiraaudiência,comempresascomoLegendaryPictureseDisneyinvestindoemMagicLeapeJaunt.Possibilidadescomoumescritóriovirtualemcasaestãomaisadiantenessefluxo,maspoderãomotivaroenvolvimentodoconsumidorcomaVRnosciclosposteriores.

14.3EstudodeCasoemEngenhariaElétrica

14.3.1-EngenhariaElétrica:AssociandoTécnicasdeHolografiacomPráticasBIMparaDesigndeSubestaçãoElétrica

OsurgimentodastécnicasBIM(BuildingInformationModeling)mudaráos

procedimentostradicionaisdedesignemanutençãoparasubestaçõeselétricas.Alémdisso,aHolografiaComputacional,suportadaporcomputadoresportáteis,têmopotencialdepermitirotrabalhodeengenhariasimultânea,combaseemcapacidadesderealidademistaevisãodecomputador.Acredita-sequeesteconjuntodeferramentasiráaumentarasdecisõesdedesigndeengenharia.Nestetrabalho,propomosumconjuntodetécnicasparasuportarumprojetodesubestaçãocompleta,queécriadousandoconceitosBIMqueexploramosbenefíciosdomundoholográfico.

Asexperiênciasdemonstraramqueoacoplamentodessastécnicastemopotencialdereduziracurvadeaprendizadodosusuários,umavezquealteraocaminhodacolaboraçãoentrediferentesespecialistasprofissionaisconsiderandoasintençõesdesimulação.

14.3.2-Introdução

Umasubestaçãodeenergiaelétricaéconsideradacomoumsistemaaltamentecríticodeengenharia.Portanto,ferramentasdesimulaçãobaseadasemcomputadordesempenhamumpapelmuitoimportantenapreparaçãodeengenheirosparalidarcomsuasquestõesdesegurança.Nosúltimosanos,comoavançodamultimídiaeRV,osetordeenergiatemsebeneficiadonaobtençãodeambientesdesimulação,combasenessastécnicas.

Defato,estessistemaspermitemreduzirostemposdemanobra,facilitaracomunicaçãoentreassalasdecontroleremotoeosoperadoresnolocal,bemcomomelhoraraqualidadedoserviço(Vehetal.,1996;QuintanaeMendonza,2009).Alémdisso,RVtemsebeneficiadocomesseprogresso,tantoemplataformassofisticadasepopulares(KirnereKirner,2011).

AlgunsestudostêmexploradoRVparamuitasaplicaçõesarquitetônicasedeconstrução.RVtempotencialparaajudarostrabalhadoresdemanutenção,projetosegestão,evitandoerroseacidente(KirnereKirner,2011).

Damesmaforma,asiniciativasdoBIMcresceramcomferramentasdeprojetoquefornecemascapacidadesnecessáriasparaumaespecificaçãodeumasubestaçãonafasedeprojeto,gestãoesimulação,porexemplo,acriaçãodossoftwaresSDSDesignSuite®eInventor®.

Assim,oobjetivogeraldestetrabalhoéavaliaraspráticasdeBIMparaagestão

eplanejamento/operaçãodeprocedimentosdesubestaçõeselétricas.Devidoaosprojetosdesubestaçõesdeenergiaseremcadavezmaiscomplexoseexigemprazosdeentregamaiscurtos.Alémdisso,anecessidadedereduziroscustosobrigaosengenheirosnãoapenasaotimizarseuslayouts,mastambémausarosprocedimentosdeprojetocomamáximaeficiência,semdesistirdamáximasegurançaemrelaçãoàinformaçãogerada(VasconcelloseHernandes,2015).

14.3.3BIM(BuildingInformationModel)

OBIMéumarepresentaçãodigitaldascaracterísticasfísicasefuncionaisdeumainstalação,queconsisteemumaúnicafontecompartilhadadeinformaçõesformandoumabasededadosconfiávelparaasdecisõesaolongodetodooseuciclodevida,desdeestudospreliminaresatéaofimdasuavidaútil.

Destaforma,oBIMtrazquantidadesepropriedadesdecomponentestaiscomocaracterísticastécnicas,exemplosefabricantes,nãoapenasumdesenho3D,ouseja,ummodelocontidopelageometriadasinstalações.Eletornaimperativoaorepresentarumprojetocomoumacombinaçãode"modelosgeométricos",seusatributosearelaçãodesses"modelosgeométricos"comoutroscomponentes.

UmaspectodosoftwareBIMéqueelesdefinemosobjetosemtermosparamétricosepelasrelaçõescomoutrosobjetos,demodoqueseumparâmetrodeumobjetoéalterado,todososparâmetrosdependentessãoatualizadosautomaticamente(VasconcelloseHernandes,2015).OBIMofereceaoportunidadederealizaroprojetoemespaço"virtual"edefinirasinformaçõesnecessáriasantesdousodosrecursos.Emvezdeenfrentarproblemaseconflitosduranteafasedeconstrução,oBIMofereceaoportunidade-atodososparticipantesnoprocessodeprojeto-deusaraplicativosbaseadosemcomputadorpara,porexemplo,visualizaromodelo3D,paraanteciparproblemasenquantoosprojetosaindaestãoemandamento.Istotornapossívelidentificareselecionaraformamaisadequadadeaçãonacorreçãooumelhoriadoprojeto,muitoantesdodetalhe,especificaçãoouconstruçãodainstalação(TheNationalBIMStardard).

Paraosprofissionaisenvolvidosemumprojeto,oBIMpermitequeomodelovirtualsejatransferidodaequipedeprojetoparaasequipesdeconstruçãoemontagem,incluindosubfornecedorese,emseguida,paraoproprietário.Cadaprofissionaladicionaseusdadosespecíficosàdisciplinaaobancodedados,queserácompartilhadocomtodaaequipe.Issoreduzaperdadeinformaçõesque

tradicionalmenteocorreentreasdiferentesequipesenvolvidaseforneceinformaçõesmaiscompletasaosproprietáriosdeinstalaçõesmaiscomplexas.

Comisso,afilosofiaBIMéútiledeveseraplicadaaoprocessodeprojetodesubestação.Paraocasoespecíficodegrandessubestaçõeselétricas,oprocessoBIMpodeseraceleradoaindamaisseaferramentaBIMpermitirousodecomponentes,estruturaseconjuntospadronizadosepelareutilizaçãodessesconjuntosnosprojetos(VasconcelloseHernandes,2015).

14.3.4RealidadeVirtualAplicada

ARVpodeserdefinidacomoumatécnicacomputacionalusadaparacriarumambienteartificial,noqualousuáriotemasensaçãodeestardentrodesteambienteeteracapacidadedenavegar,modificareinteragircomseusobjetosdemaneiraintuitivaenatural”(CardosoeLamounier,2006).

Dentrealgumasdasaplicaçõesmaistradicionaisestãonaáreamédicaosprincipaissãocirurgiaereabilitação,educaçãoeentretenimento,simulaçõesmilitares,sistemasdemanufatura,robóticaevisualizaçãodainformação.EmalgunsprocedimentosdetreinamentorecriadosporRVincluematividadescomomontagem,desmontagem,manutençãoeoperaçãodeequipamentoseestruturascomplexas,semexporosparticipanteseosequipamentosreaisariscosinerentesdestasatividades(BurdeaeCoiffet,2003).

AmbientesdeRVcompõemvaliosasferramentasparatreinamentoeoperaçãodesistemascríticosdeengenharia.Porsetratardemodelosdeinterfacehumano-computadoraltamenterepresentativos,essessistemasdiminuemasdiferençasentreomodelodeoperaçãovirtualeomodeloreal,propiciandoaosoperadoresumaexperiênciaúnicadeinteração.Alémdisso,possibilitamarealizaçãodetreinamentoàdistânciasemperdasignificativadeinformaçãovisual.

AsaplicaçõesdeRVemsubestaçõesdeenergiaelétrica,noentanto,vãoalémdecontrolesupervisórioeoperaçãodemanobras(BurdeaeCoiffet,2003;LorenseneCline,1987;Okapuu-vonVehetal.,1996).Oplanejamentodamanutençãonospátiosounosequipamentostambémpodeserconsideravelmenteauxiliadoporcenáriosvirtuais.QuefoiestudadonotrabalhodeviabilidadedeexpansãodasubestaçãodeXochimilco(México)(LorenseneCline,1987).

Ousodeambientesvirtuaisdesubestaçõesseproporcionaeconomiadetempoe

degastos,umavezqueosoperadoresnãonecessitamsedeslocarparaestaremdentrodasubestaçãoaserestudada(Barataetal.,2015;Barcelosetal.,2013).

14.3.5TrabalhosCorrelatos

ParadesenvolvimentodestetrabalhobuscouestudartrabalhosrelacionadosaodesenvolvimentodeaplicaçõesbaseadasemtécnicasdeRealidadeVirtualqueutilizaramosconceitosdeBIMparaprojeto,manutenção,operaçãoouensinoparaodesenvolvimentodesistemasdeengenharia.DefinimosaspalavrasBuildingInformationModelingeSubestaçõesdeenergiaelétricaparaselecionarostrabalhoscorrelatos,poucostrabalhosforamencontrados.PesquisascomoutraspalavrastambémforamrealizadascomapenasBIM.Ostrabalhosqueestavamcommaiorrelaçãoaesteforamselecionadosecitadosaseguir.

1)RAparaAutomaçãodeSubestaçãoUtilizandoaComunicaçãoIEC61850(Samimetal.,2013).EsteartigocombinouIEC61850comRAparaadicionarinformaçõesvisíveisaousuárioparaumasubestaçãodeenergia.Foramusadosmarcadoreseumsmartphoneparaimplementarosistema,queseconectacomoSCADAparareceberasinformaçõesdoequipamentodasubestação.EstetrabalhoconcluiqueumsistemasimplesdeRApodeprovervaloressignificativosparamanutençãoeinspeçõesregulares,assim,reduztemporequeridoparaessatarefaeajudaosengenheirosnamanutençãodosequipamentos;

2)TreinamentoVirtualdeVigilantesdeIncêndioAtravésdeAmbientesImersivos3D(Microsoft,2017b).EsteartigoapresentouumaplicativodeRVinterativoparatreinarespecialistasemprevençãoderiscosocupacionaisemaisprecisamentesobresegurançacontraincêndioemedifícios.Aplataformapermiteasimulaçãodeincêndiosemtodooedifício.Ofogosimuladovaireagircomoambiente,propagando-sedemaneirasdiferentes,dependendodeváriosfatoresfísicos.AmodelagememBIMfoiaplicadaàlogísticadasimulação,dandodiversasinformaçõessobreoedifício.Destasformasosnovosbombeirosbeneficia-sedaexperiênciarealistaoferecidapelaRVeadquiremconceitosrelativosàsegurançaaotrabalharemumincêndiodeformainterativa;

3)InnovativeapproachtothesubstationdesignusingBIMtechnology(Kokorusetal.,2016).EsteestudodesenvolveuumsoftwarebaseadoemummodelohospedadoBIM,contendotodasasinformaçõesdosequipamentos.Elefoidesenvolvidodeformaquemostraumaestruturacompletadomodeloesuporta

trabalhar(editaroutrocar)nessaestruturaemCADeemníveldebancodedados.OmétodoBIM,queéabasedosoftware,éumanovaabordagemnomundododesignefornecesoluçõesparaaabundânciadequestõesqueosengenheiroslidamcomemcadaprojeto,todososdias.Otempodeprojetodasubestaçãoéreduzidoconsideravelmenteeoprocessodeprojetoésimplificadoelógico.Atravésdeumavisãocompletadeumasubestaçãoeseusaspectosimportantes,osoftwareforneceumdesignrápido,fácileeficiente.Oferecendointeraçãoentredesignersdediferentesramos.Foramdesenvolvidosdiversomódulosparaquefacilitasseotrabalhodosengenheiros;

4)AplicaçãodeMetodologiaBIMnoProjetoeConstruçãodeGrandesSubestações(FEI,2017).EsteartigodescreveassoluçõesadotadasnodesenvolvimentodeumpacoteBIMparaprojetosdegrandessubestações.Elescriaramumbibliotecademodelos3Dmodeladosparametricamente,coletaramdadosecriaramumbancodedados,naferramentadoBIMinseriramainteroperabilidadeeinterfaceIFCparatrocadedadoseimplementaramocálculoeanálisedosistemadeproteção.Econseguiramdiversosbenefíciosparaaengenhariadesubestações,como,porexemplo,gerenciamentodetodoociclodevidadoprocesso,determinaçãodefatorescríticosdeexecuçãoedecustosnafaseinicialdeplanejamento,capacidadedeidentificaçãodeinterferências,elaboraçãoautomáticadelistasdemateriais,geraçãoautomáticadedesenhos2Dassociadosaomodelo3D,entreoutros;

5)UsodoBIMemProjetosdeInfraestrutura(CTI2017).EstetrabalhoutilizoudasferramentasBIM,navegandopelasváriassoluçõesAutodesk®,paraoplanejamentodetodasasetapasdaconstruçãodeumabarragemeusinahidroelétrica.Concluíramqueaoseconstruirummodelovirtualdeumaobrasãonecessáriosconhecimentoseprocuradesoluçõesquepassampelasváriasdisciplinasenvolvidas.Issoviabilizaadiscussãodeaspectosquenormalmentesóseriampercebidosduranteaexecuçãodaobra,comtodososconhecidostranstornosresultantes.

Comopodemosobservar,ostrabalhos1,3,4e5possuemumobjetivoemcomum,planejarumaobrautilizandodoconceitoouferramentasBIM.Jaobjetivodotrabalho2éutilizardosbenefíciosdoBIMparasimularumambientepróximodorealsemqueosbombeirossoframalgumriscodevida.Assimcomootrabalho2oobjetivodestetrabalhoéutilizardassimulaçõesemRV,construídacomferramentasBIMparaauxiliaramanutençãoeoperaçãodeSubestaçõesElétricas.

ATabela14.1apresentaumjulgamentoentreostrabalhoscorrelatosemrelaçãoaosaspectospertinentesdeeusodoBIMeRV.

Tabela14.1.Tabelacomparativaentreostrabalhoscorrelatos.

Amanutençãoeoperaçãodesubestaçõesdeenergiaelétricasãoprocessosmuitoimportantes,quenecessitamdeorganizaçãoeumbomplanejamento,poisfazempartedodiaadiadosengenheiroetécnicos.Esperasequecomasimulaçãodessesprocessos,construídacomumamodelagemparamétrica,diminuamosriscodeacidentes,erros,tempoderespostaeinvestimentos(SistemasTelemedicinaInternacionais,2017).

Comoestudodeoutrostrabalhosépossívelafirmarque,apesardoBIMserumaferramentamuitopoucousada,devidoaoscustos,porém,elavemtrazendodiversosbenefíciosnasobras.Espera-seque,assimcomoemoutrosestudos,elapossaauxiliarnoprojetodemanutençãoeoperaçãodesubestações,poreste,possuirváriaspartesenvolvidas,muitasvezessobrepostasemsuasfunçõescomnecessidadederealizarapartilhadedadosduranteváriosprocessos.Istoenvolvearquitetos,engenheirosestruturais,engenheiroscivis,engenheirosdesistemaselétricosemecânicos,avaliadoresdeenergia,designersegerentesdeinstalações.

Umefeitonaturaldeváriosmembrosparticipandoconcomitantementenoprocessoglobalétambémumaumentodosesforçosdecoordenaçãoedocumentaçãonecessários.Atrocadeinformaçõeseapartilhaentrediferentessistemasdecomunicaçãoedisciplinaslevouaváriasabordagensnamodelagemdainformaçãoparacriaçãodenovasespecificações.AssimasempresaspodemutilizardoBIMparamelhoraraqualidadedomodelodeconstrução,manutenção

eoperaçãoetorná-lomaisartístico,maisfácildesertrabalhadoemaispreciso.

Nofuturo,autilizaçãodomodeloBIMdurantetodoociclodevidadainstalaçãopromoveráumaeficientepartilhadeinformaçãobaseadanaWebnosmercadosdeArquitetura,Engenharia,ConstruçãoeConstruçãodePropriedadeeExploração(AECOO).Porexemplo,aspessoaspodemusaroBIMparacriarumalinhadetempoeumasequênciadeinstalaçãoparaseremadicionadasaoscomponentesdeummodelo3D.ElestambémpodemcriarumasimulaçãodeRVpermitindoquetodososenvolvidostenhamumamelhorcompreensãodainstalaçãodoscomponentes,decomosedaráaoperaçãoeoumanutenção.OsmodelosBIMtambémpodemserusadosnorastreamentodasaúdedeumasubestaçãoeparafazermelhoriasnofuturo(Eastmanetal.,2008).

14.3.6DescriçãodoDesenvolvimentodoAmbienteVirtual

EsteprojetoestáemfasededesenvolvimentoerequeralgumasetapasparaacriaçãodoambientedeRV.Comoprotótipo,foiutilizadaumasubestaçãodaCEMIG.Assimametodologiapropostanesteartigoécompostapelosseguintesestágios:

A. Aquisiçãodeinformaçõessobreascaracterísticasdasubestação(planosCAD,fotos,vídeosecatálogosdeequipamentos),pormeiodeumprotocolopadronizado;

B. Definiçãodetécnicasparamodelaroscomponentestridimensionaisdeumasubestação,contemplandosuasinformaçõesconstrutivasenecessáriasparafinsdecontrole,operaçãoemanutençãonasimulação;

C. Geraçãodeumabasededadosdecadaequipamentomodelado;D. Geraçãodoambientetridimensional;E. Modelosdeinterfacepadronizadosparamelhorcontroledenavegação,

leituradeinformaçõesdecomponenteselétricosesimulaçãodeocorrências.

CriandoeExportandoeBimParaOUnity3d®

DevidoàgrandequantidadedeinformaçõescontidasemummodeloBIM,

construirumambientevirtualrealistaequesejacapazdesimulartodasaspropriedades,podendoplanejaramanutençãodeumasubestação,semteranecessidadedecoletarprojetosouterqueiraolocaldaobra,tornaseumtrabalhodetalhista.Assim,oprocessodeconcepçãorequerváriospassosepodevariardependendodousodoambiente,comomostradonaFigura14.3.

Figura14.3.Pipelineparacriaçãodoprotótipo.

Apartirdefotosedocumentosdeconstrução(CAD,arquivosdecomponentes,documentaçãodofabricanteetc.),inicia-seaconstruçãodemodelos3Dqueirãocomporoambientevirtual(modelagemfísicaedeinformação)noInventor®.Aanimaçãodecadamodeloémodeladano3DSMAX®,entãoévalidadaeinseridaemumaBibliotecadeModelos,queagrupaaindafotoseoutrosdocumentos.

Paraaconstruçãodoambientevirtual,conformemostradonaFigura14.4,aideiaéutilizardeumsistemaquepermiteaconversãodeplantasdasubestaçãoemCADemambientesvirtuais(geraçãosemiautomáticaparaambientesvirtuais,pormeiodoprojetoCAD2D)(Microsoft,2017c).Usandotalmecanismo,umambienteVRincompletoégerado,semcaboseconexõesentreosobjetoselétricosvirtuaisdistintos.Porfimcria-seoscabos,comscriptdeparábolaeditável,assimcomonoambientereal.Porsuavez,oprojetoéenviadoparaafasedeassociação.Aqui,cadaelementodomodelovirtualéassociadoaumidentificadordentrodosistemaSCADA(Scalvini2010),gerandocondiçõesnoambientevirtual,paraapresentaroestadodecadacomponentemonitorado.

Figura14.4.SubestaçãoCompletamenteconstruídaparaambienteHolográfico

Esteprojetoaindaestáemdesenvolvimento,aideiaécriarmódulosdesimulaçãoparaauxiliarosprocessosdemanutençãoeoperaçãoemsubestaçõeseestudarosimpactoscausadospelaaplicação.

VáriostrabalhosqueusamRVtiveramresultadossatisfatóriosemsoluçõesparasistemascríticosdeengenharia(Barataetal.,2015;Barcelosetal.,2013;Billeetal.,2014;Diezetal.,2016;HagedornandDöllner,2007;Okapuu-vonVehetal.,1996;QuintanaandMendoza,2009)amaioriarelatouquetiveramdiminuiçãodotempodeoperação,menornúmerodefalhar,menosacidentesediminuiçãodecustosemtodosasetapasdoprojeto.ComajunçãodaRVeBIMespera-sequeosbenefíciossejambemmaioresemaisprecisos,jáquecomoBIMépossívelacompanhartodasasetapasealterarosdadossemquehajaperdaouinconsistênciadedocumentação.

Atravésdacriaçãoeaplicaçãodoprotocolodeaquisiçãodeinformaçãodassubestações,foipossívelgerirdeformaeficazasquestõesrelacionadascomosdadosnecessáriosparainiciaroprocessodeconstrução,oquetambémotornouuminstrumentoeficazparaavalidaçãodestematerial.

Comrelaçãoàsregrasdaconvençãoparamodelagem,foipossívelidentificarqueestassãofundamentaisparaoprocessoqueestáassociadocomtarefasdeautomação,alémdeproporcionarmelhordesempenhoefluidezaonavegarpelosistema.

Paratrabalhosfuturospretendemoscriarmódulosqueauxiliamnoscálculos,visualizaçãoeediçãodeumambientevirtualevalidarosistemaemconjunto

comumaequipedeengenheirosespecializados.

14.4EstudodeCasoemEngenhariaBiomédica

14.4.1Visualizaçãoholográficaemtemporealdecoração3Doriginadodetomografiacoronáriaparadiagnósticosdemúltiplosmédicos

Astécnicasdeimagemmédicadesempenhamumpapelimportantenoprocessodediagnóstico.Atravésdestastécnicas,épossívelobservareanalisardetalhesocultosdaanatomiahumana,oqueécríticoparaosucessodecirurgiasoutratamentosclínicos.Noentanto,parafazê-lo,umaexperiênciaextensanaanálisedeimagensmédicasdigitaisésolicitadaparaosmédicos.Portanto,aprecisãoeamelhortecnologianotratamentodessasimagensdevemserfornecidas.Emparticular,deacordocomoCentrodeControleePrevençãodeDoenças,cercade610.000pessoasmorremdedoençacardíacanosEstadosUnidostodososanos-istoé,1emcada4mortes.

Assim,asferramentascomputacionaisparalidarcomessarealidadechocantetambémsãoimperativas.Nestecontexto,astecnologiasemergentes,comoaRealidadeMista(RM)eaHolografia,estãocrescendorapidamente.Elespermitemque1)acriaçãodemodelosdecomputaçãovirtualdealtadefiniçãodeórgãoshumanose;2)interfacesdeinteraçãodiretademanipulaçãodiretacomessesmodelos3Ddentrodeumambienteholográfico.Estetrabalho[REF???]propõeumconjuntodealgoritmosparaapoiarageraçãodemodelostridimensionaisdecoraçãovirtualapartirdatomografiacoronariana.Porsuavez,essesmodelossãoapresentadosemtemporeal,umaexperiênciaholográficacompartilhadacomoHoloLensdaMicrosoft.Comoresultado,éfornecidaumasoluçãotangíveldediagnósticomédicocolaborativo,utilizandoconceitosderealidadecompartilhadacomoutrosdispositivosdeRMouRA,comooVivedaHTC,ouoOculusRift.

14.4.2Introdução

Aintegraçãodastecnologiasdainformaçãoedacomunicaçãotrazmuitosbenefíciossociais,econômicosepolíticos,comaltasatisfação,reduçãodecustoseexpansãodoacessoàSaúde(SistemasTelemedicinaInternacionais,2017).Nosúltimosanos,oprocessodediagnósticofoiamplamenteauxiliadopor

técnicasdeimagem.Essasimagenspermitemqueosmédicosestudamaanatomiadopaciente,semanecessidadedeprocedimentosinvasivos.Nestecaso,TomografiaComputadorizada(CT)éoprocessodediagnósticomaiscomum.Noentanto,ainterpretaçãodedadosdeimagemrequermuitotempodetreinamento.

Asdoençascardiovascularesdesempenhamumpapelimportantenamorbidadegeraledeficiência,representandoumdosmaioresencargosparaamaioriadossistemasdesaúde(CDC,2016).Atelemedicinapodereduzirapressãosobreosespecialistasmédicos(quesãolimitadosemnúmero)eampliarseusconhecimentosparapacientesemlocaisisoladosouremotos.Naverdade,atelemedicinapareceparticularmentepromissoraemdoençascardiovasculares,porqueasintervençõesiniciaisepersonalizadassãoextremamenteeconômicasemtermosdeeconomiadevidaerecuperaçãofuncional.

Experimentosmostramqueatelecardiologiatemvantagensparaindivíduosquesãopacientesnainteraçãoentrecuidadosprimáriosesecundários.

Alémdisso,osmédicosdeclínicageral(GPs)podemterganhoeducacionaladicionaleasconsultasdeacompanhamentohospitalartambémpodemserreduzidasemnúmero(Scalvini,2010).Areconstruçãodeimagensmédicasemmodelos3Dpodemelhoraresteprocessodeinterpretação.E,quandoessesmodelossãocompartilhadosentreambientesvirtuais,épossívelcriarumaexperiênciaquepermitaaosmédicosparticipardeumasoluçãocolaborativadediagnósticomédico.

Estetrabalhopropõeumatécnicadereconstrução3Ddatomografiacoronáriaparaapoiarodiagnósticomédicodentrodeumcontextodetelemedicina.Oobjetivoéapresentaromodelo3Dreconstruídoemumavisualizaçãoholográficaemtemporeal,podendocompartilharessaexperiênciacomoHoloLensdaMicrosoftemumambientemédicocolaborativo.

14.4.3Fundamentos

A.AngiografiaeTomografiacomputadorizadacoronária

Aangiografiaportomografiacomputadorizadacoronária(CCTA)utilizaumainjeçãodematerialdecontrastericoemiodoetomografiacomputadorizada(TC)paraexaminarasartériasquefornecemsangueaocoraçãoedeterminarse

foramreduzidaspeloacúmulodeplaca.Asimagensgeradasduranteumatomografiacomputadorizadapodemserreformatadasparacriarimagenstridimensionaisquepodemservisualizadasemummonitor,impressasemfilmeoutransferidasparamídiaeletrônica(SociedadeRadiológicadaAméricadoNorte,2017);

B.Reconstruçãodomodelo3Ddastécnicasdeimagens

Asimagensmédicassãoobtidasatravésdeváriastécnicasdiferentes,deacordocomumórgãoouaspectoespecíficoquedesejaobservar.Assim,osdadosresultantestambémsãomuitoheterogêneos,exigindodiferentesabordagensparasereminterpretadas.Atomografiafoiescolhidacomoobjetodeinteresse,porqueéumadastécnicasmaisusadasparaobtermodelos3Ddocoraçãohumano.Osdadosgeradospelatomografiasãosobreadensidadetecidual,armazenadosemformato16Bit,suportandoaté65536variações,emboraoalcanceasdensidadesdocorpohumanonormalmentenãosejatãogrande,exigindoaseleçãodeumajaneladeintervalosparaanalisarcomLimitessuperioreseinferioresnadensidade.AFigura14.5mostraduasfatiasamostraisdeumatomografiatorácica.

Figura14.5.Moldurasdeamostrasdetomografiatorácicadocoração.

ConformeobservadonaFigura14.5,ostonsdecinzarepresentamadensidadedotecido.Portanto,épossívelselecionarumadensidadeespecíficaparaanáliseposterior,bemcomoparagerarmodelosem3D.Cadaquadrodatomografiarepresentaumafatiadapartesuperiordocorpodopaciente,emumaposiçãoespecífica.Porsuavez,estaposiçãoéalteradanapróximamoldura,afimdeobterumafatiadeoutraporçãodocorpo,cobrindotodaaáreadeinteresse.Omodelo3Dégeradoagregandodadoscontidosemtodasasfatiasemumobjetogeométricosólido.

Oprocessodegeraçãodeummodelosólido3Dapartirdasimagensdetomografiarequerumatécnicaparadetectaroslimitesdostecidosegerararepresentação3Dapropriada.Umdosalgoritmosmaispopulares,amplamenteutilizadopelosoftwaredereconstrução3DéoMarchingCubes(LorenseneCline1987).Estealgoritmofuncionadividindooespaçoemcélulascúbicaseprocessandocadaconteúdocelularindividualmente,resultandoemumdos14padrões3Dpredeterminados.Nofinal,égeradaumasuperfíciedealtadensidadepeloalgoritmo.Umalgoritmoalternativo,chamadoMarchingTetrahedra,tambéméproposto.Noentanto,requermaispodercomputacional,umavezqueemvezdeprocessarumúnicocuboporcélula;Oalgoritmoiráinteragircom6tetraédrica(DoieKoide,1991).

Outraabordagemqueseráapresentadanestetrabalhoéoprocessamentodefatiasindividuais,adetecçãodesuasbordase,emseguida,areconstruçãodageometriaconectandoasfatias.Estaabordagemtemavantagemdeaumentarocontrolesobreadensidadedamalha,otimizandooscontornosgerados,emboraexistamalgunsproblemasnaconexãodefatia,comoadecisãodecomoescolherregiõescorrespondentesemfatiasvizinhas.

C.OPadrãoDICOM

Estepadrão,designadoDigitalImagingandCommunicationsinMedicine(DICOM),incorporaumasériedemelhoriasimportantesnasversõesanterioresdopadrãoACR-NEMA(NEMA,2018).UmdosrecursosmaisutilizadosnoDICOMéosubconjuntoStore,quedefineregrasparaacodificaçãodearquivosdeimagem,comocabeçalhodearquivo,tagsquedefinempropriedadeselocaisparaarmazenarosdadosbrutos.

D.Telecardiologia

Atelecardiologiatemsidoamplamenteutilizadanodiagnósticodearritmiaseparaomanejodepacientescomdoençascardiovascularescrônicas.Éimportantenotarqueemmuitascondiçõescardiovasculares,comosíndromescoronarianasagudas,aoportunidadedeoferecerumdiagnósticoetratamentoimediatosmelhoraráosresultadosemtermosdemortalidadeerecuperaçãofuncional(Scalvini,2010).

Nessasituação,médicoseoutrosprofissionaisdesaúdeusamdadoseletrocardiográficosquesãotransmitidosremotamente,emtemporeal,para

interpretaçãoporumespecialista.Issopermitequepessoasespecializadassejamacessadasporespecialistasemlocaisremotos.Oavançodatecnologiaestátornandomaisfácilemenosdispendiosoconfigurarredessemfiooudesatéliteparaessefim,aumentandosuaeficáciaefacilidade(MedicalLifeScience,2017).

E.Interfacesdevisualização/interaçãoem3D

Váriasvisualizaçõesem3Dforampropostas.Esteartigocentra-senaRealidadeVirtual,RealidadeMistaeHolografíaComputacional,descritaaseguir.

1)Realidadevirtual:ARVédescritacomoumainterfacedeusuárioavançada,baseadanos3“I”s:interação,imersãoeimaginação(BurdeaeCoiffet,2003).OsaplicativosdeRVestãoemtodososlugares,desdejogosatévisualizaçãomédica.

2)Realidademista/holografiacomputacional:ARealidadeMisturada(MR)podeserdefinidacomoa"amplificaçãodapercepçãosensorialatravésderecursoscomputacionais"(CardosoeLamounier,2006).Elepermiteumainterfacemaisnaturalaotrabalharcomdadoseimagensgeradosporcomputadoremdadosdecomputaçãoeinformaçõesdomundoreal.UmadascaracterísticasmaisimportantesdaMRéqueainteraçãoocorredentrodoambienterealqueenvolveousuário,garantindo-lheascondiçõesparainteragircomessesdadosnaturalmente.Assim,MRusaaassociaçãodeRVeambientereal,oferecendoaousuárioumamelhorpercepçãodomeioambienteefavorecendosuainteração.

3)HolografiaComputacional:Umaimagemholográficapodesertrazidaàvidaporumaexibição3Dholográfica(umaexibiçãoqueoperadevidoàinterferênciadeluzcoerente),ignorandoanecessidadedefabricaruma"cópiaimpressa"dopadrãodeinterferênciaholográficadecadavez.Consequentemente,nosúltimostempos,otermo"holografiageradaporcomputador"écadavezmaisusadoparadenotartodaacadeiadeprocessodepreparaçãosintéticadefrentesdeondadeluzholográficaadequadasparaobservação.Devidoàtecnologiadecomputadorportátil,épossíveltrazer,emtemporeal,mapeamentointernoeinteraçãocomhologramasemumambientedeRealidadeMista,permitindoaousuáriotrabalharcomconteúdodigitalcomopartedomundoreal.

F.MicrosoftHoloLenseHTCVive

HoloLenséumcomputadorholográficovestívelbaseadonaRealidadeMistae

incorporadoemumfonedeouvidoquepermiteaousuáriover,ouvireinteragircomhologramasdentrodeumambiente,comoumasaladeestarouumespaçodeescritório.AMicrosoftconstruiuofonedeouvidosemanecessidadedeconexãosemfiocomumcomputadoreusoulentesdealtadefiniçãoetecnologiadesomespacialparacriaressaexperiênciaholográficaimersivaeinterativa(Microsoft2017a).

OHTCViveéumfonedeouvidodeRealidadeVirtualprojetadoparautilizaratecnologiadeescaladesala,transformandoumasalaemespaço3Datravésdesensores,comoambientevirtualpermitindoqueousuárionaveguenaturalmente,comacapacidadedecaminhareusarcontroladoresmovidospormovimentosparamanipularvividamenteobjetos,Interajacomprecisão,secomunicaeexperimentaambientesimersivos(HTC,2017).

G.Experiênciasholográficascompartilhadas

Umaexperiênciaholográficacompartilhadaéquandoduasoumaispessoasestãoexperimentandoo(s)mesmo(s)objeto(s)holográfico(s).Podesernomesmooudiferentesambientes.Achaveparaasexperiênciasholográficascompartilhadaséqueváriosusuáriosvêemosmesmoshologramasnomundoemseuprópriodispositivo(Microsoft,2017b).

OMSHoloLensmantémoshologramasnolugarusandováriossistemasdecoordenadasparaacompanharalocalizaçãoeaorientaçãodosobjetos.Quandoessessistemasdecoordenadassãocompartilhadosentredispositivos,épossívelcriarumaexperiênciacompartilhadaquepermitaaousuárioparticipardeummundoholográficocompartilhado.AFigura14.6mostraumexemplodeexperiênciacompartilhadacomHoloLens(Microsoft2017c).

Figura14.6.ExperiênciaholográficacompartilhadausandoHoloLens.Fonte(Microsoft,2017c).

14.4.4Trabalhosrelacionadoscomotema

A.Invesalius.Esteéumsoftwarelivre,desenvolvidodesde2001(CTI,2017).ElepodeserusadoparaabrirarquivosDICOMegerarmalhas3Ddeles.Épossívelcontrolaraqualidade/complexidadedamalhareduzindoonúmerodefatiasutilizadasnareconstrução.Osmodelospodemserexportadosparaformatospopulares,como.OBJeVRML.EleusaoalgoritmodecubosdemarchaparaReconstruçãoem3D.PodeserexecutadonoWindows,LinuxeMacOsX.

B.Amira.Amiraéumconjuntocomercialdesoftwareparaváriasaplicaçõesdiferentes,nãoapenasareconstruçãomédica.Omódulochamado"AmiraparaCiênciasdaVida"éaquelequefazmodelos3DdearquivosDICOM(FEI,2017).ElepodevisualizararquivosDICOM,fazermediçõesegerarosmodelos3D.Oalgoritmousadoparagerarosmodelosésemelhanteaoscubosdemarcha.

C.OsiriX.OsiriXéumsoftwarecomercialmuitopopularqueestásendodesenvolvidonosúltimos10anos(Osirix,2017).ElepodeabrirarquivosDICOM,gerarmodelos3Deexportá-losparaváriosformatos,como.OBJe.VRML.Estesoftwareéexecutadoapenasnasplataformas,desktopedispositivosmóveisdaApple.Possuialgumasferramentaspararefinaromodelogerado,cortandoosobjetosresultantesruidososnãodesejadosdoarquivofinal.

ÉimportantenotarqueaholografiacompartilhadaemconjuntocomaTelecardiologiaaindafoipoucoexplorada.Alémdisso,ossistemasrelacionadossãoprincipalmentelimitadosàrepresentaçãodeimagem2Denãopossuem

manipulaçõesdiretasdemodelos3Dreconstruídos.Assim,acredita-sequeumasoluçãodeambientecolaborativoparaodiagnósticodetomografiacoronáriapodelidarcomproblemasmédicosmaisavançados.Apróximaseçãoapresentaumaarquiteturadesistemaparasuportaressetipodeaplicativo.

Desenvolvimentodesistema

Osobjetivosespecíficosdesteprojetosãoosseguintes:

Obterummodelo3Ddecoraçãoprecisoquepreserveosdetalhescríticoscomoavascularização.Obtermodelos3Dcomplexosecontroláveis,comopçõesparaotimizaraquantidadedepolígonosgerados.Forneceropçõesderemoçãoderuídoeobjetosindesejáveisdosarredoresdaáreadeinteresse.Paragerarautomaticamentemodelos3DdocoraçãoparaseremusadosemdispositivosdeRVeRM.Implementarambientesholográficoscompartilhadoseinseriromodelodecoração3D,oferecendoopçõesdeinteração.

Metodologia

Ametodologiadoprojetofoiorganizadadaseguinteforma:

Análisealgoritmosdedetecçãodeborda,bemcomoalgoritmosdegeração3Dcomocubosdemarcha.EstudodomódulodearmazenamentopadrãoDICOM,paraprocessararquivos.Reviseastécnicasdeotimizaçãoparasimplificarasregiõesdetectadasnasfatias.Revisetécnicasdeseçãotransversalparaconectarasregiõesnasfatiasautomaticamente.Revisartécnicasholográficascompartilhadasparafornecerainteraçãodomodelovirtual.Estudodecasoimplementandotodososrecursosnecessários.Avaliaçãodoestudodecasosobresuaeficiênciacomputacional,facilidadedeuso,qualidadedomodeloesimplicidade.

Resultados

Paracomprovarosconceitosapresentados,umpluginfoidesenvolvidoparaserexecutadonosoftwaredemodelagem3dsMax®.Estepluginémodular,permitindoposteriormentesubstituirqualquerparteporumamelhor,comosevênaFigura14.7.

Figura14.7.Arquiteturadeplugins.

1)LeituraeexibiçãodearquivosDICOMiniciais

OsarquivosDICOMseguemumaabordagembaseadaemtags,ondecadatagcontémumcódigodeidentificaçãoeinformaçõesadicionais.OestudodecasousaoidiomaMaxscriptparagerarumplugindentrodosoftware3dsMax.Esseidiomapodelereescreverarquivos.UmanalisadorsimplesfoidesenvolvidopararecuperarastagsdeinteressedeumarquivoDICOM,comodimensõesdaimagem,profundidadedebitsedadosdopaciente.Oanalisadorusaumatabelacontendooidentificadordaetiquetaeafunçãopararecuperarasinformaçõesdatag,deacordocomotipodeinformação.Apenasalgumasfunçõesforamimplementadasnomomento,masessaarquiteturapermiteexpandirosmódulosconformenecessário.

Depoisdeanalisarastagsdearquivo,épossívelrecuperarosdadosdaimagemecolocá-lonamemóriaparaprocessamentoposterior.Asfunçõesdeseleçãodafaixadedensidadeedocentrodajaneladeinteresseforamimplementadas,permitindoumajustefinosobreosparâmetrosparaselecionarasregiõesdesejadas.AFigura14.8mostraainterfacedousuáriodasfunçõesdesenvolvidaseumarquivodeamostraaseraberto.

Figura14.8:ArquivoDICOMabertoegerenciadoporfunçõesdesenvolvidas.Fonte:(NEMA,2018)

2)detecçãodeborda/rastreamentoderegião

Comasconfiguraçõesderegiãodeinteresseajustadas,aimagemépassadaatravésdeumfiltrolimiar,convertendoospixelscinzaempretoebranco(Treeceetal.,1999).Estaetapaénecessáriaparaimplementaroalgoritmoinicialdedetecçãodeborda.Oalgoritmodomódulododetectordebordaconsisteemumfiltrodeduaspassagens.Aprimeirapassagemaplicadaàslinhaseasegundaàslinhasdaimagem.Quandooalgoritmodetectaumamudançadealtocontraste(depretoabranco),essepixelémarcadocomoumaborda.Aimagemresultantecontémapenasasarestasdetectadaspelofiltro,marcadasemvermelhoeamarelo(detecçõesxey).

Depoisqueasbordassãoencontradas,oalgoritmodefiltrodeanalisadorderegiãodetectatodasasregiõespresentesnaimagemusandoumalgoritmoderastreamentodecontorno.Aprimeirafasedoalgoritmofuncionadigitalizandoaimagematéencontrarumpixelmarcadocomoborda.Emseguida,iniciaumseguimentonosentidohoráriodocontornodaregiãousandoumapesquisade8vizinhos(Treeceetal.,1999).Alémdisso,paraevitarerros,adireçãoanteriordovetorépassadaparaapróximadetecçãoeabuscanosvizinhoscomeçacomopixelqueseránamesmadireçãorecebida,depoistestandoospixelsenvolventesnasua"esquerda"e"Ladodireito",atéquetodoobairrodepixelsestejafechado.Quandoumcontornoéencontrado,essadetecçãoterminaepassaopixelencontradocomooiníciodapróximadetecção.Oprocessoserepeteatéquenãosejaencontradomaispixelsouencontreopixelinicialefechearegião.Opixelinicialémarcadocomumacordiferenteparahabilitarsuaidentificaçãomaistarde.Ospixelsdecontornotambémsãomarcadosaolongodadetecçãocomumacorcianaparaevitaradetecçãoduplicada.Quandoumaregiãoétotalmenteanalisada,oalgoritmocontinuaabuscanaimagemparabordasnão

separadas.Repetindooprocessoatéquetodasasregiõessejamanalisadasearmazenadasnamemória.Oloopéestabelecidoporumabandeiraqueédefinidaquandoumabordanãoanalisadaéencontrada.Quandoabandeirapermanecedesativadanofinaldadigitalização,oalgoritmoparaoprocedimento.AFigura14.9mostraaimagemlimiar(a),oprocessodedetecçãodeborda(b)eoprocessodeanálisededetecçãoderegião(c).

Figura14.9:Limiar,detecçãodebordaeanalisadorderegião.

Comtodasasregiõesanalisadas,apróximafatiadeveserprocessada,parafazeraseçãotransversalentreasduasfatias.Opróximopassoéageraçãodamalha.

3)Geometriaderuído

Ageometriaruidosapodeserprevenidanestaabordagem,estabelecendoumtamanhomínimoderegião,eliminandoasregiõessobesselimite.Tambémépossíveltrabalharnopré-processamento,aplicandoumfiltrodedesfocagemantesdolimite,eliminandoassimmuitospixelsderuído.Outraotimizaçãopossíveléumfiltrosimplesde8vizinhosqueanalisaseopixelestáisolado,eliminando-onestecaso.

4)geometriageradanãodesejada

Osambientesdeumórgão/estruturadeinteressemuitasvezestambémgeramgeometria,tornandoomodelopesadoeobscurecendoavisão.Portanto,umasoluçãojáfoiimplementada,queéumamáscaraqueselecionaasáreasaseremignoradasduranteoprocessamento.Juntamentecomasotimizaçõesnageometriadoruído,estaotimizaçãopodeajudarageraçãodemodelos3Dmaislimposemelhores.

5)Malhadealtadensidade

Umdosprincipaisproblemasdoalgoritmodecubosdemarchaéqueosmodelos

geradossãomuitodensosemnúmerodepolígono.Algunssoftwarestêmsuasprópriastécnicasdeotimização,comoexplicadoanteriormente.Aotrabalharcomseçãotransversalemfatia,épossívelotimizarasregiõesanalisadas,deacordocomsuacurvatura,removendosegmentosdesnecessáriosemconsonânciacomumlimitedeângulo.Tambéméplanejadoimplementarestaotimizaçãoentreoanalisadorderegiãoeomódulodeseçãotransversaldefatia,comcontrolesobreoânguloparadefinironíveldeotimização.

6)Aplicaçãodeholografiacomputacional

Aholografiacomputacional,apoiadaporcomputadoresportáteis,comoaHoloLens,temopotencialdepermitirotrabalhomédicosimultâneocomoumasegundainiciativadeopinião,combaseemcapacidadesdeRealidadeMistaeVisãodeComputador.

Acredita-sequeesteconjuntodeferramentasiráaumentarasdecisõesdediagnósticomédico.AFigura14.10mostraumaprovadeconceitoemqueummédicomanipulaumcoração3D,geradopeloalgoritmopropostonesteartigo,atravésdoMSHololens.

Figura14.10:Hologramadocoração3Ddeumatomografiacomputadorizada.

7)DesenvolvimentodaRealidadeCompartilhada

GraçasàsexperiênciasrealizadascomHoloLenseHTCVive,osobservadorespodemcompartilharumaexperiênciavirtual,simultaneamente,emambientesdeRVeRA.UmdesafionestaexperiêncianãofoiapenasfazercomqueaViveeaHoloLensconversassementresi,mastambémparatrazê-lasparaumacompreensãocompartilhadadoespaço.

OhardwareincorporadonoHoloLens(processadorholográficoesensores)éresponsávelpelomapeamentoespacialdasalaondeosobjetosholographsãoprojetados.ParacompartilharesseespaçocomoHTCVive,énecessárioqueoHoloLenssaibaondeoHTCViveestánasalapararenderizaroobjetoholográficonaposiçãocorretaparaquetodososusuáriosvejamesseobjetonamesmaposição.AFigura14.11mostraessaarquitetura.

AHoloLenspodefazerissodeduasmaneiras.OprimeiroéousodeumalgoritmodereconhecimentodeimagemexecutadonoHoloLensparalocalizaroHTCViveatravésdasimagensgeradasporsuacâmera.Emboraeficiente,estemétodosobrecarregaoprocessadordoHoloLensepodefazercomqueaprojeçãodeobjetosholográficosnãosejatãonaturalquantodeveria.Outramaneiradefazerisso,masnãotãobonito,seriacriarumaplicativoparaalinharosdispositivos,então,quandooaplicativoHoloLensseconectaaesteaplicativo,oaplicativoentrano"mododealinhamento".HoloLensfala,levandoousuárioapegarumdoscontroladoresaovivoeatravessá-locomumcontrolador'fantasma'flutuante.Umavezqueoscontroladoresreaiseholográficosestãoalinhados,ousuáriopuxaogatilhoeavozorgulhosamenteanuncia:"Vocêestáagoraalinhado".Nãohálimiteparaquantosmédicospodemparticipar.

Figura14.11:HoloLensàesquerdaeViveàdireita.HoloLensidentificaaposiçãodaViveeprojetaomodelodocoraçãonomeioambienteparacompartilhá-locomoVive.

Nestetrabalho,umconjuntodealgoritmosfoipropostoparareconstruirummodelovirtualdeumcoração3Dapartirdeumatomografiacoronária,apresentadoemtemporeal,experiênciaholográficacompartilhada.Como

resultado,oambientemédicocolaborativoéfornecidoparasuportarasoluçãodediagnóstico.OsambientesdeRVeRApodemserfacilmentecombinados,paraqueosmédicospossamcompartilharumespaçovirtualexclusivoparaodiagnóstico.

Acapacidadedeversimultaneamentefornecidaporexperimentoscomhologramasmostrouqueoacoplamentodessastécnicasdevisualizaçãotemopotencialdereduziracurvadeaprendizadodosusuários,poisalteraamaneiradecolaboraçãoentrediferentesespecialistasprofissionaisconsiderandoasintençõesdesimulação.

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Capítulo15-Saúde

FátimaL.S.NunesJauvaneC.deOliveiraLilianeS.Machado

EuniceP.dosSantosNunesRosaMariaCosta

AnnaCarolinaMQueiroz

OrelacionamentoentreprofissionaisdaáreadesaúdeedesenvolvedoresdeaplicaçõesdeRealidadeVirtual(RV)eRealidadeAumentada(RA)temproporcionadoavançosparaambososcampos.Emboraaspesquisasjátenhammostradosignificativasconquistas,aindasãopoucasasaplicaçõespercebidasnasrotinasclínicas,evidenciandoquehádiversosdesafiosaseremsuperadosparaefetivaratransferênciadetecnologiaaosetorprodutivo.NestecapítulosãoabordadasascaracterísticasespecíficasdeaplicaçõesdeRVeRAparaaáreadesaúde,comenfoqueempesquisasdesenvolvidasemalgunscentrosbrasileiros.Aofinal,sãoapresentadosdesafios,tendênciaseoportunidades,apartirdaexperiênciadosautores,quepodemcontribuirparaoavançocientíficoetecnológicodaárea.

15.1Introdução

AáreadesaúdetemsidoumadasmaisbeneficiadascomasaplicaçõesdeRVeRA.Aomesmotempoemquesebeneficiadessastecnologias,asespecificidadeserequisitosdasaplicaçõesexigemquealgoritmossejamcriadosouadaptados,oque,consequentemente,promoveumdesenvolvimentoparaaáreadeComputação.

Emboraosbenefíciosnãoselimitemaesses,apossibilidadedediminuiçãodecustoscomaquisiçãoemanutençãodemateriaisfísicos,oapoioàconstruçãodeAmbientesVirtuais(AVs)incrementaisecustomizadosdeacordocomanecessidadedousuário,adisponibilidadedeambientesdetreinamentoquenãosedesgastamcomousoeotempo,adiminuiçãoderiscosapacienteseo

aumentodasegurançadeprofissionaistêmsidoasprincipaisrazõesquemotivamousodeRVeRAnaáreadasaúde.

Ostiposdeaplicaçõesemsaúdesãovariadosenãoháconsensonaliteraturaqueestabeleçaumacategorizaçãoúnica.Asaplicaçõespodemsercategorizadasdeacordocomsuafinalidade,taiscomotreinamento,simulaçãoevisualizaçãointerativadedados.UmaoutraabordageméacategorizaçãodeacordocomaabordagemutilizadaparaconstruçãodoAV,dividindoasaplicaçõesemrealistas(simulaçãodeprocedimentos,porexemplo)oulúdicas(comoumsoftwarequeensinaconteúdoutilizandoelementosdejogos).Aindaépossíveldividi-lasconsiderandooníveldeimersãoeosdispositivosutilizados,classificando-as,porexemplo,comoimersivas,semi-imersivasenãoimersivas.

Independentementedaclassificaçãoempregada,aquantidadeeaqualidadedessasaplicaçõestemapresentadoumcrescimentoconsiderávelnosúltimosanos,nãosomenteemnívelmundial,masespecialmentenoBrasil.Emnívelmundial,váriosveículosdepublicaçãotêmsidocriadosemantidos,comfocoespecíficoparaaáreadeRVeRAemsaúde.TambémtemaumentadoaparticipaçãodetrabalhosqueunemRV,RAequestõesdesaúdeemconferênciasdaáreadeComputaçãoedaáreadeSaúde.NoBrasil,asaplicaçõesdeRVeRAemsaúdetêmabrangidodesdeotreinamentodeprocedimentos,passandopelasimulaçãodeprocessosevisualizaçãodedadosechegandoapropostasmaiscomplexasqueavançamoestadodaarteaoapresentarembibliotecaseframeworksqueauxiliamnodesenvolvimentodenovasaplicações.Verifica-se,entretanto,queatransferênciadetecnologiaparaosetorprodutivoaindaélimitada,indicandoquehádesafiosaseremsuperados.

Apartirdestecenário,oobjetivodestecapítuloéapresentaralgumasdascategoriascitadasdesenvolvidasporpesquisadoresbrasileiros,visandoaoferecervisibilidadeàgrandevariedadedeassuntosetécnicasabordadas.Cadaseçãodestecapítulooferecevisãodeumoumaisgruposdepesquisa,oferecendoaoleitoroqueexistedemaisrecentenaáreadeRVeRAemsaúdeemdesenvolvimentonopaís.Naseção2sãoabordadostemasreferentesàsimulaçãocirúrgica;otreinamentovirtualemsaúdeetécnicasdetestedesoftwareparaaplicaçõesdeRVconstituemotemadaseção3,queenglobapesquisasrealizadasbasicamenteemlaboratóriosdaUniversidadedeSãoPaulo(USP);aseção4apresentaousodeInteligênciaArtificialnaconstruçãodeAVsparareabilitaçãocognitiva,frutodaspesquisasrealizadasnaUniversidadedoEstadodoRiodeJaneiro(UERJ);pesquisasdesenvolvidaspelaUniversidade

FederaldaParaíba(UFPB)sãodisponibilizadasnaseção5,englobandoprincipalmentetemasrelacionadosàeducaçãoeàavaliaçãoemsaúde;aseção6disponibilizaumconceitonovo,BrinquedoTerapêutico,resultadodaspesquisasconduzidasnaUniversidadeFederaldeMatoGrosso(UFMT);porfim,naseção7sãoabordadasaplicaçõesdeAVsemPsicoterapia,resultantedepesquisasrealizadasnaEscolaPolitécnicadaUSP.Aseção8concluiocapítulo,apresentandotendênciaseoportunidadesdaárea,deacordocomavisãodosautores.

15.2SimulaçãoCirúrgica

ARVsemostraespecialmenteútilparaaplicaçõesdetreinamentodosmaisdiversos.Nocontextomédico,temossimulaçõescirúrgicascomoumaclassedeaplicaçõesdeinteresse.Hojemédicosaprendemeganhamexperiêncianoofícioatuandocompacientes.Talpráticatambémtemcomocorolárioquedurantearesidênciamédica,quandoo(a)profissionalestáadquirindosuaespecialidade,ele(a)dependedoscasosqueaparecemnaqueleperíodoparaseuaprendizadoeganhodeexperiência.Algunspodemtercontatocomcasoscomplexoserarosenquantooutrospodemteracessoapenasacasosconsideradospadrãooutriviais.

Comumsimuladorcirúrgico,torna-sepossívelcriarumcurrículomínimo,detalmodoquecadaaprendizéexpostoaummínimodecasoscomplexoseraros(atéomaisraropossíveloumesmocasoshipotéticos),uniformizandooaprendizado.Aideiaéqueseutilizeomodelojáemusoemsimuladoresdevôo.Pilotosaprendemeganhamexperiênciadevôo,inclusiveemcondiçõesadversas,rarasoumesmosituaçõesconstruídasespecificamenteparaumindivíduo.

Comsimuladorescirúrgicosimplementadoscomummodelocomputacionalqueopermitesecomportardomodoesperadodesituaçãorealsemelhante,torna-sepossívelquepartedotreinamentomédicosejarealizadoatravésdesimulação.Alémdapossibilidadedeuniformizaraexposiçãodoprofissionalaumavariedadedecasos,inclusiveosmaisraros,osistemapermiteumamelhoraparaospacientesdosistemadesaúdeligadosàresidênciasuniversitárias,jáquequandoumresidenteforinteragircomumpacientereal,estejáacumularáaexperiênciaobtidanosimulador,semelhanteaoqueocorrecompilotosdeavião.

Doisexemplosdesimuladorescirúrgicosquepodemosmencionarsãoumsimuladordecirurgiadecatarataeumsimuladordevideolaparoscopia,como

detalhadoaseguir.

15.2.1SimuladordeCirurgiadeCatarata

Osimuladordecirurgiadecatarata(Toledo,2017;Toledo,OliveiraeHaack,2017)usaumdispositivoGeomagicTouch(akaPhantomOmni)parasimularosinstrumentosusadospelocirurgiãonestetipodeprocedimento.AvisualizaçãoseráapresentadaemumóculosdeRVfixadoemposiçãoquefaçacomqueomesmoseassemelheaomicroscópiousadonestetipodecirurgia.Nofuturoespera-sesubstituiracanetadoGeomagicTouchporuminstrumentorealusadonacirurgia,fixadonodispositivotátilatravésdepeça3Dimpressaparaestefim.Noestágioatualaprópriacanetaestásendoutilizada(Figura15.1)

Figura15.1:GeomagicTouch(akaSensablePhantomOmni)[Imagemdowebsitedofabricante]

Ainterfacedosistemapermitequeousuárioescolhaentreselecionaroinstrumentoaserutilizado,(re)iniciarasimulaçãoouobtertextoinformativosobreoprocedimento.(Figura15.2).

Figura15.2:Interfaceinicialdosimulador.

Umaveziniciadaasimulaçãoomodelo3Ddoolhoéapresentadoeousuáriopodeinteragircomeleatravésdoinstrumentoselecionado.Todainteraçãodoinstrumentocomcomponentesdomodeloresultamemsensaçãotátilequivalente,oquefornecemaiorrealismoàsimulação.Contamoscomoapoiodeumcirurgiãoexperientenodesenvolvimentoecalibragemdosimulador.AFigura15.3mostradetalhesdomodeloocularutilizado.

Figura15.3:Modelo3Ddoolhohumanoutilizado.

Acirurgiaconsistedasetapasdeestabelecimentodemicroincisõesnacórnea,capsolotomia(aberturadoenvelopedocristalino),facoemulsificação(fragmentaçãoesucçãodocristalino)einstalaçãodalenteartificialnoenvelopevazio(Figura15.4).

Figura15.4:Etapasdacirurgiadecatarata(facoemulsificação)dosimulador.

Aimplementaçãodecomplicaçõesecasosrarosseseguiránodesenvolvimentodosimulador.

15.2.2Simuladordevideolaparoscopia

Acirurgiaporvideolaparoscopiaéumprocedimentominimamenteinvasivoatravésdoqualcirurgiassãorealizadassemanecessidadedeabriracavidadeabdominal(atécnicapodeserusadaemoutraspartesdocorpo,masemgeralacavidadeabdominaléalvomaiscomum)dopaciente.Oabdômenéinfladocomarcomprimido,umacâmera(comluz)écolocadaatravésdaaberturadoumbigo

dopacienteeduasaquatroinstrumentossãocolocadosnaslateraisdoabdômendopaciente.Osinstrumentosvariamdepinças,instrumentosdecorte,cauterização,ainvólucrosquepodemserusadosparaarmazenarestruturasaserremovidas.

Umadascirurgiasmaiscomumenterealizadasatravésdestatécnicaéaremoçãodevesícula,primeiroalvodenossosimulador.Trata-sedeumacirurgiacujasimulaçãoéfacilitada,jáqueocirurgiãooperaolhandoparaatelaondeovídeodacâmeraéapresentado,enãoparaopacienteemsi.Destemodo,épossívelgeraraimagemrelativaaumpacientevirtualeusarinteraçãotátilparagerarorealismonecessárioaocorretoaprendizadoeganhodeexperiência.

Figura15.5:CAELapVR[Imagemdowebsitedofabricante]

UmdispositivodisponívelcomercialmenteparaotreinamentodedestrezarelacionadaàvideolaparoscopiaéoCAELapVR(Figura15.5),queconsistedeumdispositivotátileseusoftwareembarcado.Osoftwaretemumconjuntodeprocedimentosparatreinamentodedestrezadefuturoscirurgiões,masosoftwarenãopossuisimulaçãodecirurgiacompletaecomvariaçãodecomplexidade(oucasosraros).

DepoisdemuitanegociaçãocomosfabricantesdoLapVR,fomosautorizadosausaraAPIdedesenvolvimentousadainternamentepelaempresaparadesenvolvernossosimulador.Nestecaso,deixamosdeusarosoftwarequeacompanhaohardwareedesenvolvemosnossoprópriosimulador,oquenospermiteusaroLapVRcomomerodispositivotátil.AFigura15.6mostraumusuárioemação.Aspinçascontrolamosinstrumentosescolhidoseodispositivomaisabaixo(comdoisbotõescirculares)simulaacâmerausadanoprocedimento.

Figura15.6:UsandooLapVRcomodispositivotátil.Interaçãonormaldousuáriodosimulador.

Umaversãoinicialdosimuladorfoidesenvolvida(Kapps,2014)inicialmentecommodelossimplificados,objetivandoprincipalmenteumexercíciodedesenvolvimentocomaAPIdisponibilizada(umavezquenãoéumaAPIcomumentedisponívelaopúblico,amesmaérústicaecarecededocumentação).AFigura15.7:apresentaainterfacevisualdesenvolvidanaatualetapadedesenvolvimentodosimulador(comdetalhesobrepostodeinteraçãodousuáriodosimulador).Selecionamosacirurgiaderemoçãodevesículaparainiciarodesenvolvimento(espera-seincluiroutrostiposdecirurgiaadiante),jáqueéoprocedimentomaiscomumqueusaatécnica.Quandoconcluído,espera-sequeumfuturocirurgiãopossaaprendereganharexperiênciacirúrgicanosimulador,

nomesmomodelomencionadoacimaparapilotosdeavião,comasvantagensusuaisdepossibilidadedeexposiçãoacasosraros,complexosenecessários,bemcomoeventualmenteservindoparaavaliaçãoobjetivadatécnicadeumdeterminadofuturocirurgião.

Figura15.7:Interfacegráficadosimulador.

15.2.3ConsideraçõesFinais

SimuladorescirúrgicosaproveitamagrandevocaçãoquesistemasdeRVtemparatreinamentoemgeralparahabilitarumtreinamentomaisuniformeparaestudantesdemedicina.Issotambémpermitequeestestenhamacessopadronizadomesmoaoscasosmaisraros,alémdoqueossistemaspodemobjetivamenteavaliar,comparar,emesmomostraraevolução,daquelesemtreinamentoouemreciclagem.

15.3Treinamentovirtualemsaúde

OtreinamentovirtualemsaúdeconsisteemdisponibilizarferramentasdeRVeRAvisandoafavoreceraexecuçãodeprocedimentosdeformavirtual.Emgeral,essasferramentasapresentamgrausvariadosderealismo,deacordocomanecessidadedoprocedimentoedousuário.Dentreasvantagensproporcionadaspelotreinamentovirtualnaáreadesaúde,destacam-se:reduçãoderiscosapacientes(Coles,MeglaneeJohn,2011)possibilidadederepetiroprocedimento

semdesgastedematerial,aumentonasegurançadoaprendizpararealizaçãodoprocedimento(O’neill,MilanoeSchell,2011),diminuiçãodecustos(Balcombe,2004;Gomoll,O’toole,CzarneckieWarner,2007),alémdefavoreceraavaliaçãodeformaautomatizada(Anjos,NuneseTori,2012;Willis,Gomez,Ivatury,MitraeVanSickle,2014).

Apesardasinúmerasvantagenscitadaspordiversospesquisadores,desenvolvertaisaplicaçõesnãoéumatarefatrivial,poisrequisitosespecíficossãonecessários.Aseguirsãoapresentadosalgunsdosrequisitosquepodemserprimordiaisdependendodotipodetreinamento,umarcabouçodesoftwarequecontribuiparaodesenvolvimentorápidodeaplicaçõesnodomíniodetreinamentoparasimularprocedimentosdebiópsia,assimcomoalgumasaplicaçõeseoutraspesquisasdesenvolvidasrelacionadoscomaplicaçõesdeRVnaáreadesaúde.

15.3.1.Requisitos

Emrelaçãoaosaspectostécnicos,conformecitadoemNuneseCosta(2008)eNunesetal.(2011),amaiorpartedasaplicaçõesdetreinamentovirtualnaáreadesaúderequercaracterísticasespecíficas,quevãoalémdaquelasexigidasemoutrasáreasdeaplicação.Aseguir,sãoapresentadasalgumasconsideradascomprincipaisnocontextoaquiabordado:

Realismodosobjetostridimensionais–aqualidadedosobjetosquecompõemomundovirtualdevesersuficienteparaqueousuáriotenhaasensaçãoderealismo.Porisso,amodelagemdeveserfielaosobjetosreaisemrelaçãoacores,volumes,texturas,atividadesecomportamentos;Correlaçãoespacialentreobjetosfísicosevirtuais–asproporçõesdetamanhoelocalizaçãodeobjetosnomundovirtualdevemobedeceràscaracterísticaspercebidasemsituaçõesreais,Assim,oefeitodotreinamentopodesermaisefetivoemrelaçãoàaquisiçãodeconhecimentoehabilidades;Realismodainteração–asaçõesnosAVsdevemconsiderarocomportamentofísicodosobjetosepessoascorrespondentesaomundoreal.Paraqueotreinamentoatinjaseuobjetivo,situaçõesdeexceçãodevemserprevistas,taiscomoareaçãodiversificadadepacienteseocomportamentodeobjetosquerepresentamórgãoshumanos.Estainteraçãorealistaexige,namaiorpartedoscasos,oempregodedispositivosaindaconsideradosnãoconvencionais,comoluvadedados,dispositivoscomretornohápticoe

óculosquefavoreçamavisãoestereoscópica;Ergonomiadosdispositivos–amodelagemdeobjetoseainclusãodedispositivosnãoconvencionaisdevemconsiderarausabilidadedaaplicação.UsabilidadenocontextodetreinamentovirtualemsaúdedizrespeitoatornarastarefasexecutadasnoAmbienteVirtual(AV)tridimensional(3D)omaispróximaspossíveisdaquelasexecutadasnoambientereal.Umadificuldadenestesentidoéquepoucosdispositivosdeinteraçãosãodesenvolvidoscomestafinalidade.Assim,odesenvolvimentodeaplicaçõesdevepreveraadequaçãodessesdispositivosvisandoaatingirumníveldeergonomiaadequadoaotreinamento;Precisãodosalgoritmos–nasimulaçãodeprocedimentosdentrodocontextodetreinamentoéimportantequeaaplicaçãorespondaemtemporealecomcomportamentosimilaràsreaçõesreais.Estacaracterísticadizrespeitoprincipalmenteàsimulaçãodetecidosquecompõemórgãoshumanosedispositivosutilizadosparamanipulá-losvirtualmente.Algoritmosdedetecçãodecolisão,manipulaçãodemalhasparasimulardeformaçãodetecidos,simulaçãodecortes,dentreoutros,devemserestudadoseadequadosparapropiciarprecisãoerealismoemtemporeal.

15.3.2.FrameworkViMeT(VirtualMedicalTraining)

OframeworkViMeT(VirtualMedicalTraining)éumarcabouçodecódigoaberto,construídosoboparadigmadeorientaçãoaobjetos,destinadoaapoiarageraçãodeferramentasparasimularexamesdebiópsiapormeiodeRV(OliveiraeNunes,2010).Oarcabouçodisponibilizaumaferramentacominterfaceamigávelqueauxilianageraçãodeaplicaçõesapartirdeparâmetrosfornecidospelousuário.Dentreasfuncionalidadesoferecidaspeloframeworkestãoacriaçãoautomáticadeambientevirtual,técnicasdeestereoscopia,técnicasparadetecçãodecolisãocomprecisão,técnicasparadeformaçãodeobjetoseapoioparausodedispositivosdeinteraçãonãoconvencionais,comoluvasdedadosedispositivoshápticos.Apósageraçãodaaplicaçãoinicialpeloframework,odesenvolvedorpodecustomizaraaplicaçãodeacordocomosrequisitosdefinidosparaasimulaçãopretendida.Oframeworkestádisponívelparadownloadem:http://lapis.each.usp.br.

OframeworkViMeTtemsidoabasetecnológicaparadesenvolverimportantesaplicaçõesdetreinamentomédico.Algunsexemplossão:

umsimuladorparatreinamentodeanestesiaodontológica,paraoqual

objetosespecíficosforamcuidadosamentemodeladosvisandoarepresentarosdiversostecidosecomponentesdocorpohumanoenvolvidosnoprocedimento.Paraestesimuladortambémfoiaprimoradaumatécnicadedetecçãocontínuadecolisãocomafinalidadedeidentificarcolisõesentreoinstrumentomédicovirtualeosobjetoscomplexosmodelados.Adicionalmente,foidesenvolvidoummodelorealistaparaforneceraousuárioumretornodeforçasimilaràquelepercebidonoprocedimentoreal(Correa,Machado,Ranzini,TorieNunes,2017).ExemplosdeinterfacedestesimuladorsãoapresentadosnaFigura15.8;osimuladorparatreinamentodeanestesiaodontológicamencionadofoiincrementadocomnovastecnologiase,emseguida,foisubmetidoaoumprocessodegamificação.Oobjetivofoitornarotreinamentomaisatrativoparaestudantes,pormeiodainclusãodeelementoslúdicos,comotrilhassonoras,ranqueamento,tempolimiteparaexecuçãodastarefas,níveisdedificuldade,entreoutros.ExemplosdasinterfacesresultantesdoprocessodegamificaçãoestãodisponibilizadosnaFigura15.9(Ribeiro,CorrêaeNunes2017).umsimuladorparatreinamentodoprocedimentodepalpaçãomamária,noqualcaracterísticasdenódulosedaprópriamamapodemserconfiguradosporuminstrutor,simulandodiferentescasoscomníveisvariadosdedificuldade.Alémdedisponibilizarainterfaceparaessasconfigurações,osimuladorécompostoporumaadaptaçãodeumdispositivohápticoafimdetornarainteraçãomaisergonômicaerealista(verFigura15.10)(Ribeiro,NuneseElias,2016)..

Figura15.8–Interfacesdosimuladorparatreinamentodeanestesiaodontológica(Correaetal.,2017)

Figura15.9–Interfacesresultantesdoprocessodegamificaçãodosimuladordeanestesiaodontológica(Ribeiro,Corrêa,eNunes,2017)

Figura15.10–Simuladorparatreinamentodoprocedimentodepalpaçãomamária:(a)Interfacedeconfiguração;(b)Dispositivohápticoadaptado;(c)Interfaceparasimulação(Ribeiro,Nunes,eElias2016)

15.3.3TestedeaplicaçõesdeRealidadeVirtual

AsaplicaçõesdeRVparatreinamentovirtualemsaúdesãocomplexas,envolvendodiversasfuncionalidadeseáreascomputacionais.Estacomplexidadetemcriadoumnovodesafio:comoadaptartécnicastradicionaisoudesenvolvernovastécnicasdetestequecontemplemtaisaplicações?

EstedesafioenvolveutilizarconceitosprovenientesdaEngenhariadeSoftware,assimcomodesenvolverouexplorarestruturasdedadosqueorganizemoselementosdacenaeostornemdisponíveisdeformarápidaeeficiente.AlgumasbibliotecasdeRVutilizamoconceitodeGrafodeCena(GC),estruturadedadosorganizadaemclassesque,pormeiodeumahierarquiadeobjetoseatributosconsegueespecificarcenascomplexas.Cadaobjetoouatributoérepresentadoporumnóquepossuiinformaçõessobreaaparênciafísicaeocomportamentodeumdeterminadoelementodacena[14].

Destaforma,oGCpodeservistocomoummodeloeumaabstraçãodeumprogramadeRV,tornandofactíveladefiniçãodecritériosdetestequeusamestemodeloparaderivarrequisitosdeteste.Deformasimilaraoscritériosdetesteestrutural(Myers,SandlereBadgett,2011),épossívelusaroGCparaselecionar

estruturasquedevemserexercitadasduranteaatividadedeteste.Combasenessaspremissas,algumaspesquisasestãosendodesenvolvidasparafavorecerotesteformalousemi-formaldesoftware.

ComafinalidadedeapoiaraaplicaçãodecritérioscriadoscombasenoGC,foipropostaumaferramentadenominadaVirtualEnvironmentTesting(VETesting),cujofluxodefuncionamento,assimcomoainterfaceprincipalpodeserobservadosnaFigura15.11.Aferramentaestádisponívelcomosoftwarelivre(http://ccsl.icmc.usp.br/pt-br/projects/vetesting).MaisdetalhespodemserencontradosemBezerra,DelamaroeNunes(2011).

Figura15.11–FerramentaVETestingparatestaraplicaçõesdeRVcombaseemcritériosderivadosdoGrafodeCena:(a)Diagramadeexecuçãodaferramenta;(b)Iníciodaatividadedeteste;(c)Visualização

dografodecena(Bezerra,DelamaroeNunes,2011).

UmagrandedificuldadeparatestaraplicaçõesnodomíniodeRVéaausênciadepadronizaçãoeferramentasparaexecuçãodaanálisederequisitos.Semoestabelecimentodepadrões,torna-sedifícilaexecuçãoautomáticadetestes.Comafinalidadedecontribuircomestalacunadepesquisaexistente,foidesenvolvidaumaabordagemdenominadaVirtualReality-Requirements

SpecificationandTesting(VR-ReST),quevisaapoiaraespecificaçãoderequisitosdeaplicaçõesdeRVcombasenadescriçãodecasosdeusoeconceitosdeGC,derivarrequisitosdetesteegerardadosdetesteapartirdosrequisitosespecificados.

OusodestaabordageméviabilizadopelaferramentaVirtualRequirementsSpecificationandTesting(ViReST),queapoiaaautomatizaçãodastarefascitadas.Aabordagemécompostaportrêsmódulos:(i)especificaçãodosrequisitospormeiodoauxíliodeummodelodenominadoVirtualRequirementsSpecification(ViReS);(ii)mapeamentodosrequisitospormeiodeumalinguagemsemi-formalchamadaBehaviorLanguageRequirementSpecification(BeLaRS)paragarantirumaespecificaçãopadronizada;e(iii)geraçãoautomáticadosrequisitosdetesteedosdadosdeteste.AFigura15.12apresentaalgumasdasinterfacesdaferramentaViReSTqueapoiamastarefascitadas.OdetalhamentodaabordagemedaferramentacitadaestádisponívelemSouza(2017).

Figura15.12–InterfacesdaferramentaViReSTparaapoiarafasedelevantamentoderequisitoseaaplicaçãodecritériosdetesteemprogramasdeRVcombaseemcritériosderivadosdoGrafodeCena:(a)ExemplodeumaespecificaçãoderequisitosusandoaferramentaViReST;(b)Exemplodeexecuçãodos

testesusandoaferramentaViReST(Souza,2017).

15.4ExplorandotécnicasdeInteligênciaArtificialemAmbientesVirtuaisparaReabilitaçãoCognitiva

DentreastécnicasdeInteligênciaArtificial(IA)exploradasnoLATVI(LaboratóriodeTecnologiasVirtuaiseInterativas)daUERJdestaca-seadeagentesinteligentesesuaintegraçãoemAVs3D.DeacordocomWoldridge(2009),umagentepodeserconsideradoumsistemaautônomo,quevisaalcançarmetaspré-estabelecidasemumambienterealouvirtual.Todoagentedeveterautonomia,ouseja,tercapacidadedegerenciarseuestadointernoesuasaçõesparaalcançarseusobjetivossemintervençãohumana.

UmdosprimeirosprojetosdoLATVIcomresultadossignificativosintegrouumagentedeinterfaceemumAV3Dl.Oagente,representadoporumpersonagem,foidesenvolvidoseguindoosrequisitosfuncionaissolicitadospelospesquisadoresdoHospitalUniversitárioPedroErnesto,daUERJ,queajudaramalevantarasatividadesdosistema,paraqueestepudesseauxiliarasterapiasaplicadasaotratamentodediferentesdistúrbiosneuropsiquiátricos,comfoconaestimulaçãodefunçõescognitivas.

Oambientevirtualsecompõedeumacasa3D,divididaem:sala,doisquartos,cozinhaebanheiro.Cadacômododisponibilizavariadasatividadesdeestimulaçãocognitiva.Asalatemumatelevisãoquemostravídeoseducativossobrediversosassuntos,comoecologiaerelaçõesdeamizadeerespeitoentreaspessoas.Obanheiromostravídeossobrehábitosdehigiene.Oquartotemumcomputador,quepossuiumagamadejogosqueestimulamaatençãoeamemória.Oagentedeinterface(denomeBob)ficanacozinha,ondeelepodeapoiararealizaçãodetarefasmaisassociadascomasatividadesdevidadiária.

AFigura15.13apresentaoagenteBobeoquadroondeopacientedeveclicarparademonstrarseuinteresseemparticipardaatividadequeestásendopropostanaáreadacozinha.Esteambientefoiutilizadoemprojetosdereabilitaçãocognitivadepacientescomesquizofrenia,paraapoiarotreinamentodeatividadesdevidadiária(Costa,MendoncaeSouza,2010).

OutrotrabalhodesenvolvidonoLATVIintegrouaspectosdasáreasdeRV,LógicaFuzzyeaTerapiaCognitivoComportamental(TCC)(Costaetal.,2014).SegundoKnapp(2004),aTCCapresentaeficáciacomprovadanotratamentodediversostranstornosneuropsiquiátricos,dentreelesoTranstornodeEstressePós-Traumático(TEPT).

OTEPTéclassificadocomoumtranstornodeansiedadee,comotal,caracteriza-seporumconjuntodecomportamentosinadequadosemrespostaaestímulosquenãorepresentamperigoreal(Siqveland,RuudeHauff,2017).OTEPTenvolveumsentimentoconstantedemedogeradopelaconsolidaçãoinadequadadamemóriaautobiográficadotrauma(Brewin,DalgleisheJoseph,1996).

Emgeral,aTCCérealizadapelaexploraçãodetécnicasqueincluemEducaçãoPsíquica,TécnicasdeReestruturaçãoCognitiva,GerenciamentodeAnsiedade,ExposiçãoImagináriaeExposiçãoaoVivo.Seuobjetivoéquebrarociclodossintomaslevandoaumahabituaçãodeestímulos(Beck,2013).

Figura15.13.ImagemdaentradadacozinhaedopersonagemBob.

Nocasodaexploraçãodatécnicadetratamentoporexposiçãoaambientesvirtuais,podemocorrerváriasreaçõesepercepções,quesãodifíceisdeseremavaliadaspeloterapeutanotranscorrerdasessão.NocontextodoTEPT,osinstrumentosqueavaliamoníveldeestressedopacientesubmetidoasessõesdetratamentoaindasãobastantetradicionaiselimitadosaquestionárioseescalasdeclassificaçãodesintomas.

ComoobjetivodeintegrardadosprovenientesdaEscaladeAnsiedade(SubjectiveUnitsofDisturbanceScale-SUDS)(Kaplan,SmitheCoons,1995)edefontesfisiológicas(frequênciacardíaca),classificandooníveldeansiedadedopacienteemtemporeal,foramdesenvolvidasduasaplicações.ParaavisualizaçãodascenasassociadasaotipodetraumadopacientefoicriadoumAV3D,denominadoARVET(AmbientedeRealidadedeExposiçãoTerapêutica)epararealizaraclassificaçãodoníveldeansiedadedopacienteduranteassessõesdeexposiçãoaosambientesvirtuais,foidesenvolvidooSAPTEPT(SistemadeAvaliaçãodosPacientescomTranstornodeEstressePós-Traumático),queexploraastécnicasdalógicaFuzzy.DeacordocomZadeh(2009),alógicaFuzzyacrescentaàlógicabivalenteumacapacidadeimportante:raciocinarusandoprecisamenteinformaçõesimprecisas.

OARVETéumacoleçãodeambientesdeRVconstruídoscomapossibilidadedeusarvisualizaçãoestereoscópica,pormeiodeumatelagrandeedousodeóculosespeciaisparaproporcionaraestereoscopia,ampliandoaspossibilidadesdeummaiorenvolvimentoemocional.AFigura15.14apresentaumacenadoambiente,quesimulasituaçõesrelacionadasàviolêncianotrânsito.

AlógicaFuzzyutilizadanoSAPTEPTcapturainformaçõesimprecisas,usadasemumaescalapsicométricadeansiedadeeasintegracomdadosfisiológicosdopaciente.Ométodo,dopontodevistadalógicaFuzzy,permitiureconhecerospadrõesdeescalagradualdeansiedade(leve,moderadaesevera)emmedidasemtemporeal.OspadrõesLEVEeGRAVEforamtraduzidosporConjuntosFuzzyTrapezoidais,enquantoqueaMODERADAseapoiaemumConjuntoFuzzyTriangular(Figura15.15).

Figura15.14.Imagemdeumacenadeatropelamento(Costaetal.,2014)

Figura15.15:ConjuntosFuzzy.

Aáreaverdesignificaqueexisteumaintersecçãodasclassificaçõesleveemoderadaeaárearoxamostraainterseçãodasclassificaçõesmoderadaegrave.OQuadro15.1apresentaosresultadosdascombinaçõesFuzzygeradospelosistema.

Quadro15.1:BasedeRegrasFuzzy.

ParaavaliarapossibilidadedeusodessessistemascompacientescomTEPT,foirealizadaumaavaliaçãodaqualidadecomespecialistasnaáreadeTerapiaCognitivo-Comportamental:7estudantesdegraduaçãoemPsicologiadeumInstitutodePsiquiatriadeumauniversidadepública;1estudantedeMestrado,1estudantedoDoutorado,1estudantedePós-Doutoradoe1DoutorpesquisadordeumProgramadePós-GraduaçãoemSaúdeMentaldeumauniversidadepública,queexplicitaramsuasopiniões.OssoftwareapresentaramboasavaliaçõesefoiconcluídoqueoSAPTEPTtemgrausatisfatóriodequalidadeepodecontribuirparadiminuiçãodainterferênciadoterapeutaduranteassessõescomoARVET(Costaetal.2014).

15.5Ensino,AvaliaçãoeFerramentasparaRVemSaúde

AUFPBtemtrabalhadodeformamultidisciplinarnaconstruçãodeaplicaçõesdeRVeRAnasoluçãodeproblemasdesaúde.UmexemplodestamultidisciplinaridadeéaáreadeEducação,geralmentenecessárianodelineamentodasabordagensvoltadasàeducaçãoetreinamentoemsaúdeutilizandoRVeRA.Assim,estesprofissionaisdeverãotrabalharemconjuntoparadefinirobjetivos,estruturaconceitual,abordagenspedagógicas,formasdeinteraçãoeosdemaiselementosquecomporãoosistema.

AseguirsãoapresentadossistemasdeRVeRA,quecontaramcomaparticipaçãodeprofissionaisdasaúdenoseudesenvolvimentoequeabordamtrêsdiferentesaspectosdocontextodaRVeRAemsaúde:a)asaplicaçõesvoltadasaoensinoereabilitação;b)asformasdeavaliaçãoautomáticadashabilidadesdousuárioaorealizartreinamentonestessistemas;ec)asferramentasdesuporteaousoedesenvolvimentodesistemas.Váriosdestessistemaseaplicaçõespodemseracessadoseutilizadoslivrementeapartirdo

portaldoLaboratóriodeTecnologiasparaoEnsinoVirtualeEstatística(LabTEVE),noendereçohttp://www.de.ufpb.br/~labteve.

15.5.1.AplicaçõesVoltadasaoEnsinoeàReabilitação

AutilizaçãodedispositivosnãoconvencionaispodeserumadificuldadenaadoçãodesoluçõesemRV,poisocustodestesdispositivospodeserumimpeditivonasuaadoção,bemcomoanecessidadedetreinamentodopúblico-alvopodesernecessária.Alémdisso,éimportanteobservarqueaindahálimitaçõestecnológicasquantoaosmovimentosquepodemserrealizadosequantoàsrespostassensoriaisqueestesdispositivospodemforneceraousuário.

Visandolidarparticularmentecomaslimitaçõestecnológicaspresentesnosdispositivoshápticos,ojogoTouchBrush(Rodrigues,MachadoeValença,2014)foidesenvolvidoparaoaprendizadodetécnicasdeescovaçãobucal.Ojogoutilizou-sedeumdispositivohápticoparasimularumaescovadedentesaorealizarastarefasdosdesafiospresentesnoenredo(Figura15.16(a)).Duranteodesenvolvimentoobservou-sequedispositivoofereciaboaempunhadurae6grausdeliberdade(DegreesofFreedom-DOF)paraainteração,masnãopermitiaamesmaamplitudedemovimentosqueautilizaçãodeumaescovadedentesnodiaadia.

Figura15.16:OjogoTouchBrush(a),queutilizaumdispositivohápticoparainteraçãoem6DOF,eojogoFarMyo(b),queutilizaumdispositivoeletromiográficoparacapturadesinaiselétricosmuscularesdo

usuário.

Destemodo,umconjuntodetestesfoirealizadocomusuáriosparapermitircompatibilizarasatividadespropostaspeloprofissionaldeodontologiaàslimitaçõesdodispositivo,demodoadesenvolverastarefasrelacionadasabonshábitosetécnicasdeescovaçãodental.TestescomTouchBrushpermitiram

observarqueoretornodeforçaem3DOFprovidopelodispositivohápticonãoerasuficienteparasimulartodasassensaçõesexperimentadaspelousuárioduranteaescovaçãodiáriarealequeainteraçãoespacialerafacilitadaaoseadicionaravisualizaçãoestereoscópica.Anovaformadeexploraroconteúdoeducativocontribuiuparaadiscussãodousodossistemashápticosnaeducação.

DemaneirasimilaraoTouchBrush,asformasdeinteraçãodousuáriocomconteúdos3DtambémforamofocodotrabalhodeFerreira(2014),queabordouousodesistemasdeRVparaoapoioàdocênciadeAnatomia.Utilizandosistemasderastreamentoóptico,otrabalhopermitiuverificarcomoosdocentesdedisciplinasrelacionadasaotemapoderiamapresentareinteragircommodelos3Dprojetadosemsaladeaula.OprojetofezusododispositivoKinectparaacapturadosmovimentosdosbraçosemãosdosdocentesparaescolher,rotacionar,escalarerealizaraçõescommodelosdaanatomia.Comoresultado,foirealizadaaproposiçãoeoreconhecimentoautomáticodeumconjuntodegestosparaseremutilizadospelosdocentesaoexportalconteúdoduranteasaulas.Adicionalmente,observou-seanecessidadedetreinamentodosdocentesparalidaremcomnovastecnologiasemsaladeaula.

AbordandoousodossistemasdeRVparaareabilitação,foidesenvolvidoojogoFarMyo.Voltadoparaareabilitaçãodemãosepunhosdepacientesvítimasdeacidentevascularcerebral(AVC),aaplicaçãoutilizouumdispositivodeinteraçãonaturalcapazdelerossinaismuscularesdousuárioaoseremrealizadosgestos.Paraoreconhecimentodestesgestosfoicriadoumsistemaespecífico(Batista,Moraes,Machado,eValenca,2016),utilizadotambémparaoprogressodojogadornaaplicação.Observou-sequeousodatecnologiapermitiuarealizaçãodosexercíciosdereabilitaçãodeformanaturaleprazerosapelospacientes(Figura15.16(b)).

15.5.2AvaliaçãoAutomáticadeHabilidades

OusodesistemasdeRVeRAparaeducaçãoetreinamentoemsaúdetemganhadodestaquepelaspossibilidadesderealismonaexecuçãodeatividades,aproximandoousuáriodoproblemareal.Destemodo,osusuáriospodemexperimentarumaetapaintermediáriaentreoestudoteóricoeapráticaassistida,oquepodereduziraansiedadedealunoseaumentarseugraudeconfiança.Entretanto,estessimuladoresdeRVpodemintegrarsistemasinteligentescapazesdemonitorareavaliaradestrezadosusuáriosnarealizaçãodosprocedimentossimulados(MoraeseMachado,2012).

OssimuladoresSIMTAMIeSIMCECforamdesenvolvidosparaauxiliaroprocessodeaquisiçãodeconhecimentosehabilidadesemprocedimentosdesaúde.Nestecaso,oSIMTAMI(Figura15.17),umsimuladorparaotreinamentodetécnicasdeadministraçãodemedicamentosinjetáveis,integraumsistemahápticoquepermitesimularem3Dumaagulha,fornecendoaosusuáriossensaçõessimilaresàquelassentidasduranteamanipulaçãodeumaagulharealaorealizarinjeçõesporviasparenterais.Paraodesenvolvimentodestesimuladorforamconsultadosprofissionaisdaáreadesaúdeparadelinearoproblemaedetalharcomoelesavaliamashabilidadesmotorasdosalunosnestasatividades.Osdadosdestesprofissionaisforamutilizadosparacriaramétricautilizadanosistemadeavaliaçãoautomáticadosimulador(MacedoeMachado,2015).

Figura15.17.OsimuladorSIMTAMI,voltadoaotreinamentoeavaliaçãodetécnicasdeadministraçãodemedicamentosinjetáveis.

JánoSIMCEC,umsimuladorvoltadoaotreinamentocolaborativodecirurgias,osistemadeavaliaçãodesenvolvidopermiteavaliaraaçãodaequipecomoumtodo,aomesmotempoqueavaliaashabilidadesindividuaisdosparticipantesdasimulação.Nestesimulador,usuárioslocaisouremotospodematuaremumprocedimentocirúrgicocomocirurgião,instrumentadorouanestesistaemumambientehospitalarapresentadoem3D(Figura15.18).OsistemadeavaliaçãopresentenoSIMCECpermiteobservarcomoaatuaçãoindividualdecadamembrodaequipeetambémcoletivasafetaramarealizaçãodoprocedimento(Paiva,Machado,Valença,BatistaeMoraes,2018).Osistemadeavaliaçãodeambosossimuladoresutilizammétricaspropostas,umavezqueestasnãosãoestabelecidasparaamaioriadosprocedimentosdesaúdequeenvolvemhabilidadespsicomotorasouaatuaçãodeequipes.Aausênciadestasmétricasconstitui-secomoumdosprincipaisdesafiosparaaincorporaçãodesistemasdeavaliaçãoautomáticanossimuladoresdeRV.

Figura15.18:OsimuladorSIMCEC,voltadosaotreinamentocolaborativoeavaliaçãodeequipesemprocedimentoscirúrgicos.

UmproblemarelevantenaáreadeRVemsaúdeéarealizaçãodecirurgiassimuladas,oquepermiteaalunoseprofissionaisexplorarepraticartécnicasemumambienteseguroelivrederiscos.Estapráticaincluitantoavisualizaçãodeestruturasanatômicasquantoousodosistemapsicomotordousuárioparaexplorá-las.Nestecaso,ousodedispositivoshápticosparaamanipulaçãofaz-senecessárioparaaproximarousuáriodarealidadedeumprocedimentoreal.EsteproblemafoiabordadonotrabalhodeMouraeMachado(2015),queapresentoumaneirasderealizareavaliarasimulaçãodecortesapartirdainteraçãocomdispositivoshápticos.Nestaaplicação,umconjuntodetécnicasfoiutilizadoparacriarumsistemagráficocapazdesimulardeformarealistaumcorterealizadopelousuárioemumambientedeRV,bemcomoavaliarautomaticamenteodesempenhodousuárionestatarefaàluzdoqueseriaumaatuaçãocorreta(Moura,MoraeseMachado,2016).

c)FerramentasdeSuporteaoDesenvolvimentoeUso

Demodoafacilitaroprocessodedesenvolvimento,oCyberMedfoicriadonaformadeumframeworkcompostoporrotinaspré-programadasesincronizadasautomaticamente,quepodemserutilizadasparacompordeformaágilumsistemadeRV(Machado,Moraes,Souza,SouzaeCunha,2009).Apartirdesteframework,oprogramadorpodeescolher,instanciareestenderrotinasprontasparatratarelementospresentesemsistemasdeRV,conformeapresentadonaFigura15.19.Esteframeworkvemsendoestendidoparaintegrarnovosdispositivoserotinas,eapresentacomodiferencialapresençademétodosinteligentescapazesderealizaraavaliaçãoautomáticadashabilidadesdousuário.Ferramentas,comooCyberMed,permitemareduçãodotempodedesenvolvimentodesimuladores.

Mesmoutilizandoferramentasqueauxiliamodesenvolvimento,oconteúdoprecisaserdiscutidoedelineadoemequipesmultie/ouinterdisciplinares.Nestecaso,autilizaçãodemodelosreativosàinteraçãoprecisamsercalibrados,demodoaresponderemcorretamentequantoàformaepropriedadestáteis.Foicomoobjetivodeauxiliaroprocessodecalibraçãodaspropriedadestáteisdemodelos3DqueoCalibradorHápticofoidesenvolvido.Apartirdestaaplicação,pode-setestareexperimentardiferentespropriedadesdemateriais,posteriormenteexportando-asparasistemasdesimulaçãoqueutilizemreaçãodeforça(LabTEVE,2017).

Figura15.19:ArquiteturadoframeworkCybermed,voltadoaodesenvolvimentoágildesistemasdeRV.

DemesmograudeimportânciaqueodesenvolvimentodeaplicaçõesdeRVeRAparasaúde,estáautilizaçãodestesnoscurrículosdesaúdeeagamadeaplicaçõesdisponíveis,quepoderiamserutilizadasemdiferentescontextoseemdiferentesmomentosdoprocessoeducacionaldenovosprofissionais.Estautilizaçãopermitiriaauxiliarnavalidaçãodasaplicaçõesemestudosdelargaescala,contribuindoparaasdiscussõessobreaefetividadedaRVedaRAparaasaúde.OtrabalhodeCostaetal.(2018)objetivoupermitiraintegraçãodestasaplicaçõesemprocessoseducativos,tratandomeiosdecompartilhar,combinaredefiniromomentodeusodeaplicaçõesdeRVeRAduranteprocessoseducativos.Paratanto,foidesenvolvidooportalPEGADAS,deusolivre,queintegraumsistemadeavaliaçãodashabilidadesdosestudantesemtrilhaseducativascompostasporaplicaçõesdeRV,RAejogos.OsistemadeavaliaçãodoPEGADASconsideraashabilidadesdosusuáriosparaatuarnosdomínioscognitivos,psicomotoreseafetivos,seguindoataxonomiadosobjetivosdeaprendizagemdeBloom.Destemodo,oprofessorpodeselecionarecriartrilhascompostasporaplicaçõesdeRVAparautilizarcomturmasdealunos(Figura15.20).

Figura15.20:TrilhadeatividadescompostasporsimuladoresdeRVcriadanoportalPEGADAS.

15.6AmbientesVirtuaisTridimensionaisAplicadoscomoBrinquedoTerapêutico

OBrinquedoTerapêutico(BT)éumaferramentautilizadaporprofissionaisdesaúde,principalmenteenfermeiros,comoumaformadeassistênciaàcriançahospitalizada,afimdealiviaromedo,aansiedadeeoestresse.AliteraturamostraqueoBTpodefavoreceracompreensãoeaaceitaçãodoprocedimentomédicopelacriança,possibilitaratranquilidadedacriançaeseuscuidadores,promoveracomunicaçãodacriança,permitiradistraçãodacriança,favorecerospaisconheceremmelhoracapacidadedeseusfilhos,alémdeserconsideradopelospaisecuidadorescomoumaimportanteintervençãodeenfermagem,umavezqueessaexperiênciatempossibilitadoàscriançaseadolescentescompreenderemeaceitaremmelhorosprocedimentosaqueserãosubmetidos

(Ribeiro,Borba,MaiaeCarneiro,2006).

Comumente,materiaisfísicossãoutilizadosnaaplicaçãodoBT,comobonecoseacessórioshospitalaresparaascriançaseadolescentesexternaremosseussentimentos.Contudo,devidoaograndeinteressedessepúblicopordispositivoseletrônicosejogos,Nunesetal.(2015)apresentaraminiciativasdepesquisanocontextodeAVs3DquetêmsidoaplicadoscomoBT.Nessecontexto,obrincarpormeiodeAVs3Demdispositivoseletrônicosecumprindoumafunçãoterapêutica,édenominadoporNunesetal.(2015)porBrinquedoTerapêuticoDigitalInterativo(BTDI).

AconcepçãodeBTDIsestáembasadaemtécnicasemetodologiasdeRV,RAeJogos,umavezqueessasáreastêmdespertadograndeinteressenocampodasaúde,poisampliamaspossibilidadesdesimulaçõesdesituaçõesreais,possibilitandomanipulareanalisardiretamenteoobjetodeestudo(Lemos,Gontijo,Santos,MacieleNunes,2016).

Considerandoessecenário,estaseçãoapresentatrêsiniciativasdepesquisanocampodoBTDIdesenvolvidosnogrupodepesquisaLAVI-LaboratóriodeAmbientesVirtuaisInterativosdaUFMT(http://lavi.ic.ufmt.br/):oseriousgame“HospitalMirim”,quepropõeprepararcriançaseadolescentesparaprocedimentosmédicos,pormeiodeumainterfacelúdicaeinterativa(Lemosetal.,2016);ii)oseriousgame"ProtegendoaTerra",quepropõecolaborarcomaaquisiçãodeconhecimentodecriançasquepermanecemhospitalizadasporlongosperíodoseafastadasdoambienteescolar(Nunes,Luz,LemoseMaciel,2016;Nunes,Luz,LemoseNunes,2016);iii)oseriousgame"ABCDiabetes",temcomoobjetivoprepararopúblicoinfantilejuvenil,inicialmente,diagnosticadocomDiabetesTipo1,sobreoseutratamento.

Ocenáriodo"HospitalMirim”sepassaemumquartodehospital,comosugeridopelosprofissionaisdesaúdeenvolvidosnoprojeto,afimdefamiliarizaracriançacomoambientehospitalarnoqualestáinserido.Oambienteapresentaelementoscomoleitohospitalar,acessórioshospitalares,brinquedosedecoraçãocaracterísticasdaidade.Ojogador,pormeiodeseuavatar,podeexploraromundovirtualcomliberdadedemovimentação,podendocaminharpeloquartoeinteragircomosobjetos3D.Ojogadorselecionaoavatar,querecebeojalecodoHospitalUniversitárioJúlioMuller-HUJMdaUFMT(parceirodoprojeto),representandooprofissionaldesaúde(jogador),comodestacadonaFigura15.21.Osavataressãodediferentesetnias(branco,

negroeindígena)egênero,considerandoadiversidadedecriançashospitalizadas.

Figura15.21:HospitalMirim-seleçãodeavatar.

Oseriousgamecolocaacriançanopapeldoprofissionaldesaúde,responsávelportratarospacientesvirtuais(brinquedosilustradosnaFigura15.22)pormeiodeprocedimentosmédicoscotidianos,comoapunçãovenosaparacoletadesangueeaplicaçãodemedicamento(Figura15.23mostraoprocedimentodecoletadesangue).OHospitalMirimseutilizadediálogosinformaisvoltadosacriançaseadolescentesaté12anos.Oprojetocontacomumaequipemultidisciplinar,queincluienfermeiros,médicos,psicólogoseoutrosprofissionaisdaáreapedagógica(Lemosetal.,2016).

Figura15.22:Seleçãodopacientevirtual(brinquedo)

Figura15.23:Procedimentodepunçãovenosa(coletadesangue)

Oprimeiroestágiodojogoincluiapunçãovenosaparacoletadesangue(Figura15.23)ouaplicaçãodemedicamento.Comoexemplo,acoletadesangueincluiasetapas:

aplicaçãodogarrotenopaciente;aplicaçãodoalgodãonoálcoolparaesterilização;aplicaçãodoalgodãocomálcoolnopaciente;seleçãodaseringapararetiradadesangue;remoçãodogarrote;remoçãodaseringa;aplicaçãodecurativo.

Emboraoseriousgametenhasidoconcebidoparacriançashospitalizadas,o“HospitalMirim”podeserestendidoaopúblicoinfantilemgeral,queestejainteressadoemconhecerprocedimentosmédicosbrincando.

Oseriousgame"ProtegendoaTerra"éiniciadoemumquartoinfantil,equandoacriançainteragecomotablet,amesmaéconvidadaacuidardomeioambientepormeiodeumainterfacequeofereceinteração,imaginação,desafiosemotivaoaprendizadopormeiodeconteúdoscurricularesinterdisciplinares(Nunes,Luz,Lemos,Maciel,etal.,2016).Ojogoagecomoumbrinquedodedistraçãoecomunicação,buscandoencorajarodesenvolvimentosustentáveleapreservaçãodomeioambiente,sendoaplicadonoambientehospitalarcomoapoiodeumprofissionaldaáreapedagógica.Valeressaltarqueesteacompanhamentonoambientehospitalaréumainiciativadaredepúblicadeensino,conformeprevêaResoluçãoCONANDAn°41deoutubrode1995(CONANDA,2015),quetratadodireitodoacompanhamentodocurrículoescolardacriançaedoadolescenteduranteasuapermanênciahospitalar.AFigura15.24mostraainterfaceinicialdojogocomomenuprincipal.AFigura15.25mostraoavatarselecionado,sendocontroladopelojogador,oqualpodeinteragircomosdiversosobjetosvirtuaispresentesnocenário.

Figura15.24:Interfaceinicialdojogo.

Figura15.25:Avatarselecionadosendocontroladopelojogador

Ojogoapresentatrêsfases(reciclar,reutilizarereduzirolixo).Aprimeirafase("Reciclar")abordaconteúdoscurricularesdematemáticaeciências,alémdebuscarconscientizarojogadorsobreaimportânciadacoletaseletivaeosmalefíciosqueoslixosdescartadosdemaneiraindevidacausamnomeioambiente.AfaseéiniciadacomdiálogosentreospersonagensvirtuaisDonaRosaeomascoteJoãoPinto,oqualauxilianoprocessodeavançodousuárionojogo(Figura15.26).Findadoodiálogo,ojogadoréconvidadoalimparapraça,coletandooslixosdeformaseletiva(Figura15.27).Ojogadorpodeinteragircomdiversosobjetosdomundovirtualcomintuitodetornaraexperiênciamaisinterativaeenvolvente(Nunesetal.,2016).Comoopúblicoprincipalsãocriançashospitalizadas,ojogadortambémencontrapelapraçalixoperigoso(seringas,remédios,etc),sendoalertadopelaDonaRosadoperigodessetipodelixo,oscuidadosnecessáriosecomodescartar.Ojogotemumtempodeterminadoparaojogadorcoletartodoolixoencontrado.

Figura15.26:Diálogoentreojogadoreospersonagensvirtuais.

Figura15.27:Interfacedapraçaparaojogadorcomeçaracoletaseletiva.

Asegundafasedojogo("Reutilizar"),propõecriarbrinquedosapartirdoslixosrecicláveis.Ojogoabordaaaprendizagemdeconteúdoscurricularesinterdisciplinares,envolvendoasmatériasdeArtes,MatemáticaeCiências,alinhadasatemáticaprincipaldojogosério“ProtegendoaTerra”,quetratadoscuidadoscomomeioambiente.Nestafase,ojogadorsedeparacomsombrasdebrinquedosaseremconstruídasapartirdoreúsodolixocoletado(Figura15.29).Portanto,acriançaprecisaidentificar,entreoslixoscoletadosnaprimeirafase,aquelesquepossivelmenteseencaixamnasformasgeométricasmostradasnassombrasdosbrinquedos,atémontá-loscompletamente.Essafaseésemelhanteaumquebra-cabeça,quedemandadojogadorahabilidadedeidentificarobrinquedoaserformado,relacionandoasformasgeométricasdasombradobrinquedocomoslixosrecicláveisdisponíveisnascaixas(Figura15.28).

Figura15.28:Lixosrecicláveisdisponíveisnascaixas.

Figura15.29:Sombradobrinquedoaserconstruído.

Aterceirafasedojogo("Reduzir")temcomopropósitotransmitirumamensagemsobreoconsumoconscienteeoscuidadoscomodesperdíciodeáguaeenergiaemcasa.Ocenáriodaterceirafasesepassaemumambientefamiliaraojogador,umacasa(Figura15.30).Ospersonagensvirtuaisquecompõemocenáriosão:monstrodolixo,monstrodaágua,monstrodaenergiaemonstrodoconsumo(Figura15.31).

Ojogosegueaideiadedinamicidade,quebuscadespertarnojogadorasensaçãodeemoçãoaopassarpelopontoschavedafasecompletandoosobjetivos.Proporcionamovimentosrápidoseintuitivostransmitindoamensagemdequeoconsumoconscientecolaboracomapreservaçãodomeioambiente.Ojogadorprecisareduzirosgastosdesnecessáriosdeáguaeenergianocenário.Osmonstrosdaenergiaedaáguainiciamcomdimensõesmaiores,eseguemreduzindoatéqueojogadorelimineospontosdedesperdício.Emparalelo,oDuende(monstrodoconsumo)percorreocenárioespalhandoobjetosdiversos,comoobjetivodefazerojogadorconsumir.Ojogadortemcomodesafiodesviardoconsumoafimdepreservaromeioambiente.Omonstrodolixocresceacadanovaaquisição(quandoojogadorpassaporcimadoobjetodeixadopeloDuende).

Figura15.30:Exemplodocenáriodacasa3D.

Figura15.31:Arteconceitualdospersonagensnãojogáveis.

Ojogo"ABCDiabetes"temcomoobjetivoprepararopúblicoinfantilejuvenil,inicialmente,diagnosticadocomDiabetesTipo1,sobreoseutratamento,como,porexemplo,aconduçãodamelhorescolhadosalimentosesuaforterelaçãocomoníveldeglicosenoorganismo.Ainsulinaproduzidapelopâncreaspermiteaentradadeglicosenascélulasparasertransformadaemenergia.Comníveiselevadosdeglicose,oaçúcarpermanecenacorrentesanguínea,causandosériascomplicaçõesaopaciente,eseoníveldeglicoseforextremamentebaixopodelevaràperdadeconsciênciaouacrisesconvulsivas.OjogotemcomopropósitoserumBTDIcomfoconocontroledaglicose,quefazpartedotratamentomédico,ecostumaserdramáticoparaacriançaeadolescentedevidoàsrestriçõesalimentares.Assim,ojogoabordaaseleçãodealimentosdeumapessoaquepossuiDiabetes,comoformadeconscientizaçãosobreaalimentaçãoadequada.Ojogoestáembasadoemminijogos,sendocadaumdelesconstruídoscombasenosrequisitoslevantadoscomaequipemédicadoHUJM.

Nainterfaceinicialdojogo,omenuapresentaduasopções:jogare,curiosidades.Emcuriosidades,ojogadorencontrainformaçõessobreossintomasqueadoençaprovoca,como:sede,fome,cansaçoeexcessodeurina,quesãoimportantesparaidentificaralteraçõesnoníveldeglicosenosangue.

Seojogadoroptaremjogar,inicia-seominijogoescolhido.Nomomento,aequipedefiniucomoprimeirominijogoaseleçãodealimentos.AprimeirafaseestáprototipadacomomostramosstoryboardsnasFiguras15.32e15.33etem

comoobjetivocompreenderquaisalimentossãomaisadequadosemcadarefeiçãodeumapessoacomDiabetesTipo1.Ocenárioaconteceemumapraçacomplayground,bancosdepraça,plantas,criançasbrincandoebarracasecarrinhossimulandoumafeiradealimentos.Naprimeirafaseestápresenteummedidordeglicoseparainformarasalteraçõesnosníveisdeglicosenosangue.Afaseestádivididaemtrêsmomentos:i)ojogadorexploraapraçaparaconhecerosalimentosqueestarãonasbarracasecarrinhos,afimdebuscarinformaçõessobreseusnutrientes;ii)ojogadorselecionaotipoderefeição(cafédamanhã,almoço/jantar,recreio,lanchedatarde)quedeseja,sendoqueestaseleçãoacontecequandoojogadorseaproximardeumpersonagemvirtualadulto;eporfim,iii)ojogadorselecionaosalimentosdarefeiçãodesejada.Paraseleçãodosalimentos,ojogadorpercorreapraçacoletandonacestaosmelhoresalimentosquedeverãocomporasuaalimentação.Salienta-sequeosalimentosseguemcaindosobreapraçaemdiferentesníveisdevelocidadeeposiçãonocenáriosemprequeojogadorseaproximardealgumabarracaoucarrinhodealimentos.

Adinamicidadedojogoestánaagilidadedojogadoremcoletarosalimentosadequados,porqueseeledemoraacoletaralimentosomedidormostraoníveldeglicosebaixo,transmitindoaideiadequeapessoanãopodeficarmuitotemposemsealimentar.Seaseleçãodealimentosnãoforadequadaparaacondiçãodediabético,omedidorapontaumaelevaçãononíveldeglicose,acarretandoemperigoparaoorganismoenecessidadedecontrole.

Figura15.32:.Protótipodaprimeirafasedojogo(Seleçãodealimentos).

Figura15.33:Protótipodabarracadealimentos.

Aimportânciadestafaseéensinarascriançaseadolescentesdiabéticoscomoescolherumarefeiçãocomosmelhoresalimentosemdiferentescontextoscomo,porexemplo,“Quaismelhoresalimentosdevoescolhernorecreiodaescola?”.Estejogosegueemdesenvolvimento,sendoocenárioeseusobjetosmodeladosnoBlendereaimplementaçãodoambientevirtualnomotordejogoUnity.

ValesalientarqueodesigndetodososAVs3DapresentadosnestaseçãofoiconcebidoapartirdetécnicasdeDesignParticipativo(DP),primeiramenteincluindoosprofissionaisdesaúdeepedagogos,eposteriormenteincluindocriançaseadolescentes.Logo,possibilitouidentificarasprincipaisnecessidadeseexpectativasdospotenciaisusuáriosparaaconcepçãodecadaBTDI.AlinhadoaoDP,astécnicasdeRV,RAeJogoscolaboraramnaconcepçãodeBTDIscomabordagemterapêutica,umavezquebuscapromoverobemestarpsicofisiológicodacriança.Astecnologiasutilizadasnaimplementaçãodosseriousgames(Blender,UnityeMixamo)semostraramadequadas.Entretanto,algumasdificuldadesencontradasnasanimaçõesdesenvolvidasnoMixamoforamsolucionadasimplementandodiretamentenomotordejogosUnity.

Osjogos"HospitalMirim"easduasprimeirasfasesdojogo"ProtegendoaTerra"estãodisponíveisnaPlayStore,ojogo"ABCDiabetes"eaterceirafasedojogo"ProtegendoaTerra"encontram-seemdesenvolvimento.

15.7UsodaRealidadeVirtualnaPsicoterapia

Estudoscomparativosdetratamentosparatranstornosdeansiedade,depressãoedeestressepós-traumáticoressaltamcadavezmaisaimportânciadaterapiapsicológicanestesquadros(Cuijpersetal.,2013).ResultadossignificativostêmsidoalcançadoscomousoderecursosdeRVeRA,juntamentecomapsicoterapianotratamentodostranstornosacimacitados(Haydu&Haydu,2011;MeyerbrökereEmmelkamp,2010;Mohr,Burns,Schueller,ClarkeeKlinkman,2013;ParsonseRizzo,2008;TurnereCasey,2014).

ARVpodeserutilizadaparasimularestímulosousituaçõestemidaspelopaciente,possibilitandoqueeleentreemcontatocomestassituaçõesdemaneiracontroladaesegura(MeyerbrökereEmmelkamp,2010;Regeretal.,2016).SobaóticadaAnálisedoComportamento–umadasabordagenspsicológicasquetêmutilizadoaRVnoprocessoterapêutico–essecontatoeenfrentamentodosestímulostemidoséumaetapaimportanteparaosucessodotratamento,poispermiteaopacientedesenvolvercomportamentosfuncionaisparalidarcomessassituações(Haydu,KochhanneBorloti,2016).Quantomaiorcontroleoterapeutativersobreoambienteduranteessasexposições,melhoresosresultadosdotratamento,poisaexposiçãopodeserencerradaoualteradadeacordocomoscomportamentosapresentadospelopacienteedosobjetivosterapêuticos.Diantedisso,ousodaVirtualRealityExposureTherapy(VRET–terapiadeexposiçãoemRV,emtraduçãolivre)demonstraoimportantebenefíciodepermitirqueaexposição(emAV)possaserdesenvolvidadeacordocomcaracterísticasdopacienteeobjetivosterapêuticos,oquenãoépossívelnumaexposiçãonumambientereal(Hayduetal.,2016).

ARV,porpermitirmaiorsensaçãodepresençaeimersão,apresenta-secomoalternativabastanteinteressanteeseuusoparaorelaxamentotemmostradoresultadossignificativosnotratamentodetranstornosdeansiedadegeneralizada(Pallavicini,Algeri,Repetto,GorinieRiva,2009).Aprenderarelaxarexigetreinoeconcentração,emuitasvezeséumatarefadifícildeseraprendidapelospacientes.

EstudoscomousodeCDsdemúsicaseDVDscomimagensesonsrelaxantesmostramqueousodestestemefeitospositivosnorelaxamento(Sand-JecklineEmerson,2010);noentanto,aapresentaçãodeumcenáriovirtualcalmopormeiodaRVpossibilitaumaexperiênciamaisvívidaaopacientedoqueousodeCDs,DVDsoumesmoapenasaimaginação.AUniãoEuropeiafinanciouoprojetodepesquisaINTREPIDparainvestigarousodeRVportátil(visualizaçãopormeiodecelulares)juntamentecommecanismosdebiofeedback(dispositivos

quemedemreaçõesfisiológicascomosudoreseefrequênciacardíaca)paraotratamentodetranstornosdeansiedadegeneralizada.Osresultadosreportadosforambastanteencorajadores,principalmentedevidoaousodeRVnoscelularesoferecerconsiderávelflexibilidadeaospacientes,bemcomosolucionarapreocupaçãoexistentequantoàlimitaçãodeacessoàRVsomenteaoconsultório(Pallavicinietal.,2009).

DentreosbenefíciosdousodaVRETnotratamentotranstornosdeansiedadeedefobias,pode-sedestacarprincipalmenteofatodopacientenãoserexpostoaojulgamentosocialouasituaçõesquepodemofereceralgumperigo,comopodeocorreremsituaçõesdeexposiçãoreal(Botella,Fernández-Álvarez,Guillén,García-PalacioseBaños,2017;Hayduetal.,2016).Ainda,aopossibilitarqueoterapeutacontroleaexposiçãoeofereçaumaexposiçãogradualdeacordocomarespostadopaciente,favoreceoestabelecimentodeumaaliançaterapêuticapositiva(Hayduetal.,2016;Riva,2005).Ademais,oaspectoeconômicoéumgrandebenefício,poispermiteasimulaçãodesituaçõesqueseriambastantecustosasdeseexpornumambientereal,porexemplonocasodomedodevoar(Botellaetal.,2004).Nestecaso,opacienteeoterapeutadeveriamrealizarviagensaéreasjuntosrepetidasvezesatéqueopacienteatingisseosobjetivosterapêuticos.UsandoaVRET,essecustoéreduzidosubstancialmente.

NoBrasil,estudosfeitosnaUniversidadeEstadualdeLondrinautilizandoVRETjuntamentecomaAnálisedoComportamento,têmmostradoresultadospositivosparatratamentodefobias,domedodedirigiredomedodefalarempúblico(Haydu,Fornazari,BorlotieHaydu,2014;Hayduetal.,2016;HaydueHaydu,2011).PesquisadoresdaUniversidadeFederaldoRiodeJaneiro(UFRJ)têmaplicadoaVRETparaotratamentodetranstornodopânico,fobiadevoarededirigiredanomofobia(dependênciadotelefonecelularedainternet)(Carvalho,FreireeNardi,2008;Kingetal.,2014).

OMedicalVirtualRealityLabdaUniversityofSouthernCalifornia-InstituteforCreativeTechnologies(USC–ICT),nosEstadosUnidos,apresentadiversosprojetosparaaaplicaçãodaRVemSaúdeMental(USCICT,2018).Porexemplo,oprojetoSTRIVE(StressResilienceinVirtualEnvironments)temoobjetivodetreinarmilitaresparalidarcomoestresseaoqualserãosubmetidosquandoemcombate.Nesteprojeto,umAVimersivoquesimulaoambientedecombateéutilizadocomintuitodeprovocarestressefísico,emocionalesocialnosmilitares.Situaçõesdescritascomotraumáticasporveteranosforamutilizadasparaodesenvolvimentodesseambiente,demodoatorná-lomais

realista.Osmilitaresemtreinamentorecebemorientaçãosobreafisiologiadoestresseedetécnicascognitivo-comportamentaisparalidarcomeleantesdaexposiçãoaoambientevirtual,demodoqueconsigamdesenvolvercomponentesderesiliênciacomportamental(Rizzoetal.,2013).

OutroprojetodoMedicalVirtualRealityLabdaUSC–ICTéoVirtualRealityExposureTherapyquetemcomoobjetivootratamentodetranstornodeestressepóstraumático(PTSD)comousodaRV.Esteprojetotemaçõesemmaisde60clínicasehospitais,incluindohospitaisparaatendimentodeveteranosdeguerra.AaplicaçãodesenvolvidautilizaprincipalmentearepresentaçãovirtualdecenárioscomumenteencontradospormilitaresemcombatenoIraqueeAfeganistão,comodesertoserodovias,quesãoprojetadasemHMD,comusodeáudio3Ddirecional.OAVpodesercomplementadocomestímulosolfativos.AterapiautilizandoesteAVimersivorequerprofissionaisespecializadosnotratamentodePTSDemveteranosdeguerra.DiversosestudosrealizadosporessegrupomostramresultadospositivoseencorajadoresparaousodeVRETnotratamentodePTSD(Reger,RizzoeGahm,2014;Rizzoetal.,2013).

NaAustrália,ogrupodepesquisaVisoR(VirtualandInteractiveSimulationsofReality)daMacquarieUniversityconduzpesquisasinterdisciplinaresprincipalmentedeintersecçãoentreComputaçãoePsicologia.Dentreosprojetosconduzidosporessegrupo,estáodesenvolvimentodeaplicaçõesinterativascomreconhecimentodediscursoeexpressõesfaciaisparaomanuseiodoestresse(Kavakli,Ranjbartabar,MaddaheRanjbartabar,2016),estudossobreousodeVRETparaotratamentodaagorafobia(fobiadelocaisamploseabertos)(Malbos,Rapee,Kavaklieothers,2011)edeansiedade(Malbos,RapeeeKavakli,2013).

15.8Tendênciaseoportunidades

AaplicabilidadedaRVedaRAnasoluçãodeproblemasemsaúdeenvolveumaextensagamadepossibilidadesdepesquisaedesenvolvimentodeprodutos.Aparticipaçãodeprofissionaisdasaúdeéessencialnesteprocesso,poissãoelesqueconhecemoproblemaepodemapresentarsuasnecessidadeseexpectativas,bemcomoauxiliarnavalidaçãodasoluçãodesenvolvida.Portanto,observa-sedeimediatoqueumadasnecessidadesobservadasnaRVAaplicadaàsaúdeéacomposiçãodeequipesmultie/ouinterdisciplinaresnaconcepçãodassoluções,pois,alémdeprofissionaisdasáreasdeComputaçãoeSaúde,outrospodemser

necessáriosnoprojeto.

OdesenvolvimentodeaplicaçõesdeRVeRAparaaáreadesaúdeaindaapresentaváriosdesafios.Apesardejáexistiremdiversasbibliotecasquecontribuemparaodesenvolvimentodeaplicaçõesnaárea,emgeralasfuncionalidadesdisponibilizadassãodestinadasàconstruçãodeaplicaçõesdepropósitogeral.Comocitado,aplicaçõesemsaúdemuitasvezesapresentamrequisitosespecíficos.E,namaioriadelas,anecessidadederealismoéimperativa.Seporumladoestecenárioaindaconstituientravesparaqueseatinjaumaaltaprodutividadedesoftwarenaárea,poroutrotemproporcionadomotivaçõesparaqueaprópriatecnologiasedesenvolva.

Naáreadetreinamentovirtual,algoritmosquesejamprecisose,aomesmotempo,proporcionemrespostasemtemporealaindaconstituemdesafiosnãosuperados.Assim,odesenvolvimentodeestruturasdedadoseficientes,quetrabalhemcommalhascompostasporgrandevolumedevérticesefaces,aindaéumaáreadepesquisaquemereceexploração.Igualmente,avaliaraefetividadedoaprendizadonaáreaaindaéumcampopoucoexplorado.Poucasferramentasdisponibilizadasintegrammódulosdeavaliaçãoqueofereçamrespostasadequadastantoaoaprendizquantoaoinstrutor.Generalizaressesmétodos,nomínimodentrodedeterminadosdomínio,tambémconstituiumaáreadepesquisaquemereceexploração.

NocontextodeBrinquedoTerapêutico,aconcepçãoeavaliaçãodeseriousgamesemAVs3DcumprindoumafunçãoterapêuticaaindaéumdesafioquandosedeparacomPessoascomDeficiência(PcD).

Apesardeosdispositivosdetelasensívelaotoqueteremsetornadoumadasplataformasdejogosmaisdifundidas,existempoucosestudosqueconsideramaspectosdeacessibilidadeparaPcD(Kim,Sutreja,FroehlicheFindlater,2013).Yuan,FolmereHarris(2011)destacamalgumasdificuldadesdosusuáriosdecorrentesdafaltadeacessibilidadeemjogosparadispositivosmóveis:(1)nãosercapazdereceberfeedback;(2)nãoconseguirresponderàsinteraçõesdojogo;(2)nãoconseguirinteragirutilizandodispositivosdeentradaconvencionais.

Considerandoosváriostiposdedeficiênciasexistentes,asbarreirastecnológicasquedificultamouimpedemoacessodaPcDàstecnologiassãomuitasedesafiamusuáriosedesenvolvedoresdejogosembuscadetécnicasdeinteração

quesuperemasbarreirastecnológicas,buscandoalternativasquepermitamaPcDatuarcomopotencialusuárionosjogosquevemsendodesenvolvidoemdiferentesáreasdoconhecimento.

AsnovastécnicasdaáreadeInteligênciaArtificialirãoabrirnovaspossibilidadesparaossistemasvoltadosparaaáreadaSaúde.Osambientespoderãoexplorargrandesmassasdedadossobredoenças,gerandoaplicaçõescomcombinaçõesespecíficasparacadapaciente,individualizandoaexperiêncianosambientesvirtuais;poderãoutilizarrobôsecomunicaçãoemlinguagemnatural,assimcomointegrarexperiênciasdeRAemambientespervasivos(Baciu,OpreeRiley,2016).

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Capítulo16-ArquiteturaeDesign

PolisedeMarchiMarceloHashimoto

Ediçãopreliminardepré-lançamento.Circulaçãorestrita.AversãodefinitivaserálançadanoSVR2018(http://svr.net.br/).

ARealidadeAumentada(RA)eaRealidadeVirtual(RV)têmsidoaplicadascadavezmaisedeformasignificativaemáreascomoArquiteturaeDesign.Umdosprincipaismotivoséanaturezaespacialdeambasasciências.Sejaparaampliaroambientefísicoagregandocamadasvirtuais,sejasimulandonovasexperiênciasimersivas,asrealidadesaumentadaevirtualdialogamcomoespaçoemsuasdiversasescalas.

Ambientesurbanos,edificaçõeseobjetostêmintegradoaofísicoodigital,construindonovasnarrativaseampliandoorepertóriodeinteraçãocomusuáriospormeiodedispositivosmóveis,vestíveiseinterfacesdigitaisdediferentesnaturezas.

OobjetivodestecapítuloémostrarpormeiodeexemplosasaplicaçõesdeRAeRVemprojetosquedialogamcomasdiferentesescalasdoespaçoassociadosàsáreasdaArquiteturaeDesign,tantoconsiderandooimpactodovirtualnocenáriofísico,comoaspossibilidadesdeinteraçãoeexperiênciadousuário.Nessesentido,ocapítuloaindapropõealgumasreflexõessobrecomoaRVpodeserusadaemsimulaçõesparatestescomusuários,detalhandoexemplosemergonomiadeprodutosfísicoseusabilidadedeprodutosdigitais,alémdedescrevercomoaRVpodeserusadaemelicitaçãoderespostasemocionais,detalhandoexemplosdeestudosexperimentaisecontextualizandonoarcabouçodeTecnologiasPositivas.

16.1ArealidadeVirtualeAumentadaexpandindoascamadasinformacionaiseexperiênciada/nacidade

ARVeRA,hátempos,deixaramdesertecnologiassomenteaplicadasetestadasemlaboratóriosdepesquisatecnológica,experimentosartísticosouentretenimento.

Váriastêmsidoasaproximaçõescomdiferentesáreasdoconhecimento.Quantomaispopularizadasastecnologiasdeproduçãoem3De4Douosequipamentosdeinteraçãocomomeiodeimersãoemrealidadesparalelas,comodispositivosmóveiseóculosparaRV,maisessastecnologiassetornamacessíveiseaplicáveisemescala.

Noâmbitodacidade,issonãopoderiaserdiferente.Emtemposemqueapopulaçãourbanaultrapassouamarcade50%,essastecnologiasseapresentamtantocomofacilitadorasdecompreensãoeaprendizadosobreoambiente,comonocasodaRA,comotambémdeexperimentaçãoantecipadadarealidadepormeiodesimulaçõesdoambientefísico,pormeiodaRV.

Segundo,JenniferWhyte(2002)arelaçãoqueoserhumanotemestabelecidocomomundotecnológicoconstituídoporinterfacesem“quadros”,comoocinema,atelevisão,ovidrodocarro,ateladocomputadorouoconsoledejogostemmudadocompletamenteanossaformadeverecompreenderomundoenospreparadoaestabelecerrelaçõesentrerealidadesdistintas:asreais,assimuladasouaquelasaumentadas.Paraaautora,aexperiênciadeviagemproporcionadaporumautomóvelésemelhanteàdaRealidadeVirtual,umavezque"ocarrorestringeanossapercepçãodomundoemumavistadinâmicaatravésdeumquadro.Nósvemosomundoatravésdeumajanelae,emboraviajemosemvelocidade,nossocorpopermaneceestático”(p.8).

OutroaspectoimportanteparaainserçãodaRVeRAnavidaurbanaestánaafirmaçãoenousodosdispositivosmóveisnodia-a-diadascidades.Hátemposelestêmincorporadováriasfunçõesdevidoàquantidadecrescentedenovossensoreserecursosquepermitemumamaiorversatilidadeemusoseapropriações.OreconhecimentodoposicionamentogeográficopromovidopelosensordeGPS,porexemplo,desencadeounovosprocessosdecompreensãodoslocaisdacidade,sendopossívelagregardadoseinformaçõesapartirdecoordenadasgeográficas,transformandoaspaisagensurbanaseminformacionaisatravésdeinterfacesdigitais.

Asmídiaslocativasdigitais–tecnologiaseprocessosinformacionaisqueestãoassociadasalocalidadespormeiodedispositivosmóveis(Lemos,2010),

conectamaspessoascomomundopormeiodecamadasdeinformaçãodediferentesnaturezas.Alémdevincularainformaçãoaoespaçoeemváriosformatosdemídia,asmídiaslocativaspermiteminteraçõesnadimensãodoespaçosocialecultural,ampliandoosentidodeambienteurbano(Barfieldetal.,2015).

Aaquisiçãodedispositivosmóveisjánãoéalgoparapoucos.Cadavezmaispotenteseacessíveis,seususostêmsidopotencializadospormeiodeequipamentosvestíveis,comooóculosCardboardeohandsetDaydreamdoGoogle,ouoGearVRdaSamsung,entreoutros.Essesdispositivospermitemnovosmeiosdeinserçãoevisualizaçãodainformaçãoetêmsidoapontadoscomopromissores.ProvadistosãoasplataformasGoogleeFacebook,queapostamemaplicaçõesparaexperiênciasemRVemlargaescalasocial.

Se,porumlado,oambienteurbanoconcentraumaquantidadeinfindáveldedados,quesãoproduzidoseinseridosdiariamentepordiversasfonteserecursos,poroutroapontaparaapossibilidadedeentendercadavezmaisemelhoroslugaresqueconstruímoseemquevivemos.

Ascidadessãoasmaioresfontesdebigdata.Comomatéria-primadainformação,essesdadosapresentamgrandepotencialparaalimentarsistemasdeinformaçãourbanaedeinteraçãosocial.Nessecontexto,aRAtemsemostradomuitoeficiente,poispermiteaextensãodeambientesreaisparaseususuáriosapartirdainserçãodeconteúdosinformacionaisvirtuaisemtemporeal.

ComaRA,acidadetorna-seumambientehíbrido(Schranz,2015)informacionalemquecamadasdedadossesobrepõem,estruturandoredescomplexasdeinformaçãoetendocomosuportearealidadeurbana.Essascamadasagregamdiferentessignificadoserepresentaçõesdarealidade,estabelecendonovasrelaçõescomoespaçorealemdiferentestempos.

Atemporalidadeéumaquestãofundamentalparaacidade,umavezqueacidadeéconstituídapelasedimentaçãodeváriosmomentoseeventos.Seporumlado,discute-sebigdataeacontínuaeprogressivaproduçãodedadoseanecessidadedeacessá-losevisualizá-los,poroutroháumaconstanteatividadederememoraçãodopassado,umavezqueasRAeRVpermitemareconstruçãoderealidadespassadasouainserçãodecamadastemporaisdistintasemtempopresente,alémdeprojetarrealidadesfuturasemjustaposiçãocomorealatual.

16.1.1AantecipaçãoeexperimentaçãodoespaçoemdiferentestempospormeiodaRV

ParaJenniferWhyte(2002,p.3-4),otermoRVtemsidocomumenteusadoparadescreveraplicaçõesquepermitemainteraçãocomdadosespaciaisemtemporeal.Noambienteurbano,elaapresentaduasnaturezas:meioesistema.Comomeio,aRAécompreendidacomorepresentaçãoeapropriaçãodoambienteurbanoepodeserdefinidapormeiode3características:interativa,espacialetemporeal.Comosistema,aRVcompreendeosusuários,osequipamentos,osdados,ohardwareeosoftwareeéclassificadaemimersiva,não-imersivaeRA.

ARVenvolveousuárioemumaexperiênciatalqueousuáriosesentecomoestivessepresenteemoutromundoeomundorealfossetemporariamenteesquecido(Jerald,2015).

Osprojetosurbanossãodetentoresdealtacomplexidade,umavezqueinteragemcomdiversossistemas.Energia,transporte,saneamento,abastecimento,educação,cultura,patrimônioeedificaçõessãoalgunsdossistemasquecompõemoambienteurbanoeinterferemdiretamentenobem-estarequalidadedevidadoshabitantesdacidade.Pormenorquesejaainterferênciaemumdessessistemas,aconsequênciatendeasersistêmica.Dessemodo,apossibilidadedeanteciparoucompreenderreaçõespossíveisemdecorrênciadeumprojetofazcomqueaRVsetorneummeioeficienteecomplementaraodoplanejamentoedesignurbano.

Kataravirtualrealitycityplanning

AcidadedeKataraemDoha,naregiãodoCatar,utilizouaRVcomomeiodeapresentarastransformaçõesurbanaspropostasatodosaquelesinteressadosemconhecerofuturodacidade.

Figura16.1KataraVirtualRealityCityPlanning.Fonte:https://www.eonreality.com/press-releases/experience-katara-cultural-village-in-the-immersive-eon-icube-mobile-at-mipim-in-cannes/

DesenvolvidopelacompanhiaEONReality,oambientedeRVimersivocombinoumodelosrepresentandoacidadeatualeastransformaçõesfuturas.Apartirdaexperiênciadenavegaçãoimersivapelosmodelos,osusuáriospuderamteraexperiênciaantecipadadoambienteurbanoprojetadoemumaescalapróximaàreal,permitindoassim,ummelhorsentidodepresença.

Arepresentaçãodeprojetospormeiodeplantas,elevações,eperspectivasfazempartedeumalinguagemtécnicacompreensívelporarquitetos,engenheiroseincorporadores,masmuitodistantedacompreensãodopúbliconãoespecializado,entreelesoscidadãoseinvestidores.Destarte,apropostadecriarumaexperiênciadefuturoprojetadodacidadepermitequeaparticipaçãosocialsejamaisefetivanacompreensãodoambientecomum,domesmomodoqueaatraçãodeinvestimentoseparceriasparaasuaimplementaçãosejamaisbem-sucedida.

DomesmomodoqueaRVéumatecnologiaquepermiteaexperiênciaantecipadadarealidadefutura,elatambémpossibilitavivenciarrealidadespassadas,nãomaisexistentesnoambientefísicodascidades.Poressemotivo,aRVtemsidotambémmuitoutilizadaemaplicaçõesrelacionadasaáreadepatrimôniohistóricoecultural.

HistoriumCityVR

OHistoriumCityVR(2015)éumexemplodeaplicaçãorelacionadaaopatrimôniohistóricoeturístico.EletemcomoobjetivocomplementaravisitaaomuseuHistoriumemBruges,naBélgica,apartirdeumaexperiênciaaoarlivreemseislocalidadesdacidade.ComousodoprópriosmartphoneinseridoemumaversãodoóculosCardboarddoGoogle,desenvolvidaespecialmenteparaoprojetoeadquiridonaprópriabilheteriadomuseu,ousuáriopodevisitaroslocaisevisualizá-loscomoeramnaépocadeourodacidade.

Figura16.2HistoriumCityVR.Fonte:http://www.riebedebie.be/en/news/historium-city-vr

Diferentementedeoutrosguiasturísticosquerelatamsobrefatoshistóricos,oHistoriumCityVRpermitequeosusuáriosreconheçamopresentecomoresultantedeumdesenvolvimentohistórico,pois,umavezestandonoslocaisépossívelque,mesmoemestadoimersivo,ousuárioestabeleçacomparaçõesentreosdistintostemposdaquelemesmoespaço,aocolocareretiraroóculos.

ComafacilidadedousodequalquersmartphoneedoóculosCardboard,oprojetotornaaRVmaisacessíveleintegradaaodesigndeinteraçãourbana.

Alémdeestabelecerrelaçõescomomundoreal,sejaantecipandoofuturooupermitindoreviveropassado,projetosemRVtambémpermitemcriarespaçosutópicos.Elessãomuitocomunsemcenáriosdejogosemqueoaspectolúdicoeimaginativosãofundamentaisparaimersão.OprojetoHypatiadaTimefireVRpropõemaisdoqueumainteraçãolúdica,masumaexperiênciadecidadeemsuadimensãoespaço-socialvirtual.

Hypatia–TimefireVR

Apartirdacombinaçãoentrelocaisreaispresentesemqualquerestruturadecidadeseelementosdefantasia,Hypatia(2017)pretendeserumespaçocolaborativo,social,educacionaledivertido,ouseja,uma“culturadecidadevirtual”,conformeapresentadopelosseusidealizadores.

Oprojetoaindaprevêumimpactonomodeloeducacionalfuturoearestauraçãodeumtecidosocialdecomunidadenoambientevirtual.SemelhanteemalgunsaspectosaoSecondLife,Hypatiabuscaexploraremseudiscursooacessoatemporalidadesdistintasquepermitemaexperiênciadeumacidadeemcombinaçãodetempos,espaços,atoreseequipamentosdemodoimersivo.

Oprojetoénovoeosrequisitostecnológicosnecessáriosaindalimitamoseuusoaumapequenaparceladeusuários,muitomaispróximosdarealidadedosgamesdoquepropriamentedadiscussãodoprojetourbano.Detodomodo,valeodestaqueparaainiciativa,umavezqueelabuscapromoverumespaçosocialdecolaboraçãoeconvivênciaemummesmoambientevirtualdecidade.

Figura16.3HypatiaTimefireVR.Fonte:https://timefirevr.com/hypatia/

Emboraacomplexidadedeumacidadeseestendaparaalémdeexperimentosvirtuais,éinegávelqueelespossamampliaracompreensãosobredinâmicassociaiseculturaisdeumambienteurbano.Talveznãoosubstituindo,mas

aproximandoimaginárioseaçõesefetivasemrealidadesparalelasquepossamserambientesdeconhecimentoparaodesigndeinteraçãourbanaintervirdentrodoespaçofísicodascidades.

DiferentedaRV,aRAéapresentadacomotecnologiaquepermiteaintegraçãoentrevirtualidadeeambientefísico.Ampliando,estendendoesobrepondoinformaçõesemtemporeal,elapermitequeelementosvirtuaissejamincorporadosaomundoreal,semignorá-lo.Pelocontrário,naRAarealidadefísicaésubstrato[Peddie2017,p.20].

16.1.2RealidadeAumentadaeodesigndoespaçourbanohíbrido

lifeClipper

OprojetolifeClippernaBasileia,Suíça,éumprojetodearteaoarlivre,pioneiroemestenderarealidadefísicapormeiodavirtualidadeedepromoverainteraçãocomoambienteurbanodemodosemi-imersivo.Comomeio,elesebaseiaemumaexperiênciadepercepçãoaudiovisualapartirdedeslocamentosapéemáreaspré-estabelecidas.Tecnicamente,osistemaéconstituídoporumcomputadorportátil,umHeadMountedDisplay(HMD)vestível,umacâmeradevídeo,ummicrofone,GPSesensoresdepressão.

Aideiacentraléproporcionaraousuáriodosistemaapossibilidadedealteraroambienteapartirdacapturadesonseimagensedaalteraçãodeseusparâmetrosemcombinaçãocomainserçãodeáudios,fotosevídeosdeumbancodedadosdisponíveldeacordocomolocalvisitado.

ApropostaéfazercomqueosusuáriossintamqueestãoassistindoaumfilmedoqualparticipamcomoobservadoresativosimersosnoespaçoedetectadospelosistemapormeiodoGPS.Todasasaçõessãolocalizadasealteradasquandoousuáriosedesloca,estendendoasuapercepçãoemrelaçãoaáreaexplorada.

Figura16.4:lifeClipper1.Fonte:http://www.lifeclipper1.torpus.com

Oprimeiroprojeto–lifeClipper1(2005)-foiapresentadonaBasileia,naáreahistóricadovaledeSt.Alban.Ainteraçãopropostacomolugarpermitiaqueosusuáriosreinterpretassemahistóriaapartirdacombinaçãodaexperiênciadopresentecomasobreposiçãodeimagensesonsdopassado.Emboraopercursofosserealizadocomaajudadeumasegundapessoa,umavezqueoequipamentolimitavaaacuidadevisual,aousuárioeraoferecidaapossibilidadedenavegareobservaroambientedemodoatento,promovendoassimumaexploraçãomaiscuidadosadoslugares,comoseestivesseemumfilmeemqueoprotagonistafosseelepróprio.

Oprojetosedesdobrouemduasversões.AprimeirafoiapesquisaaplicadalifeClipper2(2006–2008),sobreopotencialdaRAparaprojetosdevisualização,planejamentourbanoeturismonaAcademyofArtandDesigndaUniversityofAppliedSciencesNorthwestern.Eem2011foilançadoolifeClipper3,playgroundemSt.JohannsParknaBasileia.Dessavez,ofocodaexperiênciacomoambienteseconcentrounaimersãonarrativa,oucomoapontamoscriadoresdoprojeto,emum“environmentalstorytelling”.Nessaversão,ousuárioéapresentadocomoumavataremumjogodeestruturanãolinear.Apropostaéqueosusuáriosestejamimersosemumasensaçãodefluxo,

estabelecendorelaçõescomoambienteapartirdoreconhecimentodolocal,daiteraçãotemporaledainteligênciadosistema,combinandotrêsnaturezasdistintas:fixa,periódicaeacaótica.

Figura16.5:lifeClipper3.Fonte:http://www.lifeclipper3.torpus.com

AlémdeproporaampliaçãodecamadasdeinformaçãonoambientefísicopormeiodaRA,oprojetolifeClippertambémestendeaapreensãodoespaçoemdiferentestemporalidades.OprojetoéumexemplodousoeaplicaçãodaRAcomomeiodeintegraçãoesobreposiçãodecamadastemporaisemtemporeal.

Opatrimônioculturaléumimportantelegadoconstituídoporartefatosfísicostangíveisepelaculturaimaterialintangível,índicesdaexistênciadegeraçõespassadasqueconfiguramassociedadesatuaisequemerecemserpreservadasparaobenefíciodegeraçõesfuturas[KrogstieeAugstvedt2015].Nestecenário,arealidadeaumentadaseapresentacomopotencialinstrumentodepreservaçãoedereconhecimentodelegadoshistóricosmateriaiseimateriaisnosambientesurbanos,combinandodiferentestemposdevivêncianoespaço.

CidadeAumentada

Amemóriadeumacidadeéconstituídapelahistóriadeseushabitantes,manifestadaemeventosocorridosnoespaçoetempourbanos.Elaseconformaa

partirdeumprocessocontínuodesedimentaçãodecamadasdevivênciasnacidade,configurando-secomoherançamaterialeimaterialconstruídaaolongodotempoemconstanteatribuiçãodesentidoesignificadoaoslugares.

OprojetoCidadeAumentada(2017)temcomoprincipalmotivaçãoativarosdiversospontosdememóriaurbanaapartirdocompartilhamentodahistóriavividaporseushabitantesnoespaçofísicoematerialdacidade.Pormeiodeimagens,textos,sonsevídeos,oscidadãossãoconvidadosacompartilharsuasmemóriasgeolocalizadasearmazenadasemcomputaçãoemnuvem,configurandoassimnuvensdememóriasque,umavezativadas,poderãoseracessadasemRAnocontextoespacialemqueacontecerampormeiodedispositivosmóveisnospontosgeolocalizados.

Paraativarospontosdememóriaurbana,énecessáriocriarumacontanositedoprojeto.Apartirdeentão,ousuáriodosistemapoderágeoreferenciarseuslugaresdememóriainserindooendereçoouapontandooslocaisnomapa.Umavezidentificadoolocal,épossívelsalvarimagens,relatos,sons,vídeos,etextoscorrespondentesamemóriacompartilhadadesteespaço.Todomaterialficaarmazenadonoservidoremnuvemdoprojeto,configurandoumbancodememóriasdacidade.Assimqueaprovadas,asmemóriassãoativadasepodemservisualizadasnositeeacessadasemseulocalgeográficodeorigem.Destemodo,oprojetoéalimentadocontinuamentepelointeressedecompartilharmemóriasurbanaspormeiodeumsistemadecrowdsourcing,emqueosparticipantessãoresponsáveisporconstruirdemodocoletivoumbancodememóriasdacidade.

Figura16.6:CidadeAumentada.Fonte:http://www.cidadeaumentada.com

Pormeiodeumaplicativoparasmartphonesbaseadoemsistemadeposição

geográfica(GPS)ecâmerafotográfica,épossívelacessarevisualizarascamadasinformacionaisdememóriaurbananoespaçofísico,permitindoquearealidadepresentesejaampliadaeestendidanotempoenoespaço.Umavezidentificadospontosdememóriaativososistemareconheceráaposiçãodousuárioe,casoeleestejaemumraiode100metros,eleteráacessoaoconteúdoepoderávisualizá-lopormeiodacâmeradeseucelularque,apartirdeentão,criaráumanovacamada-queévirtualemsuanatureza,masqueemconjunçãocomasimagenscaptadasdarealidadeconsegueestendê-laeaumentá-la.

Aointegrarrelatossonoros,visuaisetextuaisdoshabitantesdacidadeoprojetoprocurarecomporahistóriasocialdacidadeapartirdesuamemóriaurbana.

UrbanPlanAR

OprojetoUrbanPlanAR(2017),desenvolvidopelospesquisadoresFrédéricBoschéeLudovicoCarozzadoCentreofExcellenceinSustainableBuildingdaUniversidadeHeriot-Watt,emcolaboraçãocomLinkNodeLtd.,propõeumnovomeiodecomunicarevalidarprojetosdedesenvolvimentourbanopormeiodeumaplicativomobiledeRAquepermitevisualizaraspropostasdeintervençãodiretamentenoambienterealondedeverãoserimplantadas.

OUrbanPlanARtrabalhaemtrêseixos:visualizar,engajareplanejar.Comovisualizaçãodigital,asoluçãobuscaampliaropotencialdemodelosarquitetônicos3D,tambémconhecidoscomoBuildingInformationModel(BIM),desenvolvidosparacompreensãodoprojetodeedificaçõespretendido.Alémdeintroduziressesmodelosnoambientereal,aRApossibilitaráoengajamentodacomunidade,umavezquepermitiráamelhorcompreensãodasalteraçõespropostaspormeiodedispositivosmóveis.Paraarquitetoseplanejadoresurbanos,asoluçãoemRApermitiráprojetosmaisassertivos,umavezquepoderãosercontextualizadasvirtualmentenoambientefísico.

Figura16.7:UrbnPlanAR.Fonte:http://urbanplanar.com

16.1.3Arquiteturaeosnovosprocessosdevisualizaçãoeexperiênciadoespaçoprojetado

SoftwarescomoCAD–Computer-AidedDesign–revolucionaramoambientedeproduçãodosprojetosdearquiteturaedesign.Nãosomentepermitindoavisualizaçãomaisdetalhadadoprojeto,maspossibilitandoquemodelos3Dpudessemsercriadosenavegadospormeiodenarrativasespaciaisdefácilentendimento.

TantoaRAcomoaRVsãoimportantesferramentasparaaexperimentaçãodarealidadefísicaaserprojetada(BimbereRaskar,2005),estabelecendonovasfronteirasentreosobjetosfísicosedigitaisnaexperimentaçãoesensorialidadedoespaço.Porexemplo,ummesmoedifíciopodeserapreciadoemRAtantoatravésdeumlivrosobrearquitetura,comoemumaaplicaçãoparavisualizá-lonoespaçofísico.OutraaplicaçãoemRApoderiaaindaproporcionarexperimentaçõesparaainserçãodeprojetosdemobiliárioedecoraçãonessemesmoedifícioapósasuaconstrução.Portanto,éextensooguarda-chuvadeaplicaçõesvoltadasavisualizaçõesarquitetônicasemsuasdiferentesescalasefases(Craig,2013),sendoesseumdoscamposmaispromissoresdaaplicaçãodeRVeRA.

Asinterfacesmobile,comosmartphonesetablets,permitemumamaioragilidadeeacessibilidadenavisualizaçãodemodelos3Dinseridosnoambiente.Considerandoaindústriadaconstruçãocivil,nãosomentearquitetoseengenheirospoderiamvalidarsuaspropostasemumprocessodeinteraçãovirtualatéchegarnomodeloidealaserconstruído,comotambémosfuncionáriosresponsáveispelaconstruçãopoderiamacompanhareexecutarmelhorasetapasdeconstrução,inclusivesimulandoalgumasdessasetapas.

OescritóriodedesigneserviçosdeconstruçãoAECOM,porexemplo,temusadoaRVparavisualizarseusmodelos3D.ApartirdasoluçãoInstaVR,funcionáriosemdiferenteslocalidadespodemtrabalharnomesmoprojeto,mesmoquedistantesunsdosoutros,pormeiodaRealidadeVirtual,atravésdeaplicaçõesparaiOS,Android,GoogleCardboardououtrosequipamentos.

Alémdafacilidadedesetrabalharemequipeindependentedapresençafísica,oescritóriotemencontradonaRVapossibilidadedeacessarasdiferentesfasesdeumprojetodearquiteturapelasimulaçãodoseuprocessodeconstrução.

Figura16.8:AECOM:equipedeprojetoobservandoeinteragindocomprojetoemRVpormeiodoMicrosoftHoloLens.Fonte:http://www.metropolismag.com/architecture/disrupting-reality-how-vr-is-

changing-architecture-present-future/pic/25755/

EnneadLab.

OutroescritórioquetemsededicadoàpesquisadenovastecnologiasnoprocessodecriaçãoedesenvolvimentodeprojetosarquitetônicostemsidooEnneadLab,umaextensãodoescritórioEnneadquetemporobjetivo“aplicarativamenteopensamentoarquitetônicoparainvestigarquestõesdesafiadorasdedesignforadoslimitestradicionaisdapráticaarquitetônica”,conformeéapresentadonowebsitedaempresa.

OestudoparaoplanetáriodeXangai,naChina,éumexemplodecomoaarquitetura,dadosdoambienteeaRVpodemserintegradostendoemvistaamelhorcompreensãodaperformanceambiental.Oobjetodeestudofoioátriodoedifícioearelaçãoentreaquantidadeeintensidadedeluznaturalrecebidaporele.ParaanáliseambientalfoiusadaaferramentaLadybug,umpluginopensourceparaanálisedeperformanceambientalarquitetônica.

Ashorasdeiluminaçãonaturalforamvisualizadasemmapasdecaloreemvetoresdeluz.Apartirdessesdados,foramgeradosobjetos3DexploradosdemodoimersivoemRV.Apropostadeexperimentaçãoespacialpromoveuaaproximaçãoentredadoseambiente,apartirdamaterializaçãodaluzemobjeto3Ddeexperimentação.

Figura16.9:EnneadLab.ShanghaiPlanetariumProject.Fonte:http://www.enneadlab.org/projects/vr-the-real-un-real

Assimcomonoambienteurbanoeedificações,aRVeRAtêmsidoobservadae

testadaemoutroscamposemqueoDesigntambémmanifestaasuanatureza.Porexemplo,oDesigndeProdutopodesebeneficiarmuitocomaRA,testandovisualmentecomomobiliáriosouobjetospoderiamsecomportarnoespaçoatéantesmesmodesuaprodução.

OaplicativoIKEAPlaceéumexemplodeaplicaçãodeRAvoltadoaoDesigndeInterioreseProduto.BaseadonatecnologiaARkitlançadopelaAppleem2017,oaplicativotemcomoobjetivopermitirumavisãomaisassertivaemrelaçãoaescalaespacialquesuaversãoanterior,baseadaemtags.

Contandocomumbancode2000imagens3Ddosprodutoscomercializadospelaempresa,oaplicativopermitequeomobiliáriovirtualsejainseridoevisualizadoemqualquerlugarselecionadopelousuárioatravésdacâmeradesmartphonesetablets.Alémdisso,elepermitecompreenderoobjetonoespaçoconsiderandoascaracterísticasdoambienteecom98%deprecisãoemrelaçãoàssuasdimensõeseescala.

Figura16.10:IKEAPlaceApp2017.Fonte:http://www.ikea.com/gb/en/customer-service/ikea-apps/

Destemodo,ousuáriopodeanteciparseoespaçocomportaomobiliárioassimcomoseeleseadequaàscaracterísticasexistentesdoambiente,antesmesmodesedirigiraloja.

AlémdousodaRAcomopossibilidadedevisualizaçãoeanáliseantecipadadoprojetoasercriado,épossíveldestacartambémousodaRVduranteoprocesso

projetual,tendoemvistaacompreensãopréviadaexperiênciadousuárioantesmesmodoprodutofísicooudigitalsercriado.

Aseguir,apresentaremospormeiodeexemplos,aplicaçõesdosconceitosdeRVnocontextoespecíficodeDesigndeExperiênciadoUsuário.

16.2RealidadeVirtualemDesigndeExperiênciadoUsuário

ExistemmuitasdefiniçõesdeExperiênciadoUsuário(UX)naliteratura.Porexemplo,aOrganizaçãoInternacionaldeNormalização(2009)formalizaUXcomo“percepçõeserespostasdeumapessoaqueresultamdousooudaantecipaçãodousodeumproduto,sistemaouserviço,”enquantoNormaneNielsen(2017)afirmamqueUX“englobatodososaspectosdainteraçãodousuáriofinalcomaempresa,seusserviçoseseusprodutos.”

Paraentenderoqueessasdefiniçõessignificam,podemospartirdeumadefiniçãomaisrestrita.OconceitodeExperiênciadoUsuárioéfrequentementeconfundidocomusabilidade,queNielsen(2012)definecomo“umatributoqualitativoqueestabeleceoquantointerfacesdeusuáriosãofáceisdeusar.”EmboraUXtenhausabilidadecomoaspectoimportante,oconceitocompletoémuitomaisamplo:

consideraestadodousuário,porexemploemoçõeseatitudes;considerainteraçãoalémdousoemsi,porexemplocompraetransporte.

Assim,umprocessodeDesigndeExperiênciadoUsuário(UXD),aindasegundoNormaneNielsen,exige“umaintegraçãodosserviçosdemúltiplasdisciplinas,incluindoEngenharia,Marketing,DesignGráficoeIndustrialeDesigndeInterface.”

16.2.1ErgonomiadeProdutosFísicos

FalcãoeSoares(2013)apresentaramumaabordagemconceitualparaaaplicaçãodeRVemprototipaçãoetestedeprodutosfísicos,argumentandoqueprotótiposvirtuaispermitemsimultaneamenteumnívelsatisfatórioderealismoeumcusto

baixodefabricação.Independentemente,Pontonnieretal.(2014)projetaram,construírameavaliaramumdigitalmock-up(DMU)deestaçãodetrabalhoparaavaliarfatoresderiscofísico(Figura16.11).

Figura16.11:Digitalmock-updeestaçãodetrabalho.Fonte:Pontonnieretal.(2014)

IndicadoresquantitativosdeergonomiademonstraramdiscrepânciaentreresultadosobtidoscomoDMUeresultadosobtidoscomumaestaçãodetrabalhofísica.Comorazões,osautoresapontaramafaltadefamiliaridadecomocontextovirtualeadistorçãoperceptualentreovirtualeoreal.Noentanto,consideramosresultadospromissoresparaconduzirodesenvolvimentodenovasversões.

UsabilidadedeProdutosDigitais

OexemploanteriorrepresentaamaneiramaisdiretadeusarRVparatestesdeprodutoscomusuários:simularoprodutoemsi.Noentanto,Rebeloetal.(2012)apontaramoutramaneira,particularmenteimportanteemUXD:simularocontextonoqualoprodutoéusado.

Porumlado,aimportânciaderealizartestesemambientesrealistaséenfatizadaporespecialistasemusabilidadedesdetrabalhosmaisantigos.Nielsen(1993),porexemplo,descreveolaboratóriodeusabilidadetípicocomoumainstalaçãosignificativamentegrande,comsalacenográficaeisolamentoacústico.Umtestedeveavaliaraexperiênciacompleta,daqualocontextofazparte.

Poroutrolado,opróprioNielsen(1989)eoutrosespecialistas,comoKrug(2000),projetarammetodologiaspararealizartestesmenoscompletosemaisbaratos,paragarantirquedesenvolvedoresnãousassemorçamentocomoargumentoparanãoincluiravaliaçãodeusabilidadenoprocesso.

ARVrepresentaumapossibilidadedecompromissoentrerealismoecustoemtestesdeusabilidade.EssapossibilidadefoiconfirmadaporBuschetal.(2014)atravésdoprojeto,daconstruçãoedaavaliaçãodeumambientevirtualparaavaliaraplicativosmóveis(Figura16.12).

Figura16.12:Ambientevirtualparaavaliaraplicativosmóveis.Fonte:Buschetal.(2014)

Indicadoresquantitativosdepresençademonstraramdiscrepânciaentreresultadosobtidoscomoambientevirtualeresultadosobtidoscomumasalacenográfica.Noentanto,indicadoresquantitativosdeusabilidadedoaplicativonãodemonstraramdiscrepânciasignificativa.

Bradeetal.(2017)estenderamotrabalhoparaocasoespecíficodeaplicativosdenavegação(Figura16.13).Essaextensãoéparticularmenteinteressanteporqueoprocessotípicodenavegaçãocombinainformaçõesdainterfacecominformaçõesdoambiente.

Figura16.13:Ambientevirtualparaavaliaraplicativosdenavegação.Fonte:Bradeetal.(2017)

Emcontrastecomotrabalhoanterior,tantoosindicadoresdepresençaquantoosindicadoresdeusabilidadedemonstraramdiscrepância,sugerindoqueoambientevirtualprecisasermelhoradoantesdeserconsideradoumsubstitutopreciso.

16.2.2Elicitaçãoderespostasemocionais

Estudosexperimentais

Rivaetal.(2007)realizaramumestudoapartirdeumaamostrade61estudantesdaUniversidadeCatólicadeMilão.Nesseestudo,cadaestudantenavegouemtrêsambientesvirtuaissimulandoparques:umdosambienteseraneutro,umdeleseraespecificamenteprojetadoparaprovocaransiedadeeumeraespecificamenteprojetadoparaprovocarrelaxamento(Figura16.14).Apósasnavegações,questionáriossobresensaçõespresenciaisesensaçõesemocionaiserampreenchidos.

Figura16.14:Parqueparaprovocaransiedadeeparqueparaprovocarrelaxamento.

Apesardabaixasignificânciaestatísticadaamostraedaausênciadeindicadoresquantitativoscomoíndicesfisiológicos,oestudosugerequeRVéumamídiaviávelparaaelicitaçãoderespostasemocionaisespecíficas,permitindoodesenvolvimentodeferramentasquepermitemavaliarexperiênciassobestadosespecíficos.

Tecnologiaspositivas

Rivaetal.(2011)tambémcontextualizaramoestudoanteriornoarcabouçodeTecnologiaPositiva,queelesdefinemcomo“aabordagemcientíficaeaplicadadousodetecnologiaparamelhoraraqualidadedenossaexperiênciapessoalatravésdesuaestruturação,aumentoe/ousubstituição.”EssearcabouçocombinaasferramentasdaInteraçãoHumano-ComputadorcomosobjetivosdaPsicologiaPositiva(SeligmaneCsikszentmihalyi,2000).

Osautoresclassificamastecnologiaspositivasdeacordocomseusefeitosemtrêsaspectosdeexperiênciapessoal(Figura16.15):

Eudônicas:usadasparainduzirexperiênciaspositivaseagradáveis;

Eudaimônicas:usadasparaapoiarabuscaporexperiênciasdeengajamentoeautorrealização;Sociais/Interpessoais:usadasparaapoiaremelhoraraintegraçãosociale/ouaconectividadeentreindivíduos,gruposeorganizações.

Figura16.15:Domíniodastecnologiaspositivas.Fonte:Rivaetal.(2011)

Éinteressanteobservarque,emboraoarcabouçodetecnologiaspositivastenhasidooriginalmenteconcebidonaáreadeCiênciasdaSaúde,eleusaRVcomoumaponteentrePsicologiaeExperiênciadoUsuárioque,nofuturo,poderáter

implicaçõesprofundassobreaáreadeDesigncomoumtodo.

ARAeaRVtêmcontribuídomuitocomossaberesdaArquiteturaedoDesign,umavezqueessastecnologiaspermitemampliare/ousimularoespaçoeseuscomponentesfísicosemdiferentesescalas.Mesmoquecominterfaceslimitadascomoastelasdecelularesouvestíveiscompoucosrecursos,comoosóculosGoogleCardboard,essastecnologiastêmsetornadocadavezmaisacessíveisepresentesnouniversodigitalsocial.

Alémdisto,aevoluçãonousoeaplicaçãodaRVeRAapontaparaumhorizontecadavezmaispromissordeinserçãodessastecnologiasemdiferentesetapasdoprocessoprojetual,tantonaArquiteturacomonoDesign,proporcionandoexperiênciasqueantecipamamaterializaçãodaideiadeprojeto,permitindoajustes,modificaçõesecolaboraçõesparaoseudesenvolvimento,principalmenteconsiderandoasetapasdeprototipaçãoeasrespectivasvalidaçõescomosusuários.

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Capítulo17-MarketingdeProdutos

IldebertoAparecidoRodelloJoãoVitordeMatosSilva

Apesardebastanteexploradascientificamente,aRealidadeVirtual(RV)e,principalmenteaRealidadeAumentada(RA),despertaraminteressemaisabrangentedasorganizaçõeshápoucotempo.Dentrodoescopodaáreadenegócios(Administração,EconomiaeContabilidade)épossívelverificarqueaRVeaRAestãosendoaplicadasemdiversoscenários,taiscomo:prototipagem,desenvolvimentodenovosprodutoserealizaçãodetreinamentos,dentreoutros.EsteCapítuloabordaaaplicaçãodaRVedaRAnaáreadeAdministração,nocontextodoMarketingdeProdutos.Osclientesdeumaempresanãocompramprodutosapenasporsuascaracterísticasfísicas,mastambémpelosseusbenefíciosouutilidadese,tantoaRVquantoaRApossuemcaracterísticasquepodemauxiliarnamelhorexposiçãodestese,porconsequência,enriqueceraexperiênciadoscompradores.Nessesentido,sãoapresentadosalgunsdosdiversoscasosdesucessoexistentesnautilizaçãodaRVedaRApororganizaçõesbrasileiraseestrangeiras.ÉtambémapresentadoumestudosobreaaceitaçãoeusodaRAporpotenciaisconsumidores,baseadonaUTAUT(UnifiedTheoryofAcceptanceandUseofTechnology).Verifica-seque,principalmenteaRAtendeaserbemaceita,possibilitandoqueasempresaspossamutilizá-laestrategicamente.

17.1Introdução

SegundoKotlereKeller(2006),omarketingéaáreaqueenvolveaidentificaçãoeasatisfaçãodasnecessidadeshumanasesociais.Demaneirageralpodeserdefinidocomoumaformadesuprirnecessidadeslucrativamente.AindadeacordocomKotlereKeller(2006),omarketingéaformacomoasorganizaçõestrabalhamsistematicamenteparaconstruirumaimagemsólidaepositivanamentedeseupúblico.

AAmericanMarketingAssociation,definequeomarketingéaatividade,

conjuntodeinstituiçõeseprocessosparacriar,comunicar,entregaretrocarofertasquetenhamvalorparaclientes,parceiroseasociedadeemgeral(AMA,2013).

AmaneiracomoaRAtemsidoutilizadaemcampanhasdemarketingpodeservistacomoumaformademarketingexperiencialporqueseconcentranãoapenasemumproduto/serviço,mastambémemtodaumaexperiênciacriadaparaosclientes(BulearcaeTamarjan2010).ARAtemcapacidadedeproporcionarumaexperiênciaúnicaemotivadoraaosclientesequepoderáserdisseminadademaneiraespontânea,buscandoassim,agregarvalorpormeiodaidentificaçãoeasatisfaçãodasnecessidadesanteriormentemencionadas.

Noentanto,aindahápoucacompreensãodosefeitosalongoprazodautilizaçãodaRAnomarketing,principalmentedevidoàescassezembenchmarks,elementosmensuráveisepesquisas.AlémdeBulearcaeTamarjan(2010),queestudaramasformascomoaRApodepossibilitaracriaçãoepercepçãodevalore,assim,contribuirparaodesenvolvimentodasatisfaçãodocliente,Eyüboğlu(2011),concluiuemseuestudoqueaRAproporcionaumaemocionanteexperiênciaon-linequepodeajudaracriarumabocadebocapositivoentreosconsumidores.Nãosócompartilhandoinformaçõessobreaplicativos,mastambémdispostosacompartilharalgosobresimesmos,comofotosecomentários.

Dentrodessecontexto,estecapítulotemcomoobjetivoapresentaralgunscasosdeutilizaçãodaRAedaRVemcenáriosdemarketing.Oscasosforamescolhidosporconveniênciaebuscamabrangerdiferentesmodeloseestratégiasdeutilização.Éapresentadotambémumestudosobreaaceitaçãoeusodatecnologia.Comisso,pretende-secontribuirparaqueosbenefíciosalongoprazopossamserexploradosdemaneiraestratégicapelasorganizações.

17.2ARealidadeAumentadaemCenáriodeNegócios

SegundovanKleefetal.(2010),aRAtemsidoumaáreadepesquisasacadêmicasaolongodasdécadas.Contudo,emsetratandodaáreadenegóciosqueessatecnologiapoderiaimpactar,apesardecrescente,existempoucosestudos.AindadeacordocomvanKleefetal.(2010),“ApesardagrandequantidadedepossibilidadescomaplicaçõesdeRA,apenasalgunsmodelosdenegóciosexploramopotencialdatecnologiadeRA.Issopodesercausadopornãoserclaroparaasempresascomoelaspodemagregarvaloraoseunegócio

comaRA”.

SegundoRodelloeBrega(2011),“UtilizandoaRAaempresaécapazdeutilizarosquatroelementosdoparadigmadenovascomunicações:entreter,informar,persuadireinteragir”.SegundoareportagemdarevistaExame(Portugal,2013),algumasempresascomoRayBan,Lacta,StellaArtois,Volvo,dentreoutras,jáutilizamatecnologiadeRAcomoferramentademarketing,fornecendoexperiênciasúnicasaosseusconsumidores.Porém,aindasegundoRodelloeBrega(2011),odesenvolvimentodesoluçõesbaseadasemRAaindatemcustoelevado,eoseufuncionamentoémelhorobservadocomprodutosquerequeremumagrandeinteraçãodousuário.

AutilizaçãodaRApodeproporcionardiversosbenefíciosparaasorganizações,comoporexemplo:alavancarvendasdeprodutospormeiodeumainteraçãodoclienteduranteoprocessodecompra,comousodepropagandasparasmartphones,computadoresetelevisõesutilizandoaRA,modelagemderoupasparaosclientesadistância,dentreoutrosmodelosdenegócio.Tudoissopodefuncionarcomoumaformadeinovaçãodassuasestratégiasdemarketingederelacionamentocomocliente,porexemplo.

OutroexemplodautilizaçãodaRAnaáreadenegóciosserelacionaaarquiteturaeconstrução,onde,segundoCuperschmid,RuscheleFreitas(2012),épossívelutilizá-laemquasetodasasetapasdeumprojetoeatémesmocomoformaeducativanasuniversidades.Naetapadeelaboraçãodeumprojeto,porexemplo,épossívelverificá-lonoambienterealparaaveriguaralgunsaspectosdedimensõesecompatibilidade.AindasegundoCuperschmid,RuscheleFreitas(2012),aRAéumdosrecursostecnológicosaoferecerumagamadeaplicaçõespossíveisemprocessosexistentesemArquiteturaeConstrução.

ARAtambéméumaalternativaparatreinamentoderecursoshumanosemempresas,umavezquedávidaaoconhecimento,transformandooaprendizadoemalgomaismarcanteefacilitandoafixaçãodeconteúdo.Aotornarasituaçãoalgoreal,possibilitandoaimersãoeacapacidadedeinteragir,ocolaboradorretémmelhorainformaçãoepassaaterumentendimentoglobaldaempresa(Lee,2012)(Castanha,2015).

SegundoBellinietal.(2016),tantoaRVquantoaRAtemopotencialdesetornaremumaindústriamultibilionária.AprevisãoédequeestaindústriafatureemtornodeUS$35bilhõesem2025,divididosentreossetoresondea

tecnologiatemgrandepotencialparacrescer,principalmente:videogames,eventosaovivo,entretenimentoemvideos,varejo,mercadoimobiliário,educação,saúde,engenhariaemilitar.Nestecaso,asindústriasdevideogames,eventosaovivoeentretenimentovisualocupam60%dafatiadomercado.Alémdisso,aindasegundoBellinietal(2016),aRVeaRAtemopotencialnãosódecriarnovosmercados,mastambémdemudarcompletamentemercadosexistentes.

17.3CaracterizaçãodeaplicaçõesdeRAaplicadaemmarketing

EssaseçãotemcomoobjetivoapresentarcomoasempresasestãoutilizandoosrecursosdeRVeRA.Sãoapresentadossoluçõescomputacionaisrelacionadosaaçõesdemarketing,demonstraçãoevendadeprodutos.Comomencionado,assoluçõesapresentadasforamselecionadasporconveniênciaeprocuraramevidenciarformasdiferentesdeseutilizaraRAeaRVcomoferramentademarketing.

17.3.1.VirtualTry-on(RaybanVirtualMirror)

ORaybanVirtualMirror(atualmentedenominadoVirtualTry-on)éumaplicativowebquepermiteaousuárioexperimentarvirtualmenteosprodutosoferecidospelaempresacomosefosseumespelhovirtual,pormeiodovídeocaptadopelawebcamdocomputador(desktop).Lançadoporvoltade2008edisponívelatéhoje(2017),éumaplicativopioneironaáreaquepermiteaousuárioveraimagemvirtualdosóculoscomercializadospelaempresasobrepostaasuaimagemouvídeo.Aferramentatambémcontacomaopçãodemodelosvirtuaisoferecidosnositeweb(Figura17.1).

Figura17.1:ScreeshotRay-banVirtualTry-on.Fonte:https://www.ray-ban.com/brazil/virtual-try-on

Oaplicativoapresentaváriasopçõesdemodelosdosóculos,epermitetambémqueousuáriotestesimultaneamenteatéquatromodelosdiferentes,podendoassimfazercomparaçõesentreeles.Naferramentatambémépossíveltirarfotosdousuárioexperimentandoosmodeloscomaopçãodecompartilhamentodaimagememmídiassociais,assimcomoopróprioarmazenamentodestanocomputador.

17.3.2.Tok&StokDecora

OTok&StokDecoraéumaplicativoparadispositivosmóveiscomplataformasAndroideiOS,quepermiteaousuário,pormeiodacâmeradodispositivo,verosmóveisdalojaTok&Stokprojetadosem3Dnoseuambienteemtamanhoreal.OaplicativoésimilaraoIKEACatalog(http://www.ikea.com/gb/en/customer-service/ikea-apps/),daempresasuecaIKEA.Temcomointuitoajudarosclientesasabercomoficamosprodutosnassuascasasantesdecomprá-los.Oaplicativofoilançadonoanode2015.

DiferentementedoRayBanTry-on,parautilizaçãodoaplicativosefaznecessáriaautilizaçãodeummarcador(Figura17.2)que,naprática,consisteemumaimagemimpressa,ondeapósaidentificaçãodomarcadorpelacâmeradodispositivoégeradaaimagemvirtualdomóvelnolocalposicionado.Como

móveljáprojetado,ousuárioconseguemovê-lopeloambiente.

Figura17.2:ScreenshotpáginawebdoTok&StokDecora.Fonte:https://www.tokstok.com.br/decora/

Oaplicativoapresentaváriasopçõesdemóveis,divididosemcatálogos,etambémpermiteaprojeçãodemaisdeumitemaomesmotempo,sendopossívelentãodeseremfeitascomparaçõesentreosmóveis.Noaplicativotambémépossívelregistrarimagensdosmóveisnoambientepormeiodacapturadasimagens.

17.3.3.LCSTLacoste

Noanode2014,aLacoste(empresafrancesadoramodamoda)disponibilizouumaplicativopermitiaaoclienteprovarvirtualmenteanovacoleçãodetênisparatreinosdeacademia.Aestratégiatevecomoobjetivoatrairoclienteparaalojafísica,tantoqueparaqueoaplicativofuncioneeranecessárioestardentrodeumalojadaLacosteelocalizaralogomarcadaempresadentrodeumtipode

tapete,denominadopin(Figura17.3).

Figura17.3:AplicativoLCSTLacoste.Fonte:http://paulwhelandesign.com/case-study/lcstapp.html

Comoaplicativoativado,oclientedeve“escanear”essepinutilizandoacâmeradoseucelularepermanecercomoseupéposicionadoemumlocalespecífico.Emseguida,osmodelosapareceremnateladosmartphonesobrepostosaopédoclientecomoseeleestivesseprovandoumtênisdeverdade.

Similarmente,aAR-fueledConverseSampleréoutroaplicativoquepermiteexperimentarvirtualmenteváriosmodelosdetênisdamarcaConverse.NesteaplicativonãoénecessáriootapeteeédisponívelparaiOS.

17.3.4.Faber-Castell-Florestasemfim

Aliandoaconsciênciaambiental,sustentabilidadeeaRA,aempresaFaberCastelllançouoaplicativoFlorestasemfim.Oaplicativo,disponívelemAndroideiOS,permitequeousuáriotransforme12EcoLápisdecorFaber-CastelleoEcoLápisgrafiteGripemanimaisem3Dcomootamanduábandeira,lobo-guará,araracanindé,teiú,entreoutros(Figura17.4).

Figura17.4:ScreenshotpáginawebFlorestasemfim.Fonte:http://www.florestasemfim.com.br/

Alémdisso,comoaplicativotambémépossívelcolorirosdesenhosdeumabrochuradisponibilizadanosite(http://www.florestasemfim.com.br/florestasemfim.pdf)evisualizá-loscomrecursosdeRA(Figura17.5).

Figura17.5:DesenhoscoloridosevisualizadoscomRA.Fonte:https://www.eueleeascriancas.com.br/2017/01/diversao-sem-fim.html

Dopontodevistadeestratégiadenegócios,oaplicativotemcomoobjetivoagregarvaloramarca,associando-aaummodelodeempresasustentável,preocupadacomomeioambiente.

17.3.5.McDonalds

NosentidodetentarpromovermaiorengajamentodosconsumidoresaempresatemdesenvolvidoalgunsmodelosbaseadosemprincipalmenteemRA.ÉumaestratégiaquepermitaàmarcaseenvolvercomosclientespormeiodaRA.

EmumaaçãonaSuécia,aempresafezcaixasHappyMeal(McLancheFeliz),setransformarememóculosdeRV,chamadosdeHappyGoggles(http://www.happygoggles.se/).Acaixatorna-seumsuporteparaumjogoexecutadoporumsmartphone(Figura17.6).

Figura17.6:TransformaçãodacaixadoMcLancheFeliz.Fonte:http://www.happygoggles.se/

Emoutrainiciativa,emparceriacomaSamsung,foicriadaumaexperiênciaemRVusandoosóculosGearVR.AaçãoédestinadaaalgunsrestaurantesselecionadosequemconsumirosanduícheBigMaccomumaCoca-Colateráodireitodetestaratecnologiacomoequipamentonoestabelecimento.Alémdisso,sãoconvidadosainteragircomosite(https://tenteexplicar.com/).Verifica-sequeaaçãoprocura,alémdeengajar,descobrirpreferênciasdosconsumidores.

17.4.UmestudosobreaaceitaçãodaRAemcenáriosdenegócios

ParaindicarestratégiasparautilizaçãomaisassertivadaRAemcenáriosdenegócio,realizou-seesteestudosobreaaceitaçãodousuário(consumidor)emsituaçõesdeusodaRAnomarketingdeprodutos.OmodeloutilizadoparaessafinalidadefoiopropostoporVenkateshetal.(2003),UTAUT(TeoriaUnificadadeAceitaçãoeUsodaTecnologia),queatualmenteéconsideradoomodelomaiscompleto,umavezqueabrange8outrosestudosdeaceitaçãodetecnologiaeosunificaemummodelounificado.

Ateoriaseapoiaem4conceitosdeterminantes:aExpectativadePerformance,queserefereaograuqueoindivíduoacreditaqueusandoosistemaeleterámelhoriadeperformancenotrabalho;aExpectativadeEsforço,queligadaaograudefacilidaderelacionadoaousodosistema;aInfluênciasocialégraudepercepçãodoindivíduoemrelaçãoaosdemais,quantoacrençadestesparaanecessidadedeumanovatecnologiaserusadaounão;e,porúltimo,asCondiçõesFacilitadoras,queéograupeloqualoseacreditaqueexisteuma

infraestruturaorganizacionalparacomportarousodosistema.

ComaanálisedaaceitaçãoeusodaRA,procurou-sedestacarfatoresqueinfluenciamosusuáriosesãodeterminantesnasuaaceitação,bemcomonoseuuso,contribuindoparaoauxílioagestoreseempresasnaelaboraçãodeestratégiasedeferramentasqueutilizamaRA,podendopotencializaraprobabilidadedeagregaçãovalorparaosseusnegócios.

Noestudoforamutilizadaspesquisasquantitativascomcaráterdescritivo,ondefoiutilizadoométodosurveyparacoletadedados.NoâmbitodasaplicaçõesdeRA,testesutilizandoomodeloUTAUTsãopoucodifundidos.Assim,combasedeestudosdomodeloemoutrostiposdetecnologiaenomodeloemsiaplicadoporVenkateshetal.(2003),foiadaptadoumquestionário(veritensdaTabela17.1)paraaplicaçãocomindivíduosquetiveramcontatocomalgumaplicativodeRA.Nocaso,utilizou-seoTok&StokDecora(descritonaseção17.3.2).

OsquestionáriosrelativosaoaplicativoTok&StokDecoraforamaplicadospresencialmente.Osrespondentesutilizavamumsmartphoneondeaaplicaçãoestavainstalada,elogoapósrespondiamoquestionárioadaptado(verTabela17.1).

Convémdestacarqueosquestionáriosforamtestadospreviamenteemumaamostradeseisvoluntárioscomoobjetivodeidentificarpossíveisdúvidaseproblemasdeformataçãodasquestões.Nãoforamencontradosproblemaspelosvoluntários.

17.4.1.CaracterizaçãodaAmostra

Foramcoletadas35respostasnototal,todosestudantesuniversitários.Amédiadeidadedosrespondentesdosquestionáriosfoide23anos,onde57%foramdogêneromasculino,e43%dogênerofeminino.AmaioriadosrespondentessãograduandosdocursodebachareladoemAdministraçãodeEmpresas,com17respondentes,seguidodocursodeEconomiacomoitorespostas,docursodeCiênciasContábeiscomseisrespostaseoscursosdePsicologiaeEconomiaEmpresarialeControladoriacomduasrespostascada.

17.4.2.Apresentaçãodosdadosobtidos

Naanálisefatorialagruparam-seasperguntas,reduzindoadimensãodosdados

multivariados,comoobjetivodeidentificarfontessubjacentesdevariaçãocomunsaduasoumaisvariáveiscommesmopadrãoderespostaecomissocompreenderpadrõesdeintercorrelações(Lattinetal.,2011).Aanálisedoscomponentesprincipaismostraumarelaçãoentrecaracterísticasextraídasdosdados,visandoareduçãodefatoreseidentificandoonúmerodestesqueconseguemcaptaramaiorpartedavariaçãodosdados.Porfim,otestealfadeCronbachfoifeitoparaconfirmaraconfiabilidadedoteste.

Procurou-seassim,confirmarosconstrutosdescobertosporVenkateshetal.(2003),assimcomoodestaquedealgunsconstrutosquandosetratandodeferramentasqueutilizamRA.

ComageraçãodográficodeScree(Figura17.7),épossívelobservaronúmerodecomponentes(fatores)encontradosnestecaso,eseusautovalores,querepresentamavariânciatotalexplicadadosdadosporcadafator.

Figura17.7:GráficodeScree

Apósaidentificaçãodosfatoresencontrados,foiutilizadanovamentearotaçãodotipoVarimax,paraidentificarasvariáveisquetenhamaltacorrelaçãocomosfatores,evariáveisquetenhambaixacorrelação.

AnalisandoaTabela17.1,percebe-sequeoautovalordoprimeirofatorexplica32,33%davariaçãodosdados,seguidode17,09%explicadospelosegundofator,12,7%peloterceirofator,10,54%peloquartofatore5,57%explicadospeloquintofator.Juntos,oscincoprincipaisatingemumavariânciaacumuladade78,24%,queécompostapelasomadasvariânciasindividuaisdecadafator,sendoassimessescincofatoresconseguemcaptargrandepartedavariaçãototaldosdadosdapesquisa,eassimcomonaprimeiraaplicaçãoanalisada,elessãoosrelevantesparaarealizaçãodeumaanálisedetalhada.

Tabela17.1-Resultadosdaanálisefatorial.

Parademonstraraconfiabilidadedoquestionário,maisumavezfoicalculadooAlfadeCronbach,Oalfadaanáliserevelouovalorde0,713,mostrandoumaboaconfiabilidadedeescaladoquestionário,poisolimitemínimoaceitoparaoalfaéde0,60.Ainda,foramlevantadasasestatísticasdescritivas(Tabela17.2)daamostra,comamédiaeodesviopadrãodasperguntasfeitasnoquestionário.

Tabela17.2–EstatísticasdescritivasdaamostradoTok&StokDecora.

ComasestatísticasdescritivasépossívelconcluirqueoconstrutoCondiçõesFacilitadoras,compostodasquestões5A,5B,5Ce5Dtemasmaioresmédiasnassuasquestões,mostrandoqueosusuáriosqueparticiparamdapesquisa,játinhamumconhecimentoprévioparautilizaraaplicaçãoTok&StokDecora.

17.4.3.FatoresdeterminantesdaAplicaçãoTok&StokDecora

Cadafatorencontradonaanálisefatorial(Tabela17.3),foiclassificadoeinterpretadocombasenoUTAUT.FoipossíveldistribuiroscincofatoresencontradosdentreoscincoconstrutosdescritosporVenkateshetal.(2003).Ofatorcinconãoseráexplicadoporconterapenas5,57%davariânciadosdadoseapenasumitem,sendoconsideradoirrelevanteparaanálise.

Oprimeirofator,quetemamaiorvariânciaexplicada,de32,33%écompostopelositens3A,3B,3Ce1A.EmsuamaioriaéformadoporitensprovenientesdoconstrutoIntençãodeUsoeindicaqueesteconstrutocontémosprincipaisdeterminantesdaaceitaçãodousodaRAnoaplicativoTok&StokDecora.Amédiadositensquecompõemestefatorsemanteveabaixode3(três),sugerindoqueosusuáriosqueutilizaramoaplicativodaTok&Stoknãotemapotencialintençãodeutilizarfuturamenteatecnologia.

Osegundofator,comvariânciaexplicadade17,09%,podeserclassificadojunto

dosconstrutosExpectativadePerformanceeInfluênciaSocial,poiséformadopelositens2B,2C,2D,4A,4Be4C.Sendoassim,asomadavariânciadestesdoisconstrutosexplica17%aproximadamentedavariaçãodosdados.Nestefator,amédiaencontradadoconstrutoExpectativadePerformancevariouentre1,7e3,7,mostrandoqueautilizaçãodaaplicaçãopoucoinfluenciaránoprocessodecompradosusuáriosqueutilizaramoTok&StokDecora.JáamédiaparaoconstrutoInfluênciaSocialsemantevepróximoadois,mostrandotambémqueinfluênciasexternasnãosãofatoresdeterminantesparaautilizaçãodoaplicativo.

OterceirofatorpodeserclassificadonocontextodaExpectativadeEsforço,poiséformadoapenasporitensdesteconstruto,sendoeles1B,1Ce1D.Oconstrutoapresentaoquantofoifácilparaosusuáriosexploraremaferramenta.Nestefator,identificamosumavariânciade12,7%dousonapesquisa.Amédiadestesitenssemanteveentre2,4e3,5,quepodemosconsiderarcomoumaferramentanãoproporcionoufacilidadeparaosusuáriosnautilização.

Porúltimo,oquartofatorexplica10,54%davariânciadosdados,eéformadopelositens5A,5Ce5D,todosdoconstrutoCondiçõesFacilitadoras,mostrandooquantoosrespondentesacreditamqueascondiçõesdaferramentafacilitamousodaRA.

Assim,comaanálisefatorialfeitaépossívelassociarosfatoresquemaisexplicamavariaçãodosdadosdapesquisaaosconstrutosdestacadosnomodeloUTAUTporVenkateshetal.(2003).Nosconstrutosdomodelo,maisumavezaIntençãodeUsotevemaiorautovalor,seguidodosconstrutosExpectativadePerformanceeInfluênciaSocial.

OCapítuloapresentoualgunsexemplosdautilizaçãodaRVe,principalmentedaRA,emaplicaçõesdesenvolvidasparausonoMarketingdeProdutos.Acredita-sequeosexemplosapresentadospodemservirdemodeloparaasempresasquedesejamdesenvolversoluçõesbaseadasnessatecnologia.Considerandoalacunaexistenteemtermosdepesquisas,apresentou-seosresultadosobtidospormeiodaaplicaçãodaUTAUTparaumaplicativocomusodeRA.

DentreestesconstrutosevidenciadosnoestudodeVenkateshetal.(2003),doissedestacamnaaceitaçãoeusodaRAcomoestratégiadeMarketingparaa

amostraanalisada:aIntençãodeUso,querefleteaintençãodosusuáriosdeutilizaraferramentafuturamente,assimcomofazerproveitodaRA,equefoiofatorquemaisexplicouavariaçãodasrespostasemambasaplicações,eaExpectativadeEsforço,quereflete,decertaforma,ainterfaceintuitivanaturaldasaplicaçõesdeRA.

Comocontribuição,ficamevidenciadosexemplosefatorescríticos(construtosdoUTAUT)quepossamdirecionarestratégiasaseremadotadasparaamelhorutilizaçãodaRAdentrodeumacampanhademarketing.Recomenda-sequeasempresasquepretendemutilizaraRA,deematençãonoquesetratadodesenvolvimentodeumaferramentaquefaciliteoprocessodecompradeprodutos,quefaçacomqueousuáriorepitaoprocessofuturamenteeprocuresempreutilizardaferramenta,assimcomoatençãoparaodesenvolvimentodeumsoftwarequesejafácileintuitivoparaousuário.

ValeressaltaraindaqueexistemalgunsobstáculosparaacontinuidadedoumbomdesenvolvimentoutilizandoRA.SegundoWilliamsII(2016),osprincipaisobstáculossão:

Acriaçãodemodelostridimensionais(3D):Semmodelosdeprodutosem3Ddealtaqualidade,aexperiênciadoconsumidortenderáaserinsignificanteenãoproporcionarávaloraqualquerlado.Poroutrolado,éimportanteficaratentoaostemposdecarregamentonasplataformasdecomércioeletrônico.AotimizaçãodemodelospararenderizaremRAéimportanteparacriaramelhorexperiênciadecompras;

Rastreamento/Registro:Casodesejevisualizarummodelo3Dsemousodemarcadores,elepoderáaparecercomproblemasderegistrodelocalizaçãoe/ouescala.Omodosemmarcadoresémaisindicadoquandosedesejavisualizargrandesobjetosquegeralmenteestãonochão.OrastreamentoéumcomponenteenormeeimportantedeumaexperiênciaRA,emboraemumfuturopróximo,amaioriadosdispositivosmóveisterácapacidadededetecçãodeprofundidade;

HardwareeSoftware:AevoluçãodaRApodeserconsideradarápidae,nessesentidoaevoluçãonohardwaredeRAtambémodeverá.AtualmenteaRAéexperimentadaprincipalmentepormeiodedispositivosmóveis.Noentanto,headsetscomooMicrosoftHoloLensjáestãocomeçandoaseradotadosnomundoprofissional.Acontinuidadecomestedesenvolvimentovairequererinovaçãoconstantenosoftware,especialmentequandoosheadmounteddisplays

começaremacompetircomasatuaisexperiênciasRAmóveis.

Enfim,épossívelperceberqueaRAéumtecnologiaqueestácomcrescimentodeutilizaçãopelasempresas.Alémdomarketing,outrasáreas(comoprodução)tambémtemprestadoatençãonoseupotencial.Acredita-sequeaevoluçãoserárápidaeasempresasqueconseguiremidentificaropotencialmaisrapidamenteterãovantagemcompetitiva.

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Capítulo18-JogoseEntretenimento

RicardoNakamuraAntonioCarlosSementille

SilvioRicardoRodriguesSanchesKeilaK.MatsumuraPedroM.Kayatt

JogoseletrônicoseentretenimentorepresentamumaaplicaçãorelevantedastecnologiasdeRealidadeVirtual(RV)eAumentada(RA).Estecapítuloseiniciacomaapresentaçãodeconceitosespecíficossobreosjogoseletrônicos.Emseguida,algumasrelaçõesentrejogoseRVeRAsãodiscutidas.Porfim,sãoapresentadosconceitosetécnicasdeproduçãovirtual,queconsistenacriaçãodefilmescomtécnicasdeRVeRA.

18.1Introdução

ExistemváriospontosdeinterseçãoentreashistóriasdosjogoseletrônicosedossistemasdeRV.Nasúltimasdécadas,essesdoiscampostêmcompartilhadotecnologiasetécnicas,motivandonovosdesenvolvimentosemtermosdedispositivoseformasdeinteração.Assimcomoocorreucomosjogoseletrônicos,asprimeiraspropostasdesistemasdeRVtinhampropósitodeentretenimento(conformeapresentadonocapítulo1).Posteriormente,ambospassaramaserempregadosemoutrasaplicações,comoporexemploemáreasdetreinamento,educaçãoesaúde.

AhistóriadaRAseiniciacomaplicaçõesmilitaresedemanutenção(conformediscutidonocapítulo2);suasrelaçõescomaáreadosjogoseletrônicossãomaisrecentes,motivadaspelointeressedaindústriadejogosemoferecernovasexperiênciasaosjogadores.Comoserádiscutidoadiante,desafiostécnicosaindalimitamaexploraçãodejogoseletrônicoscomRA.Poroutrolado,existemoutrasaplicaçõesdeentretenimentocomoosestúdiosvirtuaisqueseutilizamdatecnologiadeRA.

18.2JogosEletrônicos

Osprimeirosexemplosdejogoseletrônicosdatamdadécadade1950,taiscomooTennisforTwoquefoicriadocomodemonstraçãoparaumdiadevisitaçãopúblicanoBrookhavenNationalLaboratory(DepartmentofEnergy,2017).Nadécadade1960osprimeirosjogoseletrônicoscomerciaisforamdisponibilizadosparaopúblicogeraleapartirdessemomentoteveinícioumaindústriaqueatualmentemovimenta109bilhõesdedólaresporano(Newzoo,2017)eatingeumpúblicodiversificado.

18.2.1Conceituação

Osjogoseoatodejogaracompanhamodesenvolvimentodahistóriahumana;paraHuizinga(2014),jogoseculturaestãointimamenteassociados.Talvezporessemotivo,jogossejamumconceitodifundido,masaomesmotempodifícildedefinirprecisamente.SaleneZimmerman(2012),assimcomoSchell(2008)estabelecemdefiniçõesdejogoapartirdesuaspropriedades,demaneiraqueelaspossamseranalisadaseprojetadas.Assim,umjogopodeservistocomoumaatividadevoluntáriacomvalorintrínsecoparaosparticipantes;essaatividadetemobjetivoseregrasdefinidaseapresentaalgumtipodedesafioouconflitoparaosjogadores;porfim,osjogadoresprecisamfazerescolhasquesãosignificativasparaelesnoâmbitodessaatividade.Nocasodosjogoseletrônicos,adiferenciaçãoocorrepelatecnologiautilizadaparasuaimplementação.

Nestadiscussão,cabedestacarduasvertentesrelativamenterecentesdodesenvolvimentodejogoseletrônicos:abuscaporexperiênciasinovadoras,quesuperemoparadigmagamepad-console-displayeautilizaçãodejogosparaoutrasaplicaçõesalémdoentretenimento.Nosdoiscasos,ainterseçãoentrejogoseRVeRAproduzresultadosinteressantes.

18.2.2Enginesparajogos

Osprimeirosjogoseletrônicoseramproduzidoscomhardwarededicadoesoftwareespecífico.Assim,cadaprojetodejogoenvolviaaespecificação,desenvolvimentoetestesdetodoesseconjuntotecnológico;consequentemente,oscustoseramaltosmesmoparajogosqueatualmentesãoconsideradossimples.Amotivaçãoparaissoeraalimitaçãodacapacidadedememóriaeprocessamentodisponíveisparaproduçãodeplataformasparajogos(consoles

domésticosesistemasparaarcades).

Comodesenvolvimentotecnológicodoscomputadores,tornou-seviávelaadoçãodepráticasdeengenhariadesoftwarecomooreusoeoencapsulamento,levandoaosurgimentodoqueaindústriadejogosdenominouenginesparajogos.Atualmente,osenginesmaispopularescorrespondemaarcabouçosdesoftware,acompanhadosdeferramentasdeconfiguraçãodedados(comoporexemploeditoresdemapas).Entretanto,otermoéutilizadodeformapoucorigorosa,sendopossívelencontrarenginesquemaisseassemelhamabibliotecasdefunçõesoucomponentes.

Cabenotarqueatualmenteosenginesparajogosmaispopularesimplementamtécnicasdiversasdeinteração,simulaçãoevisualizaçãoquetambémsãonecessáriasparaodesenvolvimentodesistemasdeRV.Nessesentido,essasferramentasdesoftwareoriginalmentecriadasparaauxiliaraproduçãodejogoseletrônicostêmsidoadotadastambémparaessasoutrasaplicações.

18.3JogosEletrônicoseRealidadeVirtual

OsjogoseletrônicoseossistemasdeRVseassemelhamemrelaçãoàstécnicasetecnologiaempregadas.Defato,pode-seargumentarqueambientesvirtuaisnão-imersivosejogos3Dcomvisãoemprimeirapessoasediferenciamprincipalmentequantoaosseuspropósitos.

Recentemente,comapopularizaçãodosHMDdecustoacessível,tem-seobservadoumanovaondadejogosdeRV,assimcomonovasexperiênciasdeentretenimentoutilizandotecnologiadeRV.

18.4JogosEletrônicoseRealidadeAumentada

Pode-seatribuiraaproximaçãodaindústriadejogoscomaRAàtentativadeoferecernovasformasdeinteraçãoaosjogadores.IssoéobservadoemumasériedeprodutoscomerciaiscomoEyeofJudgmentejogosdistribuídosparaosconsolesNintendo3DSePlaystationVita.

Conformediscutidonocapítulo2,aimplementaçãodesistemasrobustosdeRAapresentadesafioscomotempoderesposta,registroprecisoeoperaçãoemambientesnãocontrolados.

CabetambémadiscussãosobrejogosqueseutilizamdalinguagemvisualproporcionadapelaRA,aindaquenãotratemdosdesafiosdesuaimplementação:éocasodejogosquesobrepõemelementostridimensionaissobreimagenscapturadasemtemporeal,semregistrogeométrico.

18.5Produçãovirtual,RealidadeVirtualeRealidadeAumentada

18.5.1Conceituação

Aproduçãovirtualconsistenaprodução,emtemporeal,defilmesparacinema,programasdeTV,comerciais,vídeosmusicaiseatémesmojogos(Roberts,2014).Seuconceitoprevêacombinaçãodeaspectoschavesdaproduçãodemídia,emtemporealoupróximodetemporeal,emumambienteondedecisõescriativaspodemsertomadasemconsultadiretacomoutrosmembrosdaequipe(Helzle,GraueKnop,2015).

Produçõesdessetipoenvolvemumaamplagamadedisciplinas,muitasvezessefundindoprofundamentenapré-visualização,açãoaovivo(naintegraçãodoconjuntocomelementosdeCG)epós-visualização.Poressemotivo,aproduçãovirtualtemseusprópriosdesafiosquandosetratademanipularassets(ativosourecursos)etarefasassociadas(Roberts,2014).Naproduçãovirtual,utiliza-senormalmentetecnologiaseconceitosexistentesjáestabelecidosnatelevisão(chroma-keying,rastreamentodecâmera,estúdiovirtual),navisualizaçãoindustrialeemprocessosdedesign(RVeRA).Alémdisso,avançosnacapturademovimentoshumanosdesenvolvidosoriginalmenteparaaplicaçõesmédicasouesportivassãotambémutilizadasnessasproduções(Helzle,GraueKnop,2015).

DeacordocomGreenetal.(2014),aproduçãovirtualestásetornandoumanormaparaqualquerconteúdomidiáticoqueexijaefeitosvisuaisemgrandeescala.Ageraçãodigitalenvolve,desdeacriaçãodepersonagens,criaturas,ambientesefigurinos,atéailuminação,animaçãoetrabalhodecâmera.Envolverodiretornesseprocessoéumobjetivodaproduçãovirtual.Antesdosrecursosdaproduçãovirtual,osdiretoressóconseguiamvisualizarmetadedeumfilmenosetdegravação:aoinvésdeambientesdigitais,elesvisualizavamtelasverdes;aoinvésdepersonagensdigitais,visualizavamatoresaovivoemroupasdecapturademovimento–oupior,adereçosinanimadosusadoscomo

referência.Comoresultado,cometiam-semuitoserrose,vistoqueagravaçãoaovivoaindaéumadaspartesmaiscarasnaproduçãodeumconteúdomidiático,esseserrospodiamserdispendiosos.Comaproduçãovirtual,asquestõessobreotrabalhodeCGpodemserrespondidasmaiscedo.Atualmente,aoinvésdeentregaràsempresasdeefeitosespeciaisumadescriçãoescritadaaçãopretendida,asanimaçõespodemseraprovadasantesmesmoqueodiretorchegueaosetdegravação.

18.5.2Estúdiosvirtuais

Emcontrastecomastécnicastradicionaisdechroma-keying,otermoestúdiovirtualfoiintroduzidoparadescreverumacoleçãodeváriastecnologiasquesãonecessáriasnãosóparacombinarelementosdeaçãoaovivoemprimeiroplanocomqualquerfundovirtualdesejadoemtemporeal,mastambémparacriarumacâmeravirtualquesincronizaseusparâmetrospermanentementecomacâmeradeestúdio(Thomas,2006).

SegundoNovy(2010),osestúdiosvirtuaisevoluíramdaconfiguraçãoconhecidaapartirdeprevisõesmeteorológicasoudenotícias,ondeummapaoualgumtipodeinfografiaéadicionadoaoespaçoatrásdoapresentadordetelevisão,paraumambientemaissofisticado,oqualfornecenovassoluçõesparaproduçãoemsérieparaaTVeshowsdeentretenimento.Alémdisso,astecnologiasprojetadasparaestúdiosvirtuaistambémsãoaplicadasnosetorcinematográficoesãodeextremaimportânciaparaosambientesdeproduçãovirtualemparticular.

18.5.3ProjetoARSTUDIO

OprojetoARSTUDIO,emandamentonolaboratóriodeSistemasAdaptativoseComputaçãoInteligentedaUNESP,visaodesenvolvimentodemetodologiasetecnologiasvoltadasaproduçãovirtualdeconteúdosmidiáticosqueenvolvamaadiçãodeefeitosvisuaiseelementosvirtuais.UmdosresultadosdesteprojetoéumambientedeestúdiovirtualbaseadonomotordejogosUnity3DeemrecursosdeRAdabibliotecaVuforia.

Esteestúdiovirtualapresenta-secomoumframeworkparaproduçãovirtual,onde,pormeiodousodetécnicasdeRA,avisãodomundorealécombinadacomobjetosvirtuais,emtemporeal,formandoumacenaaumentada.OARSTUDIOproporcionaumambientedecriaçãodeconteúdoaudiovisual,principalmenteosdebaixoorçamentoporexigirapenasequipamentos

convencionais,deformaquehajaainserçãoemodificaçãodeelementosvirtuaiseefeitosespeciais,bemcomoainteraçãodosmesmoscomatoresreais,emtemporeal,duranteagravação(Gasparietal.,2014;Sementilleetal.,2014;Aguilar,2017).

AarquiteturadaversãoatualdoframeworkARSTUDIOpodeservistanaFigura18.1.

Figura18.1:ArquiteturadoARSTUDIOversão2.0.Fonte:Aguilar(2017).

OsistemaARSTUDIO2.0foidesenvolvidoemumaarquiteturamodular,parafacilitaramanutençãoereutilizaçãodocódigo.Estaarquiteturaécompostaporquatorzemódulosinterdependentes:captura/leituradevídeo,armazenamentodovídeo,RA,capturadeáudio,capturademovimentos,animação,entradadousuário,interfacecomousuário,chroma-key,iluminação,oclusãomútua,mixerdeáudio,geradordecenacombinada,visualizaçãoeinteração.

AsfuncionalidadesdoARSTUDIOincluemavisualizaçãodacenaaumentadaemtemporeal;ainteraçãocomoselementosvirtuaispormeiodeinterface

tangível;atransmissãoviainternetdacenaaumentada;aexportaçãodacenaaumentadaparaarquivodevídeo;eoreprocessamentodacenadentrodoprópriosistema(fasedePós-produção).

Comosresultadosobtidosépossível,pormeiodautilizaçãodesteframework,corrigirproblemasidentificadosduranteafasedeprodução.Umagrandecontribuiçãodosistemaéaotimizaçãodacadeiadegeraçãodeconteúdomidiáticoqueenvolvaelementosvirtuaiseefeitosespeciais.AFigura18.2ilustrapartedeumacenaaumentadageradaemtemporealpormeiodautilizaçãodosrecursosdoARSTUDIO.AFigura18.2(a)mostraacenarealcomosatoreseaFigura18.2(b)exibeacenaaumentadageradaemtemporealpeloARSTUDIO.

Figura18.2:DetalhedeumacenaaumentadageradacomoARSTUDIO.Fonte:elaboradapelosautores.

18.6TendênciaseConsideraçõesFinais

OdesenvolvimentorecentededispositivosdebaixocustoparaRVimersivatemlevadoàexperimentaçãocomjogoseletrônicoscomRVparausuáriosdomésticos.Pode-seesperarqueessatendênciacontinuenospróximosanos,comodesenvolvimentodejogosmaiselaboradosedemaiorduraçãoeprofundidade.Nessesentido,pesquisasrelacionadasàexperiênciadejogadorsãonecessáriasparamelhorcompreensãodoentretenimentoproduzidoemconjuntocomessastecnologias.Damesmaforma,pesquisasvisandoaprimoraravisualizaçãoestereoscópica,outrastécnicasdevisualizaçãotridimensional,interação(principalmenteformasdefeedbackparaojogadoralémdoauditivoevisual)devemcontribuirparaoaprimoramentodaárea.

EmrelaçãoaosjogoscomRA,tecnologiasquepermitamoregistrorobustoemambientesnãocontrolados(incluindonovastécnicasderastreamento,possivelmentebaseadasemaprendizadodemáquina)devemseroprincipalfatoralevaraumanovaondadeexperimentação.Atéentão,omaisprováveléqueseobservemnovaspropostasenvolvendojogos,realidadeaumentadaeeducaçãoemambientescontrolados,taiscomomuseuseexposições.

Referências

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Capítulo19-Educação

RomeroToriAnnaCarolinaM.Queiroz

AnaGrasielleDionísioCorrêaAntonioValerioNetto

EstecapítuloabordaumadasáreasquemaispodesebeneficiarcomastecnologiasdeRealidadeVirtual(RV)eRealidadeAumentada(RA).Aeducação,emtodososníveis,precisaofereceraosaprendizesatividadesqueenvolvam,emocionem,despertemcuriosidade,transportemparaoutrasrealidadesedimensões,simulem,exibamconceitosabstratoseinformaçõesinvisíveis,ouainda,quesejamlúdicas,entretantasoutraspossibilidadesquesãooferecidasporessastecnologias.SãoaquiapresentadososprincipaisbenefíciosdaRVeRAparaaeducação,bemcomoproblemasedesafiosparasuaaplicação.Porfimsãomostradasalgumasdasprincipaisformasdeusodessastecnologiasimersivasnaeducação,organizadaspelosautoresemcategorias.

19.1Introdução

Mídiassãomeiostecnológicosutilizadosparacomunicação.Educadoreseaprendizessempreseutilizaramdediferentesmídiasparaensinareaprender,meiosessesquepodemsersuportadosportecnologiasdasmaissimples,comolousaegizoupapelelápis,àsmaissofisticadas,comoRVeRAouinteligênciaartificial.Maséametodologiapedagógica,enãoamídia,aresponsávelpelaeficáciadaaprendizagem.Inúmerosestudosjádemonstraramquenãohádiferençassignificativasnoaprendizadoquandosecomparaousodediferentesmídiasnaeducação(Russell,1999).Noentanto,nãosedevecairnafaláciadedizerquequalquertecnologiaésuficienteparaseobterbonsresultadoseducacionais,casocontrárioasescolaspoderiamusarapenaslousaegizindefinidamente.Cadamídiaoferecedeterminadosrecursosefuncionalidades,quepodemounãoatenderàsnecessidadesdametodologiaquesepretendeaplicar,fazendocomqueaadequadaescolhadamídiasejacondiçãonecessáriaparaosucessodométodo(Tori,2017).Alémdaadequabilidademetodológicada

tecnologiaaserempregada,outrofatoraserconsideradoduranteodesigneducacionalésuarelaçãocusto-benefício.Semprehaverámaisdeumaopçãodemídia.Cabeaodesignereducacional,ouaoprofessor,levantarosrequisitoseidentificarasmídiasqueosatendem,alémdeestabelecercritériosquepossibilitemumaanálisecomparativaeseleçãodatecnologia.

ARVeaRAsãomídiasriquíssimas,quepraticamenteenglobamtodasasdemaiseaindaoferecemrecursosquenenhumaoutrapossui.Épossível,porexemplo,entraremumambientedeRVeassistiràtelevisãooulerumlivro.Masnãoéporqueumatecnologiaconseguesubstituirqualquermídiaquedevasempreserusada.Arelaçãocusto-benefícioprecisaseranalisada.Podesermaisfácil,simples,baratoeagradávelassistiràTVconvencional(ouinternet)oulerumlivroimpresso(oudigital)quesevalerdeumaparatodeRVparaisso.Emmuitoscasos,contudo,édifícilencontrarumasoluçãoqueofereçaasmesmaspossibilidadesqueRV/RAeumamelhorrelaçãocusto-benefício.Sedeterminadodesenhopedagógicoenvolvepropiciarexperiênciasquepossamcolocaroaprendizouterceirosemsituaçãoderisco(comotreinamentodepilotagemoudecirurgias)ouquedemandamaltoscustos(comovisitasalocaisdistantesoudesmontarumcarrodeúltimotipo)ouquesãoinviáveis(comoumpasseioemMarteoupelointeriordeumcorpohumano)amídiaRV(ouRA)podeseramelhoropção.

OtreinamentoeaaprendizagemutilizandosistemasRV/RApermitemmelhoraracurvadeaprendizadodoalunoepotencializarapresençadoinstrutorouprofessoremumambienteeducacional(BillinghursteDuenser,2012).Nocasodaaprendizagem,amesmaestárelacionadaaoensinarumconteúdonovoparaumacriança,adolescente,jovemouadulto.Deve-seconsiderarnesteaspectoaquestãonãosódaidade,masseoconhecimentoasertransferidoédeensinofundamental,médio,técnico,etc.Nocasodotreinamento,équandosedesejaqueesteconhecimento,apresentadoparaalgumalunodeformacontinuada,sejaaprendidoeexecutadopelomesmoindivíduo,inclusive,deformaautomática.Istoé,trabalheaquestãodamemóriamotoraeatoreflexo.

Autilizaçãodesistemasinterativosnaeducação,deformageral,éimportantedevidoaosseusaspectosdeimersão,interaçãoeenvolvimentoquepossibilitamaoalunovivenciaroaprendizado,istoé,sairdoteóricoeirparaprática.Noaspectodaimersão,todososdispositivossensoriaissãoimportantesparaosentimentode“estardentro”doenredo.Geralmenteusam-sedispositivoscomocapacetesdevisualização(Head-MountedDisplay-HMD)esalasdeprojeções

dasvisões(Cave-CavernaDigital)paraproduzirosentimentodepresença.Nocasodainteração,aideiaestárelacionadacomacapacidadedosistemaemdetectarasentradasdousuário(inputs)emodificarinstantaneamenteomundovirtualeasaçõessobreele(capacidadereativa).Porfim,noaspectoenvolvimento,omesmoestárelacionadocomograudemotivaçãoparaoengajamentodeumapessoacomdeterminadaatividade,podendoserpassivoouativo(Braga,2011).

Aaplicaçãodeplataformasinterativas,comoéocasodaRVeRA,podeajudaraeducaçãodeformaabrangentenadiminuiçãodaprobabilidadedosalunosabandonaremosestudos,poisbuscacriarnovasformasdeinteraçãonoaprendizadoegeraumestímuloparaaparticipaçãodessesalunosnasatividadesescolares.Tambémpodeimpactarnadiminuiçãodataxaderepetênciadosalunos,poisestimulaointeresseeoenvolvimentonasdisciplinasescolares.Emcasosespecíficos,podeinfluenciar,porexemplo,noaumentododesempenhodoalunoemmatemáticanasprovaspadronizadas(ProvaBrasil,SAEB,SAERJentreoutros),poisdeterminadasaplicaçõesusandoRVpromovemoaprendizadoderesoluçãodeproblemaseapráticadamatemática(Carrara,2017;ForteeKirner,2009).

ComaRVeaRAépossívelexplorarasrelaçõesentretecnologia,aprendizagem,culturaecomunidadedandoumenfoquenovoàeducação,tendocomobaseumametodologiaparticipativaquecombinafundamentosdoconstrucionismo(Papert,2008)edointeracionismo(Vygotsky,1980).Oconstrucionismo,propostoporSeymourPapertéaomesmotempoumateoriadeaprendizagembaseadanosprincípiosdoConstrutivismodeJeanPiaget(conhecimentoéadquiridoàmedidaquesepensaeagesobreoobjetomaturação+experiência+transmissãosocial+equilibração)eumaestratégiadetrabalhoondecadaumsetornaresponsávelporsuaaprendizagemàmedidaqueexperimentaeconstróialgo(Papert,2008).Osócio-interacionismo,propostoporVygotsky(1980),temcomoprincípioqueoaprendizadosedápelamediação,ouseja,pelatrocadeinformaçõesentreaspessoas.

Aaprendizageméfundamentalmenteumaexperiênciasocial,deinteraçãopelalinguagemepelaação(NeveseDamiani,2006).Ainteraçãodevepropiciarumacomunidadedeaprendizagem,dediscursoedepráticadetalmaneiraaproduzirsignificados,compreensãoeaçãocrítica,exerceraaprendizagemdecooperaçãoedeautonomia,asseguraracentralidadedoindivíduonaconstruçãodoconhecimentoepossibilitarresultadosdeordemcognitiva,afetivaedeação.

Assim,ointeracionismoéexercidonamedidaemquetodososproblemassãoanalisados,escaneadoseresolvidosemgruposeoconstrucionismoéexercidonamedidaemquecadaelementodogrupotemresponsabilidadeporumapartedasolução,dacriaçãosurgeodesenvolvimento.Cadaumtemaresponsabilidadepeloseupróprioconhecimentoepelogrupo.Todosdevemparticipardasolução,assimadúvidadeumeacertezadooutrofazemcomqueogrupocresçaesedesenvolva.

AoseremrealizadasasatividadespráticaspormeiodeplataformasdeRVouRA,épossívelpromoverodesenvolvimentointegradodehabilidades,atitudeseconhecimentos,referentesàsdiversasáreasgerandoumaprendizadosignificativoeeficaz.Noprocessoderealização,osalunospodemserlevadosnaturalmenteapassarpelasseguintesfases:

Formalizaçãodeideias:amanipulaçãodosconteúdosdentrodosambientesvirtuaispermiteaoalunoexplicitaroníveldecompreensãoquepossuisobreosdiferentesaspectosenvolvidosnaresoluçãodeumproblema;Experimentação(testaraideia):noambientevirtualépossívelexecutaraatividadefornecida,eoresultadoéofrutosomentedoquefoisolicitado.Éumaimagemfieldopensamentoexpressodeformaimediata;Refletirsobreaideia:apartirdaanálisedoresultado,oalunopoderefletirsobreoquefoimanipulado;Depurarumaideia:seoresultadonãocorrespondeaoqueeraesperado,oalunotemquedepuraraideiaoriginalpormeiodeconteúdooudeestratégia.

Nocasodossimuladoresparatreinamentoatualmenteempregadoparaoaprendizadodeprofissionaisdediversasáreasdesdepilotodeavião,atémanutençãodenavesespaciais,passandopelaformaçãodesoldados,policiaiseatémédicos.Osimuladoréummeioauxiliardeinstruçãoquepodeserumdispositivo,programadecomputadorousistemaquerepresentaasimulaçãodeumasituaçãodasuarotinadetrabalhodiária.Trata-sedeumequipamentoque,emtreinamento,reproduzascaracterísticasessenciaisdeumamissãoepossibilitaaoperaçãohumanadireta.Pesquisasrecentestêmdemonstradoquequandooalunoéchamadoaparticipardeformaativaeparticipativa,elecompreendeeassimilamelhoroconteúdo(Camargo,2013).

Nestecapítulodiscutiremososbenefícios,problemasedesafiosdeseempregarRVourealidadeaumentadacomomídiaematividadeseducacionais,alémde

categorizarsuasprincipaisformasdeusoeapresentarexemplospráticos.

19.2Benefícios

VeremosaseguircomoastecnologiasimersivaseinterativasdaRVeRApodemcontribuirparaamotivação,engajamentoeaprendizagemdoaluno.

19.2.1BenefíciosdaRealidadeVirtual

ARVpermiteextrapolaroslimitesdeespaçoetempo.Issoatornaumaimportanteferramentapedagógica,commuitasaplicaçõesparaauxiliaroprocessodeensino-aprendizagem.NoambientedeRVépossíveltrazerparaaexperiênciafísicaoqueatéentãoeranecessárioimaginar,comoporexemplo,passagenshistóricasefenômenosfísico-químicos.Oalunonãoprecisamais,porexemplo,aprendersobreahistória,elepassaavivenciarmomentoshistóricos,comriquezadedetalhesvisuais,sonorosetáteisquetornamoconhecimentomaisvivoeinteressante.

Conceitosabstratospodemsercontextualizados.Muitasdasdificuldadesdeaprendizagemsãodecorrentesdadificuldadedoalunoderepresentarmentalmenteaquiloquelheestásendoexposto,sejavisualouconceitualmente(Fonseca,1995).Aaquisiçãodoconhecimentoapenasporpalavras(ditasouescritas)eimagensestáticas,noformatodedesenhosoufotografiasemlivrosouslides,emborabastanteeficaznoprocessodeensinoaprendizagem,exigeumacapacidadedeabstraçãoegeneralizaçãoquenemtodososalunospossuemsuficientementedesenvolvidasnaquelemomento.Dessaforma,umasimulaçãoagregamuitovaloràsaladeaula,aopermitiravisualizaçãoecontextualizaçãodeconteúdosabstratos.Alémdisso,apossibilidadedeinteraçãocomoconteúdopermitequeoalunotestehipótesesacercadoqueestáaprendendoeobtenhafeedbackimediato,queconfirmeounãosuashipóteses.Nesseexercício,oalunoutilizanãoapenasaatenção(comoofariaparaouvirumprofessorfalandodiantedeumquadro-negro),mastambémseuraciocínio,questionamentoecriatividade,queresultamemprocessosdememorizaçãoegeneralizaçãomelhores.

Ainteratividadeaumentaamotivaçãoeoengajamento.Quantomaioraoportunidadedoalunoagirdeformaativasobreoconhecimento,ouseja,manipulandoobjetos,testandohipóteses,criandosoluções,maiora

probabilidadedoalunoadquirir,compreenderetransferiraaprendizagemparasituaçõesdiversas(Laurillard,2002).Atualmentehágrandeênfaseematividadesdidático-pedagógicas,nainserçãodemomentosdeinteraçãodoalunocomoconteúdoaseraprendido,resultandonacriaçãodealgoconcretoepalpável(BosseKrauss,2014).Nassalasdeaulaquenãoutilizamtecnologia,normalmenteissoéfeitoatravésdaeducaçãoporprojetos,porexemplo,nosquaisoalunospodemmanusearedesenvolveralgoconcretoacercadedeterminadoconteúdo.ARVpossibilitaqueissosejafeitoemtemporealcomconteúdoseconceitosquenãoseriampossíveispresencialmente,comoporexemplonainteraçãocomumaflorestavirtual,quepermitequeoalunotiremedidasdasárvoresesitue-seemdiversosperíodosdafloresta,numintervalode100anos.

Épossívelmanipulardiretamenteobjetosesubstâncias.ARVpermitequeoalunomanipulevirtualmentequaisquersubstânciasouobjetos,semoferecerriscosepossibilitandoodesenvolvimentodacoordenaçãomotoraparadeterminadasatividades(Adamovichetal.,2009).Porexemplo,emumlaboratóriodequímicavirtual,oalunopodemisturaremdiversasproporçõesdiferenteselementosquímicoseverareaçãoemsuafrente,semoperigoderesultaremsubstânciasexplosivasouperigosasàsaúde.Comautilizaçãodestelaboratório,oalunoestáestimulandoasuacriatividade,poispodetestarhipótesessemriscoalgum,estávisualizandooresultadodeseusexperimentoserecebendofeedbackimediatosobresuasações,fatoresfundamentaisparaaaprendizagem(Epsteinetal.,2002).Aosesentirpartedoprocessodeaprendizagem,oalunogradualmentedesenvolveautonomiasobreoaprendizado,oqueaumentaabuscapormaisconhecimentoeatransferênciadoconhecimentoparaoutrassituações.

Épossívelsentir-seimersoemambientesqueseriamimpossíveisdeconhecer.Ousodeprogramasdesimulaçãoemcomputadoresdemesanaeducaçãojáexisteháalgumtempoetrazmuitosbenefícios.ARVimersivavaiaindamaisalémaopermitirosentimentodepresençaeimersãoemambientesquejamaisumalunopoderiavisitar,comoporexemplo,“entrar”virtualmentenocorpohumanoouemumvulcãoemerupção.Sentir-seenvoltoporestesambientesepoderinteragircomeleseseusdetalhes,aumentasignificativamenteointeressedoalunopeloconteúdo,bemcomoasuaaprendizagem.

19.2.2BenefíciosdaRealidadeAumentada

ARAtemsidoutilizadadentrodeumcontextoeducacionalporcercade20anos.TaisexperiênciastêmdemonstradoqueaRApodetransformarosambienteseducacionaisemumaexperiênciamaiseficaz,engajadora,produtiva,prazerosaeinterativaparaosalunos.UmadascaracterísticasmaissignificativasdaRA,dopontodevistapedagógico,équeelaforneceumespaçoessencialmentecentradonoalunoeflexívelparaproporcionaroportunidadesdeaprendizagem.Nessesentido,oaprendizadoéliberadodeespaçostradicionaistaiscomosalasdeaulaelaboratórios.Aoinvésdisso,aplicaçõesdeRApodemserportadaspeloalunoondequerqueeleesteja.Asoportunidadesdeaprendizagempodemestarpresentes,porexemplo,emcasa,nolocaldetrabalho,nostransportespúblicos,noshospitais,entreoutros.AmedidaqueaRAsedesenvolveemaplicaçõesmaisinterativas,osalunospassamasetornarcadavezmaiscríticoseco-criadores,deixandoparatrásoregistrodesuaaprendizagemligadaaoartefatoouaolugaraqueencontraram.

ListamosaseguirosprincipaisbenefíciosdainserçãodaRAnaeducação:

Simplificaçãodeconceitos.UmasériedeestudosanterioresmostrouqueaRAtemacapacidadedesimplificarmuitosconceitoseducacionais,atravésdesimulaçõesem3D.Visualizaçãodeprocessosquímicos(Scottaetal.,2014;Núñezetal.,2008),camposmagnéticos(Macedoetal.,2012),evoluçãobiológica(Hamonetal.,2011),processodefotossíntese(RibeiroeSilva,2007),porexemplo,fornecemsoluçõesparaproblemasdeaprendizadodeconteúdosconsideradosabstratos.EssaspesquisasmostraramqueaRAajudouaapresentaressasinformaçõesdeformamaisfácilerealista.

Visualizaçãodeimagensespaciais.Amanipulaçãodosobjetosvirtuaistridimensionaistaiscomo,movimentaçãoerotação,podemajudarosalunosquepossuemdificuldadesdevisualizarecompreenderimagensespaciais3Drepresentadasnopapelem2D.UmbomexemplodecomoaRApodeincrementaromodocomoosalunosveemoconteúdopodeservistonoslivrosaumentados(Billinghurstetal.,2001).Comesseslivros,oestudantepodemovererotacionarmarcadoresouQRcodesimpressosemsuaspáginaspormeiodeusodewebcams,smartphonesoutablets.Olivroaumentadopermitequeosalunosobtenhaminformaçõesadicionaissobreimagensetextosdeformainterativa.UmexemploéapresentadonoestudodeCorrêa(2013),ondeosalunosdoensinomédioconseguemvisualizarformasgeométricas3Demumlivroparaoensinodegeometria.Avisualizaçãodosmodelos3Ddolivroajudounarealizaçãodosexercíciospropostosdeformamaisefetivaeprazerosa.Atlas

digitaiscomRAtambémtêmtrazidoimportantescontribuiçõesatravésdavisualizaçãodemodelosanatômicosquesãoprojetadossobreocorpodousuário.

Obtençãodeinformaçõescontextualizadas.EstudosmostraramqueaRApodetornarelementosarquitetônicosecentroshistóricosmaisreceptivos,produtivosecontextuais.AinserçãodaRAemambienteshistóricospodecontribuirdeumaformaúnicanapercepção,interaçãoeretençãodainformaçãoporpartedoalunoedopúblicovisitante.Épossível,porexemplo,obtersignificadosimportantesparaacompreensãodoespaçoedahistóriaassociadaaoelementoarquitetônicooucentrohistóricoaoqualseestiverinteragindo.

Baixocusto.Muitosestudantessãoincapazesderealizarexperiênciaseducacionaisimportantesdevidoàindisponibilidadedeequipamentos,faltadelaboratórioseoutroscustoseducacionaisassociados.UmsistemadeRApodeserimplementadocomusodecâmeras(computadores,tabletsesmartphones)comointuitodepermitirqueosalunosvisualizemeconduzamexperimentoscomaajudademodelosvirtuaisquepodemsermanipuladosatravésdemarcadoresdepapel.EmrelaçãoaRV,temavantagemdenãoprecisardeequipamentosesoftwarecomplexoparaproduzirimersão,umavezqueaexperiênciadousuáriosedánopróprioambientereal.

Colaboraçãoeubiquidade.Inovaçõesrecentescomusodedispositivosmóveisproporcionamumaabordagemdeusomaissimplificada.Comumdispositivomóvelosalunospodemsairemcampo(naescolaouuniversidade)embuscadeinformaçõesenriquecidascomRAcomo,porexemplo,entrevistarpersonagensvirtuaisefazermediçõesemambientesrastreadosatravésdeumsistemadeposicionamentoglobal(GlobalPositionSystem-GPS).Dentrodocontextodaubiquidade,aRApodeaindafornecerinformaçõesconstrutivassobreartefatoshistóricosparavisitantesemcentroshistóricos.

Engajarosalunosempapéis(funções).Osalunospodemassumirpapéisdistintosparadesenvolverumacompreensãoaprofundadasobreumdeterminadoconteúdo.ARAmóvelbaseadaemjogoséumbomexemplodecomopodecontribuircomodesenvolvimentodestahabilidade.OsjogosdeRAmóvelusamumsuportetecnológicoquecriaumacamadadeficçãonocontextodomundorealcombinadascomdiversão,desafioecuriosidade.Porexemplo,ojogoOutbreak@TheInstitute(Rosenbaumetal.,2007),osalunostrabalharamjuntosparaevitaradisseminaçãodeumadoençainfecciosa.Osdiferentespapéis

nojogoincluíammédicos,técnicoseespecialistasemsaúdepública.Osalunospoderiamcoletarinformaçõesatravésdainteraçãocompersonagensvirtuaisepelaaquisiçãodedadosvirtuaisapartirdoambientereal.

Enfatizarasinteraçõesentreosalunoscomlocaisfísicos.AtravésdedispositivosmóveisequipadoscomGPS,osalunostêmacessoainformaçõesrelevantesàmedidaquechegamadeterminadoslocaisdeinteresse.Porexemplo,osalunospodemcoletardadosetomardecisõessobrequestõesambientais,quesãoimportantesobjetivosdeaprendizagem,investigandoproblemasemdiferenteslocaisdentrodaescolaoucampusuniversitáriooumesmoemumdeterminadobairrodacidade.Umdosbenefíciospotenciaisdestetipodeatividadeétrazerumsensodeautenticidadeaosestudantes.

19.3ProblemaseDesafios

Comovistonasseçõesanteriores,sãomuitososbenefíciosqueaRVeaRApodemtrazerparaaeducação.Contudo,nãoexisteumamídiaideal,quesejaperfeitaparaqualquerpropósitoeducacional.Érelevantecompreenderlimitações,dificuldadesebarreirasqueaindaprecisamservencidasporessastecnologiasrelativamenterecentes.

Umproblemacomumnaaplicaçãoeducacionaldessastecnologiaséamotivaçãodosalunosapoiar-sepredominantementenanovidadeenacuriosidadequepropiciam.ParaqueumaatividadepedagógicabaseadaemRVouRAsejaeficazepossaseraplicadacomêxito,mesmopassadaacuriosidadeinicial,éimportantequeoempregodaquelamídiafaçasentido,nãosejagratuito,equeoconteúdosejacontextualizado.VerumelefantedançandosobreapalmadamãooupassearnumamontanharussavestindoumHMDpodeserdivertidonaprimeiravez,masperdemagraçaapartirdasegunda.Apresentarumgráficoestatísticoflutuandonoespaçoafrentedoaluno,oucolocaroaprendizimersoemumasaladeaulavirtualidênticaàquelaondejáseencontra,podesercurioso,masnãotrazembenefíciosquejustifiquemousodatecnologia.Játransportaroalunoparaofundodooceanonumcursodeoceanografia,conduzi-lonumavisitavirtualaaceleradordepartículasduranteauladefísica,ouconferiropoderdevisãoderaio-Xparaobservaçãodeestruturasósseasemseuprópriocorpo,enquantoestudaanatomia,sãoexemplosdeatividadesdifíceisderealizarsemRVouRAeperfeitamentecontextualizadascomospropósitospedagógicos.

Hátambémalgunscuidadosrelacionadosàsaúde,confortoesegurançaque

devemsertomadosaoseutilizarmídiasimersivas,principalmentequandoosalunossãocrianças.AlgumaspessoassãomuitosensíveisaousodecapacetesHMDeficamfacilmenteenjoadas.Nessecasoéprecisoquehajaconteúdosalternativos,comovídeos,queatendamàquelesquenãopossamusarosequipamentosimersivos.Dequalquerformasempreéprudentelimitarotempodeusoeaidadedeacessoaessesambientes.

ComaRAeRVosalunossãoenvolvidosdeformainovadoraatravésdemétodosdeaprendizagemdiferenciadoseenriquecidoscomconteúdosrelevantesdotadosdemodelosdigitais.Noentanto,aadoçãodeRVouRAnaeducaçãoaindaéconsideradaumdesafio,devidoàdificuldadedeintegrá-lascommétodosdeaprendizagemtradicionais.Outroproblema,segundoBillinghursteDünser(2012),équeasexperiênciaseducacionaisdeRAsão,emgrandeparte,umacriaçãoadhocdeeducadorescompoucacompreensãodatecnologiaoudesenvolvedorescompoucacompreensãodaeducação.Wuetal.(2013)dizemque“visualizaraRAcomoumconceitoenãocomoumtipodetecnologiaseriamaisproveitosoparaeducadores,pesquisadoresedesigners”.Alémdisso,“pesquisasfuturasdevemabordaroportunidadesedesafiosúnicosenvolvendosistemasdeRAedecomoelespoderiamenriqueceroensinonasaladeaulaeofertarsoluçõesdeautoriaparaalunoseprofessores”.ParafazerissodeformaadequadaéprecisoconsiderarcomoaRAseenquadradentrodeestruturasdepensamentossobreensinoeaprendizagem.

Oprincipaldesafiodastecnologiasaplicadasàeducaçãoépromoveroaprendizado,tantocognitivoquantodeaquisiçãodehabilidades,pormeiodeumadinâmicaaplicadaqueengajeeprendaaatençãodoaluno.Paraisso,algumastecnologiasapoiaram-senoedutainment,queéumametodologiacriadaapartirdajunçãodaspalavraseducation(educação)+entertainment(entretenimento),queutilizaelementosadvindosprincipalmentedosjogosparaaconstruçãodeferramentaseducativas.Trêselementossãodestaquenessecontexto:Imersão,InteraçãoeEnvolvimento.NocasodautilizaçãodeRV,amesmatrabalhaessestrêselementosdeformaaamplificarassoluçõesdesenvolvidasparaeducação.ComumasimulaçãoutilizandoRV,épossívelpromoverjuntoaoalunoumasensaçãoamplificadadeimersão,principalmenteutilizandoosóculos3D(HMD).Tambémpermitemaiorinteraçãoquandoseutilizaacessóriosparaaumentarapercepçãodoscincosentidosdoserhumano(audição,visão,tato,paladar,olfato).Ecomumroteiro(gamedesign)elaboradoadequadamentefazcomqueoenvolvimentodoalunosejagrandeesuadispersãobastantereduzida.Alémdisso,outroelementoquetemsetornado

importanteequeauxiliatambémnesteprocessodeaprendizadoéagamificação.Umsistemaeducacionalondeestãopresentesestesquatroelementosaumentamaschancesdesucessonoengajamentodosalunos.

Diantedisso,odesenvolvimentodeconteúdoeducacionaladequadoéfundamentalparaosucessodaimplantaçãonasinstituiçõesdeensino.Umadasprincipaisvantagensdousodoedutainmentétornaroprofessorumdesignerdeplanosdeaulas.Nãotrabalhardeformaconteudista,massimutilizarapráticasimuladaparamelhorarcompetência,ouseja,mudaraformacomoainformaçãoéassimiladapeloestudante.NoBrasilaindanãoexisteumaformaçãodeeducadoresfocadanesseprocessodegeraçãodeconteúdoparasimuladoresbaseadoemRV.Nopassado,haviaumafortenegaçãoporpartesdosprofessores,quesesentiamcoadjuvantesnoprocessoeducativoenvolvendoastecnologiaseducacionaiscomoumtodo,enocasodaRV,essanegaçãoeramaisenfatizadadevidoaoscustosdosequipamentosenvolvidosnaescalabilidadeparaaplicaçãoemumasaladeaula.

Aolongodosanos,aindústriafabricantedeequipamentosdeRVeRAtemrealizadoumtrabalhodepopularizaçãodatecnologiacomcustosmaisacessíveis.Eissotempermitidocriarsoluçõeseducacionais,principalmente,enfatizandoaquestãodaimersão.Contudo,aescalabilidadenaeducaçãoaindapassapelainfraestruturaeInternetdequalidadenasescolasparaquesetenhasucessonaexperiênciadosalunosenaimplantação,porexemplo,narededeensinopúbliconoBrasil.

Ousoadequadodeumaferramentainterativaparafinseducacionaiséfundamentaldopontodevistadecredibilidadeeresultadoreal.Paraisso,asferramentasprecisamestarinseridasnosnovosprocessosdeaprendizadoeconectadasaumametodologiadeensino.Paraissoacontecerfaz-senecessáriaumamodelagemmaduradoquevaiserensinado,comoequandovaiserensinado,qualopapeldoprofessornoprocessodeensinoequaisindicadoresserãoutilizadosparalevantarasinformaçõesdeeficiênciaecapacidadedetransferênciajuntoaoaluno.Porexemplo,existemprofessoresquejáestãoadotandoametodologiabaseadanoconceitodeblendedlearning(ensinohíbrido),usandoasatividadesemateriaislúdicos,comogamesesimuladores,paraplanejarsuasaulastantodemodopresencialquantoon-line.Elesentendemqueéumanovaformadepassarconteúdo,masadificuldadeéaadoçãodatecnologiaeparaistoaindanecessitaumtrabalhoprofundodecompreensãodecomoserealizaesteengajamentodoprofessor.Métodoscomosaladeaula

invertidaepersonalizaçãodoaprendizadopodemserum“insight”positivoparainstrumentaroprofessorquedesejatrabalharcomestaspráticas.UmdesafiopresenteestáemmodelarassoluçõesemRV/RAparasuportarestesmétodos.

19.4Usos

NestaseçãodiscutiremososprincipaisusosdastecnologiasdeRVeRAaplicadasàeducação.Parafacilitaraassimilaçãoidentificamoscaracterísticascomunsentreasaplicaçõesmaisencontradaseasagrupamosemcategorias,criadasespecialmenteparaaexposiçãodoconteúdodestaseção.Essascategoriassebaseiamnascaracterísticaspredominantes,masnadaimpedequeumaaplicaçãopossuaatributosdemaisdeumacategoria.

19.4.1UsosdaRealidadeVirtual

ARVjápossuiumahistóriarelativamentelongaparaospadrõesdacomputação,trajetóriaessaqueseiniciouquasenamesmaépocaemquecomputadorescomerciaiscomeçaramaproliferar.UmadasprimeirasaplicaçõesdeRVfoijustamentedestinadaaotreinamento,naformadesimuladoresdevoo.HojeaRVencontrausosempraticamentetodasasáreasdoconhecimento,possuindoaindagrandepotencialaserexplorado.Analisandoascaracterísticasdasprincipaisaplicaçõesosautoresdestecapítulodecidiramagrupá-laseapresentá-lassegundoasseguintescategorias:

Simulação;Telepresença;Visitasalocaisinacessíveis;Laboratóriovirtual;Visualizaçãodeelementosinvisíveisouabstratos.

Simulação.AssimulaçõesforamasprimeirasformasdeaplicaçãodaRVehojecontinuamaserpredominantes.Naeducação,assimulaçõesoferecemmuitasoportunidadesdeaprendizagem,poispermitemaoalunoexperimentarestratégias,testarhipóteses,receberfeedbackdesuasescolhasetentarnovamente.Sãotambémumaformaseguraebarataderealizartreinamentos.Osimuladordevooéoexemploclássicodesseuso.Alémdisso,assimulaçõespermitemacontextualizaçãodeconceitoseexploraçãodeprocessosdemaneiratangíveleflexível.

Assimulaçõespodemserexploradasdediversasmaneiras:emambientesnãoimersivos,comoemprojeçãoemmonitores,cominteratividadepormeiodotecladoemouse,ouemmonitoresacopladosacontrolesespecíficos,comonocasodossimuladoresdevôo,tantoemambientesimersivos,comoemcavernasvirtuaisouporprojeçõescomusodeóculosdeRV,quepermitemautilizaçãodesensoresdepresença,demovimentoecontroleshápticosparaainteraçãocomasimulação.

OprojetoEscolaTRI-Legal,desenvolvidopeloLaboratóriodeInformáticadaUnifra(CentroUniversitárioFranciscano),apresentaumasimulaçãodeumaescolaemtrêsdimensõesnaqualosalunosdoensinofundamental,pormeiodeumcomputadordemesa,podemnavegarvirtualmenteportodososambientesdeumaescola,comsalasdeaula,biblioteca,ginásioelanchonete(Vendruscoloetal.,2010).Aoentrarvirtualmentenabiblioteca,porexemplo,oalunotemacessoaomaterialdereferênciadetodasasdisciplinas,e,aoentraremcadasaladeaulavirtual,temacessoajogosquereforçamosconteúdosaprendidosnasaladeaulareal,comoporexemplo,jogosdeGeografiaeHistória.Aintençãoéqueesteambientevirtualsejaumaextensãodasaladeaula,permitindoarevisãodemaneirainterativaedescontraídadosconteúdosaprendidoseincentiveabuscaautônomapeloconhecimento.

Outraaplicaçãoéautilizaçãodesimuladoresparatreinamentonaáreadesegurança.Osistemapermitetreinarosprofissionaismaispróximosdarealidadedotrabalhodiário.Osistemaéprojetadoparapromoveraformaçãodeprofissionaisemsegurançapúblicaeprivadapormeiodeumsimuladorinterativobaseadonoreconhecimentodevozemovimento,ambientes3Dedispararolasercomarmadefogoreal.Osimuladordeabordageméasegundageraçãodatecnologiaque,inicialmente,seoriginoucomossimuladoresdetiro.Eleconsisteemumsistemainterativoqueusaoutrasformasdeinteração,comocomandodevozemovimentodocorpo.Issopermiteaousuárioumaformaçãomaisadequadaparadesempenharsuasfunçõesdeformamaisseguraeeficaz(ValerioNetto,2015).

Telepresença.Atelepresençaédefinidacomoaexperiênciadepresençanumambientemediadoporalgummeiodecomunicação(Steuer,1992),ouseja,emumambientedeRV,éosentimentodeestarpresentenaquelarealidadeconstruídasinteticamente.Porenfocarosentimentodepresençadousuário,osambientesdeRVtêmsidocadavezmaisutilizadoscomintuitoeducacional,porpermitiremmaiorenvolvimento,motivaçãoeengajamentodousuário

(Bailensonetal.,2008).

PodemoscitarcomoexemplooambientenãoimersivodeRV“VirtualMat”,desenvolvidonaUniversidadeFederaldeUberlândia,quevisaauxiliaroensinodeconceitoslógico-matemáticosparaalunosdoensinofundamentalqueapresentamdeficiênciaintelectual,alémdepermitirodesenvolvimentodehabilidadesdeclassificar,discriminar,ordenareseqüenciar(Malaquiasetal.,2012).OambientedoVirtualMatrepresentaumacidadevirtualcomcarros,casas,prédioseumsupermercado.Oalunopodenavegarpelosambienteseinteragircomomesmo,comoseestivessepresentenacidadevirtual,deacordocomcinconíveisdedificuldade.Porexemplo,noprimeironívelelepodeapenasnavegarpeloambiente(envolvehabilidadesdeclassificaçãoediscriminação),nosegundo,podeelaborarumalistadecompras(envolve,entreoutras,habilidadesdeclassificação),noterceiro,osprodutosselecionadosparacompraestarãosobreamesadacasadousuário,eoalunopoderáguardá-losemseusrespectivoslugares(envolvehabilidadesdeclassificaçãoediscriminação),recebendofeedbacksobreoacertoounãodolocalquepretendeguardaroproduto.Noquartoníveloalunopodenavegarportodosambientesdacidade,podefazerumalistadecompraseguardarosprodutosemsuacasavirtual.Noquintonível,oalunopoderárealizaratividadesdesequenciação,comimagensdosprodutosdosupermercadovirtual.ComonestaaplicaçãooambientedeRVénão-imersivo,oprofessorpodeacompanharoalunoduranteaatividade,auxiliandoefazendoquestionamentos.Umestudofeitocom9alunosdoensinofundamentalavaliouessasquatrohabilidades(ordenação,classificação,discriminaçãoesequenciação)eidentificouumaumentoestatisticamentesignificativonodesempenhodamaioriadessashabilidadesapósautilizaçãodoVirtualMat(Malaquiasetal.,2012).

Visitasalocaisinacessíveis.UmdosgrandesbenefíciosdaRVépermitiraousuáriovisitarlocaisinacessíveis,sejaporcontadedimensõesfinanceiras,detempoouespaço.ParaoensinodeHistóriaeGeografia,porexemplo,essesganhossãoenormes,poisosalunospodemfazervisitasvirtuaisàsmaisdiversasregiõeseépocasdoplaneta,recebendoestímulosvisuais,auditivosemesmosensoriaisdeambienteseperíodosquejamaispoderiamimaginar.AsensaçãodepresençaproporcionadapelaRVnessasvisitasvirtuaisatuapositivamentenoengajamento,atenção,memóriaeaprendizagem(Bailensonetal.,2008).

ComointuitodeofereceroportunidadesdeaprendizagememambientesdeRVutilizandodispositivosrelativamentedebaixocusto,comoóculosdeRVGoogle

Cardboardequalquersmartphone,aempresaGooglecriouaplataformaGoogleExpeditions.Pormeiodessaplataforma,professoresealunosdoensinobásicoesuperiorpodemacessarvídeosem360grausdediversasregiõesdoplaneta,eatémesmodeforadele,comovídeosdeMarte.AoprojetaressesvídeoscomoauxíliosmartphonesinseridosemóculosdeRV,épossívelcriarumambientedeRVimersivoeexploraresseslocaisapartirdequalquerpontodoplaneta.

UmestudoutilizandovídeosdeGeografiaeCiênciasdaplataformaGoogleExpeditionsavaliouapercepçãodeprofessoresealunossobreaspossibilidadesdousodeRVnasaladeaula(Minocha,TudoreTilling,2017).Osresultadosindicaram,entreoutrascoisas,queousodestaplataformapodeserefetivonarepresentaçãodeconceitos,locaiseprocessos.Principalmente,podemapoiaraaprendizagembaseadaemproblemasemGeografiaeCiênciasebeneficiar-sedosganhosdeaprendizagemdasvisitasdecampo.

LaboratóriosVirtuais.Oslaboratóriosvirtuaistêmsidocadavezmaisutilizadosparacomplementarouatémesmosubstituiroslaboratóriosreais.Elesoferecemaosalunosexperiênciasdemanipulaçãodiretadesubstâncias,objetoseanimais,entreoutros,semriscosàsaúdeouaoambiente(Gravieretal.,2008).Permitemqueosalunosexperimentemlivrementeequantasvezesquiserem,deformaquepodemtestarsuashipóteses,desenvolversuacriatividadeereceberfeedbacksegurodesuasiniciativas.Alémdisso,estãodisponíveis24hpordia,permitindograndeflexibilidadetantoparaalunoscomoparaprofessores.Finalmente,oscustosdoslaboratóriosvirtuaissãosignificativamentemenoresdoqueosdeinstalaçãoemanutençãodelaboratóriosreais,oqueaumentaaindamaisasuaatratividadedeseuusonaeducação(Heradioetal.,2016).

UmaplataformadelaboratóriovirtualbastanteutilizadainternacionalmenteéoLabster(DainekoeDmitriyev,2014;SmitheColeman,2017;Bondeetal.,2014),quefoidesenvolvidocomintuitodeoferecerumambienteimersivoem3Dcomanimaçõesrealísticas(Bondeetal.,2014).Pormeiodaplataforma,épossívelacessarlaboratóriosdequímica,biologia,genética,investigaçãoforense,estaçõesdetratamentodeágua,entreoutros.Comointuitodeavaliaraefetividadedaaprendizagem,Bondeetal.(2014)conduziramumestudocomalunosdaTechnicalUniversityofDenmark(DTU)utilizandoolaboratóriovirtualforensedaplataformaLabster.Osresultadosindicaramqueousodolaboratóriovirtualaumentousignificativamentetantoaaprendizagemquantoamotivaçãodosalunosquandocomparadoométodotradicionaldeensino(saladeaula).Osresultadosforamaindamaissignificativosquandoousodolaboratório

virtualfoicombinadocomométodotradicionaldesaladeaula.

Visualizaçãodeelementosinvisíveisouabstratos.OusodaRVpermitequeousuáriovisualizeemanipuleelementosmicrooumacroscópicos,comocélulasebactériasouplanetasinteirosegaláxias.Essapossibilidadetrazganhosimportantesparaoprocessodeensinoeaprendizagem,poisoalunonãoprecisarácontarapenascomaimaginaçãoouabstraçãoapartirdeimagensestáticas,comofotosemlivros,porexemplo.Elepoderáver,interagireobservarcadeiasdeeventosdemaneirabastanteconcreta,atrativaericaemdetalhes.Scalese,Obeso,eIssenberg(2008)apontamosbenefíciosdousodaRVnaformaçãodemédicoseprofissionaisdasaúde,porpermitiravisualização,interaçãoesimulaçãodediversaspartesdocorpoecondiçõesdesaúde.

Schönborn,HöstePalmerius(2016)conduziramumestudocomalunosdoensinomédioparaavaliaroganhodeaprendizagemdousodeambientesdeRVimersivoquepermitemainteraçãocomnano-objetospormeiodemovimentoscorporaisdousuário.Essainteraçãopermitequeosalunosmanipulemosnano-objetoseaprendamconceitoscentraisdananociência,comoporexemplo,visualizareinteragircomoprocessodeaderênciadenanotubosemcélulas-alvoespecíficas.Osresultadosdoestudoindicaramumaumentonoengajamentodosalunosbemcomoaumentosignificativonaaprendizagemdeconceitosdananociência.

OutraaplicaçãoéoempregodaRVnoensinoeaprendizagemdeconceitosdematemática.Oprojeto“AplicaçãodaRealidadeVirtualnoEnsino-AprendizagemdeConceitosdeMatemática”(Carrara,2017)temcomoobjetivoespecíficoconstruirdispositivosbaseadosemRVparausodidáticovoltadoparaoensinodeMatemática,naáreadeGeometria.Essesdispositivosvisamasimulaçãodealgumasaplicaçõesdevisualizaçãointerativacomageometriaespacial(sólidos)eageometriaplana(figuras)epodemcontribuirtambémparaaconstruçãodoconhecimentodasfraçõesemgeral,dasfraçõesdecimais,aperfeiçoandooensinodosistemadenumeraçãoe,consequentemente,possibilitandootrabalhocomasatividadesdemedircomprimentos,superfíciesecalcularáreasevolumes.

19.4.2UsosdaRealidadeAumentada

ARAtemsidoutilizadaparacriarexperiênciasdeaprendizagematéentãoinconcebíveis,redefinindooespaçodeaprendizagem.Diversasaplicaçõesforam

desenvolvidasparaajudarosalunosaentenderemmelhorprocessosquímicos,exploraraanatomiahumana,visualizareinteragircommodelostridimensionais,visualizarfenômenoseeventosinvisíveis,entreoutros.ParaapresentarasprincipaisaplicaçõesdaRAnaeducaçãoosautoresorganizaram-nasnasseguintescategorias:

Açõescomlocalização;Manipulaçãodireta;Produçãodeconteúdospelosalunoseprofessores;Açõeslúdicas;Visualização3D;Visualizaçãodeelementosinvisíveisouabstratos.

Açõescomlocalização(aprendizadoubíquoecolaborativo).OusodedispositivosmóveiscomGPSpodempermitirumaaprendizagemubíquaecolaborativamelhoradacomusodaRA.Porexemplo,váriosjogosdedispositivosmóveiscomooEnvironmentalDetectives(KlopfereSquire,2008)eEpidemicMenace(Lindtetal.,2006)foramdesenvolvidosparaapoiaraaprendizagemforadassalasdeaula.OEnvironmentalDetectives,porexemplo,foidesenvolvidopeloInstitutodeTecnologiadeMassachussets(MassachussetsInstituteofTechnologies-MIT),paraEducaçãoAmbiental,noqualosjogadoresusamdispositivosmóveiscomGPSparatentardescobriraorigemdeumvazamentotóxico,entrevistandopersonagensvirtuaiseconduzindomediçõesambientaiseanálisededados.NojogoEpidemicMenace,oobjetivoécontrolarumvírusroubadoeespalhadopelolocal.Nessejogo,osistemadeRAsimulaavisualizaçãodosvírusvirtuaisespalhadospeloespaçorealondeocorreojogo.Fonesdeouvidotransmitemospadrõesdesomemitidospelovírusquandoalguémseaproximavadaameaça.Ossmartphonesusadosnojogosãocustomizados,servindoparadeterminaralocalizaçãodospossíveisfocos,paraondeojogadordeveriasedirigireeliminarovírus.

UmestudosobreousodeenergianuclearepoluiçãonaUsinadeFukushima,apósoterremotode11demarçode2011noJapão,mostrouevidênciasdequeaRAmóvelpodeafetarosdomíniosafetivosdosalunosemrelaçãoaosproblemasdomundoreal.Nesseestudo,osalunosdononoanodeumaescolapúblicadosuldeTaiwanusaramtabletsparacoletardadosdevaloresderadiaçãosimuladosemseuCampusquepossuía,hipoteticamente,12kmdedistânciadausinanucleardeFukushimae,umdiaapósaexplosãodogáshidrogênionausina.Osresultadosmostraramqueosalunostiverammelhoriassignificativas

nos15itensconceituaisdopré-testeparaopós-teste,indicandoqueaRAmóvelpodecontribuirparaaeficáciadaaprendizagemderadiaçãonuclear,alémdetersidoconsideradaumaaulabemmotivadora,navisãodosalunos.AexperiênciacomessesaplicativosdeRArevelouformaseficazesdeutilizarmídiaspervasivaseRA,estimulandoocontatodeseusjogadorescomtecnologiaspresentesnocontextodascidadesdigitais.Hádeseconsiderartambémaquelesaplicativosquenãoforamdesenvolvidosespecificamenteparausoeducacional,masque,àluzdacriatividadeevisionismodoseducadores,tornaram-seferramentasdeapoioaoensino.

OjogoPokémonGOéumexemplodeferramentadeentretenimentoquejáfoiusadodeformadidática.NapesquisadeLopeseLopes(2017),oPokémonGOfoiutilizadoporestudantesdeBiologiadoensinomédioparaproblematizarconteúdosrelacionadosàBiologia,comoateoriadaEvolução.Oprofessorusouojogoparaincentivarosalunosaapreciar,conhecerecolecionarclassesdeanimaiscomorépteis,anfíbioseinsetosquecompõemojogo.AquestãodaconservaçãodaespécierelacionadaaoPokémonGOtambémfoifocodepesquisarealizadaporBalmfordetal.(2012)quenotaramqueascriançasexpostasaojogoconseguiramidentificarmuitomaisespéciesdeanimaisrelacionadasaojogodoqueanimaiseplantasexistentesnanatureza.Taispesquisasrevelamqueosdesenvolvedoresdafranquiaestãofazendomuitomaisdoqueumaferramentadeentretenimento,naverdadeestãotambémauxiliandoprofessoresdeCiências.

Manipulaçãodireta.Permiteamudançadealgumparâmetroouestadodeumobjetocomo,rotação,mudançadeposição,tamanhoeoutrosparâmetrosgeométricos(Bowmanetal.,2004).Namanipulaçãodiretaousuáriooperaoobjetovirtualfazendooperaçõesemedições.Essainteraçãoreduzacargacognitivaediminuiacurvadeaprendizadodousodainterface,alémdeajudaraaumentaraimersãodousuárionoambientevirtual.ComoexemplocitamosoConstruct3D,umaferramentadeRAparaconstruçãogeométricatridimensionalespecificamenteprojetadaparaaformaçãodematemáticaegeometriacompotencialdeusonoensinosecundárioeuniversitário(Kaufmannetal.,2000).EstesistemausaaRAparaproporcionarumacolaboraçãonaturalfaceafaceentreprofessorealuno,sendopossívelmanipular,operaremedirobjetosgeométricos3D.OsalunosusamHMDeumpaineldeinteraçãocompostodeumacanetaeumafolhacontendoummenudeopçõesparacontrolaraaplicação.OsresultadosmostraramqueoConstruct3Défácildeaprender,incentivaaexperimentaçãocomconstruçõesgeométricasemelhoraashabilidadesespaciais

dosalunos.

Amanipulaçãodiretatambémtemsidoutilizadaparaotreinamentocirúrgicoemfaculdadesdemedicina.GalvãoeZorzal(2013)apresentaramumaaplicaçãodeRAparademonstraroprocedimentocirúrgicodetratamentodopneumotóraxdemodointerativo.Oprocedimentorequerduaspessoas,sendoaprimeirapessoadetectadao“paciente”compneumotóraxeasegundapessoao“médico”.Apessoadetectadacomo“paciente”temprojetadosobreseutórax,atravésdodispositivoKinect,aanimaçãodeumobjetovirtualdeumpulmãocontraído,simulandoopneumotórax.Apessoadetectadacomo“médico”temprojetadonasuamãodireitaumobjetovirtualdeumaagulhacirúrgica,inclinadanomesmoângulodaretacriadapelospontosdopulsoedamão,ouseja,comoseaagulhacirúrgicavirtualfosseumaextensãodamãodomédico.Aplicaçõesdestetipotornampossívelenriqueceroaprendizadodasdisciplinasdeanatomia,alémdefavorecerparaadiminuiçãodoscustosedificuldadesdeobtençãodecadáveres.

Produçãodeconteúdospelosalunoseprofessores.Seconcentraemaprenderpordesign,atravésdoqualosalunosprojetamecriamseusprópriosaplicativosejogosdeRA.Osalunoscomeçamcomumprojeto,discutindoproblemasabertoseseguemporinteraçõesfrequentesdedesigneavaliação(Kafai,1995).Osalunosassumempapeldedesigners,aprendemsobredesigneconteúdoedesenvolvemhabilidadesàmedidaquepassampelastarefasnoprocessodedesign.Porexemplo,emMathews(2010),estudantesdoensinosuperiordelinguagemdasarteseestudossociaisusaramdispositivosmóveisparaidentificarepesquisarproblemasemsuacomunidadee,emseguida,projetaramjogossobreasquestõesidentificadasindividualmenteedeformacolaborativa.Finalmente,elescriaramjogosdeRAparadispositivosmóveisparaensinaroutrosalunosemembrosdacomunidadesobreosproblemas.Atribuiraoalunoaresponsabilidadepelaconstruçãodeumaplicativooujogopropiciaodesenvolvimentodacriatividade,aptidãoeautonomia,viabilizandoageraçãodoconhecimentoemumcenáriomultidisciplinar.Emoutraspalavras,aobtençãodenovosconhecimentoseodesenvolvimentodecompetênciaspeloalunosãointensificadosaoincorporaraconstruçãodejogoseaplicativosematividadesrelacionadasàconstruçãodoraciocíniológico,colaboraçãocomoutroscolegas,percepçãodemodelosmatemáticos,reformulaçãodoconhecimentoeedificaçãodehabilidadescognitivasinterdisciplinares,taiscomoadecomposiçãodeproblemas,ainterligaçãodeelementoseacapacidadedeabstração(Kafai,1995).

EntreasferramentasdeautoriaparaacriaçãodeaplicaçõesdeRA,destacamosoAurasmaparadispositivosmóveiseoFlarasparaDesktop(Corrêa,PachecoeConcílio,2017).Aindanalinhadeferramentasdeautoria,destacamosoARstudio,quetemcomoobjetivodisponibilizarumconjuntodeferramentasondeoprofessorpodecriarconteúdocomRAparausaremsuasaulas(Munnerleyetal.,2014).Essaferramentaémuitointeressantenosentidodetornaroprofessorautordesuapráticadesaladeaula,ajudando-oacriarconteúdosrelevantesparasuarealidadedeensino.

Açõeslúdicas.Atividadeslúdicasqueimplicamnoprazer,nodivertimento,naliberdadeenavoluntariedade,quecontenhamumsistemaderegrasclaraseexplícitas.OVirtualPlantforChildren(VPFC),porexemplo,éumaferramentainterativaparaaaprendizagemdeBotânica.Especificamenteosistemapermitesimularocrescimentodasplantasvirtuaisemtemporeal,fornecendo-lheságua,luzecalor.Épossível,porexemplo,evoluirofeijãodoestadodasementeparaoestadodefruição.Aevoluçãodaplantaédivididaemtrêsestágios:germinação,crescimentoefloração.Emcadaestágio,oalunodeveforneceraquantidadecorretadeágua,luzecalorevalidarsuasescolhas.Trêsobjetosvirtuais,manipuladospormarcadores,sãousadoscomometáforasdealgumasnecessidadesdasplantas:umtermômetroparaaquecimento;umalâmpadaelétricaparaluz;eumagotadeáguaparaágua.Ummarcadorprincipaléusadoparaexibiraplantavirtualemumvasodeflores.Essetipodeaplicaçãoquesimulaumfenômenodegrandeexpansãotemporalemumcurtoperíododetempopodetrazerbenefíciosparaaáreadaeducação,poisdiminuiaabstraçãoeacriançaaprendedeformamaisconcreta.Issoporqueotempoquelevariaparaacriançacompreenderociclodevidadeumaplanta,quepodedemorardiasousemanas,podeserfeitorapidamente,facilitandoacompreensãoeoregistrodosestágiosdeciclodevidadasplantas.Dedeecolegas(1999)ressaltamaimportânciadassimulaçõesparaoaprendizadodeconceitoscomplexos,poisoferecemreferênciasemodelosadequadosparaposterioresabstrações.ComosurgimentodaRAtornou-sepossívelcriaressetipodeaplicaçãoquepodeseestendertambémparaoutrasáreascomoocrescimentodosanimais,porexemplo.

Emoutroexemplo,oSMART(SystemofAugmentedRealityforTeaching)éumsistemadeRAquepermiteaosalunosexplorarconceitoscomomeiosdetransporte,espéciesdasclassesanimais,leguminosas,frutas,entreoutros.Amotivaçãodosautoreséprojetarinterfacesmaisnaturaisqueseguemalinhabemsucedidadosconsolesdegames.Emvezdeusarinterfacestradicionaiscom

basenoparadigmaWIMP(janelas,ícones,menuseapontadores),manipuláveisatravésdemouseeteclado,ainterfacedoSMARTfazusoderaquetesdetênisdemesacommarcadoresparamanipularmodelosvirtuais3Dexibidosemumprojetormultimídia.Ahipótesedosautoresédequeaintroduçãodestaformadeinteraçãocolaborativaaumentaointeressedosalunoseconsequentementeaumentasuataxadeaprendizagem.Osautoresconceberamváriosjogosedoisdelesforamintroduzidosemumexperimentocomosalunosdosegundoano.Umdeleséojogodeclassificaçãoanimal,ondeosalunosmanipulamumaraqueteparavisualizardiferentesmodelosanimadosdeanimaisem3D.Oobjetivoéencontrararaquetecorrespondenteàcategoriadesseanimal(mamífero,réptil,anfíbio,etc.).Osegundojogoéidentificaracategoriadosmeiosdetransportes,porexemplo,ohelicópteroéummeiodetransporteaéreo;oautomóveleamotosãoterrestres,eassimpordiante.

Osprofessoresusaramojogocolaborativamenteprojetando-oemumdatashow.Osresultadosmostraramqueoefeitodaaplicaçãodestetipodetecnologiateveimpactospositivossignificativamentemaioresemalunosqueapresentambaixooumédiodesempenhoedoqueaquelesconsideradosbonsalunos.Issoporque,segundoosautores,osbonsalunosjásãobonsalunos,portantoopotencialdemelhoraraaprendizagemdealunoscommenordesempenhoéobviamentemaior.Alémdisso,ofatodequeosalunoscommenordesempenhoemtermosdeaprendizagemsãomaispropensosaquererexecutaratividadesfísicasejogarcomasraquetesnodatashow,podeterinfluenciadopositivamentenasuaaprendizagem.

Visualização3D(aprenderconteúdoemperspectivas3D).Ouseja,aumentarapercepçãovisualeinspecionaroobjeto3Dapartirdeumavariedadedeperspectivasdiferentesparamelhorarsuacompreensãosobreoobjetodeestudo.Porexemplo,oestudodeKerawallaetal.(2006)discutiramousodeRAnoensinodeAstronomia.Oestudoincluiudoistiposdesessõesdeensinotradicionais:a)nasessãodeRAprofessoresealunosdoensinofundamentalusaramumacombinaçãodetecnologiasparaproverumambientedeRA,incluindoquadrobranco,projetor,webcam,marcadoreobjetos3Dvirtuaisrepresentandoaterra,osolealua;b)asessãodeensinotradicionalincluiualeituradeumlivroimpresso,umapalestrasobreosistemasolareumademonstraçãousandoobjetosfísicosdomundorealcomoboladetênis,umacordaeumatocha.Questõesdepré-testeepós-testeforamfeitaspelosprofessoresemambasassessões.OsresultadosmostraramqueaRAsemostroueficazparaoensinodeastronomia,apesardenãoterevidênciassignificativasde

queaRAémaisbenéficaqueosobjetosfísicosdomundoreal.Emcontrapartida,apesquisadeCopoloeHounshell(1995),sobreumexperimentoquímico,mostrouqueosalunosdogrupoexperimental,queusaramRA,tiveramumdesempenhosignificativamentemelhordoqueosoutrosgruposqueusarammétodostradicionaisdeensino.Wu,KrajcikeSoloway(2001)argumentamqueambososmodelos(físicosedecomputadorcomRA)podemserbenéficosparaosalunos,dadoquecadaclassepossuiumníveldeinstruçãoepreferênciasdiferenciados.

Emoutrotipodeaplicação,citamosoconceitodelivrosaumentadosquefornecemilustraçõesereflexõesadicionaisparaumacompreensãomaisprofundadoconteúdoabordadoatravésdeperspectivasadicionais.ARAampliaossentidosdousuárioparaquepossampercebermaisinformações.Issopodeserconseguidoatravésdaidentificaçãomanualdeobjetoscomousodemarcadoresimpressosnaspáginasdoslivros,comooscódigosQR.Assim,oaprimoramentodemídiaestáticabidimensional(2D)commídia3Ddinâmicapodeserimplementado.

EmDias(2009),umprofessordeciênciadacomputação,identificouqueoslivrosaumentadospoderiammelhoraraabsorçãodeconteúdosdelivrostradicionaisusadosnasescolas.Eleapontouqueumamelhorcompreensãodotópicoaprendidopoderiaseralcançadaatravésdoaumentodeesboçoseducacionaisintegradoscomomodelos3D,sons,imagensevídeos.Aintroduçãodolivroaumentadonamatemática,porexemplo,podeeliminarumadasgrandesdificuldadesdoaluno:visualizarumproblemacomplexodegeometria(Corrêa,2013).Olivroaumentadoforneceaprofessoreseestudantesummétodointuitivoecolaborativodeaprender.Osalunosveemosobjetostridimensionaisnoslivros,semprecisarimaginá-losoudesenhá-losnumafolhadepapel.

UmoutroexemplodelivroaumentadoéexpostoporCorrêaetal.(2012),parainiciaçãomusical.Nele,osestudantespodemvisualizarosinstrumentosmusicaisemdiferentesperspectivaseapreciarseussonsatravésdasnotasmusicaisemelodiasincluídasnolivroatravésdosQRcodes.Atlasdigitaistambémsãobonsexemplosdevisualizadores3D.OMirracle(Tum,2012),porexemplo,éumaaplicaçãodeRAconcebidaparaserusadacomoferramentanoensinodeanatomiaquemostraaestruturainternadeumcorpohumanosobrepostaaocorpohumanoreal.OsoftwareutilizaoKinectparaestimaraposiçãodousuárioeprojetarsobreelecomprecisãomúsculoseossos.Esta

aplicaçãoauxiliaosalunosnamelhorvisualizaçãoeexploraçãodoconteúdoumavezqueoórgãoaparecesobrearegiãodocorpoondeelerealmentefica.

Visualizaçãodeelementosinvisíveisouabstratos.Possibilitaavisualizaçãodeconceitosabstratosoufenômenosnãoobserváveiscomofluxodearoucamposmagnéticosusandoobjetosvirtuaisincluindomoléculas,vetoresesímbolos.Paraentenderconceitosabstratos,osalunossãoobrigadosaconstruirmodelosmentais,internalizandoeorganizandoestruturasdeconhecimento(Dedeetal.,1999).SegundoMacedo(2011),àsdificuldadesdeaprendizagemdosconteúdosdeeletromagnetismo,porexemplo,seconcentramnoentendimentodasinteraçõesecomportamentodasvariáveiseletromagnéticasnoespaçotridimensional.Issoporquenãoépossívelvisualizaroscamposmagnéticosexigindoabstraçãodosalunosparacompreenderestefenômeno.

NotrabalhoapresentadoporMacedo(2011),aRApermitiusimularumcampomagnético3Dvisívelaolhonuetambémpermitiuainteraçãocomestecampoemtemporeal.Nestaaplicação,omundorealécompostoporummotorelétricoeomundovirtualécompostoporcamposmagnéticosgeradosporestemotoresuasinterações.AprincipalvantagemdaRAnestaaplicaçãoéapossibilidadedevisualizaroscamposmagnéticosinteragindocomomotornomundoreal,oqueéimpossíveldevisualizaraolhonu,criandoumambientemaislúdicodeaprendizagem.Ummarcadorfoiposicionadonocentrodeumestatorqueéapartefísicadomotorquepodeconterumoumaisenrolamentosporpólo.Quandoacâmeradetectaomarcador,surgeocampogirantedoestatorvisívelaolhonu.Ocampogirantepodeservisualizadoemdiferentesperspectivas,porexemplo,lateralmente.Paramediraaprendizagemdosalunosforamformuladasperguntasinéditassobreoassuntoabordadoantes(pré-teste)edepois(pós-teste)emdoisgrupos:experimentaledecontrole.Osresultadosmostramquehouvemelhoriasestatisticamentesignificativasnodesempenhodosaprendizesdogrupoexperimental,quandocomparadosaosaprendizesdogrupodecontrole,principalmentecomrelaçãoàfacilidadedevisualizaçãodoscamposmagnéticosquetornaramaaprendizagemmaislúdicaesignificativa.Oníveldeabstraçãodosalunosfoimuitomaiornogrupoexperimental,oqueindicaqueaRApodefavoreceroentendimentodefenômenosmaisabstratos,comoéocasodoestudodoeletromagnetismo.

SouzaeKirner(2011)tambémapresentaramumaaplicaçãodeRAparaauxiliarnoensinoeaprendizagemdealgunsconceitosbásicosdeeletromagnetismo,entreelescorrenteelétrica,circuitoselétricos,ocampomagnéticogeradopela

passagemdacorrenteelétricaporumfioretilíneoeaexperiênciadeOersted.Acontribuiçãodotrabalhofoiacriaçãodeumaaplicaçãoquefuncionabasicamentecomoumminilaboratóriointerativo,ondeousuáriopodefazerexperimentospráticosedinâmicocomanimações3D,taiscomonocasodamovimentaçãodoselétronsedaexperiênciadeOersted.

Nestamesmalinhadedesenvolvimentodesistemas,parasuperarobstáculosdeabstraçãodefenômenosfísicose/ouinvisíveis,hátambémaplicaçõesdeRAparaensinodefísicaCamargoetal.(2010),ForteeKirner(2009),reaçõesquímicas(Scottaetal.,2014;Mannetal.,2001),entreoutros.

Antesrestritasanichosmuitoespecíficos,devidoaseualtocustoecomplexidade,astecnologiasdeRVeRAestãosepopularizandoebarateando,aomesmotempoemquemaisferramentasacessíveisdedesenvolvimentosãodisponibilizadas.Hojesimuladorespermitemqueprofissionaisdediversasáreassejamadequadamentetreinadoseabaixo-custo.Nasescolas,educadorespassamacontarcomnovasmídiasimersivasehíbridas.Dessaformaavocaçãoeopotencialqueessasmídiaspossuemparaaáreadeeducaçãoetreinamentocomeçamasetransformaremprojetoseaplicaçõesbastanteeficazes,quevãocontribuirparamudaraformacomoseensinaeaprende.Assimcomopilotosdeaviãoprecisamcumprirumdeterminadonúmerodehorasemsimuladores,e,emmuitospaíses,tambémosmotoristasdeautomóvel,ébemprovávelqueemumfuturonãomuitodistante,estudantesdemedicina,enfermagemeodontologia,porexemplo,tambémpassemacumprirumacargahoráriaemsimuladoresparaobtençãodediplomasecertificados.

Emlinhasgerais,nestecapítuloforamdiscutidosvantagens,problemasedesafiosparaousodeRVeRAnaeducação,bemcomoosprincipaisusosquehojesefazdessasmídiasnasescolas.

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