Introdução a Realidade Virtual e Aumentada - de.ufpb.brlabteve/publi/2018_livroRVA.pdf · a...
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IntroduçãoaRealidadeVirtualeAumentada
RomeroTori
MarcelodaSilvaHounsell
Editores
AnnaCarolinaMullerQueiroz
Produção
RodrigoRizzoSimões
Editoração
RodrigoCrissiuma
Capa
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
[email protected]@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
AnnaCarolinaMullerQueiroz
AntonioCarlosSementille
AntonioL.ApolinárioJr.
AntonioValerioNetto
BrunoFeijó
ClaudioKirner
CléberGimenezCorrêa
DanielaGorskiTrevisan
EdgardLamounier
EduardaMaganhadeAlmeida
EduardoFilgueirasDamasceno
RomeroTori
MarcelodaSilvaHounsell
JoãoLuizBernardesJr
JoãoVitordeMatosSilva
JorgeFonsecaeTrindade
JoséAugustoFabri
KeilaK.Matsumura
LeandroL.Dihl
LucianoPereiraSoares
LucianoSilva
MarcelodaSilvaHounsell
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
AnnaCarolinaMullerQueiroz
CamillaAlmeidadaSilva
CandyVeronicaTenorioGonzales
CarlosAlbertoPaiva
ClaudiadeArmasdeArmas
ElaineLincolnBarreto
ElenCollaço
FernandoPimentel
GláuciaSilvaBierwagen
JohnLennonOliveiraCouto
HeldaOliveiraBarros
LucasBegnini
LumaCarolinaCâmaraGradim
MarcelodaSilvaHounsell
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)
3.6ConsideraçõesFinais
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,
2014.
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).
(a)
(b)
(c)
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.
Kudan
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
8.6Consideraçõesfinais
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.
9.5ConsideraçõesFinais
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.
(1)
(2)
(3)
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.
(4)
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:
(5)
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.
(6)
onde,céumaconstanteescalar,usualmentedeterminadaporexperimentos;Nrepresentaonúmeroamostraldecadaatributonainteraçãoháptica;iécadaitemdaamostra;I(i)eI0(i)sãoasmagnitudesdosestímulosdereferênciaeestímulosdistorcidos,respectivamente.Deacordocomosautores,amétricaincorporaummodelopsicofísicodepercepçãohumanaeummodelodeaçãohumana,totalmenteautomático.Omodelodeaçãohumanaéimportanteparaarealizaçãodetestesindependentedaparticipaçãodeusuários(Chaudhari,SteinbacheHirche,2011).
Aúltimamétrica,,foibaseadanamétricaHPWPSNR,conformeaequação7,apresentadaporCorrêaetal.(2016):
(7)
AmétricaHPWPSNRfoialteradaadicionandoumamédiadediversosMSEscompesoswrdistintosparacadaeventoEretransiçãoTr,denotando,sendo.AnotaçãoSrepresentaonúmerodeeventosetransições;réumnúmeroúnicoparaeventooutransição,deformacrescenteapartirde1;UéonúmerodeeventosEretransiçõesTrcujospesossãodiferentesde0.Porexemplo,nocasodedoiseventos(somenteumeventorelevante)eumatransição(altamenterelevante),definem-seasequações8a11.
(8)
(9)
(10)
(11)
11.4.2AvaliaçãodeSegmentaçãoemRA
Oprocessodesegmentaçãoconsisteemextrairelementosdeumaimagemcomoobjetivodeutilizaresseselementos,emalgumaaplicação,isoladosdoseuplanodefundooriginal.EmaplicaçõescomoasdeRA,oelementoextraído,namaioriadasvezes,éumapessoacujaimagempodeserinseridaemumambientecompostoporobjetosvirtuais.AFigura11.4(a)mostraumexemplodeumquadrodevídeooriginal,quemostraumapessoa,eaFigura11.4(b)mostraaimagemdessamesmapessoaextraídadoquadroeinseridaemumambientevirtual.
(a)
(b)
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.
(a)
(b)
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.
(a)
(b)
(c)
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.
(12)
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.
11.6Consideraçõesfinais
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:
(1)
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:
(2)
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).
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(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).
(a)
(b)
(c)
(d)
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).
(a)
(b)
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.
13.5ConsideraçõesFinais
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.
14.5ConsideraçõesFinais
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)
(a)
(b)
(c)
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).
(a)
(b)
(c)
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).
(a)
(b)
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.
AECOM
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.
16.3ConsideraçõesFinais
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.
17.5Consideraçõesfinais
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.
(a)
(b)
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.
19.5ConsideraçõesFinais
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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