Cartões Marcadores Dinâmicos em Ambientes de Realidade Aumentada

Transcrição

1 Cartões Marcadores Dinâmicos em Ambientes de Realidade Aumentada Bianchi Serique Meiguins 1, Igor de Souza Almeida 1, Marina Atsumi Oikawa 1 1 Universidade Federal do Pará UFPA Campus do Guamá, Rua Augusto Côrrea, 01, CEP , Caixa postal 479. PABX Belém PA Brasil. bianchi.serique@terra.com.br, {is_almeida, nina_oikawa}@yahoo.com.br Abstract This paper presents an improved version of the well-known markers that are used to construct virtual objects in augmented reality environments. The main idea consists in using markers that may be dynamically changed, thus enhancing the interactivity level of the application. As demonstration, an Euclidean Geometry augmented environment using the proposed technique was developed. Key words: augmented reality, interaction, dynamic markers, geometry. WRA II Workshop de Realidade Aumentada 1. Introdução Em um sistema de Realidade Aumentada (RA), existe uma coexistência de objetos virtuais com elementos do ambiente real, interagindo em tempo real [2]. Assim, o que antes só podia ser descrito, modelado e observado com realidade virtual pode ser incorporado ao nosso ambiente através da RA [3;4], como, por exemplo, colocar um livro virtual sobre uma mesa real ou ter em suas próprias mãos um cubo virtual para análise de dados. Em outras palavras, o usuário mantém o senso de presença, na medida em que o ambiente real e o ambiente virtual são sobrepostos de modo que o usuário continue vendo e/ou sentindo os elementos do ambiente real [6]. Para a implementação de ambientes de RA existem diversos recursos computacionais, dentre os quais o ARToolKit [1], associado a um computador pessoal, é o mais conhecido e utilizado devido não requerer para seu funcionamento a utilização de dispositivos tecnológicos de custo elevado e possuir código-fonte aberto e gratuito. Usualmente o ARToolKit usa marcadores pré-definidos pelo usuário para relacionar um objeto virtual à cena real. Se há a necessidade de visualizar vários objetos diferentes, vários marcadores são necessários. Neste artigo, propõe-se a utilização de um marcador dinâmico ou configurável, em ambientes de realidade aumentada gerados pelo ARToolKit, nos quais a partir de rearranjos no símbolo interno dos marcadores, consegue-se modificações no cenário do ambiente de estudo. Assim, poder-seia determinar uma seqüência de símbolos de modo a permitir que em ambientes educacionais, por exemplo, o aluno tenha um entendimento melhor dos conceitos ministrados. Visando aprimorar esta idéia, pode-se também organizar o conteúdo instrucional utilizando Mapas Conceituais, os quais são diagramas indicando relações entre conceitos no contexto de um corpo de conhecimentos, de uma disciplina ou de uma matéria de ensino [5], em outras palavras, apresentamse como uma maneira de organizar o conhecimento a ser aprendido pelo aluno, mostrando as relações existentes entre os conceitos do objeto de estudo. Para demonstrar a utilização dos marcadores dinâmicos, bem como sua viabilidade de uso, utilizou-se como estudo de caso o ensino da Geometria Espacial Euclidiana, mas ainda não apoiada por 56

2 mapas conceituais. Contudo, pode-se imaginar a formação de conceitos relacionados, como pontos, reta, plano, face, polígono, objeto tridimensional, entre outros. 2. Descrição da Proposta WRA II Workshop de Realidade Aumentada A característica principal dos marcadores dinâmicos é permitir a manipulação direta dos símbolos, isto é, o usuário pode reconfigurá-lo com a mesma simplicidade que teria ao montar um quebra-cabeça, resultando na exibição de diferentes objetos virtuais. Ressalta-se a importância da construção de uma legenda para auxiliar o usuário na identificação dos símbolos a serem montados. Esta manipulação direta permite, ainda, que uma seqüência gradativa seja seguida pelo usuário para ilustrar seu objeto de estudo. Por exemplo, supondo que se quer explicar os elementos que formam uma pirâmide, pode-se utilizar um símbolo inicial que mostre somente seus vértices. Em seguida, acrescentando-se algumas peças ao símbolo, ter-se-ia a exibição das arestas conectando tais vértices. Ainda, adicionando-se outras peças, poder-se-ia formar as faces da pirâmide. Do mesmo modo, a retirada de peças implicaria na retirada destes elementos do ambiente. Na figura 1, ilustra-se a retirada de uma face lateral da pirâmide. Figura 1. Exemplo de manipulação de Marcadores Dinâmicos. Os cartões marcadores foram produzidos com madeira compensado (26x26cm, com 4cm destinados à borda). A parte interna correspondente ao símbolo está dividida em 16 peças (3x3cm), as quais serão manipuladas pelo usuário. Figura 2. Exemplo de Marcadores Dinâmicos e suas peças, utilizadas na construção do símbolo. 57

3 3. Estudo de Caso No estudo convencional da Geometria Espacial Euclidiana, percebe-se que existe uma certa dificuldade tanto por parte do professor, na explanação do conteúdo, quanto do aluno, na percepção e visualização de alguns conceitos fundamentais, já que, usualmente, o conteúdo é ensinado em uma superfície plana, como o quadro-negro. Tais dificuldades são suplantadas com os marcadores configuráveis, onde com a inclusão ou retirada de peças, pode-se, por exemplo, mostrar as arestas, os vértices e os demais elementos que formam uma pirâmide, sem que haja a necessidade do professor desenhar e redesenhar as figuras, além de facilitar sua visualização, pois no momento em que o desenvolvedor constrói os objetos virtuais, pode enriquecê-los com elementos como texto, coloração diferenciada, animações, entre outros. Figura 3. Ambiente aumentado com sua respectiva legenda, mostrando uma pirâmide em diferentes modos de visualização. Pode-se ainda trabalhar com mais de um marcador no ambiente, como no caso de haver interesse em se fazer estudos comparativos de um mesmo sólido, mas sob diferentes óticas, bem como entre dois sólidos geométricos distintos. (4.a) (4.b) Figura 4. Na situação (4.a), exemplo de proposição de exercícios no ambiente. Em (4.b), a representação da escala de um objeto. 58

4 A construção e a utilização do ambiente é simples e não necessita do aprendizado de scripts ou linguagens externas para navegar entre os objetos de estudo criados em VRML. Outras possibilidades incluem: a proposição de exercícios, com a questão (enunciado, figura e dados) sendo exibida no ambiente, para que o aluno possa interagir com a mesma, retirando ou inserindo elementos que achar necessário, podendo-se expandir esta idéia utilizando dois marcadores, com um deles contendo conceitos explicados anteriormente como auxílio na resolução da questão; a representação da escala de um objeto em tempo real em ambientes aumentados (ver figura 4). 3. Considerações finais Com esta proposta, construiu-se um ambiente para visualização de sólidos geométricos que não requer equipamentos de alto custo e performance e com uma riqueza de detalhes que não é conseguida no modo convencional de ensino. Adicionalmente, há um maior controle sobre o ambiente, podendo-se facilmente modificar seu conteúdo, bastando consultar a legenda. Conseguiu-se também resolver o problema de escala em tempo real dos objetos em ambientes aumentados, uma vez que apenas se conseguia efetuar as operações de translação e rotação com o marcador convencional. Para tal, a simples inclusão ou retirada de peças do símbolo do marcador permite redimensionar o objeto virtual. Além disso, manipula-se de maneira única o ambiente, permitindo ainda trabalhar com vários objetos ao mesmo tempo, bastando para isso adicionar outros marcadores no ambiente, obedecendo-se os limites de captação da câmera. 4. Trabalhos Futuros A proposta encontra-se em fase de desenvolvimento, sendo que dentre as etapas a serem seguidas, a validação da interface com o usuário final será fator determinante para indicar o seu nível de aceitação. Outras questões a serem tratadas referem-se às melhorias imediatas, quanto a fatores como mobilidade, limitações da ferramenta, entre outros. Além disso, a continuidade da proposta será feita aliada ao estudo de Mapas Conceituais para guiar o desenvolvimento do conteúdo e o relacionamento de seus conceitos. Referências [1] ARToolKit Software disponível para download em: edu, [2] AZUMA, Roland et al. Recent Advances in Augmented Reality. IEE Computer Graphics and Applications, vol. 21,. p.34-47, [3] KIRNER, Cláudio. Mãos colaborativas em ambientes de Realidade Misturada. In: I Workshop sobre Realidade Aumentada, Piracicaba SP, p. 1-4, [4] KIRNER, Cláudio; PROVIDELO, Celso. Realidade Aumentada: Conceitos e Ambientes de Hardware. In: Realidade Virtual Uma abordagem prática, VII Symposium on Virtual Reality, São Paulo, p , [5] MOREIRA, Marco Antônio. Mapas Conceituais e Aprendizagem Significativa. Disponível em: Acesso em: 19 Ago [6] PROVIDELO, Celso et al. Ambiente dedicado para aplicações educacionais interativas com Realidade Misturada. Disponível em: Acesso em: 25 jan

5 2. Objetivos Nesta pesquisa foi desenvolvido um protótipo usando as técnicas de Realidade Aumentada para uma interface entre usuário e microcomputador, possibilitando a criação de botões virtuais cujas funções são adicionar alterar e excluir objetos virtuais no mundo real. Para isso foi utilizada a idéia de o acionamento dos botões se dar pelo apontamento direto na cena real. Assim, ao se aproximar o dedo sobre o botão virtual desejado ocorre a obstrução do marcador que o ancora na cena aumentada, o que é identificado pela ferramenta e interpretado como acionamento. Foi também desenvolvida uma solução para a fixação dos objetos virtuais no mundo real, sem os respectivos marcadores, após a confirmação com o botão virtual. Figura 3 Botões Virtuais e objeto virtual incluso no mundo real 2. Ferramentas Utilizadas O protótipo foi desenvolvido em ambiente C++, com base nos exemplos do kit de Realidade Aumentada da Universidade de Washington - ARToolKit2.65vrml [ARToolkit.], que tem estrutura para implementação e manipulação dos objetos virtuais em linguagem VRML (Virtual Reality Modeling Language). Para a criação dos objetos virtuais mais simples foi usada a ferramenta VRMLpad [Paralle], enquanto que para a criação de objetos mais complexos, optamos pelo uso do Blender [Blender]. 3. Técnicas Desenvolvidas O desenvolvimento de softwares usando técnicas de Realidade Aumentada necessita de marcadores de reconhecimento, posicionados no mundo real, para interligá-los com o virtual. Uma das propostas foi fazer a interligação independente dos marcadores, para o que utilizamos uma lista ligada particular que foi responsável por armazenar a posição e a identificação do objeto virtual. Outra proposta do projeto baseia-se na criação de uma interface entre usuário e microcomputador, evitando-se o contato direto entre ambos. Para isso, foram criados botões virtuais de interação Botões Virtuais A manipulação das funções do protótipo é feita pela pessoa, que visualiza e interage com botões virtuais de controle. O problema para a construção desses botões foi encontrar um modo de ativá-los. A idéia para ativar o funcionamento desses botões percorre uma trajetória contrária à usada nos padrões de AR. Não há procura do marcador, mas sim o reconhecimento do objeto virtual na cena, que em condições normais devera estar visível. Se um dos botões não estiver visível em um frame, presume-se que o marcador foi obstruído e que o usuário deseja pressionar o correspondente botão virtual. Fazendo-se uma contagem de frames exibidos, pode-se controlar o tempo necessário para a ativação dos botões. Segue um trecho do código fonte usada para fazer a contagem dos frames. 77

6 Listagem 1 int reset; // declaração da variável (global) de controle if (object[0].visible==0){ // por convenção, 0 é a identificação do botão reset reset++; // +1 em cada frame que o botão estiver sendo pressionado (objeto invisível) }else{ reset=0; // zera a variável se o botão deixar de ser pressionado } if (reset>100){ // se durante 100 frames exibidos o botão ficou pressionado, então reseta-se a lista que guarda as informações necessárias para renderizar os objetos na tela de exibição lista=lista->getlast(); while (lista->getprevious()!=null){ lista=lista->getprevious(); delete lista->getnext(); lista->setnext(null); } } 3.2. Objetos Virtuais independentes dos marcadores A posição do objeto e sua identificação são variáveis que podem ser manipuladas. O protótipo desenvolvido utiliza uma lista ligada para armazenar essas informações, possibilitando a renderização de diversos objetos virtuais em suas posições pré-determinadas em um mesmo frame, independente dos marcadores associados a esses objetos. 4. Desafios Encontrados A primeira etapa para o desenvolvimento do protótipo foi analisar os exemplos do ARToolKit e, em seguida, criar protótipos pequenos, similares aos analisados. O primeiro grande desafio, enfrentado por todos aqueles que programam, foi analisar o código fonte que outro programador desenvolveu. A dificuldade para entender o código fonte alheio só foi superada com o auxílio da documentação detalhada do ARToolkit. O segundo desafio veio na hora de compilar o código, pois há a necessidade de criar os executáveis em pastas específicas que contêm arquivos de configuração, como o da webcam. Além dessas alterações nas propriedades (settings) de cada projeto individualmente, havia a necessidade de adicionar bibliotecas externas ao compilador, o que nos levou a fazer análises minuciosas nas configurações dos exemplos. O problema de se criarem executáveis em pastas específicas fez surgir uma idéia nos programadores do protótipo: padronizar pastas dentro da raiz do ARToolkit, com siglas que identificam projetos próprios do laboratório e projetos de outros lugares. 5. Demonstração do protótipo O protótipo funciona de modo que a pessoa inicialmente escolhe no catálogo que contém vários objetos virtuais. Após a escolha do objeto, ela deve posicionar o marcador transportador dentro do espaço, de forma que a câmera possa identificá-lo, e pressionar o botão virtual azul por três segundos para que passe o objeto do catálogo ao marcador. Para mudar o objeto basta fazer do mesmo modo, apenas tomando cuidado de deixar somente um objeto do catálogo visível na tela. E para fixar o objeto no 78

7 ambiente basta pressionar o botão branco pelo mesmo intervalo de tempo. Caso a pessoa queira apagar todos os objetos fixados, ele deve então pressionar o botão vermelho por cinco segundos até que a execução desejada ocorra; e os objetos virtuais serão apagados do cenário. Figura 4 Fixação do objeto no ambiente ao se pressionar o botão branco Figura 5 Vários objetos virtuais em cena Figura 6 Apagando os objetos fixados no ambiente utilizando o botão vermelho. As figuras 4, 5 e 6 mostram em seqüência a fixação de objetos virtuais no ambiente e o momento em que estes são apagados. 6. Conclusão A pesquisa em si mostrou possíveis inovações no uso do ARToolKit, como a contagem de frames exibidos (controle do tempo de execução) e a criação de arquivos de texto em tempo de execução, com dados relevantes a serem analisados durante o tempo de execução, o que possibilita a fixação dos objetos virtuais no cenário e a varredura dos objetos virtuais presentes em tempo de execução, criandose a característica dos botões virtuais. As técnicas de Realidade Aumentada são usadas essencialmente para desenvolver softwares usados em entretenimento eletrônico. Entretanto, há um vasto campo de aplicações que, acreditamos, será amplamente desenvolvido em um futuro próximo. No futuro, com esses avanços, será possível criar protótipos com Realidade Aumentada com telas de confirmação e barra de espera, e, possivelmente, desenvolver uma versão que possa ser projetada em alguma superfície real, independente de marcadores, dando mais comodidade ao usuário. 7. Referências [ARToolkit.] ARToolkit. - Disponível em: < Acessado em: 05 maio [Paralle] Parallelgraphics 3D - Disponível em: < Acessado em 11 maio [Blender] Blender Para criação 3D Multiplataforma - Versão Disponível em: < > Acessado em 19 maio

8