Ferramenta auxiliar na modelagem de ambientes utilizando a Realidade Aumentada

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1 Ferramenta auxiliar na modelagem de ambientes utilizando a Realidade Aumentada Alan Alberto Alves, Isabel Dillmann Nunes 1 Ciência da Computação Fundação Universidade de Cruz Alta (UNICRUZ) Caixa Postal Cruz Alta RS Brasil alan.alberto@alunos.unicruz.edu.br, isabel@unicruz.edu.br Abstract. This work approaches the study of techniques used for the construction of scenes in augmented reality (AR), with the purpose to implement a tool that assists in the decoration of the interior of houses and apartments in general. The tool uses augmented reality as form of interaction between the user and the environment to be decorated. In this interaction, we use a digital camera to capture the images of the real world, which are passed to the computer to make the association between the real and virtual world, giving to the user a vision that will facilitate his decision when choosing the furniture for his house. Resumo. Este trabalho aborda o estudo de técnicas utilizadas para a construção de cenários em Realidade Aumentada (RA), com a finalidade de implementar uma ferramenta que auxilie na decoração do interior de casas e apartamentos em geral. A ferramenta utiliza-se da RA como forma de interação entre o usuário e o ambiente a ser decorado. Para o desenvolvimento deste projeto, utiliza-se uma câmera digital para capturar as imagens do mundo real, as quais são passadas ao computador para fazer a associação entre o mundo real e virtual, dando ao usuário uma visão que facilitará a sua decisão na hora de escolher um móvel para sua casa. 1. Introdução A interação entre o homem e o computador tem tido melhoras significativas com o avanço dos recursos tecnológicos e dos sistemas computacionais, tornando assim, mais fácil a representação do mundo virtual, visto que, alguns anos atrás a única forma de representá-lo era de maneira estática, bidimensional ou apenas descrita verbalmente. Agora, rompidos estes limites, pode-se interagir diretamente com o cenário virtual, executando operações diretamente sobre os elementos deste espaço, em vez de estar atuando sobre menus e botões que representariam a aplicação [Kirner, 2004]. Além do mais, com a realidade virtual (RV) os sentidos e as capacidades humanas podem ser ampliados. Pode-se manipular o tempo, fazendo com que séculos sejam passados em minutos, ou que milésimos de segundo possam ser assistidos em câmera lenta, ou também, manipulando o espaço, fazendo com que em determinado momento seja possível observar o universo e em outro o núcleo de uma célula. A criação de interfaces mais interativas e intuitivas minimiza a necessidade das pessoas estarem qualificadas para a sua manipulação. Permitindo assim, que esta técnica seja cada vez mais difundida por toda a nossa sociedade, e em conseqüência,

2 diminuindo as barreiras entre o homem e o computador, e fazendo com que as nossas atividades sejam executadas de maneira mais eficiente e satisfatória [Kirner, 2004]. Para facilitar o desenvolvimento desta ferramenta de interação entre homem e máquina, foram utilizadas bibliotecas de programação para a criação dos objetos virtuais e para o desenvolvimento rápido de aplicações em RA. O objetivo a ser alcançado é então, uma ferramenta que dê apoio às decisões tomadas pelo usuário, e facilite a sua decisão, apoiado na utilização conjunta do mundo virtual com o real. O artigo está organizado como segue. A seção 2 apresenta conceitos de realidade virtual e realidade misturada. A seção 3 apresenta a biblioteca para desenvolvimento de aplicações em RA, o ARToolkit. A seção 4 apresenta a ferramenta que será implementada e, por último, na seção 5, as conclusões obtidas no trabalho. 2. Realidade Virtual e Realidade Misturada RV ou ambiente virtual é uma tecnologia de interface avançada entre um usuário e um sistema computacional. O objetivo dessa tecnologia é recriar ao máximo a sensação de realidade para um indivíduo, levando-o a adotar essa interação como uma de suas realidades temporais. Para isso, essa interação é realizada em tempo real, com o uso de técnicas e de equipamentos computacionais que ajudem na ampliação do sentimento de presença do usuário [Wikipédia, 2006]. A realidade misturada (RM) pode ser definida como a sobreposição de objetos virtuais tridimensionais gerados por computador com o ambiente físico, mostrada ao usuário, com o apoio de algum dispositivo tecnológico, em tempo real. A meta de um sistema de RM é criar um ambiente tão realista que faça com que o usuário não perceba a diferença entre os elementos virtuais e os reais participantes da cena, tratando-os como uma coisa só. A RM pode ser denominada RA, quando o ambiente principal é o real ou há predominância do real no ambiente misturado, e virtualidade aumentada, quando o ambiente principal é o virtual ou há predominância do virtual. Para a visualização destes ambientes faz-se necessária a utilização de óculos ou capacetes de RV, ou até mesmo pela tela do computador, com o auxílio de uma câmera digital. Como a interface de RA, além de permitir a sobreposição de objetos virtuais no mundo real, possibilita também a manipulação desses objetos com as próprias mãos, torna-se viável o desenvolvimento de inúmeras aplicações que beneficiam o trabalho humano, motivando ainda mais as pessoas, inclusive aquelas com deficiências sensoriais, como os deficientes auditivos. As diferenças entre RV e RM podem ser mais bem compreendidas analisando a figura 1 onde se tem uma visão desde o mundo real, passando pelos ambientes que misturam o real com o virtual, e chegando no mundo totalmente virtual.

3 Figura 1. Quadro comparativo dos ambientes e dos tipos de RM [Kirner, 2004]. Com o intuito de viabilizar a produção dessas aplicações com as novas formas de interação em RA, utilizou-se um sistema de desenvolvimento de aplicações de RA, denominado ARToolKit [ARToolkit, 2004] [Azuma, 2001], que juntamente com outras bibliotecas para o desenvolvimento de aplicações gráficas tornou possível o desenvolvimento da ferramenta. 3. ARToolkit ARToolkit é uma biblioteca, desenvolvida em linguagem C, que visa facilitar o desenvolvimento de aplicações em RA. Uma das partes mais difíceis do desenvolvimento de uma aplicação de RA é calcular precisamente o ponto de vista do usuário em tempo real sendo que a imagem virtual está exatamente alinhada com objetos do mundo real. O ARToolkit utiliza técnicas de visão computacional para calcular a posição e orientação da câmera em relação a marcas (em cartões), para que objetos virtuais em 3D possam ser sobrepostos (decalcados) precisamente através das marcas [Silva, 2005]. O ARToolkit roda em plataformas SGI Irix, PC Linux, PC Windows 9x/2000/XP e Mac OS X, existindo versões separadas do ARToolkit para cada uma. A funcionalidade de cada versão do toolkit é a mesma, mas o desempenho pode variar dependendo das diferentes configurações de hardware. Foi projetada pelo Dr. Hirokazu Kato da Universidade de Osaka, no Japão, e com o suporte dado pelo Laboratório de Tecnologia de Interface Humana (Human Interface Technology Laboratory - HITLab) da Universidade de Washington, e pelo HIT Lab NZ da Universidade de Canterbury, Nova Zelândia. O ARToolkit é grátis para uso em aplicações não comerciais e distribuído como open-source sobre a licença GPL [Kato, 2000].

4 3.1. Trabalhando com o ARToolkit Para o desenvolvimento de uma simples aplicação com o ARToolkit é necessário além do computador, de uma impressora para a produção das marcas e de uma webcam. Os seguintes passos descrevem como o ARToolkit trabalha no sistema: 1. Primeiramente são desenvolvidas marcas, em preto e branco enquadradas em uma moldura, própria para a identificação das mesmas, conforme mostra a figura 2. Cada uma destas marcas fará referência a um objeto virtual. Todas estas marcas são calibradas pela câmera, utilizando-se do ARToolkit para esta calibração, ou seja, neste processo de criação as marcas são cadastradas em uma base de dados, a qual o ARToolkit fará referência na hora de comparar com as marcas obtidas no mundo real. Figura 2. O marcador, constituído do desenho e de sua moldura. 2. Com as marcas prontas e calibradas, o sistema já pode entrar em funcionamento. Assim, o usuário utilizará estas marcas criadas para colocá-las no seu ambiente. Por exemplo, se ele deseja visualizar como ficaria um novo vaso de flores sobre a sua mesa, ele colocaria a marca relacionada ao vaso de flores sobre esta mesa. Utilizando sua câmera, ou outro equipamento de RA, ele irá capturar estas marcas no ambiente. 3. A ferramenta trabalha convertendo os quadros de imagens (frames) recebidos pela câmera em imagem binária, para poder fazer o reconhecimento dos marcadores. Depois de identificado o marcador a ferramenta calcula a posição e a orientação deste marcador em relação à câmera. Então o símbolo de dentro da moldura é comparado com os símbolos em memória. O objeto virtual representado por este marcador é transformado, a fim de ficar alinhado com o marcador. 4. Após a transformação, o objeto é finalmente renderizado no quadro do vídeo, trazendo ao usuário o objeto virtual juntamente com o mundo real, conforme a figura 3. Figura 3. Marcador com objeto virtual sobreposto a ele.

5 O quadro da figura 4 faz uma relação dos passos acima descritos com as respectivas funções no ambiente de programação. Figura 4. Passos da execução do ARToolkit relacionados com sua respectiva função no ambiente de programação. 4. A Ferramenta Ferramentas que utilizam uma interface de fácil entendimento e execução, proporcionam uma maior aceitação e adaptação das pessoas quanto ao seu uso. O desenvolvimento dessa ferramenta deu-se pela falta de dispositivos na área de decoração dos lares que possibilitam ao usuário uma visão antecipada do que seria realmente empreendido no local, e também, abre espaço para uma nova visão sobre os softwares para a modelagem de ambientes, visto que os softwares existentes no mercado não fazem mais do que um simples desenho em terceira dimensão na tela do computador, o que pode trazer uma imagem incorreta do que realmente seria aplicado no cenário real, o que de certa forma traz algumas incertezas para o usuário quanto à comparação do resultado da aplicação com o que realmente será empreendido no espaço real. Sendo assim, pretende-se com a utilização da RA, dar ao usuário uma visão mais próxima possível do que realmente será implantado no cenário real. Na produção da ferramenta, foram utilizados os softwares Blender3D e Cosmo Worlds para a produção dos objetos virtuais (móveis e eletrodomésticos) em formato VRML, suportado pelo ARToolkit em versões mais recentes. Estes softwares apresentam um ambiente para a modelagem dos objetos semelhante às ferramentas CAD, onde o objeto é produzido através de formas pré-definidas, como cubos, esferas, entre outros, podendo inclusive, importar modelos produzidos nestes softwares. Durante a modelagem de um objeto o software gera automaticamente o código VRML que será utilizado na aplicação. O Blender3D tem a vantagem de ser gratuito, distribuído de forma OpenSource. Além destas ferramentas podem-se destacar outras alternativas como o 3DStudioMax e o Maya. A linguagem VRML (Virtual Reality Modeling Language) trabalha descrevendo imagens e definindo a sua atuação em mundos virtuais 3D, com a aplicação de recursos de computação gráfica, tais como: transformações, fontes de luz, sombreamento, animação, mapeamento de texturas, entre outros. Como ambiente de programação para o desenvolvimento da ferramenta, utilizou-se o Microsoft Visual C++. Foi optado por este ambiente, por estar entre os mais utilizados pelos desenvolvedores de aplicações em RA juntamente com o

6 ARToolkit, e por ter uma maior documentação referente a este tema, comparado aos demais. Utilizou-se também a OpenGL, que é uma especificação aberta e multiplataforma de uma biblioteca de rotinas gráficas e de modelagem, pois o ARToolkit trabalha em conjunto com ela para a execução das aplicações. A OpenGL é uma biblioteca para o rápido desenvolvimento de aplicações em computação gráfica e extremamente eficiente, uma vez que muitos dos seus algoritmos são implementados em hardware nas placas gráficas mais modernas [Manssour, 2006]. Após a produção dos objetos virtuais que poderão ser utilizados na execução da ferramenta, foi feita a associação destes objetos com uma marca já calibrada pelo ARToolkit. A ferramenta atua analisando as imagens do cenário real capturadas pela câmera, procurando pelas marcas que estarão dispostas nele, após fazer o reconhecimento destas marcas, o objeto virtual associado a ela é renderizado sobre esta marca. O usuário pode movimentar livremente esta marca no cenário, a fim de mover o objeto por diferentes posições, mas desde que a câmera sempre consiga obter uma visualização correta da marca para que o seu reconhecimento não possa ser prejudicado. Para dar uma resposta em tempo real às interações do usuário o sistema precisa funcionar com uma taxa mínima de 10 quadros por segundo na renderização das imagens (sendo desejado algo em torno de 20 quadros por segundo para suportar melhor as cenas animadas). Além da visualização das imagens a ferramenta apresenta uma implementação que possibilita a associação de vários objetos em uma única marca (figura 5), fazendo a troca do índice relacionado a este objeto. Para isso foi criada uma variável de controle, com a qual será possível fazer a troca do índice através de eventos do teclado, ou seja, quando a tecla responsável por esta interação for pressionada o índice do objeto será acrescido do valor contido na variável de controle, que é incrementado a cada interação deste tipo. Figura 5. Associação de vários objetos a um único marcador. Pode-se inclusive atuar na transformação do objeto virtual através de eventos do teclado. Isto é realizado da seguinte forma: após o objeto estar sendo renderizado sobre o marcador o usuário pode pressionar diferentes teclas que farão com que as coordenadas deste objeto em relação ao marcador sejam modificadas, isto fará com que o objeto seja renderizado em uma posição diferente da qual ele estava. Assim, pode-se mover o objeto em até oito direções. Percebe-se que esta opção tem um grande valor para a utilidade desta ferramenta, pois através disto você pode colocar a marca no seu ambiente sem precisar movimentá-la quando for preciso mover o objeto. Isto será feito de forma simples através do teclado. Outra forma de interação implementada é uma placa de transporte, método que já foi proposto inclusive pelos desenvolvedores do ARToolkit [Kato, 2000]. Com ela é possível extrair o objeto de uma placa, e levá-lo até outra (figura 6). Quando a placa de

7 transporte é colocada em frente da placa ao qual se deseja capturar o objeto, a visualização desta placa é interrompida, então o objeto referente a ela é passado para a placa que está mais próxima, que é no caso a placa de transporte. Com o objeto estando na placa de transporte para colocá-lo em outra placa atua-se de forma inversa. A placa de transporte é conduzida até a placa desejada e faz-se um movimento com a placa a fim de que sua captura seja interrompida, assim o objeto referente a ela será então colocado sobre a placa que estiver mais próxima. Figura 6. Atuação da placa de transporte. A ferramenta ainda apresenta alguns problemas na sua execução. O principal deles envolve a luminosidade do sistema. Para que o sistema reconheça as marcas é preciso que a luminosidade do ambiente seja intensa. Este problema faz com que aplicações utilizando a câmera em uma posição mais distante das marcas não sejam executadas com precisão, necessitando para isso a criação de marcas em um tamanho bem elevado e a aplicação de uma fonte de luz nas proximidades destas marcas. Para que a proposta do sistema seja atingida com êxito, é preciso resolver esta questão da luminosidade, trabalhando para que se possa atingir um reconhecimento mais satisfatório dos padrões, dadas estas condições. Visto isso, o sistema atuará com uma opção inovadora e poderosa para a arquitetura de ambientes. 5. Conclusões e Trabalhos Futuros No mercado existem poucos softwares voltados para esta área. Os que existem fazem apenas uma modelagem tridimensional de um ou mais móveis, sem levar em conta os padrões do ambiente onde estes móveis serão inseridos, por isso o usuário fica longe de conseguir uma visão mais aproximada de como estes móveis ficariam dispostos no seu ambiente. A grande vantagem desta ferramenta é que toda a interação com o objeto é feita em tempo real o que dá ao usuário esta visão mais realista, impossível de se obter com os softwares tradicionais. Esta ferramenta propôs uma solução para este problema utilizando-se da tecnologia de RA, implementada com o uso do ARToolkit junto com softwares de modelagem 3D. Por ser uma biblioteca de código aberto, o ARToolkit permite que você possa modificá-lo para adequar-se da melhor forma para o desenvolvimento de sua ferramenta. A partir disso foi possível implementar modificações que tornassem o ARToolkit uma ferramenta mais dinâmica. Mas ainda há muitas melhorias a serem feitas nesta biblioteca. Algumas delas seriam: Um suporte a introdução de sons nas aplicações de RA;

8 Uma melhoria na captura de imagens em ambientes que não apresentam uma boa luminosidade, pois com uma iluminação inadequada a aplicação torná-se impossível de ser realizada; A utilização de marcadores que não fossem visíveis ao usuário. O que já é possível através de outros métodos. Apesar destas melhorias na biblioteca não terem sido implementadas neste projeto, o usuário já conta com uma ferramenta que proporciona a ele um maior entretenimento no manuseio de uma aplicação comparada às outras desta área. Este maior entretenimento, e conseqüentemente uma maior usabilidade do sistema dão-se devido ao aumento do grau de interação com o computador, proporcionado pela RA. Para trabalhos futuros nesta área, pode-se ressaltar a implementação das melhorias para o ARToolkit já citadas acima, e na ferramenta, aumentando ainda mais a interação com o usuário, como por exemplo, aplicando luzes, sombras e rotações nos objetos para que possam estar mais aderidos ao ambiente, e também, o estudo de novos softwares e bibliotecas de programação para RA, visto que está tecnologia ainda está em pleno desenvolvimento e expansão. Referências ARTOOLKIT. ArtoolKit versão 2.65 (with VRML support) Disponível em Acesso em 23 de setembro AZUMA.R.et al. (2001) Recent Advances in Augmented Reality. IEEE Computer Graphics and Applications, v.21, n.6, p KATO, Hirokazu.; BILLINGHURST, M.; POUPYREV, I. ARToolkit version Human Interface Technology Laboratory. University of Washington. November KATO, H.; BILLINGHURST, M.; POUPYREV, I.; IMAMOTO, K; TACHIBANA, K. Virtual Object Manipulation on a Table-Top AR Environment Disponível em: Acesso em 11 de outubro de KIRNER, C.; TORI, R. (2004) Introdução à Realidade Virtual, Realidade Misturada e Hiper-realidade. In: Claudio Kirner; Romero Tori. (Ed.). Realidade Virtual: Conceitos, Tecnologia e Tendências. 1ed. São Paulo, v. 1, p MANSSOUR, Isabel Harb. Introdução à VRML Capturado em 17 jan Online. Disponível em SILVA, Alexandre Gonçalves. Uma Alternativa de Interface Homem-Máquina Utilizando uma Câmera de Baixo Custo. Trabalho de Conclusão de Curso, UESC. Julho de pág. WIKIPÉDIA. Realidade Virtual Disponível em: Acesso em 18 de março de 2006.