Abstract. Resumo. 2. Arquitetura do Sistema. 1. Introdução

Transcrição

1 Interface para distribuição e integração de Realidade Aumentada com Realidade Virtual por meio da plataforma CORBA, tendo como estudo de caso ambientes multidisciplinares de biologia e química. Wender A. Silva 1, Edgard A. Lamounier 3, Marcos W. Ribeiro 2, Alexandre Cardoso 3 1- Faculdade Atual da Amazônia, 2 - Instituto Luterano de Ensino Superior de Itumbiara, 3-Universidade Federal de Uberlândia 1-wender_silva@yahoo.com.br, 2- marcos_wagner@yahoo.com.br, 3 lamounier@ufu.br, alexandre@ufu.br Abstract This article presents an application of Virtual and Augmented Reality in Multidisciplinary Distributed Virtual Environments, having as transport of solutes and photosynthesis process as a case study and communication between environments of Biology in Virtual Reality (scenary with plants, sun, water and land) and environments of Chemistry in Augmented Reality (membrane of a leaf, stem and branch anatomical cut of a tree) provided by CORBA platform distribution, emphasizing education for the practice. Resumo Este artigo apresenta uma aplicação de Realidade Virtual e Aumentada em Ambientes Virtuais Distribuídos Multidisciplinares, tendo o processo da fotossíntese e transportes de solutos como estudo de caso e a comunicação entre ambientes de Biologia em Realidade Virtual (cenário com plantas, sol, água e terra) e ambientes de Química em Realidade Aumentada (membrana de uma folha, tronco cortado e galho anatômico de uma árvore) proporcionada pela plataforma de distribuição CORBA, dando ênfase para a prática educacional. 1. Introdução Este trabalho destaca o uso de Realidade Aumentada em ambientes virtuais distribuídos (Ds). O propósito deste artigo é reproduzir o funcionamento de um ambiente virtual distribuído, por meio da Realidade Aumentada, fazendo integração com a Realidade Virtual, por meio da plataforma de distribuição CORBA[11], um ambiente virtual (Química) sofrerá interações do usuário, por meio de técnicas de Realidade Aumentada, que serão replicadas para os outros tipos de ambientes virtuais (Biologia) e vice versa. Estas interações simulam o processo da Fotossíntese e o Transporte de Solutos em plantas, mais especificamente nas árvores. Como vantagem desta implementação, pode-se citar a sensação de imersão causada pela interação em que o usuário poderá alterar o comportamento e características de um ambiente e causar em um outro tipo de ambiente, mudanças relacionadas ao modelo multidisciplinar dos ambientes (Biologia e Química Processo da Fotossíntese e Transporte de Solutos). Outra vantagem na relação entre os mundos virtuais distribuídos de Química (ambiente virtual aumentado em forma de uma membrana, tronco cortado e galho transparente de uma árvore) e Biologia (cenário com plantas, sol, água e terra) é possibilidade de acompanhar em tempo real as relações entre as disciplinas, desta forma, dáse uma ênfase também para as questões educacionais, onde o usuário e/ou aluno irá visualizar a relação entre as duas disciplinas (Biologia e Química) por meio da relação clara, demonstrada na aplicação, entre o processo da fotossíntese e o transporte de solutos no interior das árvores. 2. Arquitetura do Sistema Esta seção apresenta um protótipo de arquitetura desenvolvido para protótipos de sistemas de distribuição de Avs, nesse protótipo, deverá ser construída uma aplicação com o modelo de dados centralizada e compartilhada com a existência de um servidor único de Química, para qualquer ambiente participante da aplicação. A plataforma CORBA foi usada sem seu serviço de eventos. Utilizou-se, aqui, apenas o modelo cliente/servidor com o serviço de localização de objetos. A figura 1, abaixo, ilustra a estrutura de funcionamento do protótipo. Essa estrutura trabalha com um fluxo de troca de informações entre o cliente e o servidor, de tal forma, que caso haja alteração no servidor, as alterações são replicadas para todos os clientes, e ao contrário se houver alterações em um dos clientes, essas alterações irão surtir efeito na aplicação servidora, assim, como há muitos clientes, as alterações deverão ir acorendo de acordo com a chamada nos clientes, ou seja, de acordo com uma lista de espera para a realização dos eventos. Desta forma, a responsabilidade de armazenar os dados de qualquer ambiente existente na rede é de uma aplicação servidora, única e exclusiva a esta tarefa.

2 Figura 2. Arquitetura proposta para o sistema Figura 1. Distribuição dos Ambientes Virtuais A comunicação é iniciada por meio de uma interação transformada em uma requisição ao servidor. Quando o servidor (química RA) recebe a requisição, a informação recebida é armazenada e um retorno ao cliente é disparado e, ao mesmo tempo, todos os outros clientes (biologia - RV) são atualizados com a replicação da alteração. Independente da quantidade de cópias de clientes deverá haver sempre um servidor responsável por todos os ambientes. Para que isso aconteça, a primeira aplicação iniciada em uma rede de computadores sempre procura o servidor. Desta forma o servidor deverá estar ativo para que os clientes o encontrem. Uma vantagem desta arquitetura é que se algum cliente falhar não afetará o servidor. Por outro lado, as alterações realizadas nos ambientes de Realidade Virtual nas máquinas Clientes afetaram o ambiente servidor (Realidade Aumentada - Química). 2.1 Arquitetura Proposta para o Sistema A Figura 2, abaixo, detalha a arquitetura proposta para este trabalho. Nessa arquitetura, CORBA é usada para suportar a comunicação entre vários (n) computadores. Cada computador pode ter um tipo de ambiente, Biologia ou Química. Haverá apenas um ambiente de Química e n ambientes de Biologia. Sempre haverá um objeto servidor que se encarregará de gerenciar a distribuição dos ambientes. Este servidor poderá ser uma aplicação dedicada, ou até mesmo o próprio objeto cliente poderá ter papel de servidor em algum momento. Cada ambiente virtual pode ser executado e manipulado separadamente. Modificações em um ambiente são propagadas para todos os outros ambientes. Estas comunicações são efetuadas por meio da camada CORBA (comunicação cliente/servidor e comunicação cliente/cliente por meio do canal de eventos) Algoritmo de Distribuição Esta seção apresenta um algoritmo que deverá ser desenvolvido para gerenciar a comunicação entre os ambientes virtuais. Este algoritmo é responsável por permitir ao sistema, gerenciar as falhas, ou seja, permitir que o ambiente virtual distribuído seja tolerante a falhas. Levando em consideração algumas especificidades dos ambientes virtuais, este algoritmo foi denominado de Facilidade D. Alguns aspectos devem ser considerados na construção de um D, como a comunicação em rede, visões do ambiente, gerenciamento da computação, comportamento dos objetos e modelo de dados. A aplicação servidora será sempre o ambiente virtual de Química, que usa RA na visualização. Toda aplicação que for iniciada na rede sempre procurará por um servidor, desta forma, haverá sempre apenas uma aplicação do ambiente de Química. Todos os outros ambientes (Biologia) se conectarão ao servidor (Química) como clientes. Qualquer interação em Química será replicada para todos os clientes. Por outro lado, as interações realizadas por usuários Biologias alterarão a realidade do ambiente de Química. O sincronismo entre os ambientes de Biologia será proporcionado por uma comunicação cliente-cliente mediante o uso do Canal de Eventos (Serviços CORBA). A Figura 3, abaixo, ilustra o algoritmo de distribuição.

3 Química OpenG L OpenG L RA - ArToolKit O p eng L C O R B A OR B Visibroker O p e ng L O p eng L Figura 3. Arquitetura proposta para o sistema 3.3. Funcionamento do Sistema O sistema deverá apresentar dois modelos de ambientes virtuais (podem existir 1 instância do ambiente de Química e n instâncias do ambiente de Biologia) com características e comportamentos independentes. Num modelo, tem-se o ambiente virtual de Biologia, e num outro modelo o ambiente virtual da Química, como se pode observar nas Figuras 4 e 5, onde é representado os estados iniciais dos ambientes. 3. Estudo de Caso 3.1. Processo da Fotossíntese A Fotossíntese é o processo, pelo qual as plantas verdes e alguns outros organismos transformam energia luminosa em energia química. Nas plantas verdes, a fotossíntese aproveita a energia da luz solar para converter dióxido de carbono, água e minerais em compostos orgânicos e oxigênio gasoso[10]. A fotossíntese apenas ocorre na natureza em presença de luz solar, por meio de células clorofiladas de uma folha. Na prática, é como se a planta estivesse liberando gás oxigênio e daí a sua ação ser purificadora do ar atmosférico[9] Transporte de Solutos O transporte local de solutos para dentro das células ou no interior das mesmas é regulado principalmente por membranas. O transporte de maior escala, entre a planta e o ambiente ou entre as folhas e as raízes, por exemplo, também é controlado pelo transporte de membranas celulares. Por exemplo, o transporte de sacarose da folha à raiz por meio do floema, denominado translocação, é governado e regulado pelo transporte de membrana para dentro das células do floema na folha e do floema para as células de armazenagem da raiz[12]. No transporte de água e solutos existem duas possibilidades a serem passivas de estudo mais aprofundado: Transporte passivo (difusão) ocorre espontaneamente a favor de um gradiente de potencial químico; Transporte ativo ocorre contra um gradiente de potencial químico. Assim, o movimento espontâneo de moléculas montanha abaixo é denominado transporte passivo. Em equilíbrio, nenhum movimento líquido adicional de soluto pode ocorrer sem a introdução de uma força propulsora[12]. Figura 4. Estágio inicial do ambiente de biologia Um ambiente (Biologia) demonstra uma situação macro de um ambiente real. O outro ambiente (Química) demonstra uma situação micro de uma parte do outro ambiente. O que torna relevante esta comunicação é o fato de que cada ambiente está ligado a uma área distinta do conhecimento (Biologia e Química), permitindo a visualização real entre as mesmas (multidisciplinaridade). Figura 5. Estágio inicial do ambiente de química RA

4 O ambiente virtual da Biologia apresenta alguns objetos, como o sol e as árvores. No ambiente virtual da Química, ocorre o processo da fotofosforilação acíclica, disparado durante o processo da fotossíntese, e ainda ocorre o transporte de solutos (água e sais minerais) que ocorrem devido ao processo da fotossíntese e possui uma velocidade de absorção de acordo com a temperatura ambiente e de acordo com a velocidade do processo de fotossíntese. Isso ocorre por meio de uma visão aumentada n vezes da membrana de uma das folhas das árvores, e ainda do corte de tronco da árvore (visualização do transporte de solutos dentro da árvore) e o tronco de uma árvore, onde deverá ser visualizada a ocorrência dos transportes de solutos e a fotossíntese ao mesmo tempo. E ainda, no ambiente de RA, pode-se escolher os objetos de química para adicionar em uma árvore real, onde assim, simula-se o processo de realidade aumentada. A idéia é pegar o objeto virtual e colocá-lo em uma árvore real, como a montagem de uma árvore natalina. No ambiente virtual da Biologia, de acordo com a luminosidade emitida pelos raios solares (fator importante no processo da fotossíntese), as folhas das árvores podem aumentar ou diminuir em tamanho. Esta luminosidade é controlada pela interação do usuário com um clique no sol, alterando a temperatura e influenciando a quantidade de folhas nas árvores. Ao mesmo tempo, um evento é enviado ao ambiente virtual da Química e os elétrons são liberados, passando por uma cadeia transportadora e liberando energia utilizada na produção de ATP e NADP.2H, e ainda dependendo da temperatura o fluxo de transporte de solutos aumenta, pois é necessário mais líquidos para a realização da evaporação da água e do processo da fotossíntese. O ambiente virtual da Química também interfere no ambiente virtual da Biologia. Para isto, basta, com o uso de um marcador especial ( pá )[8] arrastar um dos objetos disponíveis na interface de R.A para serem adicionados à árvore real. A figura 6, abaixo ilustra a escolha da membrana para a realização do processo da fotossíntese. 4. Distribuição da Informação e Resultados Esperados Considerando que este trabalho se encontra em fase de modelagem, entende-se que: qualquer que seja a atividade ou fenômeno simulado nos ambientes virtuais, os mesmos acontecem apenas seqüencialmente. Ou seja, não se vê uma possibilidade, por exemplo, de iniciar o processo da fotofosforilação acíclica e tentar adicionar outro objeto ou disparar uma outro evento no cliente ao mesmo tempo. A arquitetura proposta para este trabalho deverá suportar a comunicação de um ambiente que se comunica ou interage com n ambientes diferentes. Sempre que houver alguma interação, o valor do estado do ambiente será modificado e enviado ao servidor, que replica esta informação para todas as cópias. Além do estado inicial, valor zero, os ambientes possuem as possíveis configurações: Biologia (Estado 1 - temperatura 25 graus, árvores com folhas médias e luminosidade média. Estado 2 temperatura 35 graus, árvores com folhas grandes e luminosidade alta. Estado 3 árvores sem folhas). Química (Estado 1 processo da fotofosforilação acíclica em andamento. Estado 2 demonstração do transporte de solutos. Estado 3 demonstração do transporte de solutos e da fotossíntese em um galho anatômico ao mesmo tempo. Com o uso do ARToolKit as cenas virtuais geradas pelo computador deverão ser combinadas com o mundo real observado pelo usuário. O marcador foi associado ao ambiente virtual de química (membrana, tronco cortado e galho anatômico), assim toda vez que este marcador for identificado pela câmera o ambiente virtual de Química é inserido na cena. 5.Conclusões Os Ds vem sendo objeto de estudo por pesquisadores e estudiosos desde o surgimento da Realidade Virtual. Existem várias arquiteturas que possibilitam ou oferecem suporte à distribuição. E, geralmente estas arquiteturas são usadas para distribuição de ambientes únicos, mesmo em grande escala, como é o caso de cidades virtuais. Porém, o uso de técnicas de Realidade Aumentada pode melhorar enormemente a capacidade interativa do sistema, criando potencialmente uma aplicabilidade em diversas áreas, no caso específico deste sistema, existe uma vocação natural para seu emprego na educação, melhorando o processo de ensino-aprendizagem Trabalhos futuros Figura 6. Fotossíntese no ambiente de química Como continuação deste trabalho, são considerados aspectos importantes: Relacionada com estudo de caso:

5 Mostrar o processo da Fotossíntese na fase escura, incluindo outras possibilidades de interação entre Biologia e Química. Relacionada com a arquitetura proposta: Possibilitar a existência de n ambientes de Química. 6. Referências Bibliográficas [1] RIBEIRO, Marcos Wagner de Souza. Uma arquitetura para ambientes virtuais distribuídos f. Tese (Doutorado em Ciências) Faculdade de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Uberlândia, [2] KATO, Hirokazu. ARToolKit. Versão Seatle: University of Washington, [s.d] Disponível em: < Acesso em 20 de outubro de 2005, 13:10:36. [3] BILLINGHURST, M.; KATO, H., POUPYREV, I. - The MagicBook: A Transitional AR Interface. Computers and Graphics, November 2001, pp [4] WOODS, E.; MASON, P.; BILLINGHURST, M. - MagicMouse: an Inexpensive 6-Degree-of-Freedom Mouse. Proceedings of Graphite 2003, Feb, 2003, Melbourne, Austrália, pp [5] BILLINGHURST, M, - Augmented Reality in Education. New Horizons, [s.d.] Disponível em:< nghurst.htm>. Acesso em: 28 de dezembro de 2005, 09:45:01. [6] TAKÁCS, Barnabás. Special education and rehabilitation: teaching and healing with interactive graphics. Computer Graphics in Education. IEEE Computer Graphics and Applications, [S.I], September/October, [7] KATO, Hirokazu. BILLINGHURST, Mark. POUPYREV Ivan. The MagicBook - Moving Seamlessly between Reality and Virtuality. Projects in VR. IEEE Computer Graphics and Applications, [S.I], May/June, [8] AZUMA, R. et all. Recent Advances in Augmented Reality. IEEE Computer Graphics and Applications, v.21, n.6, pp.34-47, [9] OMG e o Padrão CORBA. Disponível em: < Acesso em: 15 jan [10] LINHARES, S.; GEWANDSZNAJDER, F. Biologia Hoje. São Paulo: Editora Érica, p. [11] TREICHEL, P. Jr.; KOTZ, J. C. Química e reações químicas. V. 1. Rio de Janeiro: Editora LTC, [12] TAIZ, Lincoln. Fisiologia Vegetal. São Paulo: ARTMED, 2006.