GESTUS: UM FRAMEWORK PORTÁVEL PARA INTERFACES GESTUAIS

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1 Universidade Presbiteriana Mackenzie GESTUS: UM FRAMEWORK PORTÁVEL PARA INTERFACES GESTUAIS Lucas Azzi Collet e Silva (IC) e Luciano Silva (Orientador) Apoio: PIBIC Mackenzie/MackPesquisa Resumo Interfaces não-convencionais representam uma área de intensa pesquisa em Interação Humano- Computador. As interfaces gestuais configuram-se como uma possibilidade de interface nãoconvencional, baseadas em interpretação e identificação de padrões de determinados movimentos do usuário, denominados gestos. Apesar das interfaces gestuais formarem uma maneira natural para interação, as suas efetivas implementações ainda incorrem em altos custos. Assim, é de grande interesse computacional e comercial o projeto e desenvolvimento de arquiteturas de baixo custo para este tipo de interface. Dentro deste contexto, este projeto propõe a especificação e implementação de uma luva de dados (Data Glove) de baixo custo para uso em interfaces gestuais. Além da construção do próprio hardware da luva, foi desenvolvido um framework para acesso à luva, assim como de uma interface portável para utilização deste hardware por aplicações que necessitem de processamento de gestos em seus processos de interfaceamento. Palavras-chave: luva de dados, interfaces gestuais, interação humano-computador Abstract Non-conventional interfaces represent an area of intense research in Human Computer Interaction. Gestures Interfaces are configured as a possibility of non-conventional interface, based on interpretation and identification of certain patterns of user's movements, called gestures. Despite the gestures interfaces form a natural way for interaction, yet their implementations incur in high costs. It is therefore of great interest computational and commercial design and development a low-cost architectures for this type of interface. Within this context, this project proposes the specification and implementation of a low-cost data glove for use in gestural interfaces. In addition to building the actual hardware of the glove, we developed a framework for access to the glove, as well as a portable interface for using this hardware for applications that require processing of gestures in its process of interfacing. Key-words: data glove, gestures interfaces, human computer interaction, human machine interaction 1

2 VII Jornada de Iniciação Científica Introdução A evolução da interface humano-computador progrediu dos cartões perfurados para as atuais interfaces gráficas. Agora, estamos no começo de um salto para um novo modelo: a interface natural. (YONCK, 2010, tradução nossa). 1 A área de Interação Humano-Máquina (IHM) está em constante crescimento. Nesta área, discutem-se e desenvolvem-se novas metodologias para explorar interfaceamento com os cinco sentidos humanos: visão, tato, olfato, paladar e audição. Algumas interfaces já desenvolvidas utilizam mais de um dos cinco sentidos para dar ao usuário uma melhor interação com o dispositivo (FORKUM, 2008). Um exemplo é a Z-Glove ou DataGlove, que é constituída de sensores para detectar a movimentação, a posição e a orientação da mão, ela também emite vibrações para o usuário sentir que está segurando o objeto (ZIMMERMAN et al., 1987). Cada forma de interação pode utilizar um ou mais dos cinco sentidos. As duas formas de interação que tiveram crescimento mais rápido em qualidade e desempenho, por serem as duas principais formas de comunicação entre pessoas, foram as interfaces visuais, com o aumento da qualidade gráfica de imagens (UCPEL, n.d.), e a interface auditiva, com as mais novas técnicas de reprodução de sons, como a qualidade Dolby 5.1 e posteriores (DOLBY, n.d.). Apesar de cada modalidade ser específica a um sentido, todas buscam um objetivo em comum: a imersão do usuário no cenário em que elas representam. Isso faz com que o usuário sinta um afastamento do ambiente externo e se aproxime ainda mais desse novo mundo que simula o real (FORKUM, 2008). As empresas de jogos foram quem mais se aprofundaram nesse tema, utilizando artes gráficas e efeitos sonoros realísticos em seus projetos. Nos últimos anos a interface gestual (Gesture Interfaces), que é baseada na comunicação gestual, através dos movimentos dos braços e expressões de rosto, como felicidade e tristeza, que as pessoas usam para se comunicar foi explorada pela a Nintendo com o console Wii (FORKUM,2008). Este projeto tem o objetivo de projetar e implementar o protótipo de um dispositivo de IHM - uma luva de dados (data glove) de baixo custo, com o uso de equipamentos de uso comum (luva de motoqueiro, leds, webcam). Esta luva será composta de sensores que comunicarse-ão com um programa desktop, que interpretará os sinais que a luva transmitirá, transformando em gestos codificados, para posterior envio às aplicações que estiverem associadas à luva. Com isso, espera-se que o usuário possa interagir mais intuitivamente 1 The evolution of the computer-user interface has progressed from punch cards to today s graphic user interface (GUI). Now, we re beginning to shift to a new model: the natural user interface (NUI). (YONCK, 2010). 2

3 Universidade Presbiteriana Mackenzie com um sistema computacional como, por exemplo, com um sistema de edição de imagens, como se ele pudesse tocar na imagem com as mãos e escolher o que deseja fazer com ela. O trabalho foi dividido nas seguintes etapas: 1. Definição de interface não convencional e tecnologias existentes; 2. Interface Gestual; 3. Desenvolvimento do projeto: confecção da luva de dados e desenvolvimento do software de reconhecimento dos leds; 4. E por fim, conclusões e trabalhos futuros. 1.2 Interface Não Convencional Desde o começo dos computadores existe um meio que permite a Interação Humano- Máquina (IHM) que, segundo Fontanini apud Baecker e Buxton (2003), é definida como o conjunto de processos, diálogos, e ações por meio das quais o usuário humano interage com um computador. Um tipo de interface que apresentou e ainda apresenta uma grande evolução é a interface gráfica (GUI Graphical User Interface). Embora a GUI tenha sido a interface que mais cresceu, outras interfaces que exploram os sentidos humanos vêm sendo desenvolvidas, as chamadas interfaces não-convencionais. Por ter sido a primeira interface a ser desenvolvida e a mais utilizada, a GUI se tornou uma interface tradicional, os usuários estão acostumados com a sua utilização e interagem com elas por intermédio de controladores existentes, como mouse, um dos primeiros dispositivos de interface humano-máquina, existente desde meados de 1960, que serve como um apontador no monitor. Pode-se chamar o mouse e a GUI de interfaces convencionais, pois o usuário está habituado com a sua funcionalidade devido à facilidade de manuseio e tradição. Interfaces não-convencionais são aquelas que não encontramos no dia - a - dia e não estamos habituados com a sua utilização. Elas visam abranger os sentidos do homem para dar a ele sensação de realidade no mundo virtual. Tipos de interfaces não convencionais que serão explicados mais a frente: Haptic Interfaces, Interfaces gestual, locomoção e auditiva. Em geral, as interfaces não-convencionais são combinadas para dar maior sensação de realismo, por exemplo, a combinação das interfaces do tipo haptico e gestual. A seguir são listados alguns tipos de interfaces não convencionais: 3

4 VII Jornada de Iniciação Científica Interface Haptica: utiliza o tato com a intenção de fornecer ao usuário mais informações do dispositivo ou ambiente em que ele se encontra. Esse tipo de interface utiliza sensores para receber sinais de uma ação e atuadores para aplicar forças em resposta a um determinado tipo de sinal recebido pelos sensores. Exemplo: Pen-Based é um dispositivo que possibilita a interação com dispositivos virtuais, ele consiste num braço mecânico que tem um suporte para objetos com formato similares a uma caneta. Numa simulação, o braço pode criar resistência num sentido, por exemplo, numa simulação cirúrgica na qual o médico esteja aplicando uma injeção no paciente o braço criaria a resistência da pele e o médico teria uma sensação próxima do real. O dispositivo que ilustra bem a sua funcionalidade é o PHANTOM (Figura 1.1.)(PHANTOM, s.d.). Figura 1.1. PHANTOM (PHANTOM, s.d.) Interface Gestual: A interface gestual utiliza os gestos corporais como sinal de entrada e, a partir do gesto específico, o software busca um padrão para o reconhecimento do gesto. Diferente da interface haptica, as interfaces gestuais utilizam puramente os gestos sem o feedback tátil. Exemplo: A Z-Glove ou DataGlove (Figura 1.2.), que é constituída de sensores para detectar a movimentação, a posição e a orientação da mão. Ela também emite vibrações para o usuário sentir que está segurando o objeto (ZIMMERMAN et al., 1987). Figura DataGlove Interface de Locomoção: A interface de locomoção envolve a combinação dos dois tipos de interface: haptica e gestual. A diferença é que a interface de locomoção precisa de mais espaço e um hardware maior para que o usuário possa se locomover dentro do ambiente virtual ou real utilizando esta interface. Segundo Forkum (2008), a essência da interface de locomoção pode ser generalizada tanto para o mundo real quanto para o mundo virtual. Como sinal de entrada, o usuário mostra o seu movimento no mundo real, como um apertar de um botão no controle ou movimentar as mãos. O sistema interpreta a entrada e dá o feedback para que o usuário possa fazer o seu próximo movimento. 4

5 Universidade Presbiteriana Mackenzie Exemplo: A virtual sphere (Figura 1.3.) permite que o usuário se locomova dentro de um ambiente virtual, andando como se estivesse dentro dele. Utilizando óculos de realidade virtual e a esfera, o usuário tem a sensação de entrar no ambiente virtual e explorá-lo como se estivesse andando dentro de um ambiente real. A entrada para esse dispositivo é o andar do usuário, que faz a esfera girar, e o feedback é dado pela visualização no óculos de realidade virtual. Figura 1.3. VIRTUAL SPHERE (VIRTUAL SPHERE, s.d.) 1.3 Interface Gestual Interface gestual originou-se da interação natural entre as pessoas. Basicamente, ela utiliza os movimentos do corpo para a comunicação entre as pessoas, por exemplo, a comunicação entre duas pessoas sendo que uma delas tem deficiência auditiva e a outra não tem a deficiência, a forma de comunicação entre elas ocorre de forma visual por meio de gestos. A interface gestual surge como uma alternativa para as interfaces convencionais, como mouse e teclado. Ela pode ser utilizada para navegar pelo Windows como o mouse e, além disso, ela pode ser utilizada em aplicações 3D, jogos digitais, como simuladores de vôos (FORKUM, 2008). Dificilmente a interface gestual vai aparecer de forma pura, apenas o dispositivo que captura os movimentos do usuário, ela sempre irá aparecer dentro de um sistema multimodal, todos os dispositivos de interface gestual fazem integração com alguma outra interface, geralmente com a interface visual. As aplicações da interface gestual vão desde jogos digitais até aplicações na medicina. Observando-se mais de perto os dispositivos de interface gestual, pode-se perceber como eles são constituídos. O fundamental de todos os dispositivos são os sensores e os atuadores. Sensores: recebe e interpreta diversos tipos de sinais, por exemplo, cores específicas, como o vermelho; infravermelho; sonoro e sinais ultra-sônicos. 5

6 VII Jornada de Iniciação Científica Atuadores: Atuadores são utilizados como saída para o sinal capturado pelo sensor. Existem diversos tipos de atuadores, como braços mecânicos e imagens, cada um específico para uma determinada aplicação. Alguns exemplos de interfaces gestuais, com breve explicação de seus sensores e atuadores: Nintendo Wii A interação humano-computador do console Nintendo Wii é realizada por intermédio do controle (Figura 1.4.) e do sensor bar (Figura 1.5.). O sensor bar é um emissor de infravermelho e o controle do Wii tem uma câmera de captura de infravermelho. O controle captura o sinal emitido pelo sensor bar e envia para o console, que interpreta o sinal recebido e como feedback mostra a ação sendo executada na televisão. Além da câmera infravermelho o controle do Wii tem um acelerômetro que permite capturar a posição e a orientação em que se encontra o controle. Este sistema permite que o usuário tenha 6 graus de liberdade, sendo que 3 deles se referem aos eixos x, y e z na imagem e os outros 3 graus se referem a angulação que se encontra o controle. Kinect O Kinect (MICROSOFT, s.d.) lançado em novembro de 2010, apresenta um bom exemplo de sistema de interação humano-máquina. O Kinect utiliza hardware e software específicos para o processamento dos dados capturados pelos sensores o que compõe. O sistema de captura de imagens do Kinect é diferente do modelo convencional, que utiliza duas câmeras que capturam duas imagens em posições diferentes e as sobrepõem, gerando assim a visão estereoscópica, similar ao olho humano. Figura 2.8. Controle do Wii, Wii remote (NINTENDO, s.d.) Figura 1.5. Sensor Bar (NINTENDO, s.d.) 6

7 Universidade Presbiteriana Mackenzie O Kinect utiliza um emissor de sinal infravermelho, duas câmeras e um microfone multidirecional (Figura 1.6.) para aquisição de dados do ambiente, permitindo uma grande precisão na captura de objetos no mundo real. As câmeras utilizadas são de dois tipos diferentes, uma delas é uma câmera com um sensor do tipo CCD e a outra é uma câmera específica para captura de sinais infravermelhos. Figura 1.6. Disposição dos sensores (I-TECHGAMES, s.d.) O emissor de infravermelho do Kinect lança diversos raios no ambiente, de forma que gera um mapa quadriculado no ambiente, como um projetor gera numa tela, e a profundidade é obtida pelos os tamanhos diferentes que são gerados no quadriculado (Figura 1.7.). Figura 1.7. Mapa de profundidade de infrave rmelho (CLUBE DOS 5, s.d.) 7

8 VII Jornada de Iniciação Científica Após a captura dos dados do ambiente, o Kinect possui algoritmos de tratamento de imagens e sons para poder detectar a presença das pessoas, qual delas está efetivamente jogando e qual delas está apenas assistindo alguém jogar. 1.4 Desenvolvimento do Projeto Data gloves são dispositivos equipados com sensores que capturam os movimentos da mão do usuário, a fim de selecionar ou manipular objetos no mundo virtual. (PAMPLONA et al., 2008, tradução nossa). 2 Para o desenvolvimento de uma interface gestual é necessário que se estabeleça a forma com que os dados serão recebidos pelo computador. Este tipo de tarefa é encarregada aos sensores, eles capturam os sinais do ambiente, sinal analógico, e os convertem em sinais que o computador possa interpretar, sinal digital. Após o computador receber o sinal digital do sensor ele pode receber um tratamento via hardware e/ou software. Depois do sinal ser processado, é passado o feedback para o usuário, ele ocorre por meio de atuadores. O framework desenvolvido captura a disposição dos leds infravermelhos que compõem a luva e salva os dados coletados numa base de dados. Esta, por sua vez, pode ser utilizada por um programa para interpretar o gesto e assim produzir o feedback desejado. Hardware Para a confecção do hardware foi utilizado: Leds emissores infravermelhos: Os Leds emissores de infravermelhos foram escolhidos com a ajuda do laboratório de Fotônica do Mackenzie, Onde foram submetidos a testes de bateria para verificar o quanto esquentavam e verificar a sua luminosidade infravermelha. Luva: Dentre diversos tipos de luva a serem escolhidas, a luva escolhida foi a luva comum de algodão, pois ela permite que o usuário tenha uma boa flexibilidade com os dedos. Resistores: os resistores utilizados foram os de 220Ω, para cada Led da luva, existe um resistor associado. Bateria de celular: Bateria de celular permite que a voltagem liberada seja mantida a mesma até o término de sua força. Fio de 1 mm encapado: A utilização de fios finos permite que o usuário utilize a luva com a menor resistência dos fios para a movimentação dos dedos. 2 Data gloves are devices equipped with sensors that capture the movements of the hand of the user in order to select or manipulate objects in a virtual world. (PAMPLONA et al., 2008). 8

9 Universidade Presbiteriana Mackenzie Para cada led é associado um resistor, sendo ligado em série, formando um mini-circuito. Cada mini-circuito foi ligado em paralelo, formando o circuito final e, por fim, este foi ligado à bateria. Ao final da montagem os leds ficaram disposto como apresentado nas figuras 1.8. e Figura 1.8. Luva visão da palma Figura 1.9. Visão da costa da luva Padrões de Gestos Após a confecção foi estudo alguns padrões foi realiza a escolha de alguns padrões de gestos que compõem a biblioteca de gestos. Os padrões foram classificados como estáticos e dinâmicos. Padrões de gestos estáticos: Os padrões de gestos estáticos podem ser definidos como ações, nos quais, o comando é executado apenas uma vez sem o seu prolongamento, 9

10 VII Jornada de Iniciação Científica por exemplo, a seleção de um objeto na área de trabalho, que usando apenas um clique do mouse é possível selecionar o objeto. Padrões de gestos dinâmicos: Contrário ao padrão de gesto estático, o padrão de gesto dinâmico tem a sua ação prolongada, por exemplo, a ação de transladar um objeto na área de trabalho, após a seleção do objeto é possível transladar o objeto de um canto a outro na tela mantendo o botão do mouse pressionado. A figura ilustra estes padrões: Figura Representação de palavras na luva 10

11 Universidade Presbiteriana Mackenzie Esses padrões que foram exemplificados com cliques de mouse podem ser implementados na luva de dados e, para isso, são definidos padrões de gestos que irão compor a biblioteca de gestos. Desta forma, cada vez que o gesto realizado pelo usuário será comparado com a biblioteca de gestos, se encontrado algum padrão que se assimile a posição atual da luva, um determinado comando será executado. Software Durante esta fase do projeto foi estudado duas ferramentas que possibilitam o tratamento de imagens digitais a OpenCv e o software imaq Vision (NATIONAL INSTRUMENT, s.d.). Ambas as ferramentas possuem a implementação de algoritmos de visão computacional. A biblioteca OpenCv possui um conjunto de funções que já tem implementado diversos algoritmos de visão computacional, dentre eles o filtro de Sobel e a transformada de Fourier. Inicialmente ela estava sendo utilizada para fazer os tratamentos de imagens, com a aplicação de alguns filtros, porém a transformada de Fourier apresentou muitas dificuldades quando foi necessário aplicar a sua inversa, o que acarretou em muito tempo de estudo e pouco sucesso. Por causa desta dificuldade que estava atravancando o projeto, foi alterado o programa para o imaq Vision para o reconhecimento dos leds, este programa trabalha de forma visual e é mais simples para o reconhecimento dos leds. Também tem as funções para o tratamento de imagens. As funções utilizadas para a obtenção dos pontos dos leds e a seqüência das funções de foram: A. Imagem Original B. Conversão de cor: Essa função permite converter uma imagem colorida em imagem na escala de cinza (Figura 1.11.). Figura Imagem em escala de cinza 11

12 VII Jornada de Iniciação Científica C. Transformada de Fourier: A aplicação da transformada de Fourier permite representação da imagem no domínio da freqüência. Tendo o domínio da freqüência da imagem, foi aplicado o filtro passa-alta. Este filtro permite que somente pontos com alta freqüência sejam mantidos, eliminando os pontos de baixa freqüência. A Figura apresenta o resultado da transformada de Fourier com a aplicação do filtro passa-alta. Figura Imagem após aplicação a transformada de Fourier D. Filtro Sobel: O Filtro sobel é utilizado para a detecção de bordas, em cima da imagem original é aplicada a multiplicação das máscaras horizontal e vertical, na imagem original, resultando duas novas imagens e entre elas é realizado um ou gerando assim a imagem final (Figura 1.13.). Figura Aplicação do filtro de Sobel 12

13 Universidade Presbiteriana Mackenzie E. Threshold: Essa técnica permite que a imagem possa ser binarizada, mantendo os pixels que estejam dentro de um certo range. O range escolhido foi o de bits com valor entre 0 e 34 bits, os bits internos a esse range são marcados com 1 e os bits que estão fora do range são marcados com 0. A aplicação do threshold é apresentada na Figura Figura Aplicação do Threshold F. Preenchimento de Buracos: Para conseguir a área total dos pontos dos leds, é necessário preenche-los, pois o filtro de Sobel deixa apenas as bordas dos objetos. Também é necessário para a remoção de pontos pequenos já que o preenchimento aumenta a área dos objetos. G. Remoção de pontos pequenos: Este é um filtro morfológico de partículas pequenas permite a remoção de alguns pontos na imagem. H. Analise de partículas: Essa função permite a obtenção de diversos dados do objeto, entre eles centro de massa em X e Y, área e perímetro. Após a aquisição dos pontos dos leds é adquirido à posição deles de acordo com o centro de massa de cada um, pois eles não apresentam o seu formato uniforme Após a construção da luva de dados e o desenvolvimento do software, foi realizada uma série bateria de testes em diferentes ambientes para identificar restrições quanto à iluminação, pois outras fontes de luminosidade podem gerar ruídos no processo de aquisição de imagens. Os ambientes onde ocorreram os testes foram: Ambiente sem luminosidade: Este ambiente de teste foi realizado numa sala fechada, onde a única fonte de iluminação, além dos leds, era a iluminação da tela do notebook. 13

14 VII Jornada de Iniciação Científica A Figura mostra a aquisição de imagem original pela webcam, nela percebe-se que a imagem apresenta praticamente a iluminação dos leds e o reflexo bem fraco de alguns objetos. Figura Imagem original sem luminosidade A Figura mostra a aplicação do programa sobre a imagem original, observa-se que o ambiente é escuro e existem poucos fatores que interferem no processo de aquisição dos pontos dos leds. Figura Imagem resultante após aplicação do processo de obtenção dos pontos dos leds no ambiente escuro 14

15 Universidade Presbiteriana Mackenzie Este ambiente é considerado um ambiente ideal, pois não é necessária a aplicação de outros processos de tratamento de imagens para obter apenas o pontos dos leds. Com isso, não existe restrição entre a distância da luva de dados e a webcam. Ambiente iluminado: No ambiente iluminado foi aplicado na imagem (Figura 1.17.) capturada pela webcam o mesmo algoritmo descrito anteriormente. Figura Imagem original com luminosidade A Figura mostra a aplicação do algoritmo, porém, percebe-se que existem ruídos na imagem. Figura Aplicação do Algoritmo no ambiente iluminado. Percebesse aparição de ruídos. 15

16 VII Jornada de Iniciação Científica Tendo em vista que o algoritmo não trata esse tipo de ruído, é necessário aplicar um filtro de partícula, onde foram analisadas algumas propriedades dos pontos, como a área e o perímetro, referentes à iluminação do leds. É escolhido os perímetro e a área dos pontos, pois essas medidas dos pontos apresentam pouca divergência, assim mantém-se um padrão par aplicar o filtro. A desvantagem de se utilizar esse tipo de filtro é que limita funcionalidades da luva, como a aplicação do zoom na imagem, pois se a área e/ou o perímetro estiverem fora da limitação colocada no filtro os pontos não irão aparecer na imagem desejada. 1.5 Conclusões e Trabalhos Futuros Este projeto visou o estudo e desenvolvimento de uma biblioteca de gestos de baixo custo. Com o decorrer do projeto pode-se notar é viável a construção de uma luva de dados de baixo custo, assim como o software, apesar de demandar tempo e estudo, não necessita de grandes custos tanto para o desenvolvimento quanto de processamento. Como proposta de trabalho futuro é posto em desafio a melhora no software, pois como mostrado na sessão 7 ainda existe o problema de que a iluminação externa pode gerar ruídos durante o processamento da imagem original, resultando a aplicação de mais algoritmos de tratamento de imagens. Também é proposta a utilização de um acelerômetro a fim de permitir o usuário utilizar o não apenas os movimentos nos três eixos x, y e z, que permitem apenas 3 graus de liberdade, mas também permitir saber a orientação que se encontra a mão, dando assim os 6 graus de liberdade. Referências ARTOOLKIT. Disponível em: < >. Acesso em junho de AZEVEDO, Eduardo e CONCI, Aura. Computação Gráfica - Teoria e Prática. 1ª. Ed.,Editora Elsevier, DOLBY. Disponível em: <http://www.dolby.com/about/who-we-are/our-history/index.html>. Acesso em junho de CULTURA NERD, Por dentro do Kinect Como realmente ele funciona, disponível em <http://www.culturanerd.com/por-dentro-do-kinect-como-realmente-ele-funciona>, acesso em abril/2011. CLUBE DOS 5, CIENTISTA EXPLICA COMO FUNCIONA O KINECT, disponível em < >, acesso em maio/

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