MODELAGEM E VISUALIZAÇÃO DE AMBIENTES VIRTUAIS NA WEB

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1 MODELAGEM E VISUALIZAÇÃO DE AMBIENTES VIRTUAIS NA WEB Verônica Stocchi Marinho 1, Jackson Gomes de Souza 1 1 ULBRA Centro Universitário Luterano de Palmas (CEULP) Caixa Postal Palmas TO Brasil {veronica, jgomes}@ulbra-to.br Abstract. The visualization of non-conventional medias in the web, is an area of increasing update, where some formats of medias are discovered and specified frequently and the convenience of to visualize these medias in the environment of navigation of web if becomes a very emergent necessity and a characteristic sufficiently explored by the developer of web sites. Leaving of this estimated, the visualization of electronic mockups in web becomes an area of attractive and viable exploration. In this article, the development of a web site is considered that serves as an environment of three-dimensional architectural visualization surrounding. Resumo. A visualização de mídias não-convencionais na web, é uma área de crescente atualização, onde vários formatos de mídias são descobertos e especificados freqüentemente e a conveniência de se visualizar essas mídias no ambiente de navegação da web se torna uma necessidade bastante emergente e uma característica bastante explorada pelos desenvolvedores de web sites. Partindo desse pressuposto, a visualização de maquetes eletrônicas na web se torna uma área de exploração atrativa e bastante viável. Neste artigo, é proposto o desenvolvimento de um web site que sirva como um ambiente de visualização tridimensional de ambientes arquitetônicos. 1. Introdução A Realidade Virtual surge como uma ferramenta muito importante quanto à interação entre usuário e os mais variados tipos de dados e informações, pois oferece eficientes recursos gráficos, textuais e sonoros. Assim, a Realidade Virtual pode ser utilizada nas mais diversas áreas do conhecimento, favorecendo inúmeras atividades na sociedade como: educação, negócios, pesquisa e treinamento. Sua maior vantagem está ligada à transferência do conhecimento intuitivo do usuário, a respeito do mundo físico, para manipular o mundo virtual através da navegação em tempo real e imersão no espaço visualizado. O presente projeto tem como objetivo o desenvolvimento de um site que sirva como um ambiente de visualização tridimensional de ambientes arquitetônicos, onde é possível, por exemplo, realizar um passeio virtual pelo ambiente antes de comprá-lo.

2 Para a realização do projeto, são utilizados os programas AutoCad 2002 e 3D Studio Max 6.0, além das linguagens VRML e XD3. 2. Utilização da Realidade Virtual na Arquitetura A computação gráfica tem sido o meio mais rápido e eficaz para a representação de ambientes em projetos de arquitetura e urbanismo, permitindo uma melhor compreensão e análise de projeto. A realidade virtual é mais um elemento de auxílio ao usuário na interação em tempo real com modelos tridimensionais de superfícies urbanas, espaços abertos, fechados e quaisquer elementos formadores do espaço urbano, fornecendo uma melhor compreensão do espaço de intervenção. (REBELO, 2004). Além disso, os recursos oferecidos atualmente pelas ferramentas, que criam estas representações gráficas, são inúmeros; elas permitem um melhor acompanhamento dos projetos, através de simulações de luz, de ambiente e de materiais. Um exemplo do crescimento de novas tecnologias nessa área em questão é a criação do programa conhecido como ARTHUR (criado pelos Engenheiros do Fraunhofer Institute na Alemanha); ele permite que o projeto receba qualquer tipo de modificação, mostrando seus resultados em tempo real. Essas modificações podem ser realizadas em conjunto, permitindo que todos os envolvidos visualizem como cada uma das mudanças propostas afeta o modelo, e como elas interagem entre si. (INOVAÇÃO TECNOLÓGICA, 2004). O interesse pelo uso da Realidade Virtual se deu através do freqüente aumento de usuários e informações disponibilizadas na Internet, onde cada vez mais são necessárias novas formas de comunicação e interação dentro da mesma. As linguagens apresentadas a seguir (VRML e X3D) são os formatos de criação de realidades virtuais que possibilitam a navegação pelo ambiente em tempo real através de navegadores da Internet, como o Internet Explorer, que vêm apresentando um maior crescimento quanto a utilização. 2. VRML - Virtual Reality Modeling Language VRML (Linguagem para Modelagem em Realidade Virtual) é uma linguagem textual que possibilita a criação de objetos e ambientes interativos 3D, os quais podem ser aplicados em diferentes áreas como a da engenharia, visualizações científicas, títulos educacionais, páginas da Internet, apresentações multimídia, entretenimento e mundos virtuais compartilhados (VRML, 2004). Suas características principais estão relacionadas à capacidade de criar objetos 3D (estáticos e animados) e multimídias com hiperlinks para outras mídias tais como sons, textos, imagens e filmes (VRML, 2004). Arquivos VRML possuem extensão.wrl e podem ser vistos através de um browser helper-application ou um plug-in VRML, localmente ou através da Internet. 2.1 Componentes Funcionais Os componentes funcionais mais importantes para a formação de um arquivo VRML são:

3 grafo de cena; distribuição de eventos; header; comentários; nós (nodes), contendo campos (fields) e valores (values); DEF e USE; rotas e protótipos; e, scripts. O grafo de cena possui os nós que descrevem objetos e suas propriedades. Apresenta uma geometria hierárquica agrupada para fornecer uma representação audiovisual dos objetos, bem como os nós que participam no mecanismo de geração e da distribuição do evento. Alguns nós VRML geram eventos em resposta às mudanças ambientais ou à interação com o usuário. A distribuição de eventos fornece um mecanismo, separado da hierarquia do grafo de cena, através do qual estes eventos são propagados para efetuar mudanças em outros nós. Uma vez gerados, os eventos são emitidos a seus destinos, distribuídos em ordem de tempo e processados pelo nó de recepção. Esse processamento pode mudar o estado do nó, gerar eventos adicionais, ou mudar a estrutura do grafo de cena (VRML, 2004). 1 #VRML V2.0 utf8 2 # Exemplo de uma caixa 3 Shape { 4 appearance Appearance { 5 material Material { 6 diffusecolor } 8 } 9 geometry Box { 10 size } 12 } Figura 1 - Exemplo de arquivo VRML. A Figura 1 apresenta um código VRML que representa uma caixa (Box). O header (cabeçalho), apresentado na linha 1, é obrigatório em qualquer arquivo VRML; ele é iniciado através do caracter #, além de identificar o arquivo como sendo VRML, sua versão, e o conjunto de caracteres internacional que será utilizado (nesse caso, UTF- 8). O caracter # também representa o início de um comentário, como ilustra a linha 2, e pode ser aplicado em qualquer parte do arquivo. Na linha 3, um nó Shape está sendo representado; ele descreve a geometria da estrutura 3D do objeto, e a sua aparência. A aparência (nó appearance, linha 4) descreve propriedades relacionadas ao material e à textura. Na linha 5, o nó material especifica as propriedades materiais da superfície; o campo diffusecolor determina o modo com que a luz reflete sobre a superfície dos objetos para criar a sua cor (linha 6). Por último, a geometria do nó Shape é descrita nas linhas 9 a 11, onde são definidos o seu tipo (Box) e suas dimensões (size). O VRML permite que o usuário crie nomes para qualquer nó. Quando um nó possui um nome, ele pode ser utilizado posteriormente no arquivo. Como exemplo no

4 domínio de um laboratório de informática, pode-se imaginar a criação do nome "computador" para um nó ou grupo de nós usados na construção de um computador. Para inserir cinco computadores em uma bancada, é possível simplesmente reutilizar este nó, sem ter que descrever todo o computador novamente. Pode-se chamar de "nó original aquele nó ao qual um nome foi definido e de instância cada reutilização deste nó. Assim, a definição de um nó que será instanciado é realizada colocando a palavra DEF antes do nome criado. E para que este nó seja utilizado dentro do arquivo utiliza-se a palavra USE ou ROUTE na frente do nome criado quantas vezes for necessário (VRML, 2004). A sintaxe destes comandos é a seguinte: DEF <nome_do_nó> <tipo_do_nó> { <corpo> } USE <nome_do_nó> Mensagens podem ser trocadas entre dois nós quando rotas são construídas. Tais mensagens, também conhecidas como eventos (event), são emitidas aos nós destinos para serem processadas, podendo mudar o estado do nó, gerar eventos adicionais, ou mudar a estrutura do grafo de cena. Uma rota criada entre dois nós, onde o primeiro envia eventos (mensagens) para o segundo, torna possível, por exemplo, passar o mouse ou clicar em um objeto e fazer com que este gire, mude de cor ou que uma música toque. A criação de rotas envolve um par de nós que serão ligados e uma rota entre os dois nós (VRML, 2004): ROUTE <nome_nó>.<nome_evento> TO <nome_nó>.<evento_nome> Em um arquivo VRML, o uso do componente conhecido como protótipo permite que o usuário possa criar os seus próprios tipos de nós. Além disso, é possível utilizar protótipos criados em outros arquivos. Essa possibilidade de referenciar nós criados e definidos em arquivos diferentes pode ser um recurso interessante, uma vez que móveis podem estar sendo definidos em arquivos separados (ou, em uma biblioteca de objetos comuns) e que vários mundos (ambientes) virtuais podem utilizar os elementos daquela biblioteca para compor o seu próprio grafo de cena. Freqüentemente, os eventos externos e as entradas do usuário fazem com que mudanças sejam realizas no mundo VRML. Estes tipos de respostas podem ser expressas como nós scripts, que recebem eventos de outros nós, os processa, e depois os emite a outros nós (VRML, 2004). O nó script é ativado quando recebe um evento. O browser executará então o código contido no campo url do nó script ou o programa referenciado externamente. O programa pode executar uma grande variedade de ações incluindo a emissão dos eventos externamente, executando cálculos, e comunicando-se com os usuários. 1 Script { 2 eventin SFBool start 3 url [ " 4 " 5 "javascript:function start(value, timestamp) {... }" 6 ] 7 } Figura 2 Exemplo de nó script.

5 No exemplo acima (Figura 2), quando um evento do tipo eventin é recebido pelo nó script, um dos scripts encontrados no campo url é executado. A ordem em que as urls ou códigos são dispostas no campo url indica a sua ordem de execução. Assim, a primeira url é a primeira a ser executada (linha 3), a segunda (linha 4) corresponde à segunda execução e o código JavaScript descrito na linha 5 será o executado posteriormente. Figura 3 Exemplo de execução de script A Figura 3 representa um exemplo de execução de script utilizando JavaScript. Quando o usuário clica no objeto círculo a mensagem Clicaram na bola!!!! é impressa no browser. 3. X3D - 3D Extensible O X3D é um padrão aberto, criado para distribuir conteúdo 3D. Ele combina geometria e descrições de comportamentos instantâneos em um simples arquivo que possui inúmeros formatos disponíveis, incluindo o Extensible Markup Language (XML) (XML, 2004). O padrão X3D surgiu da última revisão da especificação ISO VRML97, incorporando os avanços dos recursos disponíveis nos mais recentes dispositivos gráficos tanto quanto melhoras na sua arquitetura (X3D, 2004). Na criação do X3D, foi aproveitado o trabalho realizado pelo VRML97, utilizando as premissas básicas e estendendo-as para prover uma maior flexibilidade. As mudanças começaram pela especificação, que sofreram um completo ajuste, sendo divididas em três partes: conceitos abstratos; formato de codificação para arquivos; e acesso à linguagem de programação. (X3D, 2004); além dessa, muitas outras modificações ocorreram, onde as principais foram: uma maior precisão com a iluminação e modelo de eventos; expansão das capacidades do grafo de cena; revisão e unificação do modelo da API; múltiplos formatos de codificação são aceitos: VRML, XML e o binário comprimido; e arquitetura modular, permitindo uma faixa de níveis para serem adotados e suportados por diversos tipos de aplicações ou uma plataforma em particular. A arquitetura modular foi empregada no X3D porque a maioria dos domínios de aplicações não necessitam de todos os seus recursos, tão pouco todas as plataformas suportam a gama de funcionalidades definidas na especificação. Com isso, dois novos conceitos foram adicionados ao XD3: profiles e components. Estes são as novas formas

6 do X3D definir respectivamente extensibilidade e o conjunto de serviços que o conteúdo dos usuários necessita. Os recursos do X3D são agrupados em componentes (components) que podem ser suportados pela implementação ou por uma plataforma em particular definindo uma coleção específica de nós que possui um conjunto de funcionalidades. Um profile é uma coleção de components para um específico nível de suporte. Todos os arquivos X3D requerem a definição do profile que está em uso, na qual pode ser suprida com a requisição de componentes adicionais pelo usuário - ou por níveis maiores que aqueles providos pelo profile. Atualmente, existem seis perfis (profile) que satisfazem a um conjunto variado de exigências. São eles: Core, Interchange, Interactive, MPEG4Interactive, CDF (CAD Distillation Format), Immersive e Full. (X3D, 2004). 2.1 X3D e XML Para o desenvolvimento desse artigo utilizou-se o XML como modo de codificação do X3D; desta forma, toda a sintaxe apresentada sobre o X3D será representada somente através desse formato. O XML foi adotado como uma das sintaxes X3D com o intuito de resolver problemas reais como (X3D, 2004): integração com Web Services, redes distribuídas e aplicações para transferência de dados e arquivos; as linguagens de marcação provam ser a melhor solução para o arquivamento, reúso e filtragem de uma grande quantidade de dados; integração baseada em páginas XML, facilitando o desenvolvimento de páginas Web, maximizando a interoperabilidade com outras linguagens da Internet; integração com a futura Web, já que os membros do World Wide Web Consortium (W3C) estão se esforçando muito no desenvolvimento do XML; e, suporte a um grande número de ferramentas, como stylesheets que permitem o trabalho em qualquer formato nativo XML, além de transformações para visualização 3D através do Chemical Markup Language (CML), MathML e diversas outras linguagens XML Componentes Funcionais Um arquivo X3D pode ser composto pelos mesmos componentes funcionais que existem no VRML, além de alguns adicionais como é o caso do EXPORT e IMPORT que servem respectivamente para definir quais o elemento de um arquivo externo que poderão ser importados e, para incorporar ao namespace do arquivo os nós de um arquivo externo, para possíveis distribuições de eventos.. 1 <?xml version="1.0" encoding="utf-8"?> 2 <!DOCTYPE X3D PUBLIC "ISO//Web3D//DTD X3D 3.0//EN" " 3 <X3D profile='immersive' xmlns:xsd=' xsd:nonamespaceschemalocation='

7 3.0.xsd'> 4 <head> 5 <meta name='filename' content='exemplo.x3d'/> 6 <meta name='description' content='exemplo que arquivo X3D.'/> 7 <meta name='created' content='setembro 2004'/> 8 </head> 9 <Scene> 10 <Shape> 11 <Appearance> 12 <Material diffusecolor='1 0 0'/> 13 </Appearance> 14 <Box size='1 1 1'/> 15 </Shape> 16 </Scene> 17 </X3D> Figura 4 Exemplo de arquivo X3D O exemplo acima, Figura 4, possui o mesmo resultado que o exemplo da Figura 1. Nas linhas 1 e 2 é representado o header de um arquivo X3D, o qual é composto por 2 tags; a primeira identifica o arquivo como sendo XML, sua versão e o conjunto de caracteres internacional UTF-8, já na segunda (linha 2), é declarado o DOCTYPE X3D que especifica o caminho da DTD de validação XML. Na linha 3, o nó raiz X3D é definido; ele identifica o perfil X3D como Immersive e os schemas XML de validação. Entre as linhas 4 e 8, um header opcional é criado; ele pode conter componentes e informações. Nesse caso ele possui um nome (linha 5), uma descrição (linha 6) e uma data de criação (linha 7). Um elemento Scene é definido entre as linhas 9 e 16; ele é um nó raiz que contem um ou mais elementos do grafo de cena; Já entre as linhas 11 e 15, é bastante visível a semelhança entre os nomes dos elementos X3D em relação aos nós do VRML. Portanto, as definições de cada um desses elementos e atributos torna-se desnecessária, já que isso foi realizado na seção 2 do VRML. Os nós X3D são conhecidos em XML como elementos e os campos como atributos. Cada tag começa e termina com suportes dos sinais < e >, respectivamente. O corpo de um nó é incluído entre um par de tags de abertura e de fechamento, onde a tag de fechamento tem a precedência da barra /. Muitas vezes, se nenhum elemento adicional for contido como nó children, uma única tag pode omitir a tag de fechamento do elemento terminando o único elemento com os caracteres />. No formato XML do X3D, as indicações DEF e USE são tratadas como atributos. Um atributo USE indica que o nó é uma cópia da referência do nó DEF com o mesmo ID (X3D, 2004). Fazendo uma analogia com a sintaxe XML, a indicação DEF é atribuída ao XML como um atributo ID e USE como um IDREF. 4. AutoCad Com o advento dos softwares de CAD (Computer Aided Design), a construção de projetos de engenharia civil e arquitetura se tornou uma tarefa que praticamente é realizada, por completo, utilizando o computador. Em tempos mais remotos, a visualização ou a simulação do ambiente da edificação era possível através das maquetes; e a tarefa de criação das maquetes exigia dispêndio de grande quantidade de tempo, até porque é necessário expressar o máximo possível de detalhes.

8 Utilizando os programas de CAD, a criação de maquetes eletrônicas (ou, virtuais) torna-se algo que pode ser realizado até mesmo em conjunto com a definição da planta ou do projeto arquitetônico, onde são proporcionados benefícios aos seus usuários através da simplificação na produção de desenhos pela automação de tarefas repetitivas e pela confiabilidade na elaboração de cálculos quantitativos. Das ferramentas CAD disponíveis no mercado, o AutoCAD da Autodesk, lançado em 1989, é o mais popular; sendo a ferramenta mais utilizada pelos arquitetos e projetistas da área. O Autocad é voltado à criação e manipulação de desenhos técnicos e projetos, não produzindo somente ambientes 2D, onde é formado apenas a base do projeto, mas também o 3D, onde o seu sistema de unidade é muito mais preciso. Além disso, muitos pacotes, tais como modeladores de terrenos digitais e aplicações específicas para arquitetura, estão disponíveis. Os objetos tridimensionais existentes no AutoCAD, são divididos em três categorias, sendo: objetos de formas com extrusão (Thickness), de malhas de superfície (Surface e Meshes) e sólidos ACIS (Solids) (AUTOCAD, 2004). A importância do modelo 3D se dá através da visualização proporcionada que pode chegar à perfeição; isto resultará em uma obra com menor consumo de recursos financeiros, facilmente executável e com maior facilidade nas alterações possivelmente realizadas pelo cliente. 5. 3D Studio Max Figura 5 Interface do programa AutoCad 2000 O software 3D Studio Max da Discreet, divisão da Autodesk objetiva a apresentação de idéias por meio de uma realidade virtual e que pode transformar modelos tridimensionais em fotografias, animações ou simples projetos renderizados com altíssima qualidade de resolução gráfica e realismo das suas cenas (MALHEIROS, 1993). Essa ferramenta é a mais popular para a criação de imagens e animações realistas de excelente qualidade. É um software de modelagem tridimensional e animação, utilizado, por exemplo, para produzir vinhetas para TV, logotipos 3D para CD-ROM e Web, simulação de objetos, cenários virtuais, maquetes eletrônicas e animação de personagens.

9 Existem diversos pacotes para o 3D Studio Max, mas a sua maioria visa à melhoria na aplicação de iluminação, materiais e na própria renderização. Na próxima seção será apresentado um protótipo do projeto em desenvolvimento utilizando esta ferramenta juntamente com o AutoCad Projeto Figura 6 Interface do programa 3D Studio Max 6.0. Como foi citado anteriormente, o projeto proposto destina-se à criação de um site que fornece ao usuário um passeio por ambientes arquitetônicos virtuais 3D. Para a criação destes ambientes, é necessário dispor das plantas baixas dos modelos (casas, prédios, etc.), que servirão como base para as dimensões de cada um dos ambientes modelados. Estas plantas baixas estarão no formato.dwg do programa AutoCad Figura 7 Etapas de criação de um ambiente 3D para Web.

10 A última etapa da Figura 7, apresenta um protótipo de como seriam disponibilizadas as informações necessárias para que o usuário pudesse realizar o passeio virtual através da escolha entre várias opções de imóveis disponíveis para aluguel, por exemplo. Neste caso, o exemplo se refere a um centro comercial. Através dele, o usuário poderá utilizar os botões do mouse para navegar pelo ambiente 3D. A visualização de ambientes virtuais pode ser realizada através de plugins disponíveis na Internet. Entre os mais conhecidos estão (X3D, 2004): Cortona, FreeWRL e Xj3D. É necessário realizar um comparativo entre os disponíveis no mercado quando a performance e renderização para decidir qual o melhor a aplicação em questão. O motivo pelo qual foram escolhidos dois formatos (VRML e X3D), para descrever um mundo virtual, foi a necessidade de realizar um comparativo entre os mesmos, podendo, com isso, obter conhecimento sobre melhores performances em relação aos seguintes parâmetros: taxa de renderização; consumo de recursos da máquina (memória, processador); e, ocorrência de problemas durante a visualização. 7. Conclusão Conforme o projeto apresentado neste artigo, pode-se perceber que a Realidade Virtual exerce uma influência notável na construção civil e arquitetura, proporcionando a visualização de maquetes na Web e um encurtamento de caminho na relação entre o arquiteto e o seu cliente. Com isso, uma maior qualidade na visualização dos ambientes e trazendo ao uso do computador um novo paradigma de interface com o usuário, onde a sensação de imersão ou presença depende da interatividade e do grau de realismo que o sistema é capaz de proporcionar. Este artigo buscou apresentar parte de uma monografia de estágio em desenvolvimento, realizado em conjunto com um arquiteto, o qual criou os modelos 2D no AutoCad Além disso, é necessário, realizar mais testes quanto a performance dos vários plugins existentes buscando encontrar o que melhor se adapte ao projeto. De acordo com os testes feitos, podemos perceber que o formato, em si, não apresenta muitas diferenças, a não ser pelas funcionalidades que foram realmente criadas junto com o X3D (interação com outras plataformas, WebServices, XML); sobre a questão de Realidade Virtual na Web, em si, as modificações não são relevantes. Referências AutoCAD. Disponível em < Acesso em: 09/2004. Inovação Tecnológica, Realidade virtual para arquitetura e planejamento urbano (2004). Disponível em < Acesso em: 09/2004. Malheiros, Paulo (1993) AutoDesk 3D Studio Guia Completo, 1993.

11 Rebelo, Irla B.; da Luz, Rodolfo P. (2004). Simulação do espaço urbano através da rv para o desenvolvimento e análise de projetos. Laboratório de Realidade Virtual - Universidade Federal de Santa Catarina Florianópolis, dezembro, VRML, Virtual Reality Modeling Language (2004). Disponível em < >, Acesso em: 09/2004. X3D, 3D Extensible. Disponível em < Acesso em: 09/2004. XML, Extensible Markup Language. (2004) Disponível em < Acesso em: 08/2004.