Desenvolvimento de Ambiente de Realidade Virtual de Baixo Custo baseado em Realidade Aumentada

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1 Desenvolvimento de Ambiente de Realidade Virtual de Baixo Custo baseado em Realidade Aumentada Christopher Shneider Cerqueira 1 e Claudio Kirner 2 1 Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) Concentração de Engenharia e Gerenciamento de Sistemas Espaciais 1,2 Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI) Departamento de Matemática e Computação 1 christophercerqueira@gmail.com, 2 ckirner@gmail.com Resumo Realidade virtual é um tipo de interface com usuário que tem um alto custo de utilização e devido a isso é pouco utilizado. Este artigo apresenta a utilização de realidade aumentada como forma de criar ambientes de realidade virtual, devido ao baixo custo de rastreio e interação e a utilização de uma estrutura física simples que pode ser reutilizada e distribuída para gerar outras aplicações. Palavras-chave: realidade aumentada, realidade virtual, artefatos I. INTRODUÇÃO Realidade Virtual (RV) foi o primeiro tipo de interface tridimensional (3D) a permitir interação natural com elementos renderizados em monitores, projetores ou via HMD (Head Mounted Displays). Para interagir com os elementos virtuais eram utilizados hardwares específicos como luvas, mouses 3Ds, equipamentos hápticos. Realidade Virtual pode ser definhada como interface computacional avançada que possui simulação em tempo real e interações através de canais multissensoriais [1] e interface computacional que permite interação a usuários, em tempo real, num mundo tridimensional gerado por computador, usando seus sentidos via equipamentos apropriados [2]. Uma das propriedades do uso de Realidade Virtual é o grau de imersão. A imersão é a colocação do usuário num ambiente em que ele se envolve numa sensação de mergulho e dissolução das funções do ambiente real [3]. Quando o usuário é parcialmente inserido num mundo virtual isto é chamado de não-imersivo, porém quando o usuário é totalmente inserido, esta realidade virtual é chamada de imersiva. RV não-imersiva é atingida utilizando monitores, e projetores, onde há pontos onde o usuário ainda mantém ligação com o mundo real. RV imersiva é atingida com HMDs, dispositivos multissensoriais e cavernas (CAVEs). Cavernas são ambientes multiusuários, num espaço de um cômodo, onde vídeo 3D e áudio 3D em todas as direções compõem uma realidade alternativa [4]. A Figura 1, da Caverna Digital [5], exemplifica o resultado de uma caverna. Figura 1. Caverna Digital da USP Apesar da utilização de caverna ser uma solução interessante para a imersão ela esbarra nas dificuldades, sejam elas físicas, computacionais ou dos altos custos envolvidos. [4] [6] Outra tecnologia de interface tridimensional é a Realidade Aumentada (RA), segundo Azuma [7] [8], Realidade Aumentada é um sistema que permite ao usuário ver o mundo real com objetos virtuais sobrepostos. Uma definição mais atualizada diz que realidade aumentada é uma interface baseada na combinação de elementos gerados por computador com o mundo real, gerado por dispositivos tecnológicos e utilizando interações naturais com o mundo real [2]. Na Figura 2 há um exemplo de um artefato simples de baixo custo, desenvolvido a partir de isopor e potencializado com RA para a construção de um jogo de perguntas e respostas [9]. Figura 2. Exemplo de Realidade Aumentada.

2 Assim, este artigo, motivado pela busca de soluções alternativas para construção de sistemas atualmente de custo elevados de desenvolvimento de infraestrutura, propõe o desenvolvimento de artefatos de baixo custo que possam, de forma simplificada, substituir a utilização de cavernas, como a construção tradicional propõe, por estruturas baseadas em elementos de baixo custo que possam ser potencializados com RA para compor um mundo virtual, não só de maneira imersiva, mas também interagindo do lado externo da estrutura. O projeto deste artigo proposita-se para a disseminação desta tecnologia para centros que não tem o recurso necessário para construção de cavernas, mas tem o interesse de uso para agregar valor às suas atividades culturais e educativas, observando-se também que de forma a construir a caverna simplificada ocorrem limitações. II. TRABALHOS CORRELATOS Ambientes de RV geralmente utilizam cavernas para a imersão do usuário, projetos como ARCave [10] e PocketCave [11] utilizam sistemas similares ao VT-Cave. Composto por quatro, cinco ou seis paredes da ordem de 3m x 3m, onde são projetados os conteúdos virtuais (Figura 3). Um segundo tipo de construção é a utilização de um cilindro translúcido, onde espelhos são utilizados para refletir as projeções do mundo virtual (Figura 5). Este tipo de estrutura é apresentado pelo projeto do Institute for Production Management and Logics da University of Applied Sciences de Munique. [13] Figura 5. Estrutura de caverna cilíndrica Ambos os sistemas requerem grandes ambientes e caras instalações. O gerenciamento das projeções e interações é executado por um grid de computadores. Assim os sistemas de RV podem constituir duas categorias: fixos, utilizando cavernas, power walls ou simples monitores e móveis, utilizando HMDs que acompanham o movimento da cabeça do usuário. Figura 3. Componentes da VT-Cave III. SISTEMA CENTRALIZADO NO USUÁRIO Em sistemas de RV o usuário é computacionalmente passivo no sistema. Um grid computacional é responsável por capturar as entradas de interação do usuário, processar e prover o feedback, seja este áudio, vídeo ou hápticos (Figura 6). O trabalho da ARCave utiliza uma caixa de comandos baseadas em RA onde o usuário manipula o mundo real através de marcadores fiduciais [12], mostrando o potencial da integração de RA na interação com RV (Figura 4). Figura 6. Exemplo de um sistema de realidade virtual Figura 4. Interface de interação de RA usada em ambiente de RV. RA, no entanto, mantém no usuário a capacidade de analisar, processar e retornar o feedback. Desta forma ao usuário está atrelado algum sistema computacional que capture dados de sensores (visuais ou físicos), processa e

3 monta a informação. A figura 7 ilustra a construção básica dos sistemas de realidade aumentada. Figura 7. Exemplo dos sistemas que compõem uma aplicação de Realidade Aumentada. Centralizando o poder computacional em equipamentos que são levados pelo usuário (sistemas móveis) [14], como a tendência do mercado induz com a utilização de celulares, tablets e outros dispositivos vestíveis [15], possibilita criar ambientes virtualmente ricos sem utilizar um complexo sistema de realidade virtual e com custo reduzido. Desta forma a mesma instalação de RV pode ser simplificada utilizando o próprio equipamento portado pelo usuário, ilustrado na figura 8. Um sistema de baixo custo, onde o usuário esteja com o poder computacional centralizado; Utilizar Realidade Aumentada para produzir um ambiente de Realidade Virtual simplificado; A utilização de materiais de baixo custo, reciclando itens disponíveis. O tema da aplicação demonstrativa é museu, criar um ambiente de exibição de obras, criando a movimentação de salas, sensível ao toque e disponibilizar essa aplicação para que seja reutilizável para outros tipos e temas de exibições. O exemplo do mapa interativo utilizado neste artigo está ilustrado na Figura 9. O Ambiente 1 é o inicio da visita, consiste numa sala com portas virtuais para navegar entre os ambientes. Os Ambientes 2, 3, 4 e 5 contêm conteúdos específicos, respectivamente: fotos de animais, fotos do espaço, quadros, e elementos matemáticos. O Ambiente 6 ilustra a possiblidade de um detalhamento do ambiente. Figura 8. Exemplo de sistema centralizado no usuário Assim, nesta configuração o usuário é computacionalmente ativo no ambiente virtual. Ao invés de um sistema computacional permanentemente montando todas as informações ao redor do usuário, o sistema computacional acoplado ao usuário se preocupa com a informação para onde o usuário está olhando. Esta é uma das características de realidade aumentada, onde a mesma deve manter constante correlação dos modelos virtuais com a realidade tridimensional, em tempo real [8]. IV. DESENVOLVIMENTO O desenvolvimento foi realizado em três etapas: Definição da ideia; Pesquisa e desenvolvimento de conteúdo; Design das estruturas; Design do comportamento; Testes. A. Definição da ideia Nesta fase de concepção é onde ocorre o mapeamento da ideia, conhecendo como deve parecer e funcionar o seu sistema. Nesta aplicação foi desejado: Figura 9. Mapa exemplo do ambiente B. Pesquisa e desenvolvimento de conteúdo Nesta fase é pesquisado e/ou desenvolvido o conteúdo necessário para a criação do contexto da aplicação. Para criar os ambientes foi necessária uma definição dos tipos de conteúdo. Foram definidos quatro ambientes básicos e mais um ambiente de detalhamento. Assim a Figura 10 ilustra os conjuntos de imagens utilizados em cada ambiente. Figura 10. Possibilidade de quadros.

4 Nos cantos sem elementos foi utilizada uma parede em branco e na movimentação entre Ambientes uma porta, como ilustrado na figura 11. Tanto na porta quanto na parede serão implementados respectivamente: comportamento para navegação e acionamento das informações. Figura 11. Espaço com a porta e com a parede vazia, contendo os pontos de colisão. C. Design das estruturas Nesta fase foram desenvolvidas as estruturas físicas e lógicas. As estruturas físicas consistem na utilização de matérias de baixo custo, consistindo neste protótipo de: Um guarda-chuva; Marcadores de realidade aumentada [16] fixados em placas de isopor; Folhas de papel para encaixar os marcadores no guarda-chuva A Figura 12 exibe uma foto da estrutura física numa visão lateral e a Figura 13 numa visão inferior, ambas sem exibir a camada virtual. Note que os marcadores são todos diferentes. Figura 13. Visão inferior da estrutura física. Para utilização deste sistema foi usado um sistema de visualização de primeira pessoa baseado em câmera e num óculos de realidade virtual, conectado a um computador (Fig.14) [17]. Neste protótipo foi utilizado um sistema de visualização de primeira pessoa montado com uma câmera 3D da Minoru [18] e um óculos de visualização individual da Vuzix [19], porém poderiam ser utilizados outros dispositivos, como tablets ou celulares. Figura 14. Equipamento utilizado. Figura 12. Visão lateral da estrutura física. A estrutura lógica é a camada virtual que é posicionada sobre a estrutura física, interligada pelo marcador, e esta camada virtual possui dois padrões para esta aplicação: porta e a parede. A estrutura lógica da porta só possui um ponto de colisão onde o usuário pode passar para outro ambiente, e a estrutura da parede contém quatro pontos, sendo um deles para posicionamento do objeto em exibição, dois (A e B) para habilitar narrações de áudio e o último (C) para habilitar algum detalhamento extra (Fig. 15).

5 Figura 15. Pontos de colisão, marcadores e objetos da cena. Para a criação da camada lógica, bem como o comportamento dos componentes virtuais, foi utilizado o software de autoria basar (Behavioral Authoring System for Augmented Reality) [20]. D. Design do comportamento Na fase de definição do comportamento, foi definido o grafo de atitudes de cada estado, especificando o funcionamento dos pontos disponíveis em cada marcador. Começando de um Ambiente Inicial 1, este ambiente contém somente paredes vazias e portas; as paredes vazias não tem nenhum ponto de ação e o modelo de quadro está desabilitado, nas portas tem um ponto de ação disponível para sair do ambiente e entrar no próximo. Os Ambientes 2, 3, 4, 5 e 6 são compostos por portas, paredes vazias e paredes com modelos. Nas paredes com modelos, de acordo com o ambiente, é exibido um elemento da exposição. A programação do comportamento foi realizada na estrutura de máquinas de estados disponibilizada pelo basar-al (Authoring Language) [21]. A Figura 16 ilustra um grafo simplificado dos possíveis caminhos da aplicação. E. Testes Alguns testes com alguns usuários foram executados, qualitativamente foram observados sugestões quanto a aplicação em si: os comentários envolveram a utilização de objetos simples, e de temáticas pouco relevantes, contudo, acredita-se que este trabalho tem caráter de proposição da estrutura e não do tema da exposição. Os comentários que avaliaram a estrutura física e o hardware, apontando a dificuldade de colisão dos marcadores e a dificuldade das instituições em conseguir os recursos necessários para a implantação de um sistema de realidade aumentada com HMD, contudo, concordaram com o fato de este sistema ser muito mais barato do que os ambientes de realidade virtual apresentados. Observaram a possibilidade de ao invés de guarda-chuvas utilizarem uma estrutura montada de madeira com os marcadores pendurados. A Figura 17, 18 e 19 apresentam exemplos de aplicação do ponto de vista da câmera. Figura 17. Exemplo de duas paredes sem objetos. Figura 18. Exemplo de uma parede com porta e a parede seguinte vazia. Figura 16. Grafo simplificado.

6 Figura 19. Exemplo de uma parede com porta e a parede anterior com uma figura. A Figura 20 apresenta uma sequência de fotos da aplicação sendo utilizada. Figura 20. Testes de utilização, vistas externas ao sistema. V. CONCLUSÕES Este artigo propôs a construção de um mundo de realidade virtual baseando-se em componentes de realidade aumentada, simplificando alguns requisitos, como: Criação do ambiente físico, simplificado pelo uso de uma estrutura alternativa reciclada de um guarda-chuva e o uso de isopor e folhas de papelpara fixação dos marcadores. Utilização de marcadores para o rastreio do ângulo de visão do usuário assim como método de interação. Utilização de software de autoria gratuito, que possibilita reconfiguração das aplicações. Este fator facilita a reutilização da estrutura desenvolvida para a aplicação em outras exposições. Com este trabalho esperou-se os objetivos: Expor o potencial da realidade aumentada aplicada na construção de ambientes de realidade virtual. Simplificação na construção de ambientes de realidade virtual. Fácil distribuição da aplicação. Como trabalhos futuros, propõe-se o desenvolvimento de uma interface gráfica para criação simplificada dos mundos, colocando as figuras ou objetos das paredes e a construção do mapa do museu, de forma a gerar o comportamento das máquinas de estados e a hierarquia de objetos nos arquivos automaticamente. Outras observações dos testes, que serão observados em trabalhos futuros, são a utilização de uma estrutura física maior, e com uma maior quantidade de marcadores, e a possibilidade de virar a câmera para cima (apena vendo o topo da estrutura), somente para realizar o rastreio da cabeça e a utilização do Microsoft Kinect para realizar a movimentação e interação. REFERÊNCIAS [1] G. C. Burdea e P. Coiffet, Virtual Reality Technology, New York: John Wiley & Sons, Inc. [2] C. Kirner, Prototipagem Rápida de Aplicações Interativas de Realidade Aumentada, em Tendências e Técnicas em Realidade Virtual e Aumentada, Uberlândia, SBC, [3] D. Domingues, Realidade Virtual e a imersão em caves, Conexão - Comunicação e Cultura UCS, vol. 3, n. 6, pp , [4] University of Illinois, What is a CAVE?, University of Illinois, [Online]. Available: [Acesso em ]. [5] USP, Realidade Virtual, USP, [Online]. Available: [Acesso em ]. [6] D. J. Sandin, T. A. Defanti e R. V. Kenyon, Visual Requirements for virtual environment generation, In Society of Information Display International Symposium (SID 95}, vol. 3, pp , [7] R. Azuma, Y. Baillot, R. Behringer, S. Feiner, S. Julier e B. MacIntyre, Recent advances in augmented Reality, IEEE Comput. Graph. Appl, vol. 32, n. 6, pp , [8] R. T. Azuma, A survey of augmented reality, Presence: Teleoperators and Virtual Environments, vol. 6, n. 4, pp , [9] C. Kirner, C. S. Cerqueira, T. G. Kirner e F. Flauzino, Design of a Cognitive Artifact based on Augmented Reality to Support Multiple Learning Approaches, em EdMedia World Conference on Educational Media and Technology, Denver, [10] S. Kim, AR-Cave, em 3td ICARA - International Conference on Autonomous Robots and Agents, Wellington, [11] ARTECNO RESEARCH GROUP, Pocket Cave, Laboratory - NTAV, [Online]. Available: [Acesso em ]. [12] V. Teichrieb, Realidade Virtual e Aumentada - Conceitos básicos de realidade aumentada, [Online]. Available: ealidadeaumentada_interacaoapresentacaoautoria_ pdf. [Acesso em ]. [13] Institute for Production Managment and Logistics, Manual for the construction of a virtual reality cave, [Online]. Available: _construction_manual_en.pdf. [Acesso em ]. [14] M. Weiser, The computer for 21st century, em ACM SISGMOBILE Mobile Computing and Communications Review, [15] Google, Project Glass, Google, [Online]. Available: [Acesso em ]. [16] H. Kato e M. Billinghurst, Marker tracking and HMD calibration for a video-based augmented reality conferencing system, em Proceedings of the 2nd IEEE and ACM International Workshop on Augmented Reality, Washington, [17] C. S. Cerqueira, Low Cost Equipment for First Person Augmented Reality Systems, em Anais do VII Workshop de Realidade Virtual e Aumentada, São Paulo, [18] Minoru, Minoru 3D, Minoru, [Online]. Available: [Acesso em ]. [19] Vuzix, Wrap 310, Vuzix, [Online]. Available: [Acesso em ]. [20] C. S. Cerqueira e C. Kirner, Developing Educational Applications with a Non-Programming Augmented Reality Authoring Tool, em Proceedings of World Conference on Educational Multimedia, Hypermedia and Telecommunications, Denver, [21] basar Development Team, basar, [Online]. Available: [Acesso em ]