Sistema de Realidade Virtual e Realidade Aumentada de baixo custo

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1 Sistema de Realidade Virtual e Realidade Aumentada de baixo custo Marcelo de Paiva Guimarães 1 Bruno Barberi Gnecco 2 Resumo: Este capítulo visa apresentar soluções de baixo custo para o desenvolvimento de aplicações de Realidade Virtual e Realidade Aumentada com alto grau de imersão e interação. Discutem-se os desafios de implementação destes sistemas, desmistificando a reputação de serem caros e complexos. Mostra-se uma visão geral da especificação, instalação e configuração de vários sistemas computacionais, como dos multiprocessados e dos aglomerados de computadores (clusters). Por fim, mostra-se exemplos de aplicações desenvolvidas. Abstract: This chapter intends to present low cost solutions for developing Virtual Reality and Augmented Reality applications with a high degree of immersion and interaction. We discuss the challenges of implementing these systems, demystifying their popular reputation of being expensive and complex. We give an overview of how to specify, install and setup several computer systems, such as multicores and clusters. Last, but not least, we present examples of applications. 1 Centro Universitário Adventista de São Paulo e Faculdade de Campo Limpo Paulista. {marcelodepaiva@gmail.com} 2 Corollarium Tecnologies {brunobg@corollarium.com}

2 1 Introdução A necessidade de ambientes de Realidade Virtual (RV) e de Realidade Aumentada (RA) de baixo custo é clara para todos. O uso de poucos recursos financeiros nos projetos facilita a implementação efetiva destes, tanto em laboratórios e em empresas quanto para usuários finais. Mesmo com baixo custo é importante que tais soluções atendam os requisitos específicos da área, como, por exemplo, a geração de imagens com alta qualidade em um tempo mínimo, assim como os requisitos gerais, como: suporte a novas tecnologias, tolerância a falhas, reusabilidade e manutenibilidade. Avanços tecnológicos da última década, como o aumento do desempenho dos processadores e os novos tipos de dispositivos de interação, aliados a diminuição dos preços dos produtos envolvidos, são os principais fatores que estão permitindo que a RV e a RA sejam desenvolvidas com baixos orçamentos. De maneira geral, dois pontos devem ser analisados na busca de tais soluções: o primeiro é a parte física, que inclui telas de projeção, câmeras, computadores e instalações em geral; e o segundo, é a parte lógica que envolve as ferramentas de modelagem e os outros softwares. Os maiores gastos geralmente se referem a parte física, pois a maioria dessas aplicações exigem produtos específicos. Os gastos referentes aos softwares geralmente são baixos ou inexistentes, pois existem diversas soluções gratuitas disponíveis. Existem também soluções em que o software realiza as mesmas tarefas de hardware específicos, mas são poucas, como é o caso do Softgenlock [1], que faz o a sincronização do tipo genlock, que geralmente é feita pelas placas gráficas. Este capítulo mostra soluções que permitem a construções de ambientes imersivos e interativos, desmistificando a reputação que a RV e RA são complexas e caras. É importante notar que quanto maior o grau de imersão e interação, maiores os custos. RV e RA estão acessíveis a todos. Isto é válido mesmo para ambientes de multiprojeção formados por aglomerados (clusters) de computadores com estereoscopia. Ambientes como estes podem ser construídos por desenvolvedores com um conhecimento mínimo da área. 2 Parte física A seguir são abordados os diversos pontos da parte física que devem ser considerados. 2.1 Soluções de processamento A interatividade e a geração de imagens das aplicações de RV e RA respeitando um limite de tempo requerem que um desempenho de processamento adequado para o problema. Por exemplo, as aplicações de multiprojeção precisam ser capazes de receber uma entrada, processar os dados, e produzir uma saída (para vários projetores ou monitores), mais de 15 vezes por segundo (preferencialmente 30 vezes, sem estereoscopia). Se a aplicação for estereoscópica, a taxa de atualização de quadros sobe para no mínimo 60 por segundo, sendo

3 preferencialmente 120, pois para cada olho do usuário deve ser gerada uma imagem diferente. As aplicações de RV utilizavam tradicionalmente sistemas multiprocessados específicos, como, por exemplo as Silicon Graphics (SGI). O custo destes sistemas computacionais voltados para a área é alto, o que inviabiliza o uso destes por muitos. Porém, atualmente os computadores pessoais são suficientemente poderosos para serem usados para aplicações gráficas complexas, especialmente com a disponibilidade de placas de vídeo aceleradoras com suporte a primitivas 3D. As últimas tecnologias lançadas para estes computadores, como CPUs multi-core, têm também proporcionado muitos avanços. Contudo, deve-se estar atento à programação, pois esta deve ser feita de tal maneira que realmente usufrua destes recursos. Uma das soluções que tem sido utilizada largamente são os clusters de computadores pessoais, que unem o poder de processamentos destes computadores com os avanços das redes e criam ambientes de RV equiparável ou mesmo superior aos sistemas multiprocessados específicos para a área gráfica. O princípio por trás do uso destes clusters está na divisão da tarefa total em outras tarefas menores, que são distribuídas entre os nós, e, quando terminado seu processamento, realizam a sincronização das informações obtidas. O sucesso de clusters na RV é demonstrado largamente na literatura [2]. O mesmo princípio de utilização de clusters para RV é válido também para RA. Porém, a maioria das aplicações de RA exige um menor poder de processamento do que as aplicações de RV. Sendo assim, a capacidade computacional dos computadores pessoais com placas aceleradoras 3D são geralmente suficientes para estas aplicações. 2.2 Soluções de dispositivos de interação A interação com os mundos virtuais é realizada geralmente por intermédio de dispositivos como luvas, trajes, mouse, joystick e rastreadores. Os dispositivos convencionais são pouco práticos para algumas aplicações de RV e RA, provendo uma forma não intuitiva de manipulação do mundo e restringindo o usuário a uma mesa fixa e entradas bidimensionais. Porém, boa parte os dispositivos convencionais são suficientes para várias aplicações. Além disso, alguns meios de interação que são de baixo custo financeiro podem substituir as funcionalidades dos dispositivos não convencionais, como o uso de câmeras no lugar de trackers. Um outro recurso que também pode ser usado é a voz. Esta tem a vantagem de liberar as mãos e braços para outras tarefas. 2.3 Estereoscopia A estereoscopia é um dos recursos da RV e RA que influenciam diretamente na sensação de imersão dos usuários. Um sistema bastante simples consiste em uma única tela, com estereoscopia passiva, controlada por um único computador. Por usar estereoscopia passiva, usa-se dois projetores. Nestes sistemas as imagens do par estéreo são superpostas, e

4 utiliza-se óculos com um filtro passivo. Um dos métodos é filtrar por cor, conhecido como anaglifo. A imagem correspondente ao olho direito é desenhada na cor vermelha, enquanto a do olho esquerdo usa a cor azul, por exemplo. Para a visualização, os usuários utilizam óculos bi-cromáticos que possuem uma lente vermelha no olho direito e uma azul no olho esquerdo. As lentes dos óculos atuam como filtros, o que faz com que cada olho enxergue apenas a imagem correspondente, gerando o efeito estéreo. Os óculos bi-cromáticos são de baixíssimo custo. Esta solução não é adequada para usuários com daltonismo. Outra forma de separar as imagens é utilizar filtros polarizadores de luz. Os usuários utilizam óculos com polarização para a visualização do mundo virtual. As lentes destes óculos possuem filtros de polarização oposta um para o olho direito e outro para o esquerdo. Em cada projetor é colocado um filtro polarizador, garantindo, então, que a informação correta passe pelo filtro correspondente nos óculos. Os filtros são rotacionados de tal forma que a polarização da luz dos projetores tem orientações defasadas de 90º. As lentes polarizadoras dos óculos possuem orientações coincidentes com os filtros dos projetores. Assim, as projeções dos dois projetores são feitas sobrepostas na tela (que preserva a polarização da luz incidente, na reflexão). Desta forma, cada olho enxerga apenas a imagem projetada por um dos projetores, gerando o efeito estéreo. É preciso garantir que a superfície usada para projeção mantenha a polarização da luz. Existem telas fabricadas especialmente para este fim, mas existem também tintas de baixo custo, que são encontradas facilmente nas lojas de tintas, que podem ser utilizadas para pintar a superfície de projeção. 2.3 Soluções para a construção das telas de projeção Os dispositivos de projeção tem como objetivo produzir uma imersão visual do mundo virtual. Quanto maior o campo de visão do usuário é maior será o grau de imersão. Para isso, é necessário então a construção de sistemas de multiprojeção. Sistemas de baixo custo com duas ou até três telas estão disponíveis na literatura [2,3]. Esses sistemas não oferecem uma imersão completa como uma Caverna Digital (CAVE), entretanto são capazes de realizar a maioria dos experimentos executados em um laboratório de RV e RA. A primeira solução é o uso de telas planas ou de curvatura pequena. Se for sem estereoscopia, pode-se utilizar uma parede de cor branca. Nestas telas o usuário é capaz de visualizar toda a simulação simultaneamente. Esta disposição é muito usada em centros de controle, ou em locais onde se precisa de telas grandes com resolução que não pode ser alcançada por um único projetor. O sistema planar apresentado do Unasp (seção 4.3) é um exemplo. Outra solução é a construção de telas do tipo quina, que pode ser um canto de uma parede. Os ambientes do tipo quina oferecem uma maior imersão do que as planas, pois os usuários se sentem envolto pelo ambiente virtual, como é o exemplo do estudo de caso CaveUT (seção 4.1).

5 3 Parte lógica Existem diversos pacotes de software voltados para a implementação de aplicações de RA e RV, sendo que a maioria deles podem ser executados em computadores pessoais. 3.1 Ferramentas de modelagem Existem diversos pacotes de software voltados para a implementação de aplicações de RV e RA, sendo que a maioria deles podem ser executados em computadores pessoais. Um exemplo de ferramenta sem custo que pode ser utilizada é o Blender, que é um software (editor gráfico) de modelagem e animação 3D, que está sob a licença GNU-GPL. Ele oferece uma gama enorme de recursos e funcionalidades para criação de objetos 3D, renderização de cenas, animação com um editor de vídeo integrado e pós-produção, tudo em um único ambiente de trabalho. Ele está disponível para várias plataformas, como Microsoft Windows, Mac OS X, GNU/Linux, IRIX, Solaris, FreeBSD, SkyOS e MorphOS. Esta ferramenta high-end fornece funcionalidades similares às encontradas em softwares comerciais como XSI, Cinema 4D, 3D Studio Max e Maya. 3.2 Ferramenta para o desenvolvimento das aplicações de RV e RA Existem diversas ferramentas disponíveis sem nenhum custo, como é o exemplo: Panda-3D, OGRE (Object-oriented Graphics Rendering Engine), OpenSceneGraph (OSG), OpenSG, Irrlicht, Crystal Space, VRJuggler, ARToolkit e ARToolkit Plus [4]. Estas ferramentas têm evoluído constantemente, cada vez mais oferecem um maior realismo gráfico, suporte a formas mais avançadas de animação e programabilidade por meio de scripts. As voltadas especificamente para RA têm cada vez mais adquirido maior velocidade de processamento e maior estabilidade no reconhecimento de objetos. Sendo que tudo isto sem custos. Um ambiente de desenvolvimento ideal é aquele que além de resolver os problemas pertinentes às aplicações de RV e RA atenda os requisitos básicos de software. Porém, ainda não existe uma ferramenta com todas estas características. 4 Exemplos de sistemas de baixo custo Na literatura é possível encontrar diversos relatos de sistemas desenvolvidos com poucos recursos financeiros. Nota-se que a criatividade dos desenvolvedores é o principal diferencial destas soluções. Algumas delas foram construídas apenas para serem prova de conceito, outras para ensino e outras para diversão.

6 4.1 Building Virtual Worlds O projeto Building Virtual Words, que foi iniciado em 1996, é uma matéria interdisciplinar da Universidade Carnegie Mellon na qual os grupos devem construir mundos virtuais interativos em duas semanas. O ponto chave deste projeto é a criatividade dos estudantes, pois todos devem usar os mesmos softwares (Maya, Photoshop,Adobe e Panda3D) e hardwares (Head-Mounted Display e um tracker eletromagnético). Após a criação, o resultado é apresentado para todos. Como resultado, diversos mundos já foram criados. São diversos pontos que merecem destaque neste projeto, inicialmente os poucos recursos utilizados. Nota-se que os softwares pagos utilizados podem ser substituídos por outros gratuitos, como, por exemplo, ao invés de se utilizar o Maya pode-se utilizar o Blender. Eles utilizam a engine Panda-3D, que é gratuita e tem uma curva de aprendizagem baixa. Quanto ao hardware, eles utilizam um Tracker eletromagnético. Este equipamento é de alto custo, porém em diversas situações pode ser substituído por um sistema construído por câmeras. Outros pontos que devem ser ressaltados é a quantidade projetos implementados e a integração que este projeto resulta nos alunos. Projetos como este podem ser realizados nas universidades que oferecem um curso de computação com baixo custo. A Figura 1(a) mostra um exemplo no qual o usuário navega em um rio e os movimentos do remo são monitorados pelo tracker. O usuário usa um HMD para visualizar o ambiente. Na Figura 1(b), utilizando o mesmo hardware, o usuário voa em um dragão, que é direcionado conforme os movimentos da lança. Estes dois projetos poderiam ser feitos sem o tracker, para isto bastaria a utilização de câmeras convencionais para realizar a detecção dos movimentos do remo e da lança. (a) Figura 1 Building Virtual Worlds (b) 4.2 Cave-UT Jacobson [3] desenvolveu um ambiente portátil de multiprojeção monoscópica composta por duas ou mais telas. O custo do software é cerca de $50 pelo e nada pelo CaveUT. O hardware utilizado são computadores pessoais e projetores convencionais. O sistema de

7 renderização é o Unreal Tournament (UT), que é uma engine popular, que foi modificada dando origem a CaveUT. A Figura 2(a) mostra a configuração do ambiente para uma projeção em Quina. A Figura 2(b) apresenta uma projeção do CaveUT em um PowerWall curvado, composto por 3 telas. (a) 4.3 Mini-cave do UNASP Figura 2 - CaveUT O Centro Universitário Adventista de São Paulo (UNASP) tem um laboratório de RV e RA no qual está disponível um sistema de multiprojeção no formato de Quina (Figura 3(a)) e PowerWall (Figura 3(b)). Este projeto foi construído com um cluster composto por dois computadores pessoais e dois projetores. Para estereoscopia passiva utilizam-se estes dois projetos e uma lente polarizada. (b) (a) (b) Figura 3 Sistema de Multiprojeção do UNASP

8 5 Conclusões O desenvolvimento de ambientes de RV e RA tem sido contínuo, e estes tendem a se tornar cada vez mais sofisticadas e completas. Constantemente estão surgindo hardwares cada vez mais sofisticados, como novos trackers, joysticks e com câmeras.do ponto de vista de software, os algoritmos estão sendo aperfeiçoados, com melhora do desempenho, da qualidade de reconhecimento de padrões em RA e da qualidade de imagem final gerada; há também maior suporte a problemas específicos da área, como renderização estereoscópica ou deformada, suporte transparente a dispositivos de entrada e a computação distribuída. Com a maior disponibilidade softwares e hardwares, menor custo e maior uso pelos pesquisadores, a montagem de ambientes para RV e RA tem se tornado mais fácil, já que o desenvolvimento de técnicas, produtos e sistemas por outros pesquisadores é reaproveitado. Equipamentos de RV e RA estão com custo acessível a qualquer entidade com um mínimo de verba disponível, sendo acessível até mesmo a alguns usuários caseiros. As ferramentas hoje permitem que, com um pouco de criatividade e empenho em desenvolvimento, um sistema original e estado da arte seja implementado, para a realização de pesquisas úteis e inéditas. A evolução dos sistemas na última década é impressionante - enquanto há dez anos havia pouquíssimas soluções para RV e RA, sempre de alto custo, hoje há uma gama de soluções disponíveis sob licenças de custo baixo ou zero. Essas soluções permitem montar sistemas rapidamente, sem a necessidade de especialistas nem de grandes orçamentos. 6 Referências [1] J.Allard,V. Gouranton,G. Amarque, E. Melin, B. Rafin. Softgenlock: Active Stereo and Genlock for PC Cluster. IPT/EGVE'03 Workshop. May. Zurich. Switzerland [2] Guimarães, M. P. Um ambiente de desenvolvimento de aplicações de Realidade Virtual baseadas em aglomerados gráficos. Tese de doutorado. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Dezembro [3] J.Jacobson. Using Cave UT to Build Immersive Displays With the Unreal Tournament Engine and a PC Cluster.Symposium on Interactive 3D graphics table of contents. Monterey, California [4]Kirner,C & Siscouttto. Realidade Virtual e Aumentada. Conceitos, Projeto e Aplicações. Livro do Pré-Simpósio. IX Symposium on virtual and Augmented Reality. Petrópolis. RJ. 28 de maio de 2007.