Utilização de Técnicas de Realidade Virtual na Simulação de Ambientes Virtuais Multidisciplinares Interativos. Estudo de caso: Aquecimento Global

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS UFG CAMPUS CATALÃO CaC DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO DCC Bacharelado em Ciência da Computação Projeto Final de Curso Utilização de Técnicas de Realidade Virtual na Simulação de Ambientes Virtuais Multidisciplinares Interativos. Estudo de caso: Aquecimento Global Autora: Andréa Alves da Costa Orientador: Márcio Antônio Duarte Catalão

2 Andréa Alves da Costa Utilização de Técnicas de Realidade Virtual na Simulação de Ambientes Virtuais Multidisciplinares Interativos. Estudo de caso: Aquecimento Global Monografia apresentada ao Curso de Bacharelado em Ciência da Computação da Universidade Federal de Goiás Campus Catalão como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Ciência da Computação Área de Concentração: Computação Gráfica Orientador: Márcio Antônio Duarte Catalão

3 da Costa, Andréa A. Utilização de Técnicas de Realidade Virtual na Simulação de Ambientes Virtuais Multidisciplinares Interativos. Estudo de caso: Aquecimento Global/Márcio Antônio Duarte- Catalão Número de páginas: 51 Projeto Final de Curso (Bacharelado) Universidade Federal de Goiás, Campus Catalão, Curso de Bacharelado em Ciência da Computação, Palavras-Chave: 1. Realidade Virtual. 2. Ambientes Virtuais. 3. Aquecimento Global

4 Andréa Alves da Costa Utilização de Técnicas de Realidade Virtual na Simulação de Ambientes Virtuais Multidisciplinares Interativos. Estudo de caso: Aquecimento Global Monografia apresentada e aprovada em Pela Banca Examinadora constituída pelos professores. de Márcio Antônio Duarte Presidente da Banca Alexsandro Santos Soares Luanna Lopes

5 Dedico este trabalho em especial aos meus pais e toda a minha família que sempre me deram força e apoio nos estudos e me ajudaram a superar as dificuldades para que pudesse alcançar os meus objetivos.

6 AGRADECIMENTOS Em primeiro lugar agradeço a Deus, pelos dons me dados, os quais foram essenciais para que eu chegasse aonde cheguei. Aos meus pais, Oly-Mar e Maria de Fátima, pela base, pela educação, pelo companheirismo, pela força, pela credibilidade e pelo apoio. Aos meus irmãos Daniela, Carolina e Oly-Mar, meu muito obrigada. Ao meu sobrinho Matheus, que mesmo sem saber, é a minha força para todas as horas. Aos meus avós, por todo apoio dado durante todos meus anos de estudos. Aos colegas que por algum motivo não prosseguiram até o final do curso com a gente,mas que continuaram presentes em nossas vidas sempre nos motivando. A toda minha turma, pela união, força, disposição, que sempre tivemos durante todo o curso. Somos vencedores. Aos meus dois amigos que juntamente comigo formou o trio dinâmico, Fábio e Mirian, pela amizade, pelo apoio, pela união, pelos momentos de alegrias e também de tristezas compartilhados durante todo o curso, vocês foram fundamentais nessa minha caminhada. Além da Marcinha que se juntou a nós para aumentar esse laço de amizade. Aos demais amigos do curso, que sempre estavam presentes, seja para estudos, para festas ou para uma conversa, karla Gonçalves, Rosângela Alves, Lorena Texeira, entre tantos outros. Muito Obrigada! Aos meus amigos Ana Eloísa, Ana Olívia, Christiane, Jainer, Larissa e Vanessa por todo apoio, força, união e segurança transmitida. As professoras Luanna Lopes e Liliane Nascimento que estiveram sempre dispostas a ajudar. E aos demais professores pelos conhecimentos passados durante o curso. A professora Thaise kelly de Lima, pela disposição e ajuda, tirando algumas dúvidas, durante a realização deste trabalho. Ao meu professor e orientador Márcio Duarte, pela sua dedicação e disposição para comigo neste trabalho. A todos os meus familiares e amigos que direta ou indiretamente sempre me deram força para vencer mais essa batalha, que me mostraram a luz quando achava que havia somente escuridão, guiando-me sempre que preciso e sempre me aconselhando com as palavras certas nos momentos em que mais precisava. A todos vocês meus sinceros agradecimentos, muito obrigada...

7 O importante é estar pronto para, a qualquer momento, sacrificar o que somos pelo que podemos vir a ser. Charles Du Bois

8 RESUMO da COSTA, A. A. Utilização de Técnicas de Realidade Virtual na Simulação de Ambientes Virtuais Multidisciplinares Interativos. Estudo de caso: Aquecimento Global. Curso de Ciência da Computação, Campus Catalão, UFG, Catalão, Brasil, 2009, 51p. O desenvolvimento desse trabalho visa simular ambientes virtuais multidisciplinares que apresentem uma interação entre os elementos da biologia e da química para representar alguns impactos gerados pelo aquecimento global utilizando-se de métodos e técnicas de Realidade Virtual. Os ambientes são representados pelo cenário da biologia e outro pela química, os quais interagem por meio de trocas de informações que resultam em alterações no meio ambiente, sendo que a mudança em um ambiente causa impacto no outro. Para implementação destes ambientes foi utilizado técnicas como a X3D e para interação entre interfaces diferentes foi utilizada a SAI. Palavras-Chaves: Realidade Virtual, Ambientes Virtuais, Aquecimento Global i

9 Sumário 1 Introdução Motivação Objetivos Organização da Monografia Realidade Virtual Realidade Virtual: Histórico e Conceitos Dispositivos de Entrada e Saída (E/S) Dispositivos de Entrada Dispositivos de Saída Realidade Virtual Imersiva e Não Imersiva Áreas Relacionadas à RV Realidade Aumentada (RA) e Realidade Melhorada (RM) Aplicações de Realidade Virtual Educação Arquitetura Medicina Tratamento de Fobias Indústrias Entretenimento Aquecimento Global Introdução Consequências Globais e no Brasil Trabalho Desenvolvido e Tecnologias Utilizadas Introdução Vizx3d/ Vivaty Studio X3D e o Xj3D SAI (Scene Authoring Interface) ii

10 4.5 Java e Netbeans Arquitetura do Sistema Implementação Introdução Geração dos Ambientes Virtuais Ambiente Virtual da Biologia Ambiente Virtual da Química Aplicações Externas(Classes Java) AVbiologia AVquimica Resultados e Dificuldades Resultados Dificuldades Conclusão e Trabalhos Futuros Conclusão Trabalhos Futuros Referências 45 Apêndices 47 A Código Fonte 48 A.1 Classe AVquímica A.2 Classe AVbiologia A.3 Ambiente Virtual Química e Ambiente Virtual Biologia iii

11 Lista de Figuras 1.1 Imagem do filme Toy Store (Primeiro longa metragem em 3D, feito em 1995) Cartaz de divulgação do Sensorama Exemplo de um Simulador de Vôo da Varig Exemplo de Dataglove (Luva de dados) Exemplo de Capacete de Visualização Exemplos de CAVE Exemplo de aplicação em Realidade Aumentada Exemplo de aplicação em Realidade Melhorada para auxilio de remoção de tumores cerebrais Máquina de medir coordenadas Projeto Oscar Niemeyer Vida e Obra Sistema de assistência na remoção de tumor cerebral Aranha Virtual Visualização em tempo real do modelo de projeto de uma plataforma Ambiente do Second Life Efeito Estufa Ambiente Virtual da Biologia Ambiente Virtual da Química Gráfico Concentração CO2 x Variação Temperatura Janela Inicial do Vizx3D Perfis X3D Exemplo de arquitetura para um navegador X3D Grafo de cena representando uma Casa Arquitetura do Sistema Ambientes Virtuais sem Modificações Ambientes Virtuais após aumentar a concentração de CO2 pela 1 a vez Ambientes Virtuais após aumentar a concentração de CO2 pela 2 a vez Ambientes Virtuais após aumentar a concentração de CO2 pela 3 a vez iv

12 6.5 Ambientes Virtuais após aumentar a concentração de CO2 pela 4 a vez v

13 Lista de Tabelas 3.1 Possiveis impactos decorrentes do aquecimento global vi

14 Lista de Códigos Arquivo de cena codificado em XML Arquivo de cena codificado em VRML Clássico Bibliotecas importadas Código do método readablefieldchanged vii

15 Capítulo 1 Introdução 1.1 Motivação O aquecimento global refere-se ao aumento da temperatura média dos oceanos e do ar próximo a superfície da Terra, sendo em grande parte causado pela emissão em excesso de gases de estufa como: gás carbônico (CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O), os quais bloqueiam a saída de radiação solar, resultando assim no aumento da temperatura [Belmonte, 2006]. Segundo [Rocha, 2003], o IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)diz que os impactos econômicos, sociais e ambientais decorrentes do aquecimento global afetarão todos os países, porém, serão sentidos de maneira diferenciada. Uma forma que vem sendo muito utilizada para expressar fenômenos físicos é o uso das técnicas de Realidade Virtual (RV). No caso do aquecimento global, com o estudo de suas causas e consequências, os impactos decorrentes do aumento da temperatura podem ser melhores visualizados, por meio das técnicas de RV. A RV é uma subárea da Computação Gráfica e podemos definir a computação gráfica como um conjunto de ferramentas e técnicas para converter dados para um dispositivo gráfico ou de um dispositivo gráfico através do computador [Corrêa e Gomes, 2004]. Em 1950, foi quando desenvolveram o primeiro computador com recursos gráficos, chamado de Whirlwind I, o qual foi desenvolvido pela MIT. O Whirlwind foi usado para desenvolver o SAGE (Semi-Automatic Ground Enviroment), que é um sistema utilizado para monitorar e controlar vôos, e foi desenvolvido em 1955 [Cohen e Mansour, 2006]. O termo Computer Graphics (Computação Gráfica) surgiu em 1959 e foi denominado por Verne Hudson. Depois disso, foram feitas diversas pesquisas, outras publicações foram lançadas, novas técnicas criadas, algoritmos desenvolvidos, incremento de animações, entre outros, os quais ainda são utilizados atualmente [Corrêa e Gomes, 2004]. Podemos citar como exemplos que utilizaram técnicas de computação gráfica os se- 1

16 guintes filmes: Jurassic Park, Exterminador do Futuro 2, Toy Story, Shrek, entre outros. Na Figura 1.1 é apresentada uma imagem do filme Toy Store. Figura 1.1: Imagem do filme Toy Store (Primeiro longa metragem em 3D, feito em 1995) [Brown, 1999] A computação gráfica engloba algumas subáreas, entre elas [Azevedo e Conci, 2003]: Síntese de Imagens: considera a criação sintética das imagens, ou seja, as representações visuais de objetos criados pelo computador a partir das especificações geométricas e visuais de seus componentes. Processamento de Imagens: considera o processamento das imagens na forma digital e suas transformações. Análise de Imagens: considera as imagens digitais e as analisa para obtenção de características desejadas. Já a RV pode ser definida de forma simples, como sendo a forma mais avançada de interface entre usuário e o computador até agora disponível [Siqueira, 2005]. A RV permite que informações em um computador sejam manipuladas e visualizadas através de técnicas e artifícios que reproduz a realidade em outro meio. Através das técnicas de RV é possível a criação de ambientes virtuais interativos que representam disciplinas diferentes, a chamada multidisciplinaridade, que é a interação entre duas ou mais disciplinas, transferindo métodos de uma disciplina à outra. A implementação desses ambientes pode ser feita utilizando umas dessas linguagens: OpenGL (Open Graphics Library) é uma multi-linguagem destinada a produzir gráficos 3D com bastante realismo e é uma API (Application Programming Interface) gráfica. A OpenGL trabalha com bibliotecas, e não com dispositivos de entrada gráfica. É bastante utilizada no desenvolvimento de cenas tridimensionais complexas, e muito popular na indústria de vídeo-games [Tori et al., 2006b]. 2

17 VRML (Virtual Reality Moldelling Language ou Linguagem de Modelagem de Realidade Virtual) é uma linguagem interpretada utilizada para modelagem de objetos e ambientes tridimensionais na Web, com interação direta com o usuário através de sensores, interpoladores e criação de animações usando scripts. Nela pode-se navegar, ver objetos sob diversos ângulos e interagir com eles, característica mais marcante dessa linguagem [Bramorski e Marques, 1998]. É uma linguagem de fácil entendimento e que exige pouco esforço computacional. X3D (Extensible 3D) - É um padrão aberto para distribuição de conteúdo 3D, que combina geometrias e descrições de comportamento instantâneos em um simples arquivo que possui diversos formatos de arquivos disponíveis. O sistema proposto simula um ambiente virtual multidisciplinar interativo, o qual faz uso das técnicas de RV. Como exemplo prático da comunicação entre os ambientes, é apresentada uma interação entre os elementos da Biologia e da Química, tendo como resultado os impactos gerados pelo aquecimento global, que é o resultado da mudança em um ambiente e o seu impacto no outro. 1.2 Objetivos Este trabalho tem como objetivo principal o estudo de ambientes virtuais interativos entre si, onde façam troca de parametros interferindo nas cenas de um e outro. Para isto tem-se como objetivos secundários os seguintes itens: Estudo das linguagens de programação: VRML, X3D e Java; Estudo da API SAI; Estudo de técnicas de RV; Simular um pequeno impacto relativo ao aquecimento global para evidenciar o uso de ambientes distribuídos interativos; 1.3 Organização da Monografia O trabalho é composto por 7 Capítulos, onde o primeiro é a introdução. No Capítulo 2 é mostrado um pouco da história de RV, conceitos, tipos de dispositivos utilizados, tipos de realidade virtual: imersiva e não imersiva, áreas relacionadas a RV como a Realidade Aumentada e Realidade Melhorada, além de algumas aplicações de RV. No Capítulo 3 faz-se uma introdução ao assunto aquecimento global, como ele é causado, algumas consequências ambientais globais assim como também no Brasil, e uma 3

18 tabela com prováveis impactos ambientais, econômicos e sociais causados pelo aquecimento global. No Capítulo 4 é apresentado o trabalho, mostrando como os ambientes virtuais foram gerados, neste capítulo também são apresentadas as tecnologias utilizadas durante esse trabalho, que são o Vizx3D, Vivaty Studio, x3d, xj3d, SAI, Java e o NetBeans, além da arquitetura proposta e detalhes do processo. No Capítulo 5 é apresentada a implementação do Sistema. No Capítulo 6 são apresentados resultados e dificuldades encontradas. Por fim, no Capítulo 7 são sintetizadas as conclusões obtidas com o desenvolvimento do trabalho e sugestões para trabalhos futuros. Os códigos são apresentados no Anexo A. 4

19 Capítulo 2 Realidade Virtual 2.1 Realidade Virtual: Histórico e Conceitos O uso de computadores pessoais se torna cada dia mais popular, devido ao seu custo estar mais acessível, entre outras coisas. Além do aumento no uso de computadores pessoais também houve uma grande evolução dos estudos na área da informática, surgindo novas tecnologias aplicadas a essa área, dentre as quais podemos citar a Realidade Virtual (RV). O termo RV foi cunhado no final da década de 1980 por Jaron Lanier, artista e cientista da computação que conseguiu convergir dois conceitos antagônicos em um novo e vibrante conceito capaz de captar a essência dessa tecnologia: a busca pela fusão do real com o virtual [Tori et al., 2006a]. Há diversas definições para o termo Realidade Virtual, uma delas é a definição citada por [Kirner e Siscoutto, 2007], onde : Realidade Virtual é uma interface avançada para aplicações computacionais, que permite ao usuário navegar e interagir, em tempo real, com um ambiente tridimensional gerado por computador, usando dispositivos multisensoriais. Outra definição é o uso de computadores e interfaces com o usuário para criar efeito de mundos tridimensionais que incluem objetos interativos com uma forte sensação de presença tridimensional [Bryson, 1996]. A RV tem como característica a visualização, manipulação e a interação, do usuário com o Ambiente Virtual (AV), onde o usuário poderá se movimentar e interagir com o ambiente. Na prática a RV permite que o usuário navegue e observe um mundo tridimensional, em tempo real e com seis graus de liberdade (6DOF). Isso exige a capacidade do software de definir e a capacidade do hardware de reconhecer, seis tipos de movimentos: para frente/para trás, acima/abaixo, esquerda/direita, inclinação para cima/para baixo, 5

20 angulação à esquerda/à direita e rotação à esquerda/à direita. Na essência, a RV é um espelho da realidade física, na qual o indivíduo existe em três dimensões, tem a sensação do tempo real e a capacidade de interagir com o mundo ao seu redor. Os equipamentos de RV simulam essas condições, chegando ao ponto em que o usuário pode tocar os objetos de um mundo virtual e fazer com que eles respondam, ou mudem, de acordo com suas ações [Schweber e Schweber, 1995]. Devemos citar também a idéia dos três I s, que são: Interação, Imersão e Imaginação, onde a Interação diz respeito à capacidade do usuário poder estar interagindo com o ambiente virtual e essa interação deve ser reconhecida pelo computador, o qual fará as devidas mudanças (atualizações) no ambiente. A Imersão é o sentimento de estar presente naquele mundo virtual, essa é possível com a utilização de alguns dispositivos de RV. E a Imaginação, que vai depender de cada usuário, do envolvimento de cada um com o ambiente. A interação entre usuário e o ambiente é feita por dispositivos, com a utilização desses dispositivos é possível movimentar, manipular e se comunicar com o ambiente. Para maior sentimento de imersão e interação são usados alguns dispositivos como joystick (controle), capacetes de visualização, datagloves (luvas de dados) e óculos 3D, o que faz com que os usuários tenham uma maior sensação de presença naquele ambiente tanto na visualização quanto na interação com os objetos, através da manipulação dos mesmos. Pode-se dividir os dispositivos utilizados em um sistema de RV em duas categorias: dispositivos de entrada e dispositivos de saída, sendo eles responsáveis por toda comunicação usuário-sistema. Os dispositivos de entrada procuram captar movimentos e ações do usuário para alimentar o sistema de RV, que retornará o resultado do processamento desta interação, na forma de estímulos a pelo menos um dos cinco sentidos humanos, através dos dispositivos de saída. Estes dispositivos são específicos para que o sistema de RV possa prover um meio intuitivo de comunicação usuário-sistema. No entanto, grande parte dos sistemas de RV integra também dispositivos convencionais, como mouse e teclado. Na maioria das vezes estes são utilizados para selecionar menus e objetos ou navegar pelo ambiente [Machado e Cardoso, 2006]. A RV iniciou-se na década de 1950, nessa mesma década foram criados simuladores de vôo pela Força Aérea dos Estados Unidos, logo após a Segunda Guerra Mundial. Teve também a criação do Cinerama e de um simulador chamado Sensorama, o qual foi patenteado em 1962 por Morton Heilig, o que foi um grande passo dado nessa época. O Sensorama era uma espécie de cabine que combinava filmes 3D, som estéreo, vibrações mecânicas, aromas e ar movimentado por ventiladores; tudo isso para proporcionar ao espectador uma viagem multisensorial [Netto et al., 2002]. Na Figura 2.1 tem-se um cartaz de divulgação do Sensorama. 6

21 Figura 2.1: Cartaz de divulgação do Sensorama [Kirner et al., 2006] Depois disso foram desenvolvidos outros trabalhos, como por exemplo, o Ambiente Virtual pertencente à equipe da NASA. No final de 1986 a equipe da NASA já possuía um AV que permitia aos usuários ordenar comandos pela voz, escutar fala sintetizada e som 3D, e manipular objetos virtuais diretamente por meio do movimento das mãos. O mais importante é que esse trabalho permitiu verificar a possibilidade e comercialização de um conjunto de novas tecnologias, tornando mais acessível o preço de aquisição e desenvolvimento. A conscientização de que os empreendimentos da NASA poderiam gerar equipamentos comercializáveis deu início a inúmeros programas de pesquisa em RV no mundo inteiro. Desde firmas de softwares até grandes corporações de informática começaram a desenvolver e a vender produtos e serviços voltados para RV. Em 1989 a AutoDesk apresentou o primeiro sistema de RV para computadores pessoais (PC) [Jacobson, 1994]. Na década de 1990, militares e indústrias começaram investir maciçamente no desenvolvimento de simuladores de vôo e com isso, tornaram o treinamento de pilotos mais barato e seguro em relação aos problemas de um vôo real. Estes simuladores se limitavam a uma cabine construída sobre uma plataforma móvel e possuíam características como mudança de nível e movimentos. Mais tarde também foram criados simuladores para tanques e navios de guerra. Os simuladores de vôo foram as aplicações mais influentes na história da RV e hoje é possível, até mesmo para usuários domésticos, pilotar, pousar ou até mesmo participar de um combate virtual em um simulador de vôo. Na Figura 2.2 é apresentado um exemplo de um Simulador de Vôo da Varig. 7

22 Figura 2.2: Exemplo de um Simulador de Vôo da Varig [Ribeiro, 2009] Houve um grande crescimento no número de aplicações, aumentando também o estudo na área e melhorando o desenvolvimento, fazendo com que a busca por essa tecnologia seja maior e os preços tendem a ficarem mais acessíveis a um maior número de pessoas. 2.2 Dispositivos de Entrada e Saída (E/S) Dispositivos de Entrada Fazem a comunicação entre o usuário e o sistema, através deles o usuário pode exercer alguma ação, onde essa ação será transformada em dados para o sistema. Há dois tipos de dispositivos de entrada que são: interação ou rastreamento. Dispositivos de interação permitem ao usuário a movimentação e manipulação de objetos no mundo virtual, de forma direta ou indireta [Machado e Cardoso, 2006]. Temos alguns tipos de dispositivos de interação como: Dispositivo com 6DOF que permite seis tipos de movimentações, as quais foram citados nesse trabalho; Luva de Dados, que capta os movimentos dos dedos da mão do usuário e os transmite para o computador fazendo assim o reconhecimento; Sensores de Entrada Biológicos, que seria, por exemplo, entrada por comando de voz enviadas para o computador e então faria o reconhecimento. Dispositivos de rastreamento monitoram movimentos de parte do corpo do usuário, para criar a sensação de presença no mundo virtual. Assim ao movimentar-se o usuário tem seu deslocamento reconhecido pelo dispositivo e uma atualização do ambiente virtual é efetuada. Podemos citar entre esses dispositivos [Machado e Cardoso, 2006]: 8

23 Dispositivo de Rastreamento Mecânicos, os quais consistem de uma série de estruturas cinemáticas que, em paralelo, são capazes de detectar alterações da posição dos elementos aos quais se encontram conectados; Dispositivo de Rastreamento Magnético são capazes de efetuar medições do campo magnético produzido por um transmissor estacionário para determinar, em tempo real, a posição do receptor (que está em movimento); Dispositivo de Rastreamento Ultrassônicos não entram em contato com o usuário e usam um sinal ultrassônico, produzido por um transmissor estacionário para determinar a posição do objeto em tempo real em função da mudança de posição do receptor. Na Figura 2.3 tem-se um exemplo de dispositivo de entrada de dados, a luva de dados, usadas para captar o movimento dos dedos da mão do usuário. Figura 2.3: Exemplo de Dataglove (Luva de dados) [Henke, 2007] Dispositivos de Saída Esses dispositivos retornam informações para o usuário estimulando os seus sentidos, como por exemplo, a visão. Dentre os dispositivos de saída de dados temos os seguintes: Dispositivos Visuais os quais podem ser subdivididos em de visualização individual e de visualização coletiva. Podemos definir como dispositivo de visualização individual: os Vídeos Capacetes (HMD - Head-Mounted Display), que também funciona como dispositivo de entrada, além disso, isola o usuário do mundo real e os Head-Coupled Display, o qual é montado sobre um braço mecânico e permite seis graus de liberdade. Já os dispositivos de visualização coletiva seriam: Monitores e Sistemas de Projeção, os quais nos retornam as informações através de um monitor ou através 9

24 do uso de um projetor podendo assim ter a participação de várias pessoas ao mesmo tempo; Dispositivos Auditivos como o próprio nome já indica, são dispositivos utilizados para a geração de som para o usuário; Dispositivos Físicos estão relacionados com o tato e requerem que dispositivos eletromecânicos sejam colocados em contato com o corpo do usuário. Podemos subdividilos em: Dispositivos Hápticos que estão relacionados a questão da sensação de tato e/ou força quando algum elemento do ambiente virtual é manipulado; Dispositivos de Resposta Térmica que é quando o usuário manipula algum elemento do ambiente virtual, ele pode sentir uma sensação térmica (fria ou quente) na parte do seu corpo; Plataformas Móveis que fornecem ao usuário a sensação de movimento. Na Figura 2.4, é mostrado um exemplo de capacete de visualização, que é um dispositivo de saída, para sistemas de RV. Figura 2.4: Exemplo de Capacete de Visualização [Kirner et al., 2006] 2.3 Realidade Virtual Imersiva e Não Imersiva Podemos considerar a Realidade Virtual como imersiva ou não imersiva. Diremos que a realidade virtual é imersiva quando o usuário tem a sensação que está dentro do ambiente virtual, para isso é utilizado capacetes, sala de projeções chamadas de CAVE (Cave Automatic Virtual Environment), entre outros, para a visualização do ambiente 10

25 virtual, como por exemplo na Figura 2.5 que mostra uma CAVE. Caso contrário será considerado não-imersiva, a RV não-imersiva utiliza-se de monitores por se basear em computadores pessoais. Embora a RV com o uso de capacetes tenha evoluído e seja considerada típica, a RV com monitor apresenta ainda assim alguns pontos positivos como: utilizar plenamente todas as vantagens da evolução da indústria de computadores, evitar as limitações técnicas e problemas decorrentes do uso de capacete e facilidade de uso. Em alguns casos, como visualização, por exemplo, a RV com monitor é aceitável, mas com a evolução da tecnologia de RV a tendência será a utilização de capacetes ou salas de projeção para a grande maioria das aplicações [Kirner e Pinho, 1997]. Figura 2.5: Exemplos de CAVE [Kirner et al., 2006] 2.4 Áreas Relacionadas à RV Realidade Aumentada (RA) e Realidade Melhorada (RM) RA e RM são subconjuntos da Realidade Virtual, as quais proporcionam um aumento do desempenho humano em suas atividades por utilizar tecnologias diferentes. A Realidade Aumentada é quando trazemos objetos do mundo virtual para o mundo real. A RA pode ser definida de várias maneiras como, por exemplo: É o enriquecimento do ambiente real com objetos virtuais, usando algum dispositivo tecnológico, funcionando em tempo real[kirner et al., 2006]; É a mistura de mundos reais e virtuais em algum ponto da realidade, virtualidade contínua que conecta ambientes completamente reais a ambientes completamente virtuais[kirner et al., 2006]; É um sistema que suplementa o mundo real com objetivos virtuais gerados por computador, parecendo coexistir no mesmo espaço e apresentando as seguintes propriedades [Kirner et al., 2006]: 11

26 Combina objetos reais e virtuais no ambiente real; Executa interativamente em tempo real; Alinha objetos reais e virtuais entre si; Aplica-se a todos os sentidos, incluindo audição, tato, força e cheiro. Na Figura 2.6 é mostrado um exemplo de aplicação em RA, onde o usuário, com o uso de um capacete de visualização, observa o objeto virtual, que aparece sobre o marcador. Figura 2.6: Exemplo de aplicação em Realidade Aumentada [Fernandes, 2005] A Virtualidade Aumentada, é quando o ambiente que predomina é o Virtual, e ocorre a inserção de elementos reais dentro do ambiente virtual. Pode-se dizer que a Realidade Melhorada é uma variação do sistema de realidade aumentada, onde um sistema de processamento de imagem gera informações adicionais para serem sobrepostas à imagem real. O resultado final pode ser tanto uma melhoria espectral quanto espacial, gerando transformações e anotações sobre a imagem. A geração de imagens obtidas através de ampliação do espectro visível do olho humano e a anotação de características específicas dos objetos como distância, tipo, etc., são exemplos para melhoria de uma imagem [Kirner e Pinho, 1997]. Basicamente, a diferença entre RA e RM é que, na primeira, a realidade é suplementada por ambientes sintetizados pelo computador, enquanto que na segunda a realidade é suplementada por ambientes gerados por meio de uma combinação de vídeo e computação gráfica [Araújo, 1996]. Na Figura 2.7 é apresentado um exemplo de aplicação em Realidade Melhorada para auxílio de remoção de tumores cerebrais. 12

27 Figura 2.7: Exemplo de aplicação em Realidade Melhorada para auxilio de remoção de tumores cerebrais [Kirner et al., 2006] 2.5 Aplicações de Realidade Virtual As aplicações de Realidade Virtual abrangem diversas áreas, com aplicações cada vez mais sofisticadas, como pode ser visto algumas delas a seguir Educação A utilização de aplicações de RV na área da educação está ganhando cada vez mais espaço. A utilização desse recurso na sala de aula pode facilitar o aprendizado, aumentar o interesse do aluno, melhorar o seu desempenho, entre outros. Afinal, é bem mais interessante, por exemplo, aprender formas geométricas utilizando um ambiente virtual, seja através de um jogo ou quem sabe até utilizar a RA para mostrar em aula essas formas geométricas, do que apenas ver em um livro ou um desenho no quadro negro. A interação, o envolvimento utilizado em RV faz com que se prenda mais a atenção do aluno, além do mais é sempre bom sair da rotina. A RV tem potencial para propiciar uma educação como processo de exploração, descoberta, observação e construção de uma nova visão do conhecimento, oferecendo ao aprendiz a oportunidade de melhor compreensão do objeto de estudo. Essa tecnologia, portanto, tem potencial de colaborar no processo cognitivo do aprendiz, proporcionando não apenas a teoria, mas também a experimentação prática do conteúdo em questão, de forma similar ao que ocorre com o uso de laboratórios didáticos [Cardoso e Lamonier, 2004], Na Figura 2.8 um exemplo de ambiente virtual, que possui uma máquina de medir por coordenadas, usada para medida de peças mecânicas de alta precisão e esse ambiente virtual pode ser usado por estudantes de engenharia. 13

28 2.5.2 Arquitetura Figura 2.8: Máquina de medir coordenadas [Kirner et al., 2006] O uso de RV facilitaria o trabalho do arquiteto ou do egenheiro, pois podem utilizar RV para construir um ambiente virtual, pelo qual o cliente visualiza o projeto e caso queira que faça alguma mudança, as alterações desejadas serão feitas de forma mais rápida, prática e com menor custo. Na Figura 2.9 é mostrado um ambiente virtual que representa a estrutura de uma das criações de Oscar Niemeyer. Figura 2.9: Projeto Oscar Niemeyer Vida e Obra [Kirner et al., 2006] Medicina Um exemplo de aplicação na área médica seria em cirurgias. A RV aplicada à cirurgia abrange uma série de situações que vão desde o planejamento de um procedimento até o treinamento de técnicas e a assistência para a sua realização. Dessa forma, um grande número de pessoas podem ser beneficiadas com a utilização destes sistemas, pois haverá maior qualidade no serviço oferecido aos pacientes uma vez que os profissionais que os atenderão estarão melhor preparados [Machado, 2004]. Além de cirurgias também podemos citar: estudo de anatomia, estudo de células e tecidos, etc. Na Figura 2.10 é mostrado um sistema de auxílio na remoção de tumores 14

29 cerebrais. Figura 2.10: Sistema de assistência na remoção de tumor cerebral [Kirner et al., 2006] Tratamento de Fobias Existem grandes variedades de fobias, seja por aranha, altura, elevador entre outros. A RV pode ser utilizada como uma alternativa para o tratamento de tais fobias. Um exemplo é alguém que tenha medo de andar de elevador, então seria construído um sistema, no qual seria simulado dentro de um elevador e sua movimentação. E para maior realidade é necessário que seja um sistema imersivo no qual a pessoa sente-se como estivesse realmente dentro de um elevador. A aracnofobia, é outro tipo de fobia, de quem tem medo de aranhas. Uma técnica utilizada para esse tipo de tratamento é o uso da RV e RA, onde aranhas virtuais são criadas e o paciente é submetido a um ambiente com essas aranhas virtuais, com o uso das técnicas de RV e RA. Na Figura 2.11 é mostrada uma aranha virtual usada para esse tipo de tratamento. Figura 2.11: Aranha Virtual [Tiraboschi, 2007] Indústrias Diversas empresas têm utilizado a RV em campos como automação de projetos, venda e marketing, planejamento e manutenção, treinamento e simulação,concepção e visualização 15

30 de dados [Netto, 2002]. Dentre suas várias utilizações, a RV pode ser utilizada em indústrias para [Netto, 2002]: Projetar máquinas que podem ter suas propriedades estruturais e funcionais avaliadas e testadas; Desenvolver uma ergonomia funcional e confiável sem a necessidade de construir um modelo em escala real; Projetar produtos que possuam design estético segundo as preferências de cada cliente; Facilitar operações remotas e controle de equipamentos (tele-manufatura e tele-robótica); Garantir que os equipamentos fabricados estejam dentro das normas estabelecidas por órgãos governamentais; Desenvolver e avaliar processos que assegurem a manufaturabilidade, sem produzir de fato o produto em escala comercial; Desenvolver planos de produção e itinerários e simular se esses estão corretos; Educar empregados em técnicas avançadas de manufatura, com ênfase, principalmente, em segurança no trabalho. Na Figura 2.12 é mostrado um modelo de projeto de uma plataforma, para exploração e produção de petróleo. Figura 2.12: Visualização em tempo real do modelo de projeto de uma plataforma [Kirner e Tori, 2004] 16

31 2.5.6 Entretenimento Uma área que está em alta, e se tornando cada dia mais comum é a do entretenimento. As técnicas de RV utilizadas na criação de jogos fazem com que atualmente o gosto de adolescentes e jovens pelos jogos cresça cada dia mais, com isso aumenta também o investimento na área. Outras aplicações nessa área de entretenimento são: criação de filmes, desenhos, propagandas, entre outras. As técnicas de RV estão sendo muito utilizadas também em programação de canais, como por exemplo: transmissão de corrida, como a stock car, para fazer propaganda durante a corrida, é mostrado imagens, com placa e com a propaganda do produto, porém, essas são propagandas virtuais colocadas junto com a imagem real, mas parece que são reais. Na Figura 2.13 é mostrado um ambiente do Second Life, que é um jogo que utiliza técnicas de RV. Figura 2.13: Ambiente do Second Life [Costa, 2008] 17

32 Capítulo 3 Aquecimento Global 3.1 Introdução O tema, aquecimento global, está sendo bastante discutido nos últimos anos, devido às mudanças no clima mundial. Essas mudanças geram grandes preocupações por causa das consequências negativas geradas por elas. Assim o aquecimento global se torna o maior desafio ambiental da atualidade. O CO2, dióxido de carbono, e o CH4, metano, são grandes responsáveis pelo aquecimento global, pois formam uma camada de poluentes, dificultando a dispersão do calor, aumentando assim o calor retido na atmosfera e causando o Efeito Estufa [Belmonte, 2006]. O efeito estufa ocorre quando parte dos raios solares que são refletidos pela superfície terrestre ficam retidos na atmosfera por alguns gases como, por exemplo, o dióxido de carbono (CO2). Dentro de uma determinada faixa o efeito estufa é de suma importância, pois é através dele que parte do calor é retido na atmosfera e nos dá condições de vida. Porém como está cada vez maior a emissão desses gases de efeito estufa na atmosfera, o calor retido na atmosfera consequentemente aumenta, provocando assim um desequilíbrio ambiental. Podemos ver como funciona esse efeito na Figura 3.1. Os maiores responsáveis por esse desequilíbrio ambiental e, consequentemente, o aquecimento global, são os homens, através das suas atividades. 3.2 Consequências Globais e no Brasil Em [Rocha, 2003], diz que os impactos econômicos, sociais e ambientais decorrentes do aquecimento global afetarão todos os países, porém, serão sentidos de maneira diferenciada. Como por exemplo, enquanto em uma certa região pode-se aumentar a produção agrícola, em outra região poderá diminuir a produção agrícola, vai variar de região para região. 18

33 Figura 3.1: Efeito Estufa [Gomes, 2007] Alguns desses impactos econômicos, sociais e principalmente ambientais já podem ser percebidos, dentre os impactos percebidos tem-se: Aumento do nível dos oceanos: com o aumento da temperatura no mundo, está em curso o derretimento das calotas polares. O nível do mar aumenta com o derretimento do gelo glacial, aquele formado pela precipitação de neve e que está sobre continentes e ilhas na Antártica, na Groenlândia, nas ilhas árticas e nas geleiras de montanhas. Geleiras de montanhas extrapolares estão desaparecendo. Ao o nível das águas dos oceano, pode ocorrer, futuramente, a submersão de muitas cidades litorâneas [Belmonte, 2006]. Crescimento e surgimento de desertos: o aumento da temperatura provoca a morte de várias espécies animais e vegetais, desequilibrando vários ecossistemas. Somando ao desmatamento que vem ocorrendo, principalmente em florestas de países tropicais (Brasil, países africanos), a tendência é aumentar cada vez mais as regiões desérticas em nosso planeta [Belmonte, 2006]; Aumento de furacões, tufões e ciclones: o aumento da temperatura faz com que ocorra maior evaporação das águas dos oceanos, potencializando estes tipos de catástrofes climáticas [Belmonte, 2006]; Grandes secas afetaram a região amazônica, fazendo com que aumentasse o número de 19

34 queimadas, o que aumenta a quantidade de emissão de gases de efeito estufa criando assim um ciclo vicioso, nível dos rios abaixo do normal devido à falta de chuvas, entre outros [Belmonte, 2006]; Na Costa brasileira, podemos citar como uma conseqüência do aquecimento global, por exemplo, o furacão formado nas águas do oceano atlântico, na região de Santa Catarina em 2004, o qual foi chamado de Catarina e causou grandes desastres naquela região como mortes, destruição, entre outras coisas. Além disso, pode constatar o aumento do nível do mar, dentre outros [Belmonte, 2006]; Na Região Sul, podemos notar os extremos, que é a seca e tempestades, ou está muito quente ou está tendo uma tempestade, não têm meio termo na maior parte do tempo, o que causa prejuízo ao produtor [Belmonte, 2006]. A Tabela 3.1 resume algumas previsões desses impactos em diversas regiões do mundo. 20

35 Região 1.África 2.Ásia 3.Austrália e Nova Zelândia 4.Europa 5.América Latina 6.América do Norte 7.Polar 8.Pequenas Ilhas Prováveis Impactos a. Diminuição da produção agrícola b. Diminuição da disponibilidade de água na região do Mediterrâneo e em países do Sul c. Aumento dos vetores de diversas doenças d. Aumento da desertificação e. Extinção de animais e plantas a. Diminuição da produção agrícola b. Diminuição da disponibilidade de água nas regiões árida e semiárida c. Aumento do nível do mar deverá deslocar dezenas de milhões de pessoas a. Diminuição da disponibilidade de água b. Extinção de animais e plantas a. Desaparecimento de geleiras nos Alpes b. Aumento da produção agrícula em algumas regiões c. Impactos no turismo a. Diminuição da produção agrícola b. Aumento dos vetores de diversas doenças c. Extinsão de animais e plantas a. Aumento da produção agrícola em algumas regiões b. Aumento dos vetores de diversas doenças a. Diminuição da calota polar b. Extinção de animais e plantas a. Aumento do nível do mar deverá deslocar dezenas de milhões de pessoas b. Diminuição da disponibilidade de água c. Diminuição da atividade pesqueira d. Diminuição no Turismo Tabela 3.1: Possíveis impactos decorrentes do aquecimento global[rocha, 2003] Essas são algumas dentre as várias consequências que podem ser geradas devido ao aumento da temperatura (o aquecimento global), o qual poderá estar afetando todas as regiões não só do Brasil, mas de todos os países, cada um de sua forma e com um grau de intensidade. Além dos impactos ambientais causados pelas mudanças climáticas também podemos perceber os impactos sociais e econômicos. Esses impactos só poderão ser amenizados com a conscientização e atitudes dos seres humanos que são os grandes responsáveis pelo aquecimento global do planeta. 21

36 Capítulo 4 Trabalho Desenvolvido e Tecnologias Utilizadas 4.1 Introdução Neste trabalho foi utilizada a ferramenta Vizx3D para a construção dos ambientes virtuais, que permite a criação de formas mais complexas, utilizando a sua interface visual. Foram criados dois ambientes, um relacionado a química e outro relacionado a Biologia, como pode ser visto nas Figuras 4.1 e 4.2. Figura 4.1: Ambiente Virtual da Biologia 22

37 Figura 4.2: Ambiente Virtual da Química O ambiente da química contém um objeto mostrando a ligação química do CO2 e um mostrando a do CH4, esses gases são dois dos responsáveis pelo Efeito Estufa e por estarem sendo emitidos em uma quantidade muito grande também são os responsáveis pelo Aquecimento Global. O AV possui também um Sol, uma superfície plana representando o solo e o uso de textura para representar o céu. O usuário poderá interagir com o ambiente da química clicando sobre a ligação química do CO2, aumentando assim a concentração de CO2 na atmosfera. Por meio das pesquisas e dados obtidos é constatado que a floresta amazônica pode perder 30% davegetação, por causa de um aumento na temperatura que vai de 3 o C à 5,3 o C até 210, ou seja em 100 anos. Também foi encontrado um gráfico, que pode ser visto na Figura 4.3, que mostra a concentração de dióxido de carbono (azul) e a variação da temperatura global (vermelho) em 1000 anos. Neste gráfico podemos perceber que quando a concentração de dióxido de carbono é de 340 ppm, o valor relativo ao aumento na temperatura é de 4,1 C, que está dentro do aumento previsto para os próximos 100 anos. 23

38 Figura 4.3: Gráfico Concentração CO2 x Variação Temperatura [Roberto, 2008] No Ambiente Virtual da Biologia, foram implementadas 10 árvores que estão agrupadas em 3 grupos com 3 árvores cada um e uma árvore sozinha. Com os dados citados acima sobre o aumento da temperatura e a concentração de carbono, cada vez que o usuário interagir, clicando para aumentar a concentração de dióxido de carbono em 340 ppm, quer dizer que a temperatura sofreu uma variação média 4,1 e logo 30% das árvores vão desaparecer, e 30 % de 10 árvores correspondea 3 árvores, por isso foram agrupadas de 3 em 3, sobrando uma sozinha. Além disso foi colocada uma superfície plana composta por 4 objetos planos para representar um rio, a medida que a concentração de dióxido de carbono vai aumentando, a temperatura também vai aumentando e diminui a quantidade de água do ambiente, ou seja, diminui o nível do rio. Este cenário é apenas uma representação do aquecimento global sobre o meio ambiente, sendo que a quantidade de água que diminui não foi calculada com base em uma medida proporcional ao impacto sobre o meio ambiente. Na criação de ambientes virtuais pode-se optar por alguma linguagem entre diferentes linguagens. No trabalho optou-se pelo uso da X3D por ser mais aperfeiçoada, possuir uma especificação melhorada, aceitar múltiplos formatos de codificação, possuir melhor flexibilidade e extensão, além de possuir um API unificado, que é a SAI. X3D é um padrão aberto para distribuição de conteúdo 3D, que combina geometrias e descrições de comportamento instantâneos em um simples arquivo que possui diversos formatos de arquivos disponíveis. 24

39 Após a construção dos ambientes virtuais, esses foram abertos no Vivaty Studio e então exportados para arquivos com extensão (.x3dv). Foi adicionado no arquivo (.x3dv) da química um TouchSensor, no nó do grafo de cena, o qual o usuário poderá estar clicando para fazer a interação com Ambiente Virtual. Por fim foram criadas as classes Java, com o uso da API SAI, onde a SAI vai fazer a ligação entre a cena tridimensional e a classe Java, além da iteração entre as duas classes para poder estar removendo nós do grafo de cena da biologia. Durante o desenvolvimento do trabalho, além do estudo e uso da linguagem X3D, foram necessários o estudo e o uso de outras ferramentas, como: Vizx3D e o Vivaty Studio, usados para a modelagem dos ambientes virtuais. O Xj3D, usado para visualização desses ambientes, a SAI, para fazer a comunicação entre o X3D e o Java, por fim o Java e o Netbeans foram utilizados para a criação das aplicações externas (Classes Java). 4.2 Vizx3d/ Vivaty Studio O Vizx3D é um editor, da empresa Virtock Technologies(a qual foi adquirida pela Media Machines e que atualmente é a Vivaty), usado para modelagem de objetos e ambientes 3D através de uma interface visual GUI (Graphical User Interface). Nessa interface a área de criação dos objetos e ambientes é subdividida, como mostra a Figura 4.4, permitindo assim a visualização em diferentes perspectivas. A versão anterior ao Vizx3D era denominada SPAZZ3D, a qual já existia antes do ano 2000 e só depois na nova versão que passou a ser chamado de Vizx3D, sendo disponibilizado, gratuitamente por 30 dias. Neste trabalho foi utilizado o Vizx3D, versão 1.0, que atualmente é o Vivaty Studio 1 e o Vivaty Studio é gratuito. Esses objetos e ambientes criados no Vizx3D podem ser exportados para os padrões X3D ou VRML. Também é possível a importação de arquivos VRML. Além disso, esse editor possui diversas funções como: interação, multi texturas, que permite utilizar mais de uma textura em um objeto, animações, iluminação, H-Anim 2, entre outras. O Vizx3D foi a ferramenta utilizada na criação dos ambientes virtuais no respectivo trabalho.após a versão chamada de Vizx3D, foi criada uma nova versão aberta e gratuita chamada de Flux Studio, a qual evoluiu para Vivaty Studio, de forma ampliada e melhorada. Durante a realização do trabalho, em fases posteriores a criação dos AV, percebeu-se a necessidade do uso do Vivaty Studio para que se pudesse exportar esses ambientes para uma extensão do X3D, que é o x3dv. 1 Disponível para download em: 2 Animação de Avatares 25

40 4.3 X3D e o Xj3D Figura 4.4: Janela Inicial do Vizx3D X3D é uma linguagem de padrão aberto usado para descrição de cenas 3D e é capaz de representar e comunicar essas cenas. A web3d Consortium é a responsável pelo desenvolvimento e especificação da linguagem, a qual é composta por 3 especificações separadas devido ao fato de suportar múltiplos formatos de arquivos e linguagem de programação 3. A estrutura dos dados pode ser apresentada em um arquivo com codificação XML que possui a extensão.x3d e permite uma interoperabilidade com outras aplicações que usem esse padrão, VRML Clássico com a extensão.x3dv que ajuda na transição de usuários de VRML para x3d e o binário que possui uma representação de menor tamanho, além de facilitar o processamento por máquinas. A estrutura do arquivo X3D pode ser definido da seguinte maneira [Costa, 2008]: Cabeçalho do arquivo : que contém as informações sobre a configuração inicial da cena X3D; Declaração do cabeçalho X3D: identifica o documento como um arquivo X3D; 3 Disponível em:

41 Declaração do perfil: coleção de componentes para um específico nível de suporte; Declaração do componente: coleção de nós que geralmente possuem funcionalidades comuns; Declaração META: que provêem informações frequentemente utilizadas para referência, autor, direitos autorais e outras informações; Corpo da cena gráfica: que contém todos os nós que compõem o modelo. O código de arquivos de cena codificado em XML é mostrado no Código <?xml version="1.0" encoding="utf-8"?> 2 <!DOCTYPE X3D PUBLIC "ISO//Web3D//DTD X3D 3.0//EN" " 3 <X3D profile= Immersive > 4 5 <Scene> 6 <WorldInfo 7 title="cliente" 8 info= "This Web3D World was created with Vizx3D, a Web3D authoring tool" 9 " 10 /> <Transform DEF= dad_ground > 18 <Group DEF= GROUND > 19 <Transform DEF= dad_box1 20 translation= > 21 <Shape DEF= Box1 > 22 <Appearance> 23 <Material DEF= Shiny_Blue_mat 24 ambientintensity= shininess= diffusecolor= specularcolor= /> 29 </Appearance> 30 <Box 31 size= /> 33 </Shape> 34 </Transform> 35 <TouchSensor DEF= TOUCHSENSOR_1 36 /> 37 </Group> 38 </Transform> 39 </Scene> 40 </X3D> Código 4.3.1: Arquivo de cena codificado em XML 27