Uma Arquitetura para a Distribuição de Realidade Virtual e Aumentada

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1 Uma Arquitetura para a Distribuição de Realidade Virtual e Aumentada Keila Nogueira, Kenedy Nogueira, Edgard Lamounier Jr. e Alexandre Cardoso (keilachagas@hotmail.com, klnogueira@hotmail.com, lamounier@ufu.br, Alexandre@ufu.br) Faculdade de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Uberlândia Uberlândia MG, Brasil Abstract This article describes synchronous communication techniques to support the distribution of Virtual and Augmented Reality environments. The main objective is to investigate how to apply such techniques in Distance Learning projects. 1. Introdução Os Ambientes Virtuais Distribuídos (AVDs) vêm crescendo e apresentando um elevado potencial de aplicação (KIRNER & TORI, 2004). Eles são caracterizados por cenários tridimensionais com alto índice de interação onde usuários, dispersos geograficamente, podem cooperar e compartilhar dados e informações em tempo real. Para tal, é necessário o suporte de rede de computadores, visando a melhoria do desempenho coletivo (BENFORD & FAHLÉN, 1994). Contudo os sistemas avaliados mostrados na seção trabalhos relacionados apresentam algumas limitações tais como: a distribuição somente em redes locais e distribuição ora de RV ou RA, não contemplando as duas tecnologias simultaneamente (SILVA, 2008). Como proposta de trabalho pretende-se projetar uma arquitetura flexível tanto para o uso de RV e RA distribuído e promover a distribuição não só em Redes Locais (LAN) como também na Internet. 2. Motivação Uma das motivações para o desenvolvimento de ambientes virtuais de RV e RA distribuídos na Web está na possibilidade de transformar o mesmo em um lugar social, onde uma comunidade de usuários que compartilham e interage essa informação (KIRNER et al, 2000). Tem-se, como exemplo, o uso do software Second Life (Figura 1), que é um ambiente distribuído capaz de suportar comunidades virtuais. O fundamento dos ambientes está em incentivar cada jogador, conhecido como um avatar, a encontrar um meio de sobreviver, aprendendo e desenvolvendo atividades lucrativas, as quais irão refletir diretamente em seu poder aquisitivo dentro do jogo. Fig. 1 Cenas do ambiente Second Life (Second Life, 2007) Entretanto, se comparado com sistemas de jogos distribuído os sistemas de RV e RA hoje estão muito aquém, pois os jogos possuem uma escabilidade de usuários bem superior a estes. Além de interface gráfica rica em detalhes, não comprometendo a performace em tempo real. Pode-se citar, por exemplo, o jogo World of Warcraft que possui mais de 11 milhões de usuários (WORLD OF WARCRAFF, 2009). Contudo os jogos não têm a flexibilidade de permitir que o usuário altere as regras e o mundo do jogo, não permitem inserir elementos externos, como um novo objeto virtual ou o uso de RA. Nesse sentido, o objetivo desse projeto é desenvolver um sistema para distribuição de RV e RA, onde os objetos virtuais terão maior flexibilidade, podendo-se abrir um modelo virtual qualquer, distribuí-lo e convertê-lo em RA. E ainda poder-se-á alterar uma quantidade maior de parâmetros da cena ou do ambiente virtual.

2 3. Fundamentos Tecnológicos Nesta seção, são listadas as principais ferramentas e tecnologias que foram utilizadas no desenvolvimento do sistema proposto e na construção das técnicas de distribuição Arquitetura TCP/IP Segundo (TANENBAUM, 2003), a arquitetura Internet TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) é organizada em quatro camadas conceituais. A camada Enlace transforma um canal de transmissão bruto em uma linha que pareça livre de erros de transmissão, não detectados para a camada de Rede. A camada de Rede integra toda a arquitetura. Esta camada realiza a comunicação entre máquinas vizinhas através do protocolo IP. Para identificar cada máquina e a própria rede onde estas estão situadas, é definido um identificador, chamado endereço IP. A camada de Transporte define as regras para a entrega dos pacotes de dados, podendo ser basicamente TCP, que garante a sobrecarga da rede e conversas apenas ponto a ponto, e UDP que não realiza a confirmação da entrega dos dados, com a vantagem de ser mais rápido e permitir conversas ponto a ponto ou pontos a vários pontos. A camada Aplicação reúne os protocolos que fornecem serviços de comunicação ao sistema ou ao usuário Sockets No contexto de redes de computadores Socket quer dizer um ponto de comunicação entre dois programas executados na rede. Esse ponto tanto envia quanto recebe dados, possui um porta e um número inteiro, para que cada camada de protocolo saiba para qual aplicação entregar os dados recebidos. Segundo SILBERSCHATZ (2000), um Socket é definido como a extremidade da comunicação entre dois processos. Dessa forma, para um processo enviar uma mensagem, o seu Socket deve referenciar a porta e o endereço Internet do computador de destino (COULOURIS, 2001). Outras técnicas de distribuição a serem citados são RMI (Remote Method Invocation), ou chamadas de procedimentos remotos, RPC (Remote Procedure Call) (COULOURIS, 2001). Outros exemplos de sistemas que possibilitam a invocação de métodos remotos são o Commom Object Broker Architetura (CORBA) e Java RMI. O RPC e RMI permitem estabelecer comunicação de processos distribuídos em alto nível. Os benefícios obtidos com as abstrações dessas tecnologias acabam, entretanto, acarretando custos de desempenho. Um estudo realizado por (Munoz e Zelewshi 2001) comparou os tempos de respostas dos clientes para o servidor utilizando Socket, RMI e CORBA. Os resultados apresentados pode-se observar que obtiveram um melhor desempenho com Sockets. Outro estudo comparativo feito por (TRAMONTINA, 2002) mostrou-se que Socket foi mais rápido comparado com as outras tecnologias em relação ao tempo, como pode ser visto na Tabela1. Tab.1 Comparação Socket, RMI e RMC Socket RMI RMC 0, 0027ms 0,37 ms 1,5 ms O procedimento adotado para levantamento dos dados da Tabela 1 era iniciar o servidor, iniciar o cliente e fazer com que este último requisitasse ao primeiro à realização de operações. 4. Trabalhos Relacionados Há um grande esforço de pesquisa em torno da distribuição de RV e RA. Dentre os trabalhos correlatos, alguns merecem destaque. O DIVE (Distributed Interactive Virtual Environment), (DIVE, 2008) é um ambiente de Realidade Virtual com n usuários com o suporte de uma rede. Os participantes navegam em um cenário 3D e há uma interação com os demais participantes. O sistema não utiliza a plataforma cliente-servidor. Cada participante conectado a um ambiente virtual possui localmente uma cópia com a descrição deste mundo e as atualizações são continuamente enviadas na rede da qual o usuário está fazendo parte (DIVE, 2008), portanto a distribuição ocorre localmente. Ribeiro, (RIBEIRO, 2005) relata uma arquitetura para distribuição de ambientes virtuais multidisciplinares de ensino. Ambientes Virtuais de Biologia (paisagem com plantas, água, luz e terra) e Química (membrana de uma folha) foram utilizados tendo o fenômeno da fotossíntese como estudo de caso e relação entre os dois ambientes. No protótipo desenvolvido a partir da arquitetura proposta por Ribeiro a distribuição ocorre somente em redes locais utilizando a plataforma CORBA. (SILVA, 2008) desenvolveu uma arquitetura para distribuição e colaboração em ambientes virtuais de Realidade Aumentada. O objetivo foi apresentar uma abordagem computacional/algorítmica que seja suficiente para suportar o funcionamento de um Ambiente de Realidade Aumentada disponibilizando

3 um nível razoável de colaboração entre vários usuários conectados em uma rede local de computadores. No projeto citado a distribuição ocorre somente em redes locais e especificamente com um modelo da biologia, isto é, para manipular outro, deve-se programar o modelo RA, seguindo as especificações da arquitetura, restringindo seu uso. A Tabela 2 ilustra as comparações dos trabalhos relacionados ressaltando suas características e limitações. Tab.2 Comparação Trabalhos Relacionados objetos virtuais e o ambiente de visualização de RV e RA. Assim, observando a Tabela 2 percebe-se que os trabalhos desenvolvidos estão focados em RA ou RV, não contemplando a distribuição simultânea de ambos. Pode-se ainda destacar que em nenhum dos casos a distribuição ocorre na Internet. Portanto, pretende-se com este trabalho investigar estas necessidades. 5. Arquitetura do Sistema Proposto O diagrama ilustrado na Figura 3 apresenta uma visão geral do funcionamento e relacionamento entre as partes que compõe o sistema protótipo. Fig. 3 Interface do Sistema 2- Ambiente Virtual- está dividido em outros módulos: Objetos Virtuais: Biblioteca contendo todos os modelos cadastrados. Está biblioteca é comum a todos os usuários, faz parte do pacote de instalação. Novos modelos podem ser adicionados pelo usuário Manipulação: Ao clicar no botão Código abrirá outra janela que será responsável pela manipulação do código do objeto VRML. Fig. 4 Interface do código original Fig.3 Arquitetura do sistema O Sistema protótipo permite que o usuário altere o código em tempo real atualizando e posteriormente distribuído a outros usuários. 1- GUI - Interface Gráfica com o Usuário- possui comunicação via texto, uma biblioteca comum de

4 enviados. Por exemplo, dados necessários para uma função adicionar um novo objeto RV à biblioteca comum (elipse vermelha na Figura 8. Note o botão verde de status de transferência). Fig. 5 Interface de código modificado. 3 Distribuidor de Eventos para Rede- Utilizando funções multi-thread, dados provenientes do sistema em Realidade Virtual são coletados e comparados com os dados provenientes da rede. Quando existe interação no ambiente virtual é propagado pela rede uma mensagem de atualização para os demais computadores. 6. Implementação e Resultados O sistema desenvolvido permite a distribuição de ambientes de RV e RA, como também a interação dos objetos usando uma plataforma Cliente-Servidor. Um instalador foi providenciado para o sistema e contém os seguintes módulos: interface com o usuário RV, módulo ARtoolKit para RA e uma biblioteca comum com objetos VRML. A Figura 7 ilustra em detalhes o fluxo de informação gerenciado pelo sistema. Fig. 7 Compartilhar novo arquivo VRML. Nesta figura, pode-se observar que na biblioteca compartilhada existem 6 objetos VRML. Porém, o Cliente está enviando um novo objeto (girafa.wrl canto inferior direito da figura) a ser inserido na biblioteca comum, podendo posteriormente ser compartilhado por outros usuários na rede. A Figura 9 mostra o momento em que o referido objeto está sendo enviado (Botão vermelho Status de transferência). Fig. 6 Fluxo de informações do sistema O sistema possui dois módulos principais: Gerenciador de Informações; Gerenciador de Transformações Operacionais; O Gerenciador de Informações gerencia o fluxo de mensagens entre o Servidor e os n-clientes. Depois de estabelecida a conexão, os tipos de informações são controlados e os dados para as funções secundárias Fig. 8 Transferência do Arquivo girafa.wrl Pode-se ver que aconteceu a transferência em 2 segundos usando rede local, apesar de o arquivo possuir mais de 5MB como se mostra na Figura 10.

5 Fig. 9 Transferência do Arquivo girafa.wrl É importante destacar que esta funcionalidade não é observada com freqüência em sistemas tradicionais relacionados com distribuição de RV e RA. De fato, tais sistemas, usualmente, concentram-se na distribuição de objetos previamente armazenados. Para inserir novos objetos, via de regra, o controle da distribuição precisa ser interrompido para que a biblioteca de distribuição de objetos virtuais seja atualizada, fazendo que o usuário perca a imersão ou ainda necessitando de intervenção de programador para tal mudança. A função de Transformações Operacionais é responsável por alterar parâmetros internos de um objeto virtual e carregar o mesmo na interface RV ou em RA, executando o ARToolKit, como pode ser visto na Figura 11. O que em aplicações educacionais pode ser muito interessante, pois possibilita a visualização de um objeto em 3D, como por exemplo, no estudo de química na visualização de moléculas complexas, ou até mesmo em simples objetos. O sistema comportou com êxito a distribuição dos ambientes de RV e RA na Internet, permitindo várias funcionalidades tais como modificação e atualização do objeto virtual e chats que permitiram a comunicação e troca de dados entre ambientes virtuais. Tal avanço é de grande contribuição em ambientes de Educação à Distância, pois possibilita a interação de alunos e professor. Quando comparado com trabalhos relacionados o sistema proposto apresentou ganhos significativos na distribuição de ambientes de RV e RA, como mostra a Tabela 3. Dentre estes ganhos, destaca-se a flexibilidade de conversão entre ambientes de RA e RV na Web. Tab.3 Comparação de Trabalhos Além disso, é importante que as técnicas aqui propostas e desenvolvidas permitam uma maior flexibilidade para o uso de AVDs na Internet. Tal fato apresenta-se de grande valia e suporte para o uso em Educação à Distância, apoiando iniciativas do governo brasileiro tais como a Universidade Aberta. 8. Referências Bibliográficas Fig. 10 Objeto RA carregado no sistema O sistema protótipo foi desenvolvido para funcionamento tanto em rede local e na Internet, para isso foi utilizada a API winsock. Esta permite a comunicação servidor-cliente, 1:1, 1: vários. Contudo, o servidor necessita ter IP fixo. O sistema funciona tanto em redes locais, quanto na Internet. 7. Conclusões (BENFORD, 1994) BENFORD, J. B., FAHLÉN, L. E., Mariani, J., Rodden, T. Supporting Cooperative Work in Virtual Environments. The Computer Journal, V.37, N.8, pp (BORLAND, 2008) Site Borland Builder C++. Acessado: 31/08/2008 as 14:00 hs. (CARDOSO et al, 2007) CARDOSO, A.; KELNER, J.; KIRNER, C.; LAMOUNIER, E. Tecnologias para o desenvolvimento de sistemas de realidade virtual e aumentada.; Editora Universidade da UFPE. Recife PE. p

6 (COULOURIS, 2001) COULOURIS, G.; DOLLIMORE, J.; KINDBERG, T. Distributed Systems: Concepts and Design. 3 ed. Pearson Education pp. ISBN: (DIVE, 2008). Site DIVE Home Page. Acessado: 20/01/2009 as 14:00 hs. (KATO, 2000) KATO, H., Billinghurst, M., I. ARToolKit version 2.33: A software library for Augmented Reality Applications p, Tutorial. Disponível em publications.htm (KIRNER et al, 2000) KIRNER, C., IPÓLITO, J. "Projeto de Ambientes Virtuais Multiusuários Usando Java e VRML". Proceedings Workshop on Virtual Reality (2000), Gramado, p (KIRNER, 2004) KIRNER, C.; TORI, Romero. Introdução à Realidade Virtual, Realidade Misturada e Hiper-realidade. 1 ed. São Paulo: Editora SENAC, v1, p.3-20 (KIRNER,2004) KIRNER, C.; TORI, Romero. Realidade Virtual Conceitos e Tendências in: VII Symposion on Virtual Reality, São Paulo, 2004 (KIRNER,2004) KIRNER, Cláudio. VIRTUAL REALITY MODELING LANGUAGE: Conceitos e Instalação acessado em 12/01/2009 as 18:32 hs. (MUNOZ,2001) C. e J. Zalewski. ARCHICTECTURE AND PERFORMANCE OF JAVA-BASED DISTRIBUTED OBJECT. Models: CORBA vs RMI. Real-Time Systens SpringerLink, v.21, n.1-2, p (RIBEIRO, 2005) RIBEIRO, Marcos Wagner de Souza. Arquitetura para Distribuição de Ambientes Virtuais Multidisciplinares, Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica - UFU, 2005, 176p (SILVA, 2008) Wender A. Uma Arquitetura para Distribuição e Colaboração em Ambientes Virtuais de Realidade Aumentada, Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica - UFU, 2008, 215p. (SECOND LIFE, 2007). Site Second Life Acessado: 25/05/07 as 14:00 hs. (SECOND LIFE, 2008). Site Second Life no Brasil Acessado: 13/01/2009 as 14:23 hs. (TANENBAUM, 2003) Andrew S. Tanenbaum Redes de Cmputadores; Editora Campos Elsevier. Rio de Janeiro RJ (TRAMONTINA, 2002) TRAMONTINA G. B, ATTROT W. Sockets, RPC, RMI e CORBA uma comparação dessas tecnologias para comunicação cliente-servidor. Outubro, (WORLD OF WARCRAFF, 2009). Site World of Warcraff worldofwarcraftbrasil.com Acessado:13/01/09 as 14:00 hs.