Modelagem de objetos 3D no contexto do cangaço

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1 Modelagem de objetos 3D no contexto do cangaço Rafael G. Oliveira 1, Felipe S. Costa 1, Everton F. C. Almeida 1, Clézio L. Azevedo 1, Cláudia M. F. A. Ribeiro 1 1 Laboratório Lumen Universidade do Estado do Rio Grande do Norte (UERN) Natal - RN - Brasil {rafaell.gomes, costa.felipesoares, pepetofagner, clezio.azevedo}@gmail.com, claudiaribeiro@uern.br Abstract. This paper describes the use of standards for representing objects in three-dimensional environments Virtual Museums. Using modeling techniques described in the field of computer graphics, 3D objects were created within the context of the period of the highwaymen, with the objective of publishing this period in virtual environments and allows interaction with objects used at the time. Resumo. Este artigo descreve a utilização de padrões de representação de objetos tridimensionais em ambientes de Museus Virtuais. Utilizando-se de técnicas de modelagem descritas na área da computação gráfica, foram criados objetos 3D dentro do contexto do período do cangaço, com o objetivo de divulgar esse período em ambientes virtuais além de permitir a interação com objetos usados na época. 1. Introdução Os ambientes tridimensionais (3D) tem despertado o interesse da comunidade científica, incentivando o desenvolvimento de novas aplicações, buscando facilitar a visualização e análise de informações [Jorge et al. 1999]. Uma dessas formas de representação de ambientes virtuais pode ser percebida através da Realidade Virtual (RV) que consiste em permitir ao usuário interagir em um ambiente simulado por computador. Como exemplo desses ambientes, podemos citar o Google Earth [Google 2010] e o Second Life [Life 2010]. Esses ambientes proporcionam um poderoso sentido de interação dentro do modelo computadorizado. O avanço da Computação Gráfica desafia as noções ontológicas de imagens e vídeos, oferecendo ao espectador uma percepção de realidade que transcende a necessidade de um referencial no mundo concreto. Atualmente é muito comum o fato de atores serem substituídos por dublês 3D, e com o passar do tempo, se torna cada vez mais difícil perceber se a imagem que está sendo mostrada é do ator real ou se é sua modelagem realizada com computação gráfica. Dentro desse contexto, foi criado um grupo de pesquisa no Laboratório Natalnet da UFRN, para a criação de um ambiente de Museus Virtuais, o Grupo de Trabalho Museus Virtuais (GTMV). Esse grupo propôs a utilização da tecnologia de ambientes virtuais em conjunto com a rede de computadores para tornar possível a visitação de um museu ou uma galeria de arte à distância. Essa proposta consiste em disponibilizar

2 acervos de obras na rede de uma maneira fácil, fornecendo ainda, ferramentas para a comunicação entre todos os visitantes que estejam acessando o mesmo museu virtual [Dantas et al. 2009]. Para a criação do ambiente do presente trabalho, foi feito uso da temática do regionalismo do Nordeste, mais especificamente o período do Cangaço. O cangaço foi um fenômeno ocorrido no Nordeste brasileiro entre meados do século XIX ao início do século XX. Este trabalho pretende explorar os benefícios provenientes das atuais técnicas de modelagem de objetos, permitindo assim uma interação entre os usuários do museu e as obras virtuais. A partir desse ambiente virtual, o usuário poderá contemplar alguns elementos que fizeram parte da história de Lampião e seus aliados. Este artigo está dividido da seguinte forma: a seção 2 trata da utilização de ambientes virtuais na Web, especificamente, os museus virtuais, suas aplicações e vantagens. Na seção 3, será feita uma análise sobre os padrões para a representação de objetos 3D na Web, bem como o padrão escolhido para o presente trabalho. Na seção 4, serão apresentadas algumas técnicas de modelagem utilizadas para a criação dos objetos 3D inseridos no museu virtual desenvolvido. Por fim, na seção 5, será apresentado o ambiente desenvolvido para representar tais objetos. 2. Ambientes Virtuais 3D Ambientes virtuais são gerados por simulações em um computador. Originado na década de 1960 para simulações militares, atualmente tem sido bastante utilizado na indústria de entretenimento. Para garantir que tal simulação seja realizada, são feitos diversos cálculos matemáticos (computacionais) definindo, assim, uma estrutura de dados geométricos na qual é possível representar os ambientes e seus objetos. A Realidade Virtual (RV) é uma subárea da Computação gráfica que pode ser definida como uma interface avançada para aplicações computacionais, no qual o usuário pode navegar e interagir, em tempo real, em um ambiente tridimensional gerado por computador [Kirner and Pinho 1997]. As aplicações de RV são criadas para enriquecer a experiência do usuário permitindo a visualização de um ambiente tridimensional, a movimentação dentro dele e a manipulação de objetos virtuais que fazem parte de tal ambiente. A realidade virtual possui duas ideias básicas: imersão e interação. Um ambiente imersivo tem como principal objetivo o sentimento de estar dentro do ambiente. Tal imersão pode ser percebida por meio da utilização de um capacete de visualização, mas existem também sistemas imersivos baseados em salas de projeções das visões nas paredes, teto e piso. Para tornar um sistema mais imersivo, podem ser utilizadas representações de sons do ambiente virtual. A ideia de interação está ligada à capacidade do computador detectar as entradas do usuário e modificar instantaneamente o mundo virtual e suas ações sobre ele [Kirner and Siscoutto 2007]. Conforme esses ambientes se popularizaram na Internet, as aplicações exigiram que o ambiente passasse a ser colaborativo, ou seja, um ambiente de RV no qual os usuários deste ambiente possam compartilhar o mesmo espaço 3D e interagir entre eles com o objetivo de trabalhar em cooperação [Bouras et al. 2005]. Tendo em vista esta necessidade, o GTMV desenvolveu um ambiente de museus

3 virtuais, no qual um visitante de um museu, previamente cadastrado, possa visualizar suas obras, esculturas e objetos 3D inseridos no ambiente e interagir com os mesmos [Dantas et al. 2009]. Com um museu virtual é possível a visitação de um museu que se encontra localizado fisicamente em qualquer lugar do mundo sem ter a necessidade de sair de casa. Outra vantagem do uso de museus virtuais pode ser percebida quando um artista quer expor suas obras nesses ambientes. 3. Representação de Objetos 3D em Ambientes Virtuais Um ambiente virtual é composto por vários elementos como móveis, paredes e tijolos, esses elementos são chamados de objetos ou modelos virtuais. Existem várias abordagens na literatura para representar tais objetos. Uma dessas abordagens é a Representação por fronteira (B-reps - Boundary Representation), a qual descreve um objeto tridimensional como um conjunto de superfícies que separam o interior dos objetos do meio externo. Com a OpenGL 1 é possível utilizar uma série de primitivas geométricas para definir superfícies - geralmente baseadas em triângulos, quadriláteros ou polígonos convexos. Para criar uma superfície baseada em quadriláteros, por exemplo, pode-se utilizar a primitiva GL QUADS do OpenGL. Porém, a utilização dessas primitivas geométricas para a representação de modelos virtuais, é uma tarefa árdua. Para aplicações mais robustas, é necessário a utilização de objetos já prontos criados por meio de ferramentas de modelagem 3D. Dentre as ferramentas de modelagem mais conhecidas podemos citar o Blender, o Maya e o 3D Studio Max. Estas ferramentas utilizam estrutura de dados especiais para armazenar informações geométricas em formatos específicos, dentre eles, o VRML, X3D, OBJ e MSH VRML e X3D A linguagem VRML (Virtual Reality Modeling Language) é um padrão para a representação de informações tridimensionais na internet [Ames et al. 1997], porém a sua sintaxe não permite que sejam incorporados significados aos elementos modelados, permitindo somente a representação da geometria e aparência dos objetos. Com o crescimento da popularização da internet e a necessidade de atribuir maiores funcionalidades aos objetos criados para a visulização na internet, a Web 3D Consortium, responsável pelo desenvolvimento do VRML, propôs uma nova especificação de linguagem, o padrão X3D (extensible 3D). Este novo padrão é capaz de expressar a geometria e comportamento dos modelos no formato VRML através da sintaxe do XML (extensible Markup Language) [Cardoso et al. 2007] OBJ O formato OBJ (Object File) foi desenvolvido para ser utilizado no Wavefront s Advance Visualizer [OBJ 2010]. Arquivos OBJ são definidos no padrão ASCII. Esse formato dá suporte a diferentes representações, tais como, BSplines, curvas de Bezier, curvas de Taylor etc. Porém, apesar desse poder de representação, não é fácil a descrição dessas curvas, porque requerem uma série de valores, que, em geral, quem está criando algum modelo virtual não terá ideia quais valores ele precisará informar para conseguir a curva desejada, isso é feito em tempo de execução do modelador usando repetitivas iterações [Xavier 2008]. 1 OpenGL é uma API escrita em linguagem C para a construção de aplicações gráficas 2D e 3D

4 3.3. MSH O formato MSH (Meshe) [Xavier et al. 2006], foi desenvolvido com base no formato Wavefront (Obj) suportado pela maioria dos modeladores de objetos virtuais 3D. O MSH foi utilizado por possuir otimizações com relação ao OBJ e algumas modificações que fizeram que o carregamento tivesse um desempenho melhor que o original. Além desses recursos, o formato MSH possui remoção de redundância e suporte a animações por frames. Tendo em vista que o ambiente do GTMV utiliza o formato MSH para representar os objetos no museu virtual, foi necessário o uso desse formato para a representação dos objetos. 4. Modelagem dos Objetos 3D Basicamente, podemos dividir as técnicas de modelagem em três formas: modelagem manual, automática ou matemática. O método matemático de modelagem usa uma descrição matemática e algoritmos para gerar um objeto. Esse método é utilizado para modelar efeitos naturais como turbulência ou proliferação de organismos microscópicos. A modelagem automática é a técnica mais sofisticada, mais rápida e a mais poderosa, pois utiliza equipamentos especiais como Scanners 3D para obter o modelo tridimensional. A modelagem manual é o método mais barato, mais fácil e antigo, sendo necessária apenas as medidas de um modelo real e a intuição do modelador [Azevedo and Conci 2003]. Para o presente trabalho foi utilizada a técnica de modelagem manual por ser uma técnica que não precisa de equipamentos externos ao computador, evitando um custo desnecessário. Modelos virtuais consistem de uma combinação de primitivas gráficas definidas por meio de coordenadas cartesianas de pontos no espaço, chamados de vértices [Cohen and Manssour 2006]. Para manipular e alterar as características desses modelos são feitas transformações geométricas. Para que tal transformação ocorra, são realizadas operações de soma e multiplicação sobre as coordenadas dos modelos, alterando o tamanho, a posição e a orientação do mesmo. As principais transformações geométricas são: translação, rotação e escala. A transformação de translação é usada para definir a posição de um modelo na cena. A transformação de rotação é aplicada para rotacionar um modelo na cena. Por fim, a transformação de escala serve para definir o tamanho do modelo na cena. Para a facilitação da modelagem dos objetos 3D e aplicação desses conceitos, foi utilizado o software Blender, ferramenta open source para a modelagem dos objetos 3D [Blender 2010]. O Blender permite exportar os objetos criados em vários formatos, sendo o mais comum o OBJ. A partir dos objetos modelados no Blender, foram feitas as exportações desses objetos para o formato OBJ. A partir de então foi utilizado o software intermediário MSH- Converter para converter esses objetos para o formato MSH. Como definido pelo autor, esse software permite que sejam carregados objetos no formato OBJ e logo após serem realizados os processos de compressão e conversão para o formato MSH. A Figura 1 demonstra uma cartucheira modelada utilizando o software Blender para a exposição no museu virtual.

5 Figura 1. Cartucheira modelada usando o Blender 5. Ambiente Desenvolvido Na concepção do ambiente, foi escolhido a temática do regionalismo, mais especificamente o período do Cangaço na cidade de Mossoró. Esse período histórico foi escolhido para que pessoas do mundo todo possam aprender e entender sobre o mesmo, tornando esse período da cultura do Rio Grande do Norte mais difundida. Após essa definição, foram modelados objetos que representam essa temática, como armas e cartucheiras e objetos utilizados por Lampião, principal ator e responsável por esse momento histórico. Foram adicionadas algumas imagens presentes no Memorial da Resistência em Mossoró que retratam esse momento histórico. Pela abrangência da temática de museus virtuais, algumas casas de cultura popular do RN estão presentes e representadas em salas virtuais no museu. Essa escolha foi feita com o objetivo de tornar ainda mais expressiva a cultura nordestina, mais especificamente a cultura do RN, fornecendo um acervo virtual de obras que estão expostas fisicamente em ambientes reais. A Figura 2 ilustra o ambiente desenvolvido. Figura 2. Obras do Museu Virtual

6 6. Conclusão A interação com o ambiente apresentado, veio a proporcionar mais uma forma de relembrar esse importante período histórico do Brasil e tão presente na cultura nordestina, especialmente na mossoroense, cujo momento histórico é anualmente representado na forma do Auto da Liberdade e pode ser sentida no Memorial da Resistência, local de concentração de objetos e imagens desse período. Referências Ames, A. L., Nadeu, D. R., and Moreland, J. L. (1997). VRML 2.0 Sourcebook 2nd. Edition. Wiley John &Sons, Inc. Azevedo, E. and Conci, A. (2003). Computação Gráfica: Geração de Imagens. Editora Elsevier. Blender (2010). The open source software for 3d modeling, animation, rendering, postproduction, interactive creation and playback. Bouras, C., Panagopoulos, A., and Tsiatsos, T. (2005). Advances in x3d multi-user virtual environments. In Seventh IEEE International Symposium on Multimedia, pages , Irvine, California. Cardoso, A., Paiva, J. G., and Soares, L. P. (2007). Vrml e x3d. In Tecnologia para o Desenvolvimento de Sistema de Realidade Virtual e Aumentada, volume 1, pages 51 74, Recife. Ed. Universitária da UFPE. Cohen, M. and Manssour, I. H. (2006). OpenGL Uma Abordagem Prática e Objetiva. NovaTec Editora, 1 edition. Dantas, R. R., Burlamaqui, A. M. F., Azevedo, S. O., Melo, J. C. P., Souza, A. A., Gonçalves, L. M. G., Schneider, C. A., Xavier, J., and Farias, L. (2009). Gtmv: Virtual museum authoring systems. In 2009 IEEE international conference on Virtual Environments, Human-Computer Interfaces and Measurement Systems, pages , Hong Kong, China. VECIMS. Google (2010). Google earth. Jorge, P. C., Teixeira, C. A. C., and Santachè, A. (1999). Visualização de modelos tridimensionais de sistemas de informações geográficas distribuídos baseados na web. In I Brazilian Workshop on GeoInformatics - GEOINFO 99, pages Kirner, C. and Pinho, M. S. (1997). Introdução à realidade virtual. In 1 o Workshop de Realidade Virtual. Kirner, C. and Siscoutto, R. A. (2007). Fundamentos e tecnologia de realidade virtual e aumentada. In IX Symposium on Virtual and Augmented Reality. Life, S. (2010). OBJ (2010). Wavefront obj file format. Xavier, J., Burlamaqui, A., and Gonçalves, A. L. (2006). Diminuindo o tempo no armazenamento e recuperação de dados geométricos em aplicações web em tempo real no java3d. In Workshop de Iniciação Cientifica, SIBGRAPI 2006, Manaus. Xavier, J. S. (2008). Compressão e descompressão de objetos geométricos tridimensionais: Definição do formato msh. Tese de Graduação.