SISTEMA DE PAINEL VIRTUAL COM RESPOSTA TTIL

Allisson D`Ant Ramos Bastos

Dissertao de mestrado apresentada ao

Programa de Ps-Graduao em

Engenharia Civil, COPPE, da

Universidade Federal do Rio de Janeiro,

como parte dos requisitos necessrios para

a obteno do ttulo de Mestre em

Engenharia Civil.

Orientadores: Luiz Landau

Gerson Gomes Cunha

Rio de Janeiro

Dezembro de 2011

iii

Bastos, Allisson D`Ant Ramos

Sistema de Painel Virtual com Resposta Ttil / Allisson

D`Ant Ramos Bastos Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE,

2011.

XV, 106p.: Il; 29,7cm

Orientadores: Luiz Landau

Gerson Gomes Cunha

Dissertao (mestrado) UFRJ/ COPPE/ Programa de

Engenharia Civil, 2011.

Referncias Bibliogrficas: p. 100-106

1. Realidade Virtual. 2. Sistema ttil. 3. Realidade

Aumentada. 4. Visualizao 3D I. Landau, Luiz et.al. II.

Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Programa

de Engenharia Civil. III. Ttulo.

iv

AGRADECIMENTOS

Aos Professores Luiz Landau e Gerson Gomes Cunha pela oportunidade e pela

orientao.

Ao Professor Gerson Gomes Cunha pelas idias e pelo auxlio em todo o processo.

Dra Maria Clia Santos Lopes, pelo auxlio e prestatividade.

A todos os amigos do Grupo de Realidade Virtual aplicada, em especial aos amigos

Cristiano Expedito, Gabriel Aprigliano Fernandez e Thiago Motta, por toda a boa

vontade e colaborao neste projeto.

v

Resumo da Dissertao apresentada COPPE/UFRJ como parte dos requisitos

necessrios para a obteno do grau de Mestre em Cincias (M.Sc.).

SISTEMA DE PAINEL VIRTUAL COM RESPOSTA TTIL

Allisson D`Ant Ramos Bastos

Dezembro / 2011

Orientadores: Luiz Landau

Gerson Gomes Cunha

Programa: Engenharia Civil

Este trabalho tem como finalidade desenvolver uma pesquisa para a criao de

um sistema de simulao e treinamento para a operao de painis de comando de

diversos setores na rea da indstria, tendo como caractersticas principais a utilizao

de um sistema de Realidade Virtual imersivo e interativo, atravs do uso de

equipamentos de visualizao e de um sistema de resposta ttil composto de

dispositivos reais de comando.

O estudo prope ainda a utilizao de um sistema de comando numrico

computadorizado para o controle dos movimentos do sistema ttil com o intuito de

permitir maior flexibilidade simulao, possibilitando o treinamento em painis

virtuais variados, modificando o sistema de acordo com as necessidades do treinamento.

vi

Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.).

VIRTUAL PANEL SYSTEM WITH TACTILE FEEDBACK

Allisson D`Ant Ramos Bastos

December / 2011

Advisors: Luiz Landau

Gerson Gomes Cunha

Department: Civil Engineering

This work aims to develop a research creating a simulation and training system

to the control panels operation in various sectors in industrial area, having as main

features the use of an immersive and interactive Virtual Reality system, through the use

of display equipment and a tactile feedback system consisted of real devices command.

The study also proposes the use of a computerized numerical control system for

controlling the movements of the tactile system in order to allowing greater flexibility to

the simulation, and the training on various types of control panels, changing the system

according to the needs of the training.

vii

NDICE

CAPTULO I INTRODUO

I.1 Introduo..............................................................................................................1

I.2 Motivao..............................................................................................................2

I.3 Objetivos................................................................................................................3

I.4 Objetivos Especficos............................................................................................3

I.5 Relevncia e Justificativa.......................................................................................3

I.6 Definio do problema...........................................................................................4

I.7 Concepo do Projeto............................................................................................5

I.8 Composio do Sistema.........................................................................................6

I.9 Atividades..............................................................................................................6

I.9.1 Atividade 1.................................................................................................7

I.9.2 Atividade 2.................................................................................................7

I.9.3 Atividade 3.................................................................................................7

I.9.4 Atividade 4.................................................................................................8

I.10 Requisitos...............................................................................................................8

I.11 Resultados Esperados............................................................................................8

I.12 Organizao da Dissertao...................................................................................9

CAPTULO II ESTADO DA ARTE

II.1 Introduo............................................................................................................11

II.2 STO/CEL Sistema de Treinamento para Operadores de Centrais de

Distribuio de Energia Eltrica......................................................................................11

II.3 Bit9 Painis de Ensino......................................................................................13

II.4 MPRI Trainning System Group........................................................................15

II.5 UGV Unidade Geradora Virtual Usina de Tucuru Par............................16

viii

II.6 VAR Trainer (Versatile Augmented Reality Simulator).....................................18

II.7 Chrave (Chromakeyed Augmented Virtual Environment)..................................19

II.8 Sistema de Realidade Aumentada com Chroma Key para Simuladores.............20

II.9 Mesa de Controle Virtual para Treinamento de Operadores. Um Estudo de Caso

para um Simulador de Usina Nuclear..............................................................................22

II.10 Concluso do captulo..........................................................................................24

CAPTULO III ELEMENTOS DO SISTEMA

III.1 Introduo....................................25

III.2 Realidade Virtual e Aumentada ..........................................................25

III.2.1 Aplicaes em Treinamento.............................................29

III.3 Ambientes Virtuais Interativos............................................................................30

III.3.1 3dmax.......................................................................................................33

III.3.2 Adobe Director.........................................................................................34

III.3.3 DART.......................................................................................................36

III.4 Tcnicas de Composio de Ambientes O Chroma Key..................................36

III.5 Sistemas de Rastreamento de Movimento...........................................................38

III.5.1 Rastreamento tico com Marcadores Fiduciais......................................41

III.5.2 Cmera de captura Webcam..................................................................43

III.6 Sistema Ttil........................................................................................................44

III.7 Sistema de Controle CNC....................................................................................44

III.7.1 O sistema mecnico controlado por CNC................................................46

III.7.1.1 O conjunto mecnico de transmisso........................................46

III.7.1.2 Os motores de passo..................................................................48

III.7.2 O sistema eletrnico de controle..............................................................50

III.7.2.1 Placa de controle.......................................................................50

III.7.2.2 As placas de comando de motores............................................52

ix

III.8 Dispositivos Visuais O visor HMD..................................................................53

CAPTULO IV CONCEPO DO PROJETO

IV.1 Introduo............................................................................................................56

IV.2 O Ambiente Virtual Interativo.............................................................................57

IV.2.1 Modelagem Tridimensional.....................................................................57

IV.2.2 Construindo o AV - O Director................................................................58

IV.2.3 A Realidade Aumentada..........................................................................59

IV.3 O rastreamento e a Interao...............................................................................60

IV.3.1 O DART..................................................................................................60

IV.3.2 Os marcadores fiduciais...........................................................................61

IV.4 O Sistema Ttil....................................................................................................62

IV.5 O Sistema CNC....................................................................................................64

IV.5.1 Projeto e construo da estrutura............................................................66

IV.5.2 Projeto e construo do conjunto mecnico............................................67

IV 5.2.1 Conjunto de transmisso...........................................................67

IV.5.2.2 Motores de passo....................................................................71

IV.5.3 Projeto e montagem do conjunto eletrnico...........................................72

IV.5.4 Integrao com o rastreamento................................................................74

IV.6 A Imerso.............................................................................................................75

IV.6.1 O Hmd.....................................................................................................75

IV.7 Configurao Geral do Sistema...........................................................................76

CAPTULO V IMPLEMENTAO DO SISTEMA

V.1. Teste 01 Teste da Realidade Aumentada..........................................................79

V.2 Teste 02 Teste do CNC.....................................................................................81

x

V.3 Teste 03 Teste de integrao RA e CNC..........................................................83

V.4 Teste 04 Teste da interao...............................................................................86

V.5 Teste final............................................................................................................89

CAPTULO VI RESULTADOS E CONSIDERAES FINAIS

VI.1 Concluses...........................................................................................................92

VI.2 Consideraes finais............................................................................................95

VI.3 Implementaes futuras.......................................................................................96

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS......................................................................100

xi

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Painel de usina nuclear e de usina hidreltrica.................................................1

Figura 2 - Treinamento em ambiente real de trabalho.......................................................2

Figura 3 - Painel real de operao do HVDC .................................................................12

Figura 4 O simulador desenvolvido para treinamento..................................................13

Figura 5 Painis de ensino Bit9....................................................................................14

Figura 6 Painel de simulao da sala de motores MRPI .............................................16

Figura 7 O mdulo educativo da UGV.........................................................................17

Figura 8 O mdulo de manuteno da UGV................................................................18

Figura 9 O VAR Trainer...............................................................................................19

Figura 10 Piloto treinando no Chrave dentro da cabine...............................................20

Figura 11 Tecido para uso do Chrave sobre cabine real...............................................20

Figura 12 - O sistema aplicado em um simulador de guindaste.....................................21

Figura 13 - A viso do usurio do sistema......................................................................22

Figura 14 - A mesa virtual de controle............................................................................23

Figura 15 - Rplica de mesa de controle para simulao (KAERI) / Coria...................23

Figura 16 Simulador de vo.........................................................................................26

Figura 17a Elementos de RA em competies de natao...........................................27

Figura 17b Elementos de RA em competies de baseball..........................................27

Figura 18 Capacete com RA para pilotos.....................................................................28

Figura 19 Exemplo de uso de RA como manual de montagem de brinquedo.............28

Figura 20 Continum de Milgram..................................................................................29

Figura 21 Uso de RA em treinamento de manuteno.................................................30

xii

Figura 22 A interface do 3dmax...................................................................................33

Figura 23 Exemplo de animao famosa produzida com o 3dmax..............................34

Figura 24 Exemplo de modelo com marcador em RA.................................................35

Figura 25 - RA em telejornais grfico de previso do tempo.......................................37

Figura 26 A montagem do Chroma key.......................................................................38

Figura 27 O wii remote.................................................................................................39

Figura 28 Rastreamento tico com leds.......................................................................40

Figura 29 Dispositivo inercial IS-1200 da Intersense..................................................41

Figura 30 Marcador fiducial.........................................................................................42

Figura 31 RA com dois marcadores.............................................................................43

Figura 32 A A Lifecam HD..........................................................................................43

Figura 33 A Cyber Grasp..............................................................................................44

Figura 34 Fresa realizando produo e peas prontas..................................................45

Figura 35 Exemplo de pea sendo usinada...................................................................46

Figura 36 sistemas mecnicos: fusos, polias e cremalheira..........................................47

Figura 37 Exemplo de mquina com sistema de fusos.................................................47

Figura 38 Mquina CNC trabalhando no corte de material..........................................48

Figura 39 Motor de passo.............................................................................................48

Figura 40 Funcionamento do motor de passo...............................................................49

Figura 41 Os passos do motor......................................................................................49

xiii

Figura 42 O Arduino.....................................................................................................51

Figura 43 A smc-u-pro.................................................................................................52

Figura 44 O Hmd de Ivan Sutherland...........................................................................53

Figura 45 Evoluo dos Hmds......................................................................................54

Figura 46 O ambiente de produo no 3dmax..............................................................58

Figura 47 Exemplo de RA com dois marcadores.........................................................60

Figura 48 A arquitetura do DART................................................................................61

Figura 49 Sistema de posicionamento e rastreamento com marcadores......................62

Figura 50 A Cyber Grasp sendo utilizada....................................................................63

Figura 51 O sistema ttil com comandos reais / exemplo de painel real......................63

Figura 52 Exemplo de mquina CNC de pequeno porte..............................................65

Figura 53 A estrutura do prottipo molde impresso e pea em produo.................66

Figura 54 Encaixe da estrutura.....................................................................................67

Figura 55 A castanha e o fuso roscado.........................................................................68

Figura 56 Encaixe dos fusos nos rolamentos................................................................69

Figura 57 Acoplamento comercializado e acoplamento utilizado................................69

Figura 58 Os elementos do conjunto mecnico do CNC..............................................70

Figura 59 O motor de passo utilizado...........................................................................72

Figura 60 O conjunto eletro-eletrnico utilizado.........................................................73

Figura 61 Interface do software de controle do Arduino e as linhas de comando.......74

xiv

Figura 62 Hmd com cmera aclopada..........................................................................76

Figura 63 Esquema de visualizao geral dos elementos do trabalho..........................76

Figura 64 Esquema de visualizao geral do funcionamento do trabalho...................77

Figura 65 Ilustrao do sistema em funcionamento.....................................................77

Figura 66 O posicionamento do painel virtual.............................................................79

Figura 67 A utilizao de dois marcadores na mesma cena.........................................80

Figura 68 Movimentando o conjunto atravs do teclado.............................................81

Figura 69 Exemplos de sistemas de transmisso possveis..........................................82

Figura 70 Movimentando o conjunto mecnico atravs do mouse..............................83

Figura 71 Limite grfico de movimento do mouse na tela no Director.......................84

Figura 72 Conjunto mecnico acompanha o movimento do marcador........................85

Figura 73 Avatar representando a mo do usurio.......................................................87

Figura 74 Objeto real a frente do marcador aparece atrs da imagem virtual..............87

Figura 75 Diagrama dos marcadores utilizados...........................................................88

Figura 76 Marcador posiciona avatar no espao virtual com relao ao usurio.........88

Figura 77 Sistema completo.........................................................................................90

Figura 78 Outros tipos de marcadores..........................................................................93

Figura 79 Dispositivo inercial de rastreamento............................................................94

Figura 80 Cmera NX-Ultra.........................................................................................94

Figura 81 HMD com cmera embutida........................................................................95

xv

Figura 82 O wii-remote................................................................................................97

Figura 83 O Kinect.......................................................................................................98

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Comparao entre Hmds................................................................................55

Tabela 2 Custo aproximado de produo do prottipo.................................................78

1

CAPTUO I - INTRODUO

I.1- Introduo

As atividades industriais, mesmo as de pequena escala de produo, em geral

envolvem processos de produo com alto custo e tambm com altos nveis de preciso

de operao. Essas caractersticas em geral representam a necessidade de uma mo de

obra bem treinada e especializada em diferentes sub-reas do processo produtivo.

Alm disso, muitas atividades industriais envolvem altssimos riscos de acidentes de

trabalho. Entre as atividades industriais com altos custos e riscos podemos citar a

operao de painis de controle de temperatura de caldeiras em diversos tipos de

indstrias, painis do ramo automobilstico, painis de controle de operaes em portos,

painis de usinas hidreltricas (figura 1), de usinas nucleares (figura 1), usinas

petroqumicas, entre diversos outros exemplos.

Figura 1 painel de usina nuclear e de usina hidreltrica

Todas essas caractersticas apontam para a necessidade de um treinamento que,

alm de no interromper o processo produtivo, no oferea riscos aos usurios e

tambm represente uma alta qualidade de simulao e aprendizado, garantindo

capacitao mxima aos profissionais. A partir de todos esses fatores o uso de um

ambiente virtual de simulao se apresenta como excelente opo, pois alm de garantir

a segurana dos treinandos e a no interrupo das atividades industriais, tambm

possui a flexibilidade de trabalhar-se em um ambiente totalmente controlvel, onde

possvel simular diferentes atividades dentro do vasto campo da indstria, atravs de

recursos tecnolgicos capazes de representar de maneira bem prxima o ambiente real

de trabalho.

2

I.2- Motivao

Desde os primeiros experimentos nas dcadas de 50 e 60, considerados

pioneiros, at os dias atuais, as tecnologias no campo da Realidade Virtual evoluram de

forma grandiosa, passando pelos altos investimentos dos ramos militares e

desenvolvendo produtos cada vez mais acessveis ao usurio comum, como os recursos

hoje aplicados em consoles de jogos e computador.

Embora at hoje a tecnologia da Realidade Virtual seja diretamente associada a

um alto custo de trabalho, as suas vantagens so cada vez mais evidentes num mercado

que se configura cada vez mais especializado, exigindo uma mo de obra cada vez mais

instruda. Mesmo com todas essas caractersticas, ainda hoje existem muitos casos de

indstrias de alta produo com determinados processos de alta periculosidade, onde o

treinamento realizado de maneira precria ou bsica, ou em alguns casos quase

inexistente, sendo feito durante a execuo da prpria atividade. A figura 2 demonstra

um treinamento sendo realizado de forma direta no painel real de operao.

Figura 2 Treinamento em ambiente real de trabalho

Dentro desse contexto a motivao para a realizao do trabalho foi a

formulao de uma pesquisa direcionada s necessidades do vasto ramo da indstria,

analisando e aplicando os recursos tecnolgicos disponveis na rea da Realidade

Virtual para a gerao de um sistema de treinamento verstil e que permita uma

continuidade de pesquisa, abrindo inclusive possibilidade para trabalhos futuros

3

especficos nas diversas reas da indstria no mercado, sejam elas de alto ou baixo

custo, larga ou pequena escala, maior ou menor risco, etc.

I.3- Objetivos

O objetivo deste trabalho desenvolver um sistema de treinamento para

operadores de painis de comando na rea industrial em geral, utilizando um ambiente

virtual de simulao com uma resposta ttil aos usurios.

I.4- Objetivos especficos

Desenvolver um sistema de simulao capaz de fornecer uma resposta ttil com

baixo custo de implementao e que, utilizando tcnicas da rea de realidade virtual e

aumentada combinadas com um sistema de posicionamento controlado por computador

(CNC), permita simular diferentes painis de comando industriais com o intuito de

fornecer treinamento e capacitao aos profissionais desse ramo de atividade.

Apresentar solues e recursos possveis de incorporao ao sistema que

garantam maior imerso e melhor interao, como uma interface no convencional por

exemplo, possibilitando o uso de um ambiente virtual com alto nvel de simulao da

realidade.

I.5- Relevncia e justificativa

Inmeras atividades industriais controladas por painis de comando envolvem

processos com custos e riscos altssimos. Como dito, apesar disso as empresas nem

sempre possuem um sistema de formao e treinamento adequado que garanta um bom

aprendizado aos operadores envolvidos nesse ramo de atividade. Falhas consequentes

no processo de trabalho podem gerar alm de um baixo rendimento e produo, grandes

prejuzos e, at em casos piores, acidentes de trabalho.

Ainda hoje muitos treinamentos so realizados de forma terica, processo que,

embora represente ganho, pode ser considerado frgil e incompleto [1]. Outros

4

treinamentos fornecem aulas prticas, porm com atividades e interfaces que

transmitem o conhecimento, mas no simulam a interao e o processo real do ponto de

vista cognitivo do usurio.

Treinamento o esforo planejado de uma organizao para facilitar a

aprendizagem de comportamentos exigidos pelo trabalho [2]. Dentro desse conceito

pode-se perceber que determinados ramos da atividade industrial exigem muita preciso

e um mnimo de falhas, o que revela a importncia de um sistema que fornea o

mximo de realismo aos aprendizes. nesse contexto que se insere a utilizao de um

ambiente virtual de simulao.

A oportunidade de se criar um ambiente de treinamento que possua

caractersticas realsticas do ambiente de trabalho e com o qual o usurio pode interagir

de forma muito semelhante ao seu processo real de operao, atravs de imerso visual

e ainda sensao ttil, representa um processo de aprendizado mais intuitivo onde o

usurio pode absorver o conhecimento de maneira mais fcil e direta, visualizando uma

atividade muito prxima da situao real de trabalho.

Os avanos nos sistemas de treinamento representam no s uma oportunidade

de aperfeioamento de processos de trabalho e de profissionais, como tambm podem

ser vistos como um investimento na formao de novos trabalhadores mais capacitados,

o que vm sendo uma necessidade e uma exigncia no mercado de trabalho em geral

nos ramos das indstrias de alta tecnologia.

I.6- Definio do problema

Ambientes Virtuais em treinamentos j so realidade a alguns anos. Porm ainda

na atualidade, mesmo com todo o avano da informtica, em muitos casos ainda

representam um alto custo de investimento, inviabilizando o seu uso, visto que devem

comportar a escala da produo industrial [3]. Outro problema enfrentado na

implementao de um sistema desse tipo a aceitao por parte dos usurios, sejam eles

treinadores ou treinandos, pois deles a avaliao que vai qualificar a usabilidade do

sistema proposto. Em muitos casos os recursos virtuais utilizados so orientados a

especialistas, ou seja, os usurios leigos em muitos casos - dispendem muito tempo

para aprender a prpria ferramenta [3].

5

Estes fatores indicam a necessidade da implementao de um sistema que possua

uma interao quanto mais realstica possvel e com custos menores, pois assim se

garante, alm de um processo de aprendizado mais intuitivo, uma proximidade maior

com o ambiente de trabalho dos avaliadores.

Dentro da realidade das atividades industriais encontramos diversos fatores que

apontam para a necessidade do uso de treinamentos de simulao virtual, e mais alguns

que demonstram as dificuldades ainda existentes para a sua implementao. So eles:

Evidncias da necessidade:

. Fatores de risco aos trabalhadores envolvidos nas determinadas atividades.

. Atividades que exigem alta preciso e portanto operrios altamente

capacitados.

. Alto custo envolvido em determinadas operaes.

. Inexistncia de treinamentos satisfatrios.

Dificuldades de implementao:

. Atividades que requerem o desenvolvimento de sistemas especficos de

treinamento.

. Grande diversidade de painis de comando

. Alto custo de implementao de alguns equipamentos de simulao virtual.

. Aceitao dos usurios.

I.7- Concepo do projeto

A partir dos problemas encontrados a concepo do projeto aponta para o

desenvolvimento de um sistema com custos reduzidos e que seja capaz de fornecer o

mximo de imerso e realidade de interao ao usurio. Alm de possuir a flexibilidade

6

de representar diferentes painis de comando, o que permite seu uso em diversos casos

de simulao relativos a diferentes atividades em ramos tambm diversos da indstria.

A construo de um ambiente virtual com resposta ttil configurou-se portanto

como uma qualidade de maior compromisso cognitivo em relao simulao. A

utilizao de um sistema de posicionamento controlado por computador permite

configuraes diversas para simulaes de diferentes painis industriais. A percepo

visual atravs de um visor do tipo Hmd garante maior imerso ao treinando. O uso de

uma interface no convencional onde o usurio pode interagir com o ambiente virtual

atravs de seus prpios movimentos, ou seja, de maneira idntica situao real de

trabalho caracteriza-se como uma possibilidade de garantir maior realismo ao

treinamento.

I.8- Composio do sistema

Basicamente os elementos que compem o sistema so: Dispositivo de sada de

vdeo ou visor (Hmd) que fornece a visualizao e imerso ao usurio no ambiente de

treinamento virtual, sistema ttil com painel com botes reais com movimento

controlado por computador (CNC), sistema de rastreamento de movimento do usurio

formado por um conjunto de marcadores e uma cmera de captura, sistema de insero

e interao do usurio, ambiente virtual interativo controlado por um aplicativo

especfico capaz de integrar todas as partes, aplicativos de extenso capazes de

integrar os diferentes elementos utilizados, um computador que controla todos os

dispositivos utilizados.

I.9- Atividades

O projeto prope o desenvolvimento de um sistema de treinamento para

operadores de painis de comando industriais, atravs da construo de um prottipo de

simulao que utiliza um ambiente virtual, um sistema que garante uma resposta ttil ao

treinamento com menores custos, equipamentos de rastreamento de movimento e

equipamentos de interao que possibilitam imerso e interatividade ao usurio. O

processo de trabalho da pesquisa envolve as seguintes atividades:

7

. Pesquisa sobre os recursos da Realidade Virtual disponveis atualmente;

. Pesquisa sobre os itens especficos do sistema definio do sistema;

. Construo do prottipo;

. Testes de avaliao do prottipo.

I.9.1- Atividade 1:

Pesquisa e anlise geral sobre os recursos e dispositivos disponveis para a

construo do sistema, entre eles os recursos especficos de Realidade Virtual, como

dispositivos de sada de vdeo em especfico os visores do tipo Hmd existentes,

dispositivos de rastreamento, alm dos recursos de aplicativos (softwares) disponveis

para realizao do trabalho. E ainda os demais recursos, como os utilizados para a

construo do sistema CNC e do prottipo de teste, entre eles as peas mecnicas e

dispositivos eletrnicos disponveis.

I.9.2- Atividade 2:

Definio dos elementos que compem o sistema com consequente pesquisa e

anlise especfica dos mesmos, considerando seus processos de implementao, so

eles: o sistema de controle por computador (CNC) e suas partes, considerando o projeto

para constru-lo com os elementos escolhidos; dispositivos e tcnicas de rastreamento,

considerando seus funcionamentos; recursos e aplicativos da informtica disponveis

para a integrao das partes do sistema e ainda os recursos utilizados para a gerao de

um ambiente virtual que integre todos os elementos, considerando todo o aprendizado a

respeito da utilizao destes recursos.

I.9.3- Atividade 3:

Incio da construo do prottipo a partir da pesquisa e definio dos elementos,

considerando as possibilidades de combinao dos recursos encontradas em pesquisa.

Esta atividade pode ser dividida nas seguintes partes:

8

- Construo do sistema mecnico: construo e montagem dos elementos que

compem a parte mecnica do prottipo, entre elas esto a estrutura fsica de suporte, as

guias, fusos roscados, motores e os prpios botes de comando que simulam botes

reais de painis de operao.

- Construo do sistema eletrnico: montagem do conjunto eletrnico

responsvel pela comunicao entre o prottipo e o computador.

- Aplicativos de interface: Determinao e produo de aplicativo que

comunica-se com o sistema eletrnico e controla os movimentos do prottipo por CNC.

- Construo do Ambiente Virtual : Definio dos softwares e produo do

cenrio virtual, bem como o desenvolvimento da interao e composio de imagens

para a realizao final do ambiente de simulao.

- Finalizao do prottipo Integrao das partes: Montagem final com a

reunio de todos os elementos do sistema.

I.9.4- Atividade 4:

Testes de aprimoramento e validao do sistema.

I.10- Requisitos

O sistema deve proporcionar aos usurios:

- Boa visualizao dos componentes de um painel de comando industrial;

- Sensao ttil dos comandos de operao do painel;

- Imerso do usurio no ambiente.

- Correspondncia visual e de interao entre o ambiente real e virtual

I.11- Resultados esperados

Boa visualizao dos componentes virtuais de simulao;

9

Boa resposta ttil ao usurio;

Sensao de imerso durante a interao no ambiente virtual de treinamento;

Possibilitar a simulao de diferentes tipos de painis de comando;

Reduo de custos e dimenses em relao simuladores em geral para as

atividades treinadas;

Funcionamento do prottipo que qualifique o sistema para ser aplicado como

mtodo de criao de ambientes de simulao das atividades estudadas.

Simplificao do processo de produo de sistemas de simulao de painis

industriais, atravs da utilizao de diferentes painis virtuais no mesmo

sistema.

I.12- Organizao da dissertao

O texto da dissertao est organizado em cinco captulos distribudos da

seguinte forma:

Captulo 1- So apresentadas as linhas gerais da dissertao, entre eles a

motivao, os objetivos, a problematizao, concepo do projeto, definio das

atividades a serem realizadas, alm dos requisitos e resultados esperados.

Captulo 2- Neste captulo so apresentados alguns projetos similares ao trabalho

proposto, detalhando suas qualidades e suas capacidades com relao aos objetivos da

pesquisa.

Captulo 3- Apresenta um embasamento terico sobre os conceitos, tcnicas e

dispositivos utilizados, demonstrando os recursos disponveis no campo geral da

Realidade Virtual, explorando suas caractersticas e suas aplicaes nos elementos que

compem o sistema, definindo de maneira mais detalhada as partes do trabalho e seus

funcionamentos.

Captulo 4- Este captulo trata da metodologia de construo do trabalho,

demonstrando as etapas da concepo do projeto e a evoluo da pesquisa.

Captulo 5- Trata dos testes de implementao do trabalho, demonstrando todo

o processo durante a realizao dos mesmos.

10

Captulo 6- Apresenta os resultados obtidos nos testes, as consideraes finais

do trabalho e as possibilidades futuras de implementao.

11

CAPTULO II ESTADO DA ARTE

II.1- Introduo:

A utilizao de treinamentos em indstrias algo primordial e de fato no

representa novidade, porm esses processos geralmente so desenvolvidos dentro das

prprias empresas em muitos casos de maneira informal ou dentro de um contexto

rotineiro, ou seja, a necessidade de um treinamento melhor preparado e que fornea uma

idia muito prxima da operao real dos painis industriais ainda muito presente. A

utilizao de ambientes virtuais para esses treinamentos no uso de painis industriais de

comando em geral algo mais raro ainda, poucos projetos foram desenvolvidos nesse

sentido, mas existem alguns casos de reas especficas de outros setores nas quais o uso

de simuladores de treino com realidade virtual j representa uma realidade, pois os

mesmos so comercializados por diversas empresas ao redor do mundo. A rea

martima e porturia um exemplo dessa realidade.

Alguns estudos existentes apontam na direo de uma melhoria nesse setor. Este

captulo tem a finalidade de descrever alguns desses exemplos encontrados na pesquisa

sobre treinamento e aprendizado para o trabalho com painis de comando, explorando

quais elementos e tcnicas existem atualmente em diversas reas dentro do contexto de

simulao e treinamento e explorando quais caractersticas podem ser implementadas.

II.2- STO CEL (Simulador para treinamento de operadores de centrais de

distribuio de energia eltrica):

Projeto [4] desenvolvido por grupo de pesquisadores da Universidade Federal de

Itajub com o intuito de treinar operadores de Furnas. O projeto tinha como objetivo

simular situaes reais a partir de dados de eventos j ocorridos durante operaes do

chamado elo HVDC, sigla em ingls que significa corrente contnua de alta voltagem. A

proposta era fornecer um equipamento de treinamento que simulasse a estrutura fsica e

as atividades de uma mesa de comando (figura 3). As atividades empenhadas nesse

posto de trabalho apresentam-se como de alto risco e custo tambm, o que representou

uma necessidade para a implementao do estudo.

12

O objetivo do projeto era portanto criar um painel virtual que possibilitasse

simular situaes reais da operao de um centro de distribuio de energia eltrica e

que permitisse a interao dos usurios. Foi utilizado um conjunto de telas de cristal

lquido do tipo sensvel ao toque (touch screen), onde era possvel a percepo dos

eventos e a ao dos usurios. O sistema contava ainda com telas de visualizao onde

era possvel ler tutoriais de treinamento e ainda com manuais de uso e de treinamento

(figura 4). O resultado final do estudo ainda previa testes para os operadores para

avaliar o conhecimento adquirido na utilizao do sistema de treinamento.

O projeto foi implementado e utilizado pela empresa para o treinamento de

operadores das usinas de Foz e de Ibina.

Figura 3 Painel real de operao do HVDC

13

Figura 4 O simulador desenvolvido para treinamento

Comparando-se este projeto com o trabalho proposto nesta dissertao pode-se

destacar algumas semelhanas, entre elas: a aplicao em um painel de usina

hidreltrica, o uso de um painel virtual que simula os comandos reais e principalmente o

objetivo de fornecer treinamento aos usurios de um painel de controle. Porm algumas

diferenas se destacam como o uso de visualizao no imersiva, o uso de uma interface

mais simples de relao com usurio, com a utilizao de telas sensveis ao toque, entre

outras.Ou seja, possvel perceber que o STO fornece ao treinamento uma visualizao

dos processos de utilizao do painel de controle, porm no possui como caracterstica

o uso de um ambiente mais imersivo e com uma interao mais intuitiva. Estas

caractersticas definem o Sistema de Painel Virtual com Resposta Ttil como um

projeto mais complexo e mais abrangente, pois prope a utilizao de uma interface no

convencional e mais imersiva, onde o usurio levado a um ambiente virtual de

treinamento no qual possvel interagir de forma idntica s situaes reais de trabalho.

II.3- Bit9 Painis de ensino:

Dependendo do ramo de atuao algumas das atividades de alto risco j possuem

determinados tipos de treinamento desde a formao dos profissionais antes deles

chegarem ao mercado de trabalho. Alguns centros de formao e escolas de preparao

de profissionais utilizam painis de treinamento para ensino das atividades. Esses

14

painis so comuns em escolas de formao tcnica na rea de eltrica de alta voltagem

por exemplo.

A produo desses produtos em geral direcionada para ramos especficos,

sendo produzidos painis diversos com aplicaes diferenciadas para cada atividade,

cada um com suas especificidades, ou seja, no existe um produto genrico que

possibilite um treinamento vasto com relao aos diferentes tipos de painis existentes.

Algumas empresas como a Bit9 [5] produzem painis e equipamentos didticos

para reas como eletrnica, eltrica, telemtica, telecomunicaes, automao, entre

outros, com o objetivo de atender a demanda de treinamento em escolas de formao

tcnica especializada (figura 5).

Figura 5 Painis de ensino Bit9

O uso dos painis de ensino na formao de profissionais pode ser caracterizado

como uma simulao que, assim como no projeto proposto nesta dissertao, utiliza

comandos reais de operao, porm pode-se destacar como caracterstica menos

imersiva destes painis a no utilizao de um ambiente virtual de simulao que

garanta ao usurio uma visualizao mais completa do ambiente real de trabalho e dos

processos de utilizao do painel em situaes reais. Ou seja, no caso dos painis de

ensino possvel perceber uma resposta ttil ao usurio, com a utilizao de comandos

15

idnticos aos reais de operao, porm este sistema fornece ao treinamento uma

visualizao muito simples do processo de uso destes comandos.

II.4- MPRI Trainning System Group

Empresa norte-americana especialista no desenvolvimento de equipamentos de

simulao de atividades martimas. Entre diversos simuladores voltados para essa rea

esto os simuladores de ancoragem para a rea offshore, os de operao de guindastes,

os simuladores para sala de comando de navios e o que mais se aproxima do trabalho

proposto: o simulador de operao de salas de mquinas de navios.

O simulador de controle dos motores desenvolvido pela MPRI [6] pode ser

utilizado desde o nvel bsico de treinamento, a ser utilizado em um computador

comum, ou seja, com uma interface simples e com treinamento apenas dos processos,

pode tambm ser utilizado com mltiplos computadores, ou seja, para treinamento de

equipes de operadores, ou ainda ser utilizado no modo completo onde os treinandos

podem perceber os processos e interagir com os mesmos atravs de comandos reais de

operao (figura 6), usando uma rplica fsica de um painel real de controle e ainda

compreender o funcionamento dos sistemas atravs de rplicas em tamanho real dos

motores.

O simulador foi projetado para que seja facilmente mantido e ampliado para

acompanhar a evoluo da tecnologia marinha e legislao martima e fornece

treinamento para atividades de rotina como operaes dos motores de propulso em

manobras at operao dos motores em casos de emergncia.

16

Figura 6 Painel de simulao da sala de motores MRPI

O sistema de treinamento desenvolvido pela MRPI caracteriza-se como mais

completo principalmente pela variedade de nveis de simulao possveis graas aos

diversos dispositivos utilizados, porm possvel perceber diferente do sistema

proposto neste trabalho, a utilizao de comandos reais no est associada a um

ambiente virtual com uma interface no convencional, ou seja, a simulao

desenvolvida se caracteriza como mais simplificada.

II.5- UGV Unidade Geradora Virtual Usina de Tucuru Par

Projeto desenvolvido pelo Laboratrio de Realidade Virtual da Faculdade de

Engenharia da Computao da Universidade Federal do Par. Tem como finalidade

desenvolver um sistema educacional de Realidade Virtual para o estudo e treinamento

de procedimentos de manuteno de uma Unidade Hidreltrica de Energia, utilizando

como estudo de caso as plantas da UHE (Unidade Hidreltrica de Energia) da Usina de

Tucuru, segunda maior do pas e quinta do mundo. O estudo [7] teve seu incio em

2005.

O resultado do estudo consiste num sistema que utiliza a chamada realidade

virtual desktop, ou seja, que utiliza dispositivos de interface comuns a um computador

17

pessoal. O usurio portanto percebe o ambiente atravs da tela do computador e interage

com os dados atravs dos perifricos comuns de trabalho.

O projeto foi desenvolvido com dois mdulos constituintes: mdulo educativo e

mdulo de manuteno. No primeiro (figura 7) o treinando visualiza as partes distintas

que compe a UHE, ou seja, este mdulo tem a funo de oferecer uma viso geral da

unidade possibilitando ao usurio uma percepo das partes integrantes do conjunto. No

segundo, denominado mdulo de manuteno (figura 8), o treinamento realmente

efetuado, sendo possvel escolher entre trs modos de treino, segundo o nvel de

conhecimento do usurio.

Figura 7 O mdulo educativo da UGV

No modo Manuteno Automtica o treinando visualiza, atravs de uma

animao, todo o processo a ser efetuado. No modo Treinamento Guiado o usurio pode

mover-se dentro do espao virtual e efetuar a manuteno, entretanto o sistema exibe

comandos informando cada a passo a ser seguido. No modo Treinamento Exploratrio o

treinando age por conta prpria e o sistema informa apenas se cada passo efetuado est

correto ou no, permitindo ou no que o usurio passe para o passo seguinte.

18

Figura 8 O mdulo de manuteno da UGV

O treinamento proposto pela UGV oferece uma visualizao da cadeia de dados

dos processos conforme ocorre a interao. Portanto o usurio absorve as informaes

de maneira visual, atingindo um nvel mais alto de percepo do que em treinos

convencionais com documentos impressos, porm ainda no percebe as atividades de

maneira similar execuo real dos procedimentos. Isso se deve s limitaes de

interface da realidade virtual desktop.

II.6- VAR Trainer (Versatile Augmented Reality Simulator)

O VAR Trainer [8] foi um projeto de simulao desenvolvido entre 2004 e 2007

em uma parceria entre associaes empresariais europias, entre elas a AEP

(Associao Empresarial de Portugal) e a AECOPS (Associao das empresas de

Construo e Obras Pblicas) e algumas empresas, entre elas a espanhola Ikerlan que

produziu os simuladores.

O VAR Trainer (figura 9) um sistema de treinamento para operadores de

maquinaria pesada da rea de construo civil que combina a aplicao de comandos

reais, que simulam a ao do equipamento, e um ambiente virtual inserido pela tcnica

de chroma key, ou seja, o sistema utiliza a realidade aumentada para inserir dados

visuais virtuais em uma cabine real de simulao. O conjunto conta ainda com uma base

mvel que aumenta a imerso e a realidade do treinamento para o usurio.

19

Figura 9 O VAR Trainer

A figura 9 apresenta o espao externo do VAR Trainer - onde possvel

perceber a utilizao de uma cabine real de operao, e o espao interno - onde

possvel ver o ambiente real, onde o usurio est situado, e o dispositivo visual

utilizado.

II.7- Chrave (Chromakeyed Augmented Virtual Environment)

Desenvolvido pelo Modeling Virtual Environments and Simulation (MOVES),

instituo de pesquisa situado na Escola de Ps-graduao Naval (Naval Postgraduate

School) em Monterrey Califrnia Estados Unidos em parceria com o USMC (U.S.

Marine Corps), o Corpo de fuzileiros navais norte americano.

Este projeto [9] tinha como finalidade produzir um simulador de navegao de

helicptero utilizando Realidade Aumentada associada a um sistema chroma key com

um tecido azul, que permite inserir o usurio e os comandos da aeronave no ambiente de

treinamento, alm da imerso atravs de um visor do tipo Hmd com uma cmera

acoplada.

O primeiro prottipo do Chrave foi desenvolvido como uma forma barata e

porttil de adaptar qualquer aeronave como um simulador de treinamento, atravs de um

ambiente virtual gerado por um computador comum, um visor Hmd (figura 10) e um

tecido azul como chroma key colocado sobre as janelas da aeronave (figura 11).

20

Figura 10 Piloto treinando no Chrave dentro da cabine

Figura 11 Tecido para uso do Chrave sobre cabine real

II.8- Sistema de Realidade Aumentada com Chroma Key para Simuladores:

Trabalho [10] realizado por Mrio Luiz Ribeiro no ano de 2009, pelo Programa

de Engenharia Civil da COPPE - UFRJ, como dissertao de mestrado, que consiste em

um projeto para desenvolvimento de um sistema de simulao que utiliza a composio

21

de imagens virtuais com imagens reais captadas do prprio usurio, criando um

ambiente de simulao com maior imerso e realidade, inserindo o prprio usurio na

cena virtual de treinamento.

Alm das imagens do usurio, so inseridas tambm as imagens captadas dos

controles reais do simulador, ou seja, o resultado final uma simulao que mistura a

utilizao de rplicas de comandos reais de operao com imagens virtuais do ambiente

simulado e com as imagens reais do prprio usurio e das rplicas dos comandos.

Assim como nos dois projetos anteriores foi utilizada neste trabalho uma

associao dos recursos da Realidade Aumentada com a tcnica do Chroma key. Esta

associao permitiu a criao do ambiente misto de imagens reais e virtuais. Para a

visualizao deste ambiente foi tambm utilizado um dispositivo de visualizao do tipo

Hmd com uma cmera de captura acoplada.

Os testes de implementao das tcnicas estudadas para o Sistema de Realidade

Aumentada com Chroma Key foram realizados em um simulador de guindastes de porto

tambm desenvolvido na COPPE/UFRJ (figura 12) e provaram a eficcia da utilizao

dos recursos e conhecimentos empregados no trabalho, criando um sistema genrico

capaz de adaptar-se a simuladores variados, incorporando maior realidade e imerso ao

treinamento.

Figura 12 O sistema aplicado em um simulador de guindaste

22

Figura 13 a viso do usurio do sistema

A figura 13 demonstra a viso do prprio usurio, percebendo um ambiente

misto formado pela composio das imagens reais dos comandos do simulador e do

prprio usurio e, das imagens do ambiente virtual de simulao.

Analisando-se este trabalho e os dois anteriores (itens II.7 e II.8) podemos

observar que os mesmos possuem em comum com o trabalho proposto a utilizao de

recursos da Realidade Aumentada, de comandos reais de operao e de imerso do

usurio, todos esses elementos associados com o intuito de fornecer um treinamento

atravs da visualizao e interao em um ambiente virtual. Um elemento comum entre

estes trs trabalhos citados e que representa um grande potencial de implementao no

projeto proposto a utilizao de tcnicas de combinao de imagem para a insero do

prprio usurio dentro do ambiente de simulao.

II.9- Mesa de Controle Virtual para Treinamento de Operadores. Um Estudo de

Caso para um Simulador de Usina Nuclear:

Projeto [11] realizado por Maurcio Alves da Cunha no ano de 2009, pelo

Programa de Engenharia Civil da COPPE - UFRJ, como dissertao de mestrado, que

consiste na concepo de uma mesa virtual (figura 14) com o intuito de simular uma

mesa real de operao de um reator de usina nuclear do tipo PWR (Pressurized Water

Reactor), sigla em ingls que define um reator de gua pressurizada.

23

Figura 14 A mesa virtual de controle.

O trabalho foi desenvolvido com o intuito de permitir uma integrao com o

simulador de PWR desenvolvido no Instituto de Energia Nuclear (IEN) em parceria

com o Instituto de Energia Atmica da Coria (KAERI). Ou seja, a mesa virtual

consiste em um recurso para acessar visualmente os dados de simulao, realizando o

treinamento de operadores de maneira mais intuitiva atravs do uso de um sistema de

Realidade Virtual desktop.

O modelo de mesa de controle baseou-se em um projeto de simulador

internacional desenvolvido no Instituto de Energia Atmica da Coria (KAERI), o qual

possua uma rplica de um modelo real de mesa de controle de um PWR (figura 15).

Figura 15 Rplica de mesa de controle para simulao (KAERI) / Coria

24

Uma outra caracterstica da mesa de controle virtual o seu objetivo de

funcionar remotamente, desta maneira o usurio pode utilizar o painel virtual e realizar

o treinamento a distncia, acessando os dados de simulao atravs de qualquer

computador via internet.

Quando comparadas as caractersticas deste trabalho e do trabalho proposto

nesta dissertao podemos perceber um resultado semelhante comparao com o item

II.5, pois trata-se de um sistema de simulao desktop que oferece uma visualizao dos

processos e permite ao usurio absorver as informaes de maneira visual, atingindo um

nvel mais alto de percepo do que em treinos convencionais. Porm, diferente do

trabalho proposto, utilizada uma interface convencional de interao e um sistema no

imersivo, os quais no fornecem maior realidade ao ambiente de simulao.

II.10- Concluso do captulo:

Todos os exemplos encontrados demonstraram tecnologias disponveis no

mercado e possibilitaram uma pesquisa abrangente sobre os elementos a serem

empregados no Sistema de Painel Virtual com Resposta Ttil. Embora muitos dos

projetos encontrados apontem em diferentes direes, todos tm realmente algo em

comum com a pesquisa e com certeza puderam agregar conhecimentos que auxiliaram

na percepo das necessidades reais no contexto do treinamento em indstrias, na

formao do conceito do projeto e ainda na elaborao e viabilizao do trabalho

proposto.

25

CAPTULO III - ELEMENTOS DO SISTEMA

III.1- Introduo:

Desde os primeiros experimentos com Realidade Virtual, passando pela criao

do prprio termo por Jaron Lanier1 at os dias atuais, esta rea do conhecimento sempre

se demonstrou muito abrangente, permitindo sua aplicao em diversos ramos de

estudo. A Realidade Virtual uma cincia que engloba conhecimento de diversas reas,

como a computao, eletrnica, robtica e cognio, dentre outras, visando oferecer

sistemas computacionais que integram caractersticas de imerso e interatividade para

simular ambientes reais onde os usurios tm estimulados simultaneamente os seus

vrios sentidos pelo uso de dispositivos especficos [12]. Esta diversidade de aplicaes

tambm possibilita portanto uma grande variedade de tcnicas e dispositivos para a

gerao de sistemas de Realidade Virtual, permitindo interatividade, visualizao e

imerso aos usurios. Este captulo tem por finalidade apresentar parte desta vasta gama

de conhecimentos da Realidade Virtual, definindo os elementos que esto diretamente

ligados pesquisa proposta, demonstrando de maneira mais detalhada suas

caractersticas.

III.2- Realidade Virtual e Aumentada:

Graas s vrias formas de aplicao, muitas formas de dividir os sistemas de

Realidade Virtual foram descritas por diversos autores, entre elas podemos destacar a

RV de simulao, de projeo, RV de mesa, a tele-presena, a visualizao cientfica,

entre outras. No trabalho proposto podemos classificar principalmente o uso de recursos

da Realidade Virtual e tcnicas da Realidade Aumentada.

A Realidade Virtual , antes de tudo, uma interface avanada do usurio para

acessar aplicaes executadas no computador, tendo como caractersticas a visualizao

de, e movimentao em, ambientes tridimensionais em tempo real e a interao com

elementos desse ambiente, podendo ainda ser caracterizada pela estimulao dos demais

sentidos como tato e audio [13]. Pode-se destacar no trabalho proposto o uso de

1 Artista norte-americano que criou o termo Realidade Virtual.

26

diferentes recursos da Realidade Virtual, entre eles podemos citar principalmente o uso

de um ambiente sinttico onde possvel ao usurio uma imerso total atravs de

perifricos especficos, alm da utilizao de um sistema ttil com a finalidade de

aumentar a qualidade da simulao do sistema de Realidade Virtual.

Um exemplo muito comum e que citado por diversos autores como a origem

da RV so os simuladores. Originrios do setor militar e muito difundidos

principalmente no setor de aviao comercial, os simuladores possuem a caracterstica

de criar um ambiente totalmente sinttico onde o usurio fica imerso atravs da

estimulao de diferentes sentidos como viso, audio e tambm do tato, alm da

percepo de movimentos no ambiente, gerados por dispositivos fsicos chamados de

bases-mveis. Ou seja, o usurio transportado para um ambiente que simula fielmente

a sua situao de trabalho. A figura 16 demonstra um simulador utilizado em aviao.

Figura 16 Simulador de vo

Alm dos recursos da RV utilizados de forma tradicional podemos destacar no

trabalho proposto o uso da chamada Realidade Aumentada. Muitos autores destacam a

RA como uma subdiviso da RV, ou ainda como uma variao do ambiente virtual [14],

porm vale destacar que a RA possui uma caracterstica bem diferente da RV, pois ao

invs de inserir o usurio em um ambiente totalmente sinttico ela acrescenta imagens

virtuais a um ambiente real, criando um espao de trabalho onde o usurio pode acessar

determinadas informaes geradas no computador e que atravs de tcnicas especficas

so incorporadas de maneira realstica ao ambiente. Podemos descrever trs

propriedades principais da RA [15]: A juno de real e virtual em um ambiente real, a

27

interao em tempo real, e o registro em 3d, ou seja, o alinhamento entre o real e o

virtual.

A RA vem sendo aplicada e possvel perceber exemplos bem comuns no dia a

dia. Um desses exemplos o seu uso em publicidade para televiso em transmisses

esportivas (figura 17b), elementos virtuais de promoo de produtos e marcas so

inseridos nas imagens reais de transmisso em tempo real. Ainda nas transmisses

esportivas podemos destacar os recursos que so utilizados para explicar lances

especficos como a marca do recorde nas transmisses de natao durante os jogos

olmpicos (figura 17a).

Figura 17a elementos de RA em competies de natao

Figura 17b elementos de RA em competies de baseball

Um outro exemplo que define bem as caractersticas da RA o seu uso em

capacetes especiais para pilotos de aeronaves militares (figura 18). Existem alguns

capacetes desenvolvidos especialmente para pilotos que utilizam de recursos de RA,

projetando elementos diretamente na viseira com o intuito de acrescentar informaes

28

aos pilotos, auxiliando-os nos procedimentos de vo, como situaes de pouca

visibilidade por exemplo.

Figura 18 capacete com RA para pilotos

Uma das caractersticas mais importantes da Realidade Aumentada a maneira

pela qual a interao foi transformada, j que a forma de interagir no mais com um

local especfico criado virtualmente e atravs de uma tela fixa a sua frente, mas com

todo o ambiente a sua volta. Essa interao, no acontece somente com o mundo virtual,

mas tambm com o mundo real que nos cerca auxiliando na nossa percepo sobre ele

[10]. A figura 19 demonstra um manual de montagem de um brinquedo atravs do uso

de Realidade Aumentada.

Figura 19 Exemplo de uso de RA como manual de montagem de brinquedo

29

A evoluo da RA, ou seja, o uso crescente de compostos de imagens reais e de

informaes virtuais gerou o surgimento de alguns conceitos mais amplos sobre

ambientes mistos. Num contexto amplo, podemos destacar o conceito da Realidade

Mista, onde a principal caracterstica exatamente a unio de elementos virtuais e reais

que formam um ambiente com maior oferta de informaes e recursos ao usurio.

Dentro desse contexto podemos apresentar ainda como semelhante a RA a Virtualidade

Aumentada, onde, de maneira oposta, so inseridos elementos reais em um ambiente

predominantemente virtual. Esses elementos e suas caractersticas so bem definidos

por [16] atravs do grfico da figura 20.

Figura 20 Continum de Milgram

III.2.1- Aplicaes em treinamento:

Entre as vantagens do uso de recursos virtuais em treinamento podemos destacar

a versatilidade caracterizada pela possibilidade de aplicao em diversas reas,

podendo-se criar ambientes variados aplicados a diferentes atividades, alm da

segurana de realizar treinamentos sem riscos de acidentes e tambm de prejuzos

materiais, e principalmente podemos ressaltar o potencial da Realidade Virtual no

aprendizado dos treinandos, pois a simulao de atividades com situaes muito

prximas do ambiente real de operao, com estmulos aos sentidos do usurio e

interao, podem fornecer um maior potencial de reteno de informao aos

treinandos. Usurios de RV em geral so melhores na busca de informaes porque tem

lembranas melhores do que observaram na cena que os envolvia, ou seja, absorveram

de melhor forma o conhecimento [17]. A RV pode influenciar positivamente o

aprendizado, pois baseia-se em experincias de 1 pessoa [18]. Como experincias em 1

30

pessoa podemos considerar as situaes onde o indivduo conhece o mundo (o virtual

no caso) atravs de sua interao com ele, caracterizando um aprendizado direto,

subjetivo e frequentemente inconsciente [19].

Pela sua caracterstica abrangente a aplicao da RV e da RA em treinamento

capaz de estender-se a diferentes ramos de atividades que envolvam a necessidade de

gerar conhecimento aos trabalhadores de maneira eficaz e segura, garantindo qualidade

de aprendizado e melhorias na produtividade. Entre as atividades que podemos notar a

aplicao dos ambientes virtuais de treinamento, podemos destacar os simuladores de

vo, simuladores militares em geral, simuladores de atividades martimas, de carros de

competio, simulaes para atividades industriais em geral, entre outros exemplos

existentes nas diversas reas do conhecimento. A figura 21 demonstra a utilizao de

RA em um treinamento de manuteno de mquina, possvel perceber o uso de

marcadores fiduciais e um visor especfico.

Figura 21 Uso de RA em treinamento de manuteno

III.3- Ambientes Virtuais interativos:

Ambientes virtuais no representam novidade. Nos dias atuais com o uso dos

recursos da rede mundial de computadores todas as pessoas conseguem interagir e

trocar informaes em ambientes colaborativos virtuais. As aplicaes desses recursos

que podem caracterizar uma inovao. Dependendo do nvel de necessidade do uso dos

ambientes virtuais eles podem variar de espaos grficos 3d com boa qualidade de

31

representao at ambientes comuns de troca de textos, como em muitos casos de

tcnicas de ensino a distncia por exemplo [20].

No caso de um AV de simulao necessita-se de boa qualidade de representao

grfica 3d, imerso do usurio e interao no convencional. Em resumo, o ambiente

necessita transmitir ao usurio a sensao de mxima semelhana com o real, levando

em considerao a percepo visual e tambm a forma como o indivduo interage com o

ambiente, ou seja, necessrio o uso de interfaces que simulem a ao do usurio em

um ambiente real de trabalho.

Podemos descrever os procedimentos realizados pelo sistema de simulao de

um ambiente virtual da seguinte maneira [21]:

- O software carrega na memria do computador o cenrio composto de modelos

tridimensionais, avatares, posies, orientaes e propores, criando um mundo

virtual

- O software exibe, atravs de dispositivos visuais, o ambiente para o usurio,

criando uma janela para o espao virtual, permitindo ao usurio perceber as mudanas

provocadas pela sua interao.

- O software, atravs de dispositivos homem-mquina, permite que o usurio

navegue no cenrio e interaja com os objetos do ambiente virtual.

- O software controla a ao dos objetos do ambiente que no so controlados

pelo usurio.

- O software por vezes simula leis da fsica que permitem maior realidade ao

ambiente, como coliso com slidos e gravidade.

Do ponto de vista da criao dos cenrios interativos podemos dizer que existem

dois tipos diferentes de softwares: os de construo de cenrios, onde possvel realizar

a modelagem tridimensional, construindo os objetos que faro parte do ambiente, e os

de composio do ambiente interativo, onde possvel programar o funcionamento da

interao do ambiente, projetando recursos como a interface, o avatar, variaes no

ambiente como iluminao, sons, entre outros.

32

Pode-se dizer que esta distino entre os dois tipos de aplicativos geralmente

ocorre pela superioridade dos recursos de determinados softwares para suas reas

especficas. No campo dos programas modelagem tridimensional, por exemplo, pode-se

dizer que houve um crescimento acelerado pela demanda de reas diversas como

animaes para cinema e ilustrao digital.

A tecnologia CAD2 [22] sigla que significa desenho auxiliado por computador

em ingls - permitiu o avano da rea de produo de projetos digitais, como

consequncia surgiram diversos softwares de criao de maquetes tridimensionais.

Atualmente os softwares de modelagem tridimensional atendem a diversas reas do

conhecimento, tais como: projetos de arquitetura, ilustrao digital, composio de

cenrios para cinema e TV, produes de animao e cinema, projetos de engenharia

mecnica, prototipagem industrial, entre outras.

Dentro desse contexto muitos recursos podem tambm ser aproveitados para a

produo de modelos tridimensionais para a composio do ambiente virtual. Entre os

aplicativos mais utilizados por diversos setores do mercado esto exemplos como o

Autocad, 3dmax, Maya, Lightwave, Solidworks, Zbrush.

J os aplicativos de composio de ambientes virtuais so softwares que

possuem o objetivo de criar cenrios virtuais, construindo a parte estrutural, os

elementos visuais e o sistema interativo. Esses elementos permitem ao usurio perceber

e interagir de forma similar a realidade. O nvel de realismo e interao pode variar

entre os ambientes segundo suas necessidades. O grau de interao de um usurio

dentro de um ambiente virtual interativo depende da classe do sistema de RV utilizado,

bem como os dispositivos utilizados (realidade virtual imersiva, no imersiva, realidade

aumentada, telepresena) [20].

Entre os aplicativos de composio de ambientes virtuais interativos para 3d

podemos destacar alguns como o Unreal Engine, software responsvel pela criao dos

cenrios do jogo de mesmo nome e que foi disponibilizado para uso sem fins lucrativos,

o Quest3d, aplicativo capaz de criar ambientes 3d com alto grau de realismo e que

permite integrao com diversos perifricos de aplicao em RV, e o Director, software

que possui uma caracterstica de fcil aplicao com recursos de RA, alm de outros

2 Computer Aided Design, sigla em ingls que define a tecnologia de produo de projetos e desenhos

por computador.

33

elementos como tcnicas de composio de imagens virtuais e reais, uso de modelos

tridimensionais e outras caractersticas.

III.3.1- O 3dmax:

Atualmente distribudo pela empresa Autodesk o 3dmax [23] um dos softwares

mais populares em diferentes reas do mercado, entre elas a produo de animaes,

efeitos de cinema e televiso, ilustraes 3d digitais para diversas reas como

publicidade por exemplo, alm de arquitetura, entre outras. Suas caractersticas

combinam as funes para uma simples produo de objetos 3d de visualizao, at

produo de cenrios e animaes de personagens, ou at simulaes de algumas

propriedades fsicas de objetos. A figura 22 apresenta a interface de trabalho do 3dmax.

Figura 22 a interface do 3dmax

Trata-se de um aplicativo grfico completo com recursos direcionados para a

construo de modelos tridimensionais, possibilitando aplicao de texturas e

iluminao, tambm para a renderizao, produzindo imagens e ilustraes digitais com

extremo realismo, alm da animao dos modelos gerados, sendo capaz de produzir

grandes animaes, sendo inclusive um dos aplicativos mais utilizados no mercado

neste setor. A figura 23 demonstra um exemplo muito conhecido de animao realizada

atravs do 3dmax.

34

Figura 23 exemplo de animao famosa produzida com o 3dmax

III.3.2- O Director:

O Director [24] um aplicativo desenvolvido para o uso com arquivos do tipo

multimdia, entre eles apresentaes, vdeos, animaes, etc, porm possui muitos

outros recursos, como a possibilidade de trabalhos com vdeo em tempo real, entre elas

o uso de Realidade Aumentada atravs do uso de uma webcam e de outros recursos

como o DART [25] por exemplo.

Este software originrio da empresa VideoWorks com o nome de Macromind,

teve seu nome modificado para Director em 1987, foi lanado para uso com sistema

operacional windows em 1990. Atualmente comercializado pela Adobe [26].

Inicialmente seu uso era direcionado para pequenas animaes, aps o

desenvolvimento da linguagem de programao denominada LINGO, o software

ganhou popularidade na rea de criao de multimdias interativas como jogos 3d para

internet.

Um grande passo na utilizao desse programa foi a criao do chamado

Shockwave. O Shockwave um aplicativo do tipo plugin3 criado para estender as

funes do software, adicionando ao Director a capacidade de gerar arquivos do tipo

multimdia para serem visualizados na internet. Entre os tipos de produtos gerados esto

vdeos, animaes e jogos interativos. O shockwave evoluiu para uma verso 3d, com a

qual possvel criar visualizaes e tambm interaes com trs dimenses. Esta

capacidade qualifica tambm o Director para a utilizao com Realidade Aumentada

3 Termo em ingls especfico da informtica que define aplicativos que quando instalados associam-se a

outros aplicativos principais, ampliando suas funes.

35

com modelos tridimensionais e marcadores fiduciais, pois possvel posicionar o

arquivo no formato shockwave 3d na cena captada por uma cmera (figura 24).

Figura 24 exemplo de modelo com marcador em RA

Entre as principais qualidades do Adobe Director est a sua capacidade de

incorporar aplicativos, bibliotecas e outras ferramentas produzidas para funcionarem

como extenses do programa. Entre essas ferramentas esto a de uso especfico para

Realidade Aumentada, como o DART ( Designer`s Augmented Reality Toolkit) [25], o

AR Toolkit, alm de outros. A figura 24 demonstra a utilizao de RA atravs do uso

dos recursos do DART.

possvel ainda criar, atravs de recursos de programao criar outras

ferramentas que adaptem o uso do Director, essas ferramentas so os chamados Xtras.

Os Xtras possuem a capacidade de associar ao Director funes diferentes conforme a

necessidade do usurio, atravs deles que se pode associar os recursos do programa a

outros programas especficos, criando uma porta de comunicao que abre maiores

possibilidades de uso do software. Um exemplo o xtra que permite a insero de

imagens atravs da tcnica de recorte por camadas, utilizando uma imagem com fundo

monocromtico (Chroma key) utilizado no projeto j citado Sistema de Realidade

Aumentada com Chroma Key para Simuladores [10].

36

III.3.3- O DART:

O DART (Designer`s Augmented Reality toolkit) [25] um conjunto de

recursos desenvolvido com a finalidade de dar suporte s aplicaes em RA. Foi

concebido pelo Instituto de Tecnologia da Georgia (Georgia Institute of Technology)

para ser utilizado no ambiente do software Director.

As ferramentas do DART incluem: arquivos de dados para montar diferentes

aplicaes inserindo-os no ambiente do Director, arquivos pr-configurados (templates),

que j so preparados para a utilizao direta no software, arquivos de uso direto, como

os marcadores prontos para impresso, e ainda o seu prprio Xtra que possibilita o uso

direto dentro do ambiente do Director.

Com o uso do DART, o desenvolvedor de aplicaes de Realidade Aumentada

pode utilizar um aplicativo multimdia (Director), dispensando o uso de softwares

compiladores. Desta maneira outros profissionais, como designers e outros

desenvolvedores em geral, podem concentrar o trabalho no desenvolvimento da

aplicao, dispensando o conhecimento mais aprofundado nos recursos de programao

[25].

III.4- Tcnicas de composio de ambientes o Chroma Key:

A utilizao de ambientes mistos, onde possvel mesclar imagens virtuais com

imagens reais, abre uma janela para o uso de tecnologias de combinao de imagens.

Essas tecnologias so amplamente utilizadas no ramo do cinema por exemplo. E hoje

em dia, com os recursos de informtica como softwares de captura e edio de imagens,

representam um potencial a servio da RV e suas aplicaes. Entre esses recursos

podemos destacar a tcnica do fundo monocromtico, muito conhecida exatamente na

rea de cinema e tv com o nome de Chroma key.

As tcnicas de chroma key surgiram como aplicao em efeitos especiais para a

rea do cinema desde os anos 30 e evoluram bastante at os dias atuais. Um exemplo

atual muito comum de uso dessas tcnicas so os programas exibidos em emissoras de

TV., como telejornais por exemplo. Nos quadros de previso metereolgica (figura 25)

37

podemos perceber a insero de elementos formando uma composio de imagem com

a prpria imagem da apresentadora durante a transmisso das informaes do tempo.

Figura 25 RA em telejornais grfico de previso do tempo

A principal caracterstica desta tcnica que a habilita como uma boa opo para

a composio de ambientes virtuais a sua capacidade de ser utilizada em tempo real,

pois alm de poder ser utilizada para imagens ps-processadas (como produes de

vdeo e cinema), a tcnica do chroma key tambm permite a gerao de imagens ao

vivo, o que permite seu uso na composio de um cenrio de simulao por exemplo.

O processo consiste em recortar parte da imagem captada, destacando-se essa

parte de todo o resto (o fundo monocromtico), e unir a imagem retirada a imagem

sinttica gerada, atravs de um processo de camadas, compondo assim a cena do

ambiente de simulao. Isso se d com a utilizao de um fundo monocromtico em

geral verde ou azul, o chamado chroma key (figuras 25 e 26).

Em geral as imagens produzidas em vdeo so compostas pela mistura de trs

cores bsicas: vermelho, verde e azul. Esta escala conhecida pela sigla em ingls RGB

(red, green, blue). As imagens captadas ao atravessarem a cmera em forma de luz so

divididas nas trs cores bsicas e recompostas em seguida nas cores originais. Dessa

maneira possvel substituir um fundo monocromtico, preferencialmente verde ou

azul, por um sinal de vdeo qualquer.

O processo de separao da imagem possvel graas ao que chamamos de

canal alfa. Todas as imagens captadas na escala RGB possuem quatro do que podemos

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chamar de canais, esse total referente s trs cores e mais um quarto canal referente

transparncia, o canal alfa. Pode-se dizer que todos os pixels formados so interpretados

como imagens em escala de cinza com um acrscimo de cor referente a cada canal,

sendo que no caso do canal alfa a escala de cinza interpretada com o preto como

transparente e o branco como opaco. Unindo-se todos os canais de cores, o canal alfa

determina onde a imagem recortada, funcionando como uma mscara de transparncia

[27]. A figura 26 demonstra as diferentes camadas utilizadas para a gerao de uma

imagem com Chroma key.

Figura 26 A montagem do Chroma key

III.5- Sistemas de rastreamento de movimento:

Os sistemas de rastreamento podem ser classificados como dispositivos de

entrada de dados. Os dispositivos de entrada de dados podem ser divididos entre os

dispositivos de interao e os de rastreamento (ou trajetria), e so responsveis

basicamente pelo referenciamento entre o mundo real e o ambiente virtual da posio e

da navegao do indivduo [28]. Pode-se dizer que os de interao so responsveis por

permitir ao usurio a navegao no espao virtual e funcionam basicamente como

perifricos de entrada, assim como um mouse ou teclado esto para o uso de um

39

computador pessoal. As tecnologias atuais permitem o uso de dispositivos de interao

cada vez mais simples como os dispositivos de consoles de jogos como o Wi remote

(figura 27) e o Kinect, que permitem a interao atravs dos prpios movimentos do

usurio.

Figura 27 o wii remote

Os dispositivos de trajetria, tambm chamados de rastreadores (trackers4) ou

sistemas de rastreamento, so equipamentos que permitem monitorar o movimento do

usurio, possibilitando o mesmo movimento no espao virtual, ou seja, permitem que o

usurio se movimente e navegue pelo ambiente virtual como no ambiente real, criando

sensao de presena.

A funo dos sistemas de rastreamento definir em que posio e em qual

orientao os objetos virtuais devero ser colocados em relao cena real. Para tanto

necessrio relacionar as coordenadas dos objetos virtuais com as da cena real [29].

Os sistemas de captura e rastreamento de movimento possuem um vasto campo

de aplicao onde se faz necessria a anlise do movimento humano, entre estas

possibilidades podemos destacar [30]:

Biomecnica

Operao de robs

Animao e cinema

4 Termo em ingls para sistemas de rastreamento.

40

Os sistemas de rastreamento de movimentos podem ser configurados atravs de

diversas tcnicas de captura, entre elas podemos destacar [30] [19]:

. Rastreamento magntico: funciona basicamente com a utilizao de um

transmissor que gera um campo magntico atravs de bobinas, a direo e intensidades

so medidas por receptores instalados nas partes do corpo do usurio das quais se

pretende capturar o movimento.

. Rastreamento tico: consiste em utilizar uma cmera que analisa o

referenciamento formado na imagem capturada dos marcadores, percebendo ngulos e

posicionamentos de perspectiva e interpretando os dados do posicionamento do objeto

ou pessoa no espao definido e aplicando no ambiente virtual. Tambm pode ser

utilizado para referenciar o posicionamento de um objeto virtual implantado numa

imagem real, como no caso da Realidade Aumentada. Esta tcnica permite uma grande

variedade de equipamentos como tipos diferentes de cmeras - como as de infra-

vermelho, e diferentes tipos de marcadores - como os fiduciais, marcadores com leds5

(figura 28), com materiais refletivos de infra-vermelho e outros.

Figura 28 rastreamento tico com leds

. Rastreamento inercial: So utilizados dispositivos inerciais como os

acelermetros e os giroscpios. Estes dispositivos evoluram muito ao longo dos anos,

sendo possvel hoje em dia encontrar produtos baseados nos mesmos princpios, porm

como miniaturas, so os chamados MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems). De

tamanho muito pequeno e com grande preciso de leitura de movimentos, estes

dispositivos so comercializados para fins especficos da rea de RV e simulao. A

figura 29 demonstra um dos dispositivos disponveis no mercado.

5Light Emitting Diodes, so diodos emissores de luz que possuem como caractersticas a baixa corrente

utilizada e o tamanho reduzido.

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Figura 29 Dispositivo inercial IS-1200 da Intersense

. Rastreamento mecnico: consiste basicamente em associar transdutores

eletromecnicos (como os potencimetros por exemplo) s partes mveis do sistema,

atravs de hastes. Dessa maneira possvel associar-se uma escala de grandeza aos

movimentos. Associando-se os potencimetros ao computador, atravs de um sistema

eletrnico, possvel enviar os dados de leitura do movimento a um modelo

tridimensional e ao ambiente virtual onde ele est localizado.

. Rastreamento acstico: utiliza ondas ultra-snicas para determinar o

posicionamento. Utiliza-se um conjunto emissor/ receptor, o qual fornece a distncia de

um objeto em relao a um ponto fixo e trs pares fornecem a posio exata do

perifrico [19].

III.5.1- Rastreamento tico com marcadores fiduciais:

o tipo de rastreamento mais comum no uso da Realidade Aumentada.

Marcadores fiduciais (figura 30) so smbolos reconhecidos por uma cmera. Uma

identificao fiducial (fiducial tag) essencialmente um cdigo de barras projetado para

ser facilmente identificado por uma mquina. Sistemas baseados nesse tipo de

identificao j esto bem estabelecidos, como lojas e estabelecimentos que utilizam

cdigo de barras [29].

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Figura 30 Marcador fiducial

Na aplicao em Realidade Aumentada esse princpio utilizado com a adio

das informaes de orientao dos marcadores. Atravs dos princpios de perspectiva, a

forma como as linhas so desenhadas na imagem do marcador, conforme seu

posicionamento, percebida pelo software e utilizada como dado para referenciar a

posio e rotao do objeto em relao ao ambiente.

A grande vantagem desse sistema a facilidade de implementao, pois os

marcadores podem ser impressos em papel comum e a cmera poder ser um modelo

simples do tipo usado por usurios de internet (web-cam).

Uma caracterstica importante a possibilidade de utilizar vrios tipos de

marcadores diferentes, o que possibilita a insero de vrios objetos 3d em uma cena,

controlando cada um de maneira individual, ou seja, a imagem impressa em cada

marcador fornece, alm da referncia no espao tridimensional, uma informao

individual a cada tipo de marcador, identificando diferentes elementos em uma nica

cena. A figura 31 demonstra a utilizao de dois marcadores fiduciais associados de

maneira independente a dois elementos virtuais.

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Figura 31 RA com dois marcadores

III.5.2- Cmera de captura - webcam:

As cmeras de captura utilizadas em geral para um sistema de realidade

aumentada so as popularmente conhecidas como webcams. Basicamente so cmeras

digitais que se conectam de forma direta ao computador, transmitindo as imagens em

tempo real. O primeiro modelo foi inventado no incio da dcada de 90. O termo

webcam em geral associado cmeras de baixa qualidade de imagem, porm hoje em

dia esse tipo de tecnologia encontra-se em estgio bem mais avanado, sendo possvel

encontrar equipamentos com alta resoluo de imagem e alta velocidade de transmisso

em tempo real, alm de outros recursos como microfone integrado, foco automtico,

controle de luminosidade entre outros. Entre as quais podemos citar por exemplo a

Lifecam HD da Microsoft (figura 32), que possui resoluo de 1280 x 720 pixels e

transmisso de imagem de 30 frames por segundo.

Figura 32 A Lifecam HD

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III.6- O sistema ttil:

Os sistemas tteis tm a funo de fornecer uma resposta ao toque do usurio.

Os sistemas de treinamento e RV em geral focam a sua simulao nos sentidos da viso

e audio. Isso se deve em parte pela complexidade de desenvolvimento de sistemas de

simulao do sentido do tato.

Os sistemas de resposta ttil tradicionais so caracterizados por luvas de dados

com um sistema de cabos que fornecem determinada resistncia ao movimento dos

dedos do usurio conforme o objeto simulado no ambiente real com o qual ele interage.