Figura 2.10 - Comparação entre Realidade Virtual e Multimídia

A estrutura de um sistema de realidade virtual pode ser mostrada sob diferentes pontos de vista e graus de detalhamento. O diagrama de blocos da figura 3.1 fornece uma visão geral de um sistema de realidade virtual [21].

Figura 3.1 - Diagrama de Blocos de Um Sistema de RV

A interação do usuário com o processador de RV é intermediada pelos dispositivos de E/S. O processador de RV lê primeiramente a entrada do usuário e acessa o banco de dados para calcular as instâncias do mundo que correspondem aos quadros a serem mostrados em seqüência. Como não é possível prever as ações do usuário, os quadros devem ser criados e distribuídos em tempo real. Do ponto de vista de interface, um sistema de realidade virtual imersivo pode ser visto na figura 3.2 [58].

Figura 3.2 - Estrutura de um Sistema de RV Imersivo com Ênfase nas Interfaces

O gerador de ambiente virtual é um sistema de computação de alto desempenho que contém um banco de dados relativo ao mundo virtual. Este banco de dados contém a descrição dos objetos do ambiente virtual junto com a descrição dos movimentos dos objetos, seus comportamentos, efeitos de colisões, etc. Devido a necessidade de acesso e operação em tempo real, é necessário dispor-se da quantidade de memória suficiente, bem usar técnicas de compressão de informação que não prejudiquem as restrições de tempo. As imagens devem ser geradas com um atraso aceitável para não provocar desconforto ao usuário. Da mesma maneira, todas as características sensoriais relacionadas com interfaces deverão ser tratadas em tempo real para que o usuário tenha a impressão de estar imersoe interagindo com o mundo virtual.De um ponto de vista mais detalhado, a estrutura de um sistema de realidade virtual pode ser vista de acordo com a figura 3.3 [30]. Nessa estrutura, o usuário é conectado ao computador através dos dispositivos multi-sensoriais. Cada modalidade sensorial requer uma simulação preparada especialmente para seu caso específico. Uma atuação unificada é necessária para coordenar as várias modalidades sensoriais e sincronizá-las. Finalmente, as informações devem ser difundidas pela rede de forma a manter a consistência do ambiente simulado distribuído.

Figura 3.3 - Estrutura Detalhada de Um Sistema de RV

 

Grande parte da ênfase do projeto de sistemas de realidade virtual tem sido estabelecida pelas restrições de geração da cena visual. Entretanto, muitos dos assuntos envolvidos na modelagem e geração das características de audição e tato/força do sistema são semelhantes ao domínio visual. Os requisitos para interação, navegação e comunicação em um mundo virtual são comuns a várias modalidades sensoriais.No caso de geração da cena visual, o sistema requer taxas altas de quadros por segundo e respostas rápidas, em função de sua natureza interativa. O conceito de quadros é proveniente da animação baseada em uma sucessão rápida de uma seqüência de fotografias, como acontece em um filme de cinema. A taxa ideal da troca de fotos é de 20 quadros por segundo ou mais, para manter a ilusão de movimento. As taxas de quadros por segundo podem ser examinadas do ponto de vista gráfico, computacional e de acesso aos dados, de forma independente. A taxa mais crítica é a do ponto de vista gráfico, pois está ligada com a sensação de presença ou imersão, sendo o mínimo aceitável da ordem de 8 a 10 quadros por segundo. Nesse caso, a taxa mínima de quadros do ponto de vista computacional e de acesso a dados deverá também ser de 8 a 10 quadros por segundo. para sustentar a taxa de quadros do ponto de vista gráfico.Para aplicações com controle interativo, são necessários tempos de resposta bem rápidos. Os atrasos também podem ser classificados do ponto de vista gráfico, computacional de acesso a dados e não devem ser inferiores a 0,1 segundo. Quanto maior a freqüência de movimento de algum objeto da cena, maior deverá se manter a taxa de quadros e menor o atraso, para manter-se a sensação confortável de animação. A taxa de quadros do ponto de vista gráfico depende de: complexidade gráfica; iluminação; sombreamento; e textura. Do ponto de vista de acesso aos dados e computacional, a taxa de quadros está relacionada com a complexidade do ambiente e com a quantidade de objetos dinâmicos. Isto vai se refletir no tempo de acesso e no tempo de simulação, definindo os atrasos.A maneira mais comum de criar-se imagens gráficas tridimensionais por computador baseia-se no uso dos polígonos. Foi estimado que uma cena realista detalhada requer aproximadamente 80 milhões de polígonos[30]. Para mostrar este mundo virtual a 10 quadros por segundo, por exemplo, seria necessário uma taxa de 800 M de polígonos por segundo, o que está longe da capacidade tecnológica atual. Para se ter uma idéia, as taxas recentes de máquinas Silicon Graphics, com aceleradores gráficos avançados estão em torno de 2 M triângulos por segundo e 600k polígonos por segundo. Um microcomputador PC com acelerador gráfico apresenta um desempenho de dezenas de K polígonos por segundo, enquanto que as estações de trabalho estão na faixa de centenas de K polígonos por segundo.Considerando-se um mundo virtual pouco complexo com cerca de 6000 polígonos e um computador com desempenho de 300.000 polígonos por segundo, então o sistema deverá funcionar com uma taxa de 50 quadros por segundo para mostrar o mundo virtual. Se o mundo virtual for um pouco mais detalhado, com 15.000 polígonos, a taxa cairá para 20 quadros por segundo no mesmo computador. Portanto, para uma taxa mínima de quadros por segundo sempre haverá uma complexidade máxima do mundo virtual. Para realidade virtual estereográfica, haverá a necessidade de 2 cenas (uma para cada olho), o que provocará a queda no desempenho. Mesmo usando-se dois aceleradores( um para cada olho) haverá queda de desempenho devido a sobrecarga de computação e sincronização.

A modelagem de mundos virtuais é de fundamental importância num sistema de realidade virtual, definindo as características dos objetos como: forma; aparência; comportamento; restrições; e mapeamento de dispositivos de E/S. Para isto, os sistemas de desenvolvimento de realidade virtual levam em conta os diversos aspectos de modelagem, mapeamento e simulação, conforme a figura 3.4 [21].

Figura 3.4 - Sistema de Desenvolvimento de RV

3.3.1 Modelagem Geométrica

A modelagem geométrica abrange a descrição da forma dos objetos virtuais através de polígonos, triângulos ou vértices, e sua aparência, usando textura, reflexão da superfície, cores, etc.A forma poligonal dos objetos pode ser criada, usando-se bibliotecas gráficas, como a biblioteca GL, ou usando-se modelos prontos de bancos de dados comerciais ou digitalizadores tridimensionais. Os objetos também podem ser criados por programas CAD, como AutoCAD ou 3-D Studio, ou com o uso de editores de realidade virtual.A aparência dos objetos esta relacionada principalmente com as características de reflexão da superfície e com sua textura. A reflexão da superfície depende do modelo de iluminação de Phong e sombreamentos do tipo: facetado; por interpolação de Gourad; ou interpolação de Phong [110]. O sombreamento facetado é o mais simples e menos realista, enquanto o de Phong é o mais complexo e mais realista.A textura dos objetos é obtida a partir do mapeamento de um padrão de textura do espaço bidimensional sobre os objetos tridimensionais. Isto se dá como se um pedaço de plástico com o padrão da textura fosse ajustado e colocado sobre o objeto, fazendo parte integrante dele [110]. A textura oferece várias vantagens para a realidade virtual, uma vez que aumenta o nível de detalhe e de realismo de cena, fornece vários melhor visão de profundidade, e permite a redução substancial do número de polígonos da cena, propiciando o aumento da taxa de quadros por segundo [21].

3.3.2. Modelagem Cinemática

A modelagem geométrica de um objeto não é suficiente para conseguir uma animação. Para isto, deve ser possível agarrar o objeto, alterar sua posição, mudar a escala, detectar colisões e produzir deformações na superfície. A utilização de coordenadas locais dos objetos e de coordenadas gerais, juntamente com matrizes de transformação, permitirão a alteração das posições e as mudanças de escala [84,87]Para a detecção de colisão entre objetos móveis e outros objetos móveis ou estáticos há diversos métodos. Desde que as colisões devam ser detectadas em tempo real, procura-se normalmente processos eficientes para isso. Uma solução, normalmente adotada, é a abordagem hierárquica: os objetos irregulares ou não são envolvidos por sólidos simples como esferas ou paralelepípedos e faz-se uma análise de interferência ou sobreposição [43]. Se não houver nenhuma sobreposição, não haverá colisão, mas se houver, o risco existirá e outros métodos mais refinados e custosos serão aplicados. Como resultado de uma colisão poderá ocorrer deformação nos corpos envolvidos, ou simplesmente uma explosão, quando tratar-se de veículos ou aeronaves.

3.3.3. Modelagem Física

Visando a obtenção de realismo nos mundos virtuais, os objetos virtuais, incluindo a imagem do usuário precisam comportar-se como se fossem reais. No mínimo, os objetos sólidos não poderão passar um pelo outro e as coisas deverão mover-se de acordo com o esperado, quando puxadas, empurradas, agarradas, etc. Nesse sentido, os objetos virtuais também deverão ser modelados fisicamente pela especificação de suas massas, pesos, inércia, texturas (lisas ou ásperas), deformações (elásticas ou plásticas), etc. Essas características, juntas com a modelagem geométrica e com as leis de comportamento, determinam uma modelagem virtual próxima da realidade. A simulação mecânica do mundo virtual, para ser realista, deverá ser executada de maneira confiável, contínua, automática e em tempo real.

3.3.4. Comportamento do Objeto

As modelagem anteriores limitaram-se à modelagem matemática das propriedades cinemáticas e físicas dos objetos, visando uma resposta realista as ações do usuário. Também é possível modelar o comportamento de objetos independentes do usuário, como relógio, calendário, termômetro e outros agentes inteligentes independentes, acessando quando necessário alguns sensores externos.

3.3.5. Segmentação e Alteração de Detalhes

A modelagem geométrica e física de mundos virtuais com muitos objetos deverá resultar em um modelo muito complexo, difícil e caro de ser mostrado. Normalmente, esses mundos possuem vários espaços específicos, distâncias razoáveis e objetos móveis com velocidades diferentes.O problema da complexidade pode ser contornado por segmentação do mundo, alteração do nível de detalhe dos objetos, alteração de resolução de imagens, pré-computação, etc.A segmentação do mundo baseia-se na divisão do mundo geral em mundos menores,de forma que somente os objetos do mundo menor sejam mostrados. É o caso de uma casa com diversas salas, onde cada sala é um mundo menor. Embora o mundo geral seja muito complexo, a visão do usuário sempre será mais simples.Uma abordagem semelhante é usada para cenas de movimentação. Objetos que estejam movendo-se rapidamente, não conseguem ser vistos claramente. Assim pode-se representar os objetos rápidos de maneira simplificada, conseguindo o mesmo efeito e economizando processamento.Em alguns casos, une-se também tamanhos diferentes de janela, para cenas onde o usuário esteja parado (janela grande) ou em movimentação (janela pequena), alterando assim a resolução. Usa-se também a pré-computação para mapear previamente texturas complexas, mas isto pode limitar a interação não permitindo a deformação de objetos, por exemplo.

A programação de realidade virtual requer o conhecimento de sistemas em tempo real, orientação a objetos, redes, modelagem geométrica, modelagem física, multitarefas, etc. Para facilitar essa tarefa, diversas empresas e algumas universidades produziram sistemas de desenvolvimento de realidade virtual, conhecidos como "VR ToolKits". Esses sistemas são bibliotecas ampliáveis de funções orientadas a objeto, voltadas para especificações de realidade virtual, onde um objeto simulado passa a ser uma classe e herda seus atributos inerentes (default). Isto simplifica enormemente a tarefa de programar mundos complexos, uma vez que as bibliotecas, sendo ampliáveis, permitem aos projetistas escreverem módulos específicos de aplicações e ainda usar o mesmo núcleo de simulação. Além disso, esses sistema costumam ser independentes de hardware, suportam alguma forma de conexão em rede, importam mundos virtuais de outros softwares como o AutoCAD, possuem drivers de comunicação com dispositivos convencionais e não convencionais de E/S, suportam alguma forma de iluminação, sombreamento, textura, etc.Uma ferramenta, muito útil para a construção e simulação dos mundos virtuais, é o editor de realidade virtual, que permite ao projetista verificar imediatamente os resultados da criação ou edição de objetos simulados. Uma organização desse tipo de ferramenta consta na figura 3.5 [21].Durante a simulação, as entradas do usuário, através dos dispositivos de E/S são submetidos como eventos ao programa simulador, devendo ser lidos em tempo real para minimizar a latência. Esses dados são usados para atualizar a posição, forma, velocidade, etc, dos objetos virtuais, e alguns dados de sensores são usados para os objetos independentes. Tanto a cena, quanto as outras saídas (som, tato, força, etc.) são fornecidas durante o ciclo de simulação em tempo real. A figura 3.6 mostra o ciclo de simulação do sistema de desenvolvimento da SENSE 8, denominado World ToolKit [92].Os sistemas de desenvolvimento de realidade virtual, portanto, ajudam na integração do sistema e no desenvolvimento das aplicações, podendo reduzir substancialmente o tempo de programação.

Figura 3.5 - Uma Estrutura de Sistema de Desenvolvimento de RV

Figura 3.6 - Ciclo de Simulação do World Tool

A principal característica de um sistema de realidade virtual é o envolvimento humano através da imersão sensorial. Com parâmetros humanos envolvidos no sistema, a sua avaliação torna-se subjetiva, mas essencial em função das questões tecnológicas, da qualidade da aplicação, e do impacto psicológico e social.A avaliação do sistema de realidade virtual deve ajudar a garantir que: a) As capacidades e limitações dos seres humanos, bem como as necessidades específicas de determinadas tarefas, estarão sendo consideradas no projeto do sistema; b) O hardware e o software estarão fornecendo o ambiente virtual com bom índice relacionado com custo e benefício; c) A aplicação representará uma melhoria significativa na maneira de fazer coisas conhecidas ou permitirá fazer coisas novas que não tenham sido feitas até então.Embora muitas ferramentas de avaliação possam ser adaptadas para uso em sistemas de realidade virtual, outras ferramentas precisam ser utilizadas, para avaliar as propriedades específicas dessa tecnologia. Dentro desse contexto, a avaliação do sistema de realidade virtual deverá considerar : (1) a atuação dos dispositivos e os fatores ergonômicos gerais; (2) os aspectos gráficos e sua influência na visão; (3) a influência (5) a discriminação das cores visuais; (6) os aspectos visuais; (7) as questões auditivas; (8) as questões de tato e força; (9) o comportamento, o desempenho e as consequências da simulação; e (10) outras características específicas.

Um sistema de realidade virtual de grande porte é caro e complexo, em função de todos os recursos envolvidos. Para que o projeto do sistema e a elaboração das aplicações sejam bem sucedidos, é necessário que sejam satisfeitos ou perseguidos um conjunto de requisitos.

3.6.1. Requisitos da Interface do Usuário

De acordo com Cris Shaw [93], existem cinco requisitos e propriedades que um sistema de realidade virtual deve satisfazer para ser utilizável e utilizado com satisfação, ou seja: a) Um sistema de RV deve gerar imagens estereoscópicas animadas suaves para capacetes de visualização (HMD), visando manter a característica de imersão. Isto significa que a taxa de quadros por segundo deve ser igual ou maior que 10; b) Um sistema de RV deve reagir rapidamente às ações do usuário. A resposta do sistema deve apresentar atrasos de imagens iguais ou menores que 100ms; c) Um sistema de RV deve fornecer suporte para distribuir uma aplicação em diversos processadores. Isto visa aplicações distribuídas e complexas, onde a distribuição permite múltiplos usuários e a computação cooperativa. d) Num sistema distribuído de RV, é necessário um mecanismo eficiente de comunicação de dados. A utilização de dados compartilhados ou remotos deve ser viabilizada com uma comunicação eficiente para assegurar a característica de tempo real do sistema. e) É necessário algum mecanismo de avaliação de desempenho do sistema de RV. Um sistema do desenvolvimento de RV deve ter mecanismos de monitoração do tempo real e do desempenho geral da aplicação para garantir o sucesso do conjunto. Dentre estes requisitos, os mais importantes para uma interface de realidade virtual são aqueles relacionados com a taxa de quadros por segundo e com o atraso da resposta do sistema, garantindo a imersão no ambiente.

3.6.2. Requisitos de Engenharia de Software

Do ponto de vista da engenharia de software pode-se citar os quatro requisitos [93] a seguir: a) Portabilidade das aplicações. Normalmente as aplicações de realidade virtual são fortemente ligadas com o ambiente de desenvolvimento. As aplicações deverão ter facilidades para execução em diversas instalações, exigindo no máximo uma recompilação do código; b) Suporte para uma larga faixa de dispositivos de E/S. Como a tecnologia de hardware de realidade virtual ainda está se expandindo, o sistema deverá ter capacidade de acomodar novos dispositivos;c) Independência das aplicações com relação à localização física do usuário e de seus dispositivos de E/S. O sistema deverá ajustar-se a diferentes configurações de localização física do usuário (geometria da sala e situação dos rastreadores) e de seus dispositivos de E/S; d) Flexibilidade de ambiente de desenvolvimento de aplicações de realidade virtual. Muitas vezes a aplicação é desenvolvida num ambiente e executada em outro. O sistema deve ter a flexibilidade para permitir a utilização de ambientes de desenvolvimento diferentes, bem como a execução de testes com outros dispositivos, com o mínimo de alteração do código. Desta maneira, as características principais de um sistema de realidade virtual estão na portabilidade e na flexibilidade das aplicações.

3.6.3. Requisitos para a Definição de um Sistema de Realidade Virtual

A montagem de um sistema de realidade virtual requer um cuidadoso planejamento, em função da variedade de componentes e preços e da qualidade desejada para o conjunto. Para isto, ela deve satisfazer uma série de requisitos e características numeradas a seguir [42]:Definição da aplicação; Caracterização da imersão; Avaliação dos dispositivos de visualização; Estabelecimento das capacidades de rastreamento; Avaliação de outros dispositivos de E/S; Avaliação do conjunto de recursos e capacidades; Seleção do sistema de desenvolvimento de realidade virtual:

Criação e edição da geometria; Criação e edição de texturas; Requisitos de programação; Caracterização da visão estereoscópica; Modelagem do comportamento físico; Suporte a periféricos; Requisitos do sistema; Portabilidade; Suporte de rede;

Suporte de distribuição.

Seleção do hardware:

Quantidade e características das portas e slots; Características do acelerador gráfico; Conversores de sinais de vídeo; Capacete de visualização (HMD); Monitor externo; Óculos estereoscópico; Rastreadores/ posicionadores; Navegadores 3D; Luvas e dispositivos de força;

Outros dispositivos especiais.

O estudo e a definição integrada dos vários requisitos e características de um sistema de realidade virtual são elementos fundamentais para a otimização da relação entre o custo e benefício do sistema, contribuindo assim para a obtenção do sucesso na montagem de uma plataforma para desenvolvimento de aplicações de realidade virtual.

Os avanços das pesquisas em realidade virtual e a oferta de produtos nessa área, envolvendo hardware, software, e dispositivos não convencionais, têm viabilizado a existência de diversos tipos de plataformas para aplicações de realidade virtual. Essas plataformas variam desde sistema baseados em microcomputadores, passando por estações de trabalho e máquinas paralelas, até sistemas distribuídos.Os requisitos de sistemas de realidade virtual, enumerados no capítulo 3, devem ser satisfeitos nessa plataforma, cuja busca é sempre pela melhor qualidade possível. Isto depende não só do valor do investimento a ser feito, mas também de uma boa escolha do conjunto.

Embora inicialmente os equipamentos de realidade virtual fossem muito caros e utilizados em poucos laboratórios de pesquisa, a popularidade dos microcomputadores e a curiosidade de muitos interessados na área fizeram com que as plataformas baseadas em microcomputadores se tornassem realidade.

Figura 4.1 - Configuração Típica de um Sistema de RV Baseado em PC

A adaptação de dispositivos [56] e o desenvolvimento de software adequado às limitações dos microcomputadores propiciaram o surgimento de aplicações para essas plataformas. A indústria, por sua vez, também investiu nesse segmento, de forma que atualmente pode-se montar uma boa plataforma com menos de US$5,000.00. O crescimento acelerado do mercado de realidade virtual vem assegurando cada vez mais o aumento da qualidade da plataforma e das aplicações nessa área.A configuração típica de um sistema de realidade virtual baseado em microcomputador PC [21,77] consta na figura 4.1.Além do microcomputador e dos dispositivos, a plataforma deve incluir o software que pode ser um único módulo integrado (tool kit) ou vários módulos separados e compatíveis para a criação do mundo virtual, simulação, e definição da aplicação. Detalhes sobre o software serão dados mais a frente.

A grande vantagem das estações de trabalho sobre os PCs está na superioridade de características como capacidade computacional, capacidade gráfica, espaço em disco, e velocidade de comunicação. A grande maioria das estações de trabalho são voltadas para as mais variadas aplicações, de forma que, para serem usadas em realidade virtual, devem ser compostas com interfaces e dispositivos adequados.Há uma grande variação de produtos e preços, envolvendo hardware e software para estações [39], mas é possível montar-se uma boa plataforma com custo abaixo de US$50,000.00, considerando-se, por exemplo, um estação Silicon Graphics Indigo 2 - Impact [95], software World Tool Kit[92], e alguns dispositivos de E/S mais simples [39]. Nesse caso, uma configuração de 64 bits e 250 MHz, 128 Mbytes de memória, 4 Gbytes de disco, características gráficas para dar um desempenho da ordem de 2 M triângulos por segundo e 600 K Polígonos por segundo, e software incluindo GL e Performer. Para trabalhar com taxa de 30 frames por segundo, essa plataforma aceita no máximo cenas com 20k polígonos.Também é possível montar-se plataformas no valor de centenas de milhares de dólares, envolvendo máquinas paralelas, dispositivos avançados e software sofisticado.[39]As ferramentas para desenvolvimento de sistema de realidade virtual costumam ser instaladas em plataformas de diversos fabricantes. Dentre as plataformas, citadas pelos fornecedores de ferramentas, tem-se: Silicon Graphics, Sun, DEC, IBM, HP, etc., e microcomputadores com aceleradores gráficos.

Aplicações de realidade virtual podem ser vistas sob um aspecto bastante amplo, variando de uma única pessoa, usando um único computador, até muitos usuários, usando um sistema distribuído. Os sistema de RV multi-usuários em ambiente distribuído vêm crescendo e apresentam elevado potencial de aplicação. Esse tipo de sistema permite que os usuários geograficamente dispersos atuem em mundos virtuais compartilhados, usando a rede para melhorar o desempenho coletivo, através da troca de informações.

4.3.1. Tipos de Sistema de Realidade Virtual Multi-usuários

Um sistema de realidade virtual multi-usuário pode ser centralizado ou distribuído [45], conforme a figura 4.2.

Figura 4.2 - Modelos de Sistema de RV Multi-Usuário

No modelo centralizado, todos os usuários compartilham o mundo virtual, enquanto, no modelo distribuído, o mundo virtual pode ser replicado (para mundos pequenos) ou particionado (para mundos virtuais de grande porte), conforme a figura 4.3.

Figura 4.3 - Acesso ao Mundo Virtual Distribuído

Num sistema replicado com n usuários, quando um usuário fizer qualquer alteração no mundo virtual, isto deverá ser comunicado para todas as (n-1) versões do mundo virtual, onde estão os outros usuários, constituindo a difusão (broadcast). Num sistema particionado com n usuários, a situação é mais complexa, uma vez que o mundo virtual é dividido em várias partes e cada máquina ficará encarregada de uma delas. Como o usuário pode navegar no mundo virtual, ele poderá penetrar em outras regiões, de forma que sua máquina ou servidor deverá receber uma réplica da região, onde ele se encontra. Assim cada máquina estará cuidando de uma região fora da sua parcela. Se existirem vários usuários em uma mesma região do mundo virtual, esse grupo de usuários receberá uma cópia dessa região. Qualquer alteração no mundo virtual, feita por um membro do grupo, será retransmitida para o restante do grupo, constituindo a retransmissão por grupo (multicast).Para reduzir o número de conexões e de mensagens na rede são utilizadas as técnicas de difusão, retransmissão por grupo, e dead-reckoning, que serão abordadas em seguida.

4.3.2. Aspectos de um Ambiente Virtual Distribuído

Ambientes virtuais distribuídos figuram entre os sistemas de software mais complexos já construídos [102]. Esses ambientes devem satisfazer uma variedade de características como: (1) resposta rápida a novos requisitos do sistema; (2) capacidade de manutenção; (3) suportar interação em tempo real; (4) fidelidade da inserção do usuário no mundo virtual em relação a uma referência; (5) alta taxa de quadros por segundo, reusabilidade e portabilidade; (6) ajustamento a novas interfaces e dispositivos de visualização;e (7) requisitos para capacidades adicionais.A elaboração de um sistema de realidade virtual inclui atividades envolvendo: (1) suporte de comunicação em rede; (2) criação de ambientes virtuais; (3) atuação no mundo real; (4) criação de atores gerados por computador; (5) inserção de fenômenos naturais; e (6) uso de simulação tradicional.O suporte de comunicação em rede fornece os meios para que as unidades computacionais heterogêneas separadas fisicamente sejam unificadas para implementar um único ambiente virtual. Devido à necessidade de comunicação intensiva entre as máquinas do sistema, toda vez que há uma atualização de posição, o sistema utiliza a técnica de dead-reckoning [40, 45, 102] para minimizar a troca de mensagens e suportar atrasos de comunicação. Essa abordagem trabalha com a previsão da posição de um elemento, levando em conta o seu trajeto, velocidade e posição anterior, decorrido um certo tempo. Todas as máquinas fazem o mesmo cálculo de previsão e reposicionam o elemento. Aquele que estiver gerenciando o elemento conseguirá verificar a diferença da trajetória real com a trajetória calculada. Sempre que essa diferença atingir um valor máximo, o valor real da posição será então comunicado às outras máquinas para devida correção. Desta forma, não haverá necessidade de informar continuamente a posição de um elemento para as outras máquinas, o que diminuirá bastante a comunicação pela rede.A criação de ambientes virtuais está bastante ligada com realismo visual e interação usando os outros sentidos. Assim, assuntos como computação gráfica 3D, modelagem gráfica, e interação homem-máquina constituem uma parte fundamental na elaboração de ambientes virtuais.Muitas vezes, ambientes virtuais são associados a aplicações de telepresença. Nesses casos, ações do usuário e o comportamento de certas entidades acabam refletindo ações do mundo real.Em outros casos, há a necessidade de introduzir um grande número de indivíduos no ambiente virtual, criando uma população. Uma maneira de fazer isso é criar atores gerados por computador com comportamento humano, usando técnicas de inteligência artificial e de locomoção.Outro ponto importante para ambientes virtuais é a introdução de fenômenos físicos como chuva, neblina, nuvens, dia e noite, movimentos do sol e da lua, etc. Além dos atores controlados por computador e dos atores controlados por usuários, é possível inserir no ambiente grupos de atores manipulados estatisticamente, controlados por simulação tradicional.

Existem muitos tipos de software para realidade virtual para as mais variadas plataformas e faixas de preço.Alguns softwares podem ser obtidos via internet gratuitamente como: REND386, VR386, e AVRIL, para microcomputadores, e MRToolKit para estações de trabalho. Os endereços são os seguintes:· REND386 e AVRIL: ftp "anonymous" para

sunee.uwaterloo.ca/pub/rend386

sunee.uwaterloo.ca/pub/avril

· VR386: ftp "anonymous" para

psych.toronto.edu/vr-386

· MR: http://www.cs.ualberta.ca/~graphics/MRToolKit.htmlOutros softwares são vendidos comercialmente com preços variando de dezenas de dólares a dezenas de milhares de dólares.Existem alguns endereços na internet, onde podem ser encontradas informações concentradas sobre software e recursos para realidade virtual, contendo também os ponteiros para os fornecedores. Um desses lugares é: Ian's VR Buying Guide [39], que apresenta uma parte da tabela de software da figura 4.4.

Figura 4.4 - Tabela de Software para Desenvolvimento de Aplicações de RV

 

5. Aplicações de Realidade Virtual

Até este momento, apresentamos os conceitos de Realidade Virtual e os dispositivos usados, mas o que se pode fazer com isto tudo?

Buscando dar algumas respostas à esta pergunta, apresentamos a seguir um conjunto de aplicações em Realidade Virtual ou, conforme diz Aukstakalmis[6], "O Mundo Real da Realidade Virtual".

Muitas das aplicações já estão de fato sendo usadas, outras estão em fase de projeto ou de teste. Como todas as novas tecnologias é tentador pensar que os novos conceitos envolvidos são a solução para todos os problemas. Se acreditarmos nisto, corremos o risco de que soluções menos sofisticadas, mas com uma relação custo/benefício mais favorável, sejam esquecidas (passem desapercebidos) na ânsia de tormarmos a dianteira muito rapidamente.

Outro fator muito importante no uso de uma nova tecnologia como a Realidade Virtual é a análise dos fatores humanos envolvidos no processo de insersão de usuário em um ambiente virtual. No caso da Realidade Virtual, a tecnologia disponível, permite a construção dos ambientes virtuais mesmo antes de se entender como estes afetam o homem.

Apesar disto, as evidências apontam na direção de que os sistemas de ambientes virtuais podem revolucionar a forma como nós interagimos com sistemas complexos em computador. As aplicações são muitas e é difícil predizer onde os ganhos e os benefícios da Realidade Virtual serão mais significativos.

O certo é que não haverá um único padrão nas interfaces de Realidade Virtual. A tecnologia e as limitações de custos farão com que o tipo de aplicação defina o nível de sofisticação da tecnologia a ser aplicada.

Com certeza, neste cenário, muitas aplicações, na busca de soluções para problemas específicos, acabarão por gerar novos usos e soluções para problemas de outras áreas.

Por uma questão de organização, os exemplos constantes neste livro foram divididos em categorias ou áreas de aplicação. Em muitos casos, porém, uma mesma aplicação poderia constar em mais de uma das áreas.

5.1 Medicina

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5.1.1 Simulação Cirúrgica

Os sistemas de simulação criam ambientes que buscam recriar experiências da vida real. Por um certo ângulo os simuladores são formas básicas de Realidade Virtual. Já é tradicional o uso de simuladores para treinamento de pilotos e de tripulações de barcos. Na área médica, entretanto, o uso desta tecnologia está apenas iniciando, muito provavelmente em função da complexidade da anatomia humana e dos requisitos computacionais para simulá-la[49, 88].

Atualmente, uma nova abordagem de simulação médica vem sendo tentada. Apesar da habilidade na criação de modelos computacionais de estruturas do corpo já ser algo dominado há anos na Ciência da Computação, os pesquisadores de Realidade Virtual estão iniciando agora o desenvolvimento de aplicações médicas inovadoras.

Uma destas, que pretende ser tanto uma ferramenta de ensino, quanto de treinamento para procedimentos cirúrgicos, está sendo desenvolvido pelo Silas B. Hayes Army Community Hospital em Fort Old (CA)[21]. Partindo apenas de modelos da região abdominal, o sistema permite, apesar das imagens não terem alto grau de foto-realismo, uma interatividade excelente na manipulação dos órgãos virtuais. Pode-se, por exemplo, pegar e manipular instrumentos como bisturis e grampos virtuais e aplicá-los sobre o modelo. É possível também analisar em detalhe as relações anatômicas entre cada um dos órgãos e navegar ao redor ou dentro dos mesmos. O "cadáver virtual" é sem dúvida uma ferramenta de muita utilidade no aprendizado sobre o corpo e sobre seu funcionamento. A falta de realismo nas imagens e na interação são só questão de tempo para a evolução da tecnologia envolvida.

Outra área de aplicação da Realidade Virtual em cirurgias é nas chamadas CMI (Cirurgias Minimamente Invasivas) ou cirurgias laparoscópicas. Estes procedimentos que nos EUA já chegaram ao patamar de 5 milhões de cirurgias por ano, são realizadas fazendo-se um pequeno corte na pele do paciente e, através deste inserindo-se uma câmera de vídeo e instrumentos de corte e de manipulação.

Durante uma cirurgia laparoscópica o médico é obrigado a olhar para um monitor não podendo olhar para suas mãos. Esta difícil operação exige um alto grau de destreza e uma capacidade de coordenação olho-mão não trivial. Estas habilidades, por sua vez, só são obtidas com muito treinamento. O grande mercado das CMI, unido com a necessidade óbvia de treinamento intensivo, resultam em uma grande chance para a aplicação de Realidade Virtual.

O primeiro sistema comercial produzido com este objetivo foi o "MIS Training and Rehearsal System". Neste sistema o usuário veste uma HMD de alta resolução que é ligado a uma estação gráfica de alta performance (100.000 polígonos/seg). Um software de simulação cria, então, um paciente virtual e exibe no HMD as imagens da câmera laparoscópica sem que o médico precise "tirar o olho do paciente". Na figura 5.1, apresentamos um esquema simplificado deste sistema.

Figura 5.1 - Sistema de Realidade Virtual para Laparoscopia

Outro experimento na área de cirurgias endoscópicas está sendo desenvolvido no EPFL - Institute of Microengeneering at the Swiss Federal Institute of Technology at Lausaunne. A idéia do projeto é aplicar Realidade Virtual de duas formas:

• na formaçao de cirurgiões através do treinamento em de pacientes virtuais (batizado de surgical ghost), e assim permitir a repetição de tarefas por um tantas vezes quantas for necessário;

• em cirurgias reais, permitindo que o modelo virtual de um órgão(criado a partir dos órgõs do paciente a ser operado), possa ser manipulado várias vezes antes do ato cirúrgico ser realizado.

5.1.2 Uso da Realidade Aumentada em Medicina

Quando um médico faz uma ultrassonografia, ele interpreta as imagens 2D exibidas e, baseado em sua experiência consegue diagnosticar problemas. Os sistemas de ultrassom, apresentam imagens em uma tela, assim, para poder examiná-las o médico precisa tirar os olhos do paciente e olhar para a tela. Isto muitas vezes causa dificuldades para que o médico "integre mentalmente" a imagem da tela com o corpo do paciente. Pensando neste problema, pesquisadores da Universidade da Carolina do Norte, buscaram uma forma de exibir o resultado do exame no corpo do próprio paciente[10,11]. A idéia é colocar no médico um óculos com lentes de cristal líquido e através destas lentes o médico vê o resultado do exame como se estivesse sobreposto ao corpo do paciente (figura 5.2). O sistema transforma em tempo-real a imagem captada pelo scanner de ultrassom, converte esta imagem para a posição do médico e a exibe nas lentes dos óculos. A qualidade e a precisão do exame feito com um sistema deste tipo é muito maior que o sistema tradicional. Isto ocorre principalmente por que o médico pode "olhar dentro" do corpo do paciente de uma forma muito mais natural e intuitiva, simplesmente mexendo a cabeça.

Figura 5.2 - Sistema de Ultrassonografia Usando Realidade Virtual

5.1.3 Planejamento de Radioterapia

Na luta contínua do tratamento do câncer, um dos métodos mais usados para destruir tumores é a radioterapia. O conceito básico do tratamento de radioterapia é posicionar vários feixes de radiação de forma que eles atravessem o tecido saudável sem causar nenhum dano mas destruam o tecido canceroso na exata região onde estes feixes se interceptam.

Não é preciso ser um especialista em medicina para entender que este é um procedimento complicado e que o radiologista deve possuir um entendimento bastante apurado em anatomia humana. Como não é possível olhar através do corpo para realizar o planejamento, os radiologistas usam uma série de chapas de raio X e precisam "reconstruir" mentalmente a estrutura anatômica tridimensional do paciente, a partir de imagens 2D.

Normalmente o resultado deste procedimento é a aplicação de um tratamento "não-ótimo" sobre o paciente, tendo-se como conseqüência menos ganhos do que se poderia esperar e mais efeitos colaterais do que se desejaria.

Algumas pesquisas recentes já permitem que se crie um modelo computacional do corpo do paciente e se sobreponha a estes modelos a representação gráfica da radiação. Nestes sistemas o médico senta em frente a um monitor e manipula a posição do paciente e a direção/intensidade dos raios.

Entretanto, mesmo sendo possível a criação de modelos anatômicos computacionais bastante realistas ainda é um problema a tarefa de posicionamento dos feixes de radiação. A Universidade de Carolina do Norte está desenvolvendo um método alternativo para o planejamento das sessões de radioterapia. Ao invés de sentar-se em frente a um monitor, o médico usa um HMD e realmente caminha ao redor do modelo gráfico do paciente, analisando as áreas de interesse, a partir do ângulo que mais lhe convém.

Usando o sistema o médico pode posicionar-se em qualquer lugar, inclusive na posição de onde os raios partem, e assim "ver" de fato por onde eles irão passar. A manipulação dos feixes, realizado com um dispositivo preso à mão do médico (semelhante a um joystick) torna-se mais fácil e intuitiva devido à imersão no ambiente virtual.

5.1.4 O Projeto Visible Human e o Ensino de Anatomia

O ensino da anatomia é basicamente ilustrativo. Além dos cadáveres, em muitos casos mais do que eles, a ferramenta mais usada pelos estudantes são os livros de folhas transparentes onde cada uma delas contém a imagem de uma parte do corpo humano, os chamados atlas de anatomia.

De uma maneira bastante direta um modelo virtual de um corpo humano pode substituir estes livros. Pensando nisto o National Institutes of Health iniciou o projeto Visible Human para desenvolver um modelo completo e detalhado de um ser humano adulto[1]. Uma vez coletados todos os dados, será possível, operando um sistema de visualização(figura 5.3), analisar o "cadáver virtual" e a partir disto estudar a estrutura de cada órgão e o que é mais importante, a relação entre eles.

As vantagens deste modelo sobre um atlas são inúmeras, as mais importantes são:

• a possibilidade de avaliar os órgãos como estruturas 3D e não como imagens 2D;

• a possibilidade de avaliar a relação entre os órgãos (posição relativa e interligações);

• a possibilidade de produzir visões seletivas do corpo, por exemplo, habilitando ou suprimindo a exibição de subsistemas orgânicos como o digestivo, circulatório ou ósseo.

O próximo passo do projeto Visible Human será a criação de um modelo dinâmico. Com este modelo poder-se-á ilustrar como funcionam os vários órgãos, tanto em estado normal, quanto em casos de doenças.

Uma animação que apresenta uma viagem pelo interior do Visible Human pode ser obtida em:
http://www.nlm.nih.gov/research/visible/mpeg/umd_video.mpg.

Um modelo em VRML pode ser obtido em:
http://www.npac.syr.edu/projects/3Dvisiblehuman/3dvisiblehuman.html.

Figura 5.3 - Esquema de Funcionamento de Um Sistema de Anatomia Virtual

5.2 Educação

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5.2.1 Avaliação do Uso de Realidade Virtual na Educação

Educação é basicamente um processo de exploração, de descoberta, de observação e de construção de uma visão do conhecimento a partir destas ações.

O uso de Realidade Virtual aplicada à educação ainda está no início de sua caminhada. Parece existir um consenso de que a Realidade Virtual pode ajudar no processo de ensino. Entretanto, atualmente as pesquisas estão indo na direção de avaliar como isto pode ser feito e ainda de como avaliar se a Realidade Virtual de fato é útil para o processo, quais seus custos, suas implicações e possíveis desvantagens.

O primeiro estudo neste sentido foi realizado em 1991/92 no Human Interface Technology Lab da Universidade de Washington [54] e o segundo em 1993 na West Denton High School em New Castle, Inglaterra [21]. Os dois projetos, que envolviam jovens em sua maioria rapazes de 13 a 15 anos, tinham como tema a construção e a navegação em mundos virtuais. Para avaliar a satisfação e o interesse dos alunos, diariamente eram distribuídos questionários de avaliação. As respostas mostraram o grande interesse pela nova tecnologia. Dos participantes, 2/3 preferiam explorar mundos virtuais a assistir vídeos, e a maioria preferiu construir novos mundos, a navegar por mundos já prontos. Estes projetos entretanto, puderam avaliar o uso de Realidade Virtual para ensinar Realidade Virtual, e não como ensinar usando Realidade Virtual.

Seguindo na linha da avaliação do uso de Realidade Virtual na educação, podemos ainda citar dois trabalhos, o primeiro, também desenvolvido no Human Interface Technology Lab está criando o Chemistry World é um ambiente virtual no qual os participantes formam átomos e moléculas a partir de blocos básicos de elétrons, prótons e nêutrons. Os participantes podem controlar, ainda, a velocidade das partículas no mundo virtual e observar seus comportamentos.

Outros trabalhos muito interessantes sobre o tema podem ser obtidos em:

• The Investigation and Application of Virtual Reality as an Educational - LOFTIN, R. B.
  http://www.engin.umich.edu/labs/vrichel/aseepap2.htm

• Assessing Learning in V.R.: Towards developing a Paradigm Virtual Reality Roving Vehicles - ROSE, H.  http://www.hitl.washington.edu/publications/n-95-1

• Assessing the potencial of Virtual Realities in Science Education - BELL, J. e FOGLER, H. S
  http://www.vetl.uh.edu/ScienceSpace/NFS_abstract.html

5.2.2 Ferramenta de Motivação

Desde pequenos nós repetimos e sonhamos com perguntas como: "E se eu pudesse explorar a lua? E se eu pudesse ver os átomos? E se eu pudesse encolher e caminhar por dentro de um chip de um computador?" A resposta, em geral, vinha rapidamente: "Você não pode!". Mas, o tempo passa e a Realidade Virtual está tornando isso possível.

O que era ontem um sonho, hoje, com um "pouco" de tecnologia está se tornando realidade, Realidade Virtual. A potencialidade da Realidade Virtual está exatamente no fato de permitir que exploremos alguns ambientes, processos ou objetos, não através de livros, fotos, filmes ou aulas, mas através da análise e manipulação modelo virtual do objeto do estudo.

A Realidade Virtual nos permite aprender visitando lugares onde jamais estaremos na vida real, talvez porque o lugar seja muito pequeno para ser visto ou muito grande para ser examinado como um todo, ou muito caro ou muito distante. A Realidade Virtual permite que movamos coisas que são muito pesadas, muito leves ou muito caras e perigosas para mover.

Uma das primeiras escolas a explorar o uso de Realidade Virtual para auxiliar no processo de ensino foi a Shepherd School, em Nottingham, Inglaterra [21]. Esta escola é a maior da Inglaterra que trata com crianças que possuem grandes dificuldades de aprendizagem. Na 1ª fase do projeto os professores aprenderam sobre nova tecnologia com pesquisadores da Universidade de Nottinghan. Posteriormente estes professores desenvolveram várias simulações baseadas em símbolos e sistemas de sinais. Os símbolos (desenhos em papel) e o sistema de sinais eram usados pela escola para auxiliar os estudantes no aprendizado das bases do vocabulário pela associação de símbolos e sinais das mãos a objetos reais. Depois da "virtualização" dos símbolos os estudantes passam a poder interagir com uma simulação 3D ao invés de desenhos 2D destes símbolos. Isto trouxe uma maior retenção do conhecimento por parte dos alunos.

5.2.3 Laboratórios Virtuais de Física

A física é, sem dúvida alguma, uma das áreas que mais se presta ao aprendizado por experimentação e observação de fenômenos.

O Virtual Environment Technology Laboratory, formado por um consórcio da NASA, da Universidade de Houston e da Universidade George Mason , está desenvolvendo o SpaceScience, uma espécie de "Laboratório Virtual de Física", no qual a idéia é testar se a Realidade Virtual realmente pode ser usada no ensino de física. Segundo Loftin, coordenador do projeto, "…não basta acreditarmos que Realidade Virtual pode ser útil, é preciso provar, e isto só será possível após inúmeros testes e uma rigorosa comparação entre os benefícios da Realidade Virtual em relação a outros métodos tradicionais...". A avaliação do projeto está sendo realizada pelo Departamento de Psicologia da Universidade George Mason. Atualmente, o ScienceSpace tem três projetos em andamento: o NewtonWorld, para a área de mecânica newtoniana, o PaulingWorld para o estudo da formação de moléculas e o MaxwellWorld para a experimentação com conceitos de fluxos e cargas elétricas. Nestes projetos estão sendo criados ou usados ambientes virtuais nos quais os estudantes, usando um HMD e imersos na experiência, podem interagir com os objetos, mudar suas propriedades e observar suas reações.

Dos experimentos disponíveis hoje, destacam-se os testes com a alteração de parâmetros como a gravidade (sua magnitude e sua direção) em simuladores de queda livre de objetos, os testes com as propriedades de colisão (elástica e inelástica) entre 2 corpos, e o efeito de diversas forças sobre o movimento de um pêndulo. O usuário, vestido com um HMD e uma luva, pode, imerso na experiência, interagir com os objetos pegando-os e arrastando-os pelo espaço. O controle das propriedades das experiências é efeito através da interação com um painel virtual que pode ser "tocado" com a mão virtual bem como, movido para qualquer parte. Este painel possui além destes controles, um conjunto de ferramentas de medição para a análise da experiência e ainda controles para dirigir (parar, reiniciar) o andamento da experiência. Para facilitar as experimentações e a observação de seus resultados, o estudante pode navegar pelo laboratório virtual(através de um protocolo de gestos) e assim posicionar-se no local que achar mais adequado.

5.2.3 Arqueologia

Em arqueologia, sempre que uma região está sobre estudo, os pesquisadores usam algum tipo de programa de CAD para registrar todos os aspectos de escavação, desde as dimensões das estruturas até a localização dos artefatos encontrados dentro delas.

O "Centro de Estudos de Arquitetura em Bryn Mawr" está criando arquivos dos principais monumentos arqueológicos ao redor do mundo usando programas de CAD. A partir destes modelos, com sistemas de Realidade Virtual será possível dar a estudantes a oportunidade de navegar por estas ruínas reconstituídas. Com certeza chegaremos ao dia em que será possível a uma turma de alunos, realizar uma viagem, por exemplo, por dentro das pirâmides do Egito ou pelas ruas da cidade de Pompéia.

Outro projeto na área de arqueologia foi desenvolvido em 1996 pelo National Center for SuperComputing Applications, na Universidade de Illinois. Trata-se do Cyber Mummy Virtual Reality Project.

5.3 Entretenimento

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5.3.1 Tênis Virtual

Um dos primeiros jogos de Realidade Virtual a surgir no mercado, o Tênis Virtual da empresa Autodesk, é quase tão básico e simples no seu aspecto visual, quanto eram os primeiros video-games em relação aos atuais. Por outro lado, a qualidade da imersão é bastante boa.

Neste jogo o usuário veste um HMD com fones de ouvido e uma Data Glove e segura uma raquete (real). Este usuário é então imerso em uma quadra virtual e o jogo inicia com o lançamento de uma bola a partir das costas do usuário. A bola é então rebatida (pelo adversário virtual) e o usuário deve responder tentando rebater a bola de volta. A qualidade da imagem gerada ainda é baixa, entretanto, a reprodução dos sons e do movimento da bolinha virtual e a possibilidade de interação gerada pelo HMD e pela luva, dão uma sensação de imersão bastante intensa, de tal forma que, em geral, quando a bolinha vem na direção do corpo do jogador a reação natural deste é tentar sair da frente da bola para não ser atingido.

5.3.2 Legend Quest

Desenvolvido pela companhia Virtuality Systems[107], o Legend Quest é uma espécie de batalha virtual onde 4 jogadores se unem para vencer um inimigo comum e achar um tesouro. No Legend Quest cada participante escolhe um personagem que irá viver. As possibilidades de escolha vão de um anão a um guerreiro, de um mágico a um ladrão. Juntos os participantes tem que explorar cavernas e passagens secretas para escapar de uma masmorra.

Cada personagem, com suas características e habilidades próprias, pode ajudar os outros em determinadas situações, fazendo com que a cada momento um dependa do outro para continuar no jogo. Os adversários, monstros que vivem na masmorra, são modelados usando técnicos da aprendizagem baseadas em Inteligência Artificial o que torna seu comportamento diferente a cada instante e o jogo mais difícil de vencer. A vitória só pode ser atingida se os jogadores souberem combinar adequadamente as características de cada personagem, reforçando ainda mais a idéia de equipe.

Por esta razão este jogo tem sido usado por empresas na avaliação das potencialidades de seus grupos de funcionários. Para o jogo cada participante recebe um HMD e um joystick 3D. Dependendo do personagem este joystick será uma arma, uma vareta mágica, uma espada ou um pote com poções mágicas. Cada jogador é colocado em uma plataforma com uma base circular dentro da qual pode girar seu corpo para olhar em qualquer direção. A movimentação é controlada por um botão do joystick.

5.3.3 Passeio Ciclístico Virtual

Também desenvolvido pela empresa Autodesk esta aplicação busca simular um passeio de bicicleta em uma bicicleta ergométrica. Apesar de ser uma excelente atividade aeróbica, o uso de bicicletas ergométricas torna-se um exercício bastante chato de ser realizado repetidamente. Pensando nisto, foi criado uma espécie de passeio virtual. A idéia é colocar no atleta um HMD, acomodá-lo em uma bicicleta ergométrica, e à medida que este vai pedalando vão sendo mostradas nas telas do HMD, imagens simulando uma estrada virtual que vai sendo percorrida. A velocidade com que estas imagens passam pela tela é controlada pela freqüência das pedaladas. A mudança na posição do guidão da bicicleta também altera as imagens apresentadas. Autodesk batizou o sistema de High Cycle. A partir desta idéia, pesquisadores da Universidade da Carolina do Norte expandiram o conceito da High Cycle agregando marchas à bicicleta, adaptando um sistema de "force feedback" nos pedais e colocando sob as rodas uma espécie de rampa capaz de enclinar e balançar a bicicleta. Com todo este aparato(figura 5.4) a High Cycle permite simular, além das imagens, o tipo e a inclinação da pista ao longo do passeio virtual. Seguindo nesta linha de desenvolvimento, quem sabe em pouco tempo não teremos locadoras de imagens virtuais com títulos como: "Passeando em Nova York", "Pedalando em Boa Viagem" , "Subindo pelos Morros de Canela e Gramado" ou "Correndo na Praia de Copacabana".

Figura 5.4 - Arquitetura de um Sistema de Passeio Ciclístico Virtual

Está em desenvolvimento na PUCRS um projeto para a criação de uma Bicicleta Virtual, maiores detalhes podem ser obtido em http://grv.inf.pucrs/br/.

Outras experiências de uma bicicleta virtual são a VRBIKE da empresa TECTRIX, fabricante de equipamentos de ginástica e a CyberBike do Departamento de Psicologia da Queen's Universityn no Canadá. Para ver uma aminação gerada neste nesta última tente: http://130.15.96.12/labs/frostlab/vrbig.mov.

5.4 Treinamento

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5.4.1 Simuladores de Vôo

Em vários casos, fazer com que uma pessoa treine uma certa tarefa pode ser muito difícil, muito caro e muitas vezes simplesmente impossível.

Um caso clássico desta situação é o treinamento de pilotos para situações de perigo como perda súbita de combustível ou um violento deslocamento de ar. Pensando nisto, a indústria aeronáutica tem criado excelentes simuladores de vôo. Uma das melhores coisas que estes simuladores têm é que com eles o piloto pode tentar realizar um número muito maior de vôos em um dia, do que conseguiria em um aparelho real, no espaço de meses.

Normalmente, as cabines de simulação de vôo não são consideradas aplicações de Realidade Virtual. Isto porque a cabine e os controles são reais, e as imagens são exibidas em telas colocadas no lugar das janelas do avião.

Entretanto, nos últimos anos, alguns simuladores vem sendo construídos usando tecnologias de Realidade Virtual como HMD’s, tendo como principal vantagem a possibilidade de recriar a cabine, simulando um outro avião, sem precisar de uma nova cabine. Além disto há uma forte corrente, em especial no exército americano, pesquisando na direção de novos tipos de simuladores que sejam flexíveis, adaptáveis, de fácil atualização e ainda interconectáveis através de redes. O objetivo é permitir que se faça simulação remota sem ter que deslocar os pilotos/soldados até o simulador, e ainda, tornar a simulação mais realista pela participação de várias pessoas[21].

5.4.2 Planejamento de Operações Militares

Uma operação militar que envolve o envio de tropas a um local desconhecido dos soldados, como por exemplo, uma embaixada, pode ter uma chance muito maior de sucesso se os soldados, antes, puderem caminhar pelo prédio e analisar os caminhos e obstáculos que terão de enfrentar. Com certeza, uma análise deste tipo fornece aos soldados um número muito maior de informações do que a análise de uma planta ou de fotos do local.

5.4.3 Lançador Virtual de Mísseis

Desenvolvido pela empresa TNO, o lançador virtual de mísseis [35] é um simulador para treinamento de lançadores do míssil "Stinger". "Stinger" é um míssil compacto lançado com um disparador colocado sobre o ombro do soldado projetado para o ataque a aeronaves que voam a baixa altitude. O Vitual Stinger Trainer consiste em uma réplica plástica do lançador original.

Dentro da réplica é colocado um mouse 3D a fim de rastrear a posição do lançador. O soldado usa um HMD e um par de fones de ouvido. No HMD são geradas imagens de aviões inimigos, bem como do céu e do terreno ao redor do soldado.

No momento em que é feito o disparo, o programa que controla o sistema produz nos fones de ouvido o som característico do disparo, bem como o som da movimentação do míssil e da explosão do alvo, caso este seja atingido. Além da simulação, o sistema registra e armazena todo o processo de manipulação da arma, fornecendo valiosas informações para o instrutor dos soldados.

Além da simulação visual e sonora este lançador virtual produz a sensação de impacto no momento do disparo dos mísseis, tornando a experência ainda mais real.

5.4.4 Treinamento de Astronautas

Uma das maiores dificuldades encontradas por astronautas no espaço é sua locomoção. Em função da gravidade zero existente no espaço, tarefas comuns como apertar um botão ou virar o corpo para olhar para trás, tornam-se muito complexas.Quando um astronauta tenta apertar um botão, se a força usada for maior do que a necessária, ele receberá de volta parte desta força o que poderá causar um movimento indesejável de seu corpo. No aspecto de movimentação, apesar da existência de controles específicos para este fim, o treinamento é bastante complicado.

A empresa holandesa TNO-FEL[35] desenvolveu um sistema de Realidade Virtual capaz de simular o movimento do astronauta no espaço colocando-o sobre uma cadeira que se move dando a este uma sensação muito próxima daquilo que de fato ocorre no espaço. Tarefas como girar o corpo, atirar uma barra de ferro ou girar um parafuso, são simulados neste sistema.

Outra simulação muito interessante feita neste sistema é o uso do som 3D para auxiliar na comunicação entre os astronautas. Como não é possível dentro da roupa espacial girar a cabeça para identificar onde está o outro astronauta, o uso de som 3D tem se mostrado muito útil para auxiliar nesta tarefa[62].

5.5 Visualização de Informação

Com o acelerado crescimento dos tipos, das fontes e do volume das informações que estão sendo produzidas atualmente por cientistas, economistas, engenheiros ou executivos, existe uma grande demanda por novas formas de apresentação destes dados. Aliado a isto, os avanços na área de informática fazem do desenvolvimento de novas abordagens para a visualização da informação, uma área bastante promissora.

5.5.1 Visualização Científica

A Visualização Científica [66] é usada em computação gráfica para auxiliar, com imagens, o entendimento de dados complexos em geral, em grande quantidade, mostrando conceitos científicos, resultados de simulações ou de coleta de dados. Nesta área a Realidade Virtual auxilia principalmente pela possibilidade de imergir o usuário nos dados fazendo com que sua análise possa ser mais detalhada. Em testes com túnel de vento, por exemplo, pode-se usar a Realidade Virtual de uma forma bastante útil. Usando um HMD e uma luva, o usuário pode ser colocado dentro do modelo computacional de um túnel de vento e visualizá-lo como se de fato lá estivesse, com a vantagem de que seu corpo não interferirá na experiência. A luva, neste caso é usada para mover um cursor virtual, que serve como ferramenta para obter dados numéricos sobre uma certa posição no espaço.

5.5.2 Visualização em Negócios

As área de compra e vendas de ações, planejamento de investimentos, movimentação de estoques e outras relacionadas à movimentação de dinheiro ao redor do mundo, requerem uma quantidade de informações bastante grande para a tomada de decisões.

Esboçadas em geral em gráficos, estas informações tem de ser de fácil manipulação e de rápido entendimento. Pensando nisto, os pesquisadores Clifford Beshers e Sturn Feiner da Universidade de Columbia desenvolveram o "N-Vision"[6].

A idéia é permitir ao usuário a visualização de um conjunto de dados multivariados em gráficos aninhados a um outro sistema de coordenadas, que representa outra variável. Com uma luva, o usuário pode mover os sistemas de forma que desejar, para uma melhor análise.

5.6 Auditórios Virtuais ou Teatros de Realidade Virtual

Quando muitas pessoas querem participar de uma experiência de Realidade Virtual ao mesmo tempo, é preciso ampliar a capacidade de exibição dos monitores. A partir deste problema iniciaram-se os estudos sobre "Auditórios Virtuais"[20]. Existem vários teatros virtuais sendo construídos ou em fase de protótipo. Todos eles baseiam-se em "image generators" para apresentar seus mundos virtuais de duas formas: · os "screen based projection systems" ou sistemas de projeção panorâmico e os "networked-linked HMDs" ou rede de HMDs.

Os teatros de Realidade Virtual são usados em visualização científica, entretenimento, promoções corporativas e museus. Apesar de serem bastante diferentes, estas aplicações precisam, todas, apresentar para um pequeno público, imagens gráficas interativas.

Pode parecer, mas não é o mesmo que teatro ou cinema. O cinema não é interativo, o teatro, não é navegável e nem parcial ou totalmente imersivo.

Os "screen based projection systems" são ambientes em que as imagens são projetadas nas paredes de uma pequena sala, de forma a criar uma imagem, sem emendas, em todas as áreas que o usuário pode ver. Estes sistemas são também chamados de Cavernas do Realidade Virtual.

Um hardware típico deste tipo de aplicação é uma SGI Onyx com 3 Reality Engines, cada um deles gerenciando a exibição de uma imagem sobre as paredes. Estes sistemas são muito úteis para revisão de projetos de casas, de carros ou de linhas de manufatura, pois o usuário pode passear pelo mundo virtual analisando os aspectos que lhe interessam da posição que lhe parecer mais conveniente.

Os "network-linked systems", também chamados "individual based viewer systems", são montados ligando-se um conjunto do HMDs em rede. Nestes sistemas, o usuário, geralmente sentado em uma cadeira, veste um HMD e pode explorar o ambiente apenas movendo a cabeça.

A empresa StrayLight Corp[100] produz sistemas deste tipo com imagens de alta qualidade. Seus sistemas são vendidos ou alugados para companhias que querem apresentar produtos ou para entretenimento. Neste último caso, as cadeiras podem balançar e girar de acordo com a necessidade. A interatividade no sistema da StrayLight é pequena, ela foi sacrificada em prol da qualidade das imagens.

Outra empresa que usa a idéia de HMDs ligados em rede é a Telepresence Research Inc. Ela criou recentemente, para a cervejaria japonesa Sapporo, um sistema de visitação virtual da linha de produção. Como a visita a uma cervejaria, por questões de segurança, é restrita a poucos setores, a Telepresence criou um modelo computacional de toda a fábrica e, com um programa de alto desempenho para visualização de objetos, permite a grupos de até 12 pessoas, a navegação pela fábrica. A criação do modelo virtual não levou muito tempo, pois a fábrica já tinha sido projetada em programas de CAD.

No sistema, um dos usuários atua como o motorista de um "ônibus virtual" definindo por onde o grupo anda durante a visita, os demais, à medida que o "ônibus anda", podem olhar para onde desejarem, tendo a visão que quiserem da fábrica.

5.7 Artes

Na área artística a Realidade Virtual parece ter um futuro bastante promissor. Como um novo meio de expressão da habilidade do artista a imersão e a interatividade podem transformar a arte estática (pinturas e esculturas) em arte dinâmica, à qual os observadores poderão explorar da forma que desejarem.

Do ponto de vista do artista a Realidade Virtual pode auxiliar no processo de criação. Um músico, por exemplo, pode tocar um piano virtual usando uma luva eletrônica e um sintetizador.

Um escultor pode manipular uma espécie de "argila virtual" para criar suas peças. Neste campo de escultura a Realidade Virtual pode ser útil também, para quem estuda um determinado artista. Se tivermos modelos virtuais de suas obras, o pesquisador poderá alterá-los da forma que desejar, sem correr o risco de destruir a obra.

5.8. Telepresença e Telerobótica

Com certeza nós já desejamos estar em dois lugares ao mesmo tempo. Se isto ainda não é possível, a telepresença pelo menos cria a ilusão de que se pode estar lá e aqui ao mesmo tempo. Uma forma antiga de telepresença é o telefone, quando ouvimos alguém ao telefone é como se nossos ouvidos estivessem em outro lugar, sem que de fato estejam.

A telepresença baseia-se na idéia de que, com algum tipo de equipamento, é possível executar tarefas em algum lugar distante, como se lá estivéssemos. Mas isto é Realidade Virtual? Aqui está uma pergunta que ainda não tem resposta.

O projeto "GreenSpace - an immersive communication medium" pretende permitir que pessoas localizadas fisicamente distantes possam compartilhar experiências em ambientes virtuais comuns. Maiores informações sobre este projeto podem ser obtidas no trabalho:

• "Spatial Culling of Interpersonal Communication within Large-Scale Multi-User Virtual Environments" de Aaron K. Pulkka

Em alguns sistemas de tele presença, o médico pode atender a pacientes distantes[59]. No futuro, poderá operá-los. A NASA está particularmente interessada neste aspecto para futuramente realizar cirurgias no espaço.

Um pouco menos futurista são os sistemas de teleoperação ou telerobótica. Qualquer atividade que envolva a realização de tarefas que coloquem em risco a vida do ser humano, ou onde garantir a segurança custe muito caro, é uma área de aplicação potencial de telerobótica. Ambientes tóxicos, de altas temperaturas, ou de difícil acesso são exemplos da aplicação.

O uso da robótica nestes casos, já é bastante antigo, a Realidade Virtual entra, por sua vez, como uma forma de facilitar a interação com os equipamentos. Com Realidade Virtual, o usuário pode "enxergar" o ambiente. Vestindo um HMD, sincronizado com uma filmadora(figura 5.5), instalada no ambiente remoto, o usuário pode "ver" o objeto a ser manipulado. O controle do robô, por sua vez, pode ser feito com uma luva ao invés de um manipulador.

Figura 5.5 - Sincronismo Entre Uma Câmera e um HMD em Ambientes de Telepresença

Um dos projetos mais interessantes desenvolvido na área de telerobótica, é o projeto Green Man. Projetado por David Smith e Frank Amrogida e construído por Herbert Murmmery, todos do NOSC - (Naval Oceans System Center) [72]. O Green Man é um robô com dois braços, garras, tronco, pescoço, cabeça e dois olhos (câmeras de vídeo), controlado pelos movimentos do corpo de uma pessoa. Os movimentos são medidos por uma espécie de esqueleto externo colocado no usuário e os ângulos formados nas articulações deste são usados para controlar o robô.

No Brasil temos um projeto de controle de robôs usando Relidade Virtual sendo desenvolvido com o apoio da FAPERGS, num convênio da PUCRS com o SENAI. Neste projeto o robô passa a ser controlado pelos movimentos de uma luva eletrônica, liberando o usuário da necessidade, muitas vezes tediosa, de ter que programar o robô.

5.9 Anúncio Experiencial

Surgindo como uma nova forma de publicidade, os Anúncios Experimenciais são um tipo de publicidade onde as mensagens de marketing são embutidas em um mundo virtual. Nestes mundos, os consumidores em potencial podem interagir com o produto que está sendo vendido e convencerem-se de suas vantagens.

No mercado americano, este tipo de marketing iniciou com as empresas que alugavam equipamentos com jogos de Realidade Virtual. Posteriormente estas empresas passaram a alugar seus equipamentos para apresentar "shows" de outras companhias. A pioneira desta área foi a CyberEvent Group Inc. [28], já tendo produzido "comerciais" para companhias farmacêuticas e cadeias de motéis.

Seguindo uma linha mais conservadora, a comunidade européia adotou a abordagem de separar o marketing dos vídeos games. A empresa Virtual-S Ltd, de Londres, desenvolveu, por exemplo, para as empresas Kingston Micro Eletronics e AKAI sistemas com Realidade Virtual para apresentar seus produtos. Para a prefeitura de Madri, a empresa criou um sistema que hoje é usado em feiras para apresentação da cidade de Madri e de suas potencialidades para abrigar novas empresas de alta tecnologia.

Outra empresa que está desenvolvendop anuncios com o uso de Realdead virtual é a StrayLight Corp que tem hoje, entre seu clientes empresas como American Express, AT&T, AVIS, Blockbuster Entertainment, CableTron Systems, Coca-Cola entre outras.

5.10 Sistemas de Manutenção usando Realidade Aumentada

As pessoas que trabalham com manutenção de equipamentos sofisticados, costumam lidar com uma quantidade grande de manuais e fichas técnicas de produtos. Com a evolução rápida, comum a este tipo de equipamento, a documentação, por sua vez também tem de ser atualizada.

Buscando resolver este problema, muitos fabricantes estão distribuindo manuais e fichas em meio magnético. Esta evolução diminuiu, sem dúvida, a quantidade de papel utilizado. Entretanto, nem sempre é cômodo usar um computador durante a manutenção. Pensando nisto, a British Aeroespace em conjunto com a Private Eye e a Boeing em consórcio com a Virtual Vision, vem desenvolvendo sistemas de Realidade Aumentada para auxiliar na manutenção de aviões e de turbinas[81,89]. Usando um HMD, o técnico que realiza a manutenção, pode deixar ao alcance de seus olhos, ao lado da imagem que está olhando, as páginas dos manuais que precisa.