o uso de realidade aumentada no ensino de...

O Uso de Realidade Aumentada no Ensino de Física

Márcio Duarte, Alexandre Cardoso e Edgard Lamounier Jr.

Universidade Federal de Uberlândia – UFUPrograma de Pós-graduação em Engenharia Elétrica

[email protected], [email protected], [email protected]

Abstract

This paper presents a new interactive technique to support Augmented Reality (AR)applications. This technique alows dynamic information visualization associated to real time scenechanges which is not observed in current AR systems. A velocity/time phisical experiment withachieved results is taken as a case study to demostrate the proposed technique.

1 - IntroduçãoRealidade Aumentada (RA) consiste numa técnica avançada de interface computacional, que

permite a sobreposição de objetos virtuais no mundo real. Considerada uma variante da RealidadeVirtual, a RA suporta uma visualização de maneira altamente realista, incrementando a percepção dousuário no uso de uma interface de computador [1].

Assim, a RA proporciona um aumento da percepção humana, possibilitando ao usuárioidentificar melhor as informações do ambiente visualizado, favorecendo com isso a construção do seuconhecimento.

A maioria dos sistemas desenvolvidos em RA limita-se a inserir informações no ambiente real,associadas a marcadores, de forma a complementar uma cena estática com uma dada informação. Aproposta deste trabalho é utilizar RA para apresentar, dinamicamente, informações associadas àmudança do cenário que está sendo utilizado no mundo real. Desta forma, em um experimento real deFísica – que é digitalizado e apresentado no computador – informações que são variantes no tempo,como por exemplo, velocidade e aceleração poderiam ser estimadas e exibidas em tempo real, comoserá visto através do estudo de caso deste artigo. Para isso, está sendo utilizado um sistema dedesenvolvimento de aplicações de RA, denominado ARToolKit [2].

2 – Conceitos Básicos

2.1 - ARToolKitARToolKit é uma biblioteca que permite desenvolver aplicações em RA utilizando técnicas de

visão computacional para o processo de orientação, calibração da câmera, sobreposição e visualizaçãode imagens reais e virtuais no mesmo cenário, além de detecção de movimentos em tempo real, cujoprocesso é feito com a utilização de marcadores [3], como ilustram as Figuras 1 e 2.

O ARToolKit pode ser executado nas plataformas SGI Irix, PC Linux e PC Windows95/98/NT/2000/XP, com versões separadas para cada uma destas. O sistema é livre e "open-source"para uso em aplicações não-comerciais e é distribuído sob licença GPL.

As versões mais utilizadas e mais atualizadas do software, atualmente, são as implementadas nalinguagem C. Há ainda versões implementadas para Matlab e Java (o jARToolKit). Algumas versõespossuem suporte a VRML, mas a maioria está disponível apenas para OpenGL.

WRA´2005 - II Workshop de Realidade Aumentada

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2.2 – Experimento de Física RelacionadoO experimento físico realizado baseia-se na utilização de um Air Track (Trilho de Ar), que

envolve a segunda Lei de Newton-Galileu, onde um planador de massa Ma desliza praticamente sematrito puxado por um porta-pesos de massa Mb, estando os dois ligados por um fio leve, que passa poruma polia fixa também considerada ideal, como pode ser visto na Figura 3.

Figura 3 – Trilho de Ar (Segunda Lei de Newton)Fonte: http://educar.sc.usp.br/licenciatura/2002/trilho_de_ar/tda.htm

O objetivo deste experimento é mostrar como uma força de atrito pode atuar sobre um corpo.Assim, dependendo desta força, variáveis como aceleração e velocidade podem ser modificadas. Váriosexperimentos realizados em laboratórios acadêmicos, apenas ilustram como essa força de atrito podeagir sobre um corpo, mas não estimam e nem ilustram em tempo real as variáveis citadasanteriormente.

Pensando nisto, uma estratégia computacional utilizando RA foi implementada para que estesdados pudessem ser expressos de forma mais sucinta, uma vez que suporte para tal experimento não foiencontrado em outros sistemas de RA com fins educacionais.

3 – Detalhes da ImplementaçãoDe forma a permitir a inserção de dados relativos ao tempo, espaço, velocidade e aceleração, na

forma de RA e prover ao usuário a verificação destes valores no momento do experimento, foram feitasadaptações (que não alteram a condição da experiência em execução), onde um conjunto de marcadoresacomoda-se para uma câmera, que está posicionada sobre o experimento. Assim, um painel contendovários marcadores foi criado, como é mostrado na Figura 4.

Figura 0: Marcador Figura 2 – Objeto virtual no ambiente real


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Figura 4 – Trilho de Vento e Marcadores

Um problema encontrado foi de como detectar a passagem do objeto por cada marcador. Asolução relaciona-se com a criação de uma abertura na borda de cada marcador, de maneira que,quando o objeto que percorre o trilho de ar passa por este, causa o fechamento da borda, definindo aimagem de um marcador e ativando uma ação. Esta ação é a identificação do marcador pelo softwareARToolKit através de uma WebCam e a projeção, (relativa, por exemplo, à da velocidade do objeto)no monitor de vídeo, concebida em VRML.

Como o ARToolKit é uma ferramenta de código aberto, foi possível desenvolver modificaçõesno código referente a detecção dos tempos de aparições entre um marcador e outro.

Outra dificuldade encontrada refere-se à atualização dos valores das variáveis do experimentoque estão associadas a estes marcadores. Faz-se necessário atualizar os objetos virtuais associados comos marcadores, em função do tempo decorrido até a detecção do mesmo. Como o ARToolKit trabalhacom objetos virtuais pré-armazenados, isso não possibilitava gerar suas atualizações. Assim, uma rotinacomplementar foi desenvolvida.

Desta forma, cada marcador identifica uma mudança de um estado, permitindo obter o tempogasto entre a aparição de um marcador e de outro. Armazenando o tempo anterior e subtraindo dotempo atual, obtém-se a variação de tempo (∆t) que é usado nas fórmulas associadas ao cômputo deaceleração e velocidade do objeto.

Para o experimento, foram utilizados um computador Pentium IV, uma WebCam Creative NX,os softwares ARToolKit 2.52Vrml e Visual C++.

A Figura 5a mostra a imagem capturada pela câmera através da execução do programaSimpleVRML modificado do ARToolKit, aplicado ao experimento de Física. Nesta figura, avelocidade do objeto é exibida em frente ao marcador central. A Figura 5b mostra uma nova velocidadeidentificada quando o objeto passa diante do marcador à direita.

Figura 5 (a) – Imagem Real do Experimento Figura 5 (b) – Imagem Real do Experimento


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4 – Conclusões e Trabalhos FuturosEste artigo descreveu um projeto para utilização de Realidade Aumentada em laboratórios de

ensino de Física.A visualização de informações reais e estimadas durante o experimento, com o uso de RA,

mostrou ser uma técnica bastante eficiente, pois dessa forma experimentos podem ser mais bemdetalhados, facilitando o processo de abstração e auxiliando o processo cognitivo de aprendizado.

Outra vantagem do sistema de Realidade Aumentada está relacionada ao custo, pois é possível odesenvolvimento de ambientes relevantes utilizando materiais acessíveis e disponíveis nos laboratóriosde informática.

Porem, é preciso ressaltar que não foi realizada uma medição para verificação dos resultadosobtidos e que estes foram meramente conseguidos através da utilização de fórmulas físicas. O uso deweb-cam e marcadores pode introduzir alguma forma de erro nessas medidas.

Dessa forma, como trabalhos futuros são propostas a verificação da precisão destes resultados,medição dos possíveis erros introduzidos e a criação de uma interface mais intuitiva, unificando aimagem da câmera ao sistema de entrada de dados.

REFERÊNCIAS

[1] SANTIN, R., KIRNER, C. ARToolKit – Aspectos Técnicos e Aplicações Educacionais. In: Anaisdo WRA’ 2004 I WorkShop Sobre Realidade Aumentada, 2004, Piracicaba - SP. WRA’ 2004 –WORKSHOP SOBRE REALIDADE AUMENTADA. Piracicaba - SP: UNIMEP, 2004. v. 01. p. 13-16.[2] ARToolKit - Download. Disponível em http://www.hitl.washington.edu/artoolkit/. Acesso em:04/04/2005.[3] LAHR, P. S., LOURENÇO, P. C., DAINESE, C. A.. Rastreamento em Realidade Aumentada comArtoolkit e Marcadores. In: Anais do WRA’ 2004 I WorkShop Sobre Realidade Aumentada, 2004,Piracicaba - SP. WRA’ 2004 – WORKSHOP SOBRE REALIDADE AUMENTADA. Piracicaba - SP:UNIMEP, 2004. v. 01. p. 37-40.[4] CONSULARO, L. A., JUNIOR, N. C., DAINESE, C. A., GARBIN, T. R., KIRNER, C.,TRINDADE, J., FIOLHAIS, C.. ARToolKit – Aspectos Técnicos e Aplicações Educacionais. In: Livrodos Minicursos do VII Symposium on Virtual Reality, 2004, São Paulo - SP. SVR’ 2004 –ARTOOLKIT – ASPECTOS TÉCNICOS E APLICAÇÕES EDUCACIONAIS. São Paulo - SP: SENAC,2004. v. 01. p. 141-182.[5] Trilho de Ar – Disponível em http://educar.sc.usp.br/licenciatura/2002/trilho_de_ar/tda.htm.Acesso em: 06/05/2005.


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Catalog System:Um Sistema de Autoria Espacial de Realidade Aumentada

Francinee Benam¹, Claudio Kirner²

¹ ²Universidade Metodista de Piracicaba – UNIMEP.¹ ²Faculdade de Ciências Exatas e da Natureza – FACEN.²Programa de Pós Graduação em Ciência da Computação.

[email protected], [email protected]

AbstractThis paper aims to demonstrate the forthcoming scenarios of possibilities when developingaugmented reality authoring systems. The merged technological conditions embedded intoan augmented reality environment suggest its amplitude as the foundation of all human-computer interaction to come.

Keywords: Augmented Reality (AR); Authoring Systems; Ubiquitous Computing.

1 – IntroduçãoRealidade Aumentada é um assunto ainda pouco difundido e, para pesquisadores ecientistas, é uma das áreas mais promissoras da tecnologia. A abrangência de seu espectrogera um campo multidisciplinar de estudos - técnicas de Visão Computacional,Computação Gráfica, Sistemas Inteligentes, Robótica, dispositivos móveis e sem fio(celulares/wireless/telecomm) – permitindo a criação de novas vertentes tecnológicas.Alguns observadores sugeriram que uma das muitas aplicações em potencial de realidadeaumentada irá emergir como “a” aplicação – em inglês definida como “the killer app”,mais especificamente a aplicação que virá em primeiro e irá matar as outras préviastentativas – com um uso tão atrativo que resultaria em uma adoção em massa dessatecnologia.Estes dispositivos não fazem parte de um só tipo de aplicação; são anfitriões de aplicaçõesque estarão no dia a dia das pessoas - aplicações comerciais para celulares, jogos porcomputador, manutenção de equipamentos/ maquinários, imagens médicas etc. A noção deque os computadores são, inexplicável e transparentemente, incorporados em nossas vidasdiárias é o que o cientista computacional Mark Weiser (1991) afirmou ao cunhar o termo“Ubiquitous Computing” (computação ubíqua) mais de uma década atrás. Os sistemas derealidade aumentada, com suas informações virtuais sobrepostas em dispositivos móveis,painéis, displays e projetores holográficos, logo se integrarão ao cenário diário observado.Quando interfaces computacionais para usuários estiverem em todo lugar - rótulos virtuaiscomo post its animados ‘pairando no ar’ para indicar direções e anunciar as últimas notíciase, conteúdos multimídia em sistemas e dispositivos de realidade aumentada como novo tipode mídia publicitária -, esta permissiva mistura de realidade e virtualidade (MILGRAM;HERMAN, 1999) poderá se transformar no midium primário (Figura 1) para uma novageração de visionários da tecnologia que contribuirá para a construção do futuro próximo.


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Figura 1:. Mixed-fantasy framework (MILGRAM et al, 1999).

2 – Sistema Espacial: Catalog SystemO sistema de autoria criado e, apresentado neste artigo, visa mostrar o potencial dodesenvolvimento de aplicações de realidade aumentada. O sistema espacial – assimchamado por possibilitar a movimentação de objetos virtuais no espaço real de coordenadas“x, y, z” captado pela câmera - foi denominado “CatalogSystem” e pode funcionar comoum catálogo de objetos virtuais. O usuário escolhe o tema e movimenta o objeto,coletando-o de um ‘catálogo’ de objetos, para fazer seu depósito na mesma cena,interagindo com outros objetos virtuais ou em outro cenário (base virtual), conforme suasnecessidades. Para ilustrar a idéia foi elaborada a aplicação “aquarium”, na qual, o usuário,movimenta com as mãos, elementos de um aquário virtual, incluindo o próprio aquário,peixes e outros objetos do cenário. A Figura 3 ilustra a montagem de um aquário com umpeixe, através de interação no espaço real.Para tornar o ambiente virtual mais realista, optou-se por colocar o marcador do aquáriosob a mesa, de forma que o fundo do aquário o cubra, fazendo que os marcadores nãoapareçam na cena final. Assim, os outros marcadores sob a mesa, representando peixes eoutros objetos do aquário, também não serão vistos na cena final.Nesta primeira versão, o catálogo contém as placas móveis correspondentes aos objetosvirtuais (Figura 2). Ao colocar-se o catálogo no campo de visão da webcam, os objetosvirtuais aparecerão, de forma que as placas poderão ser retiradas e colocadas sob a mesapara formar o cenário. O catálogo contém várias cópias do mesmo objeto, de forma quepossa ser usado várias vezes.

Figura 2: marcadores para sobreposição dos objetos virtuais.

Numa segunda versão, será usado um catálogo com placas impressas no catálogo, e uma páde movimentação. Ao colocar-se o catálogo no campo de visão da webcam, os objetos


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virtuais aparecerão e, com o uso da pá, cópias poderão ser removidas e depositadas sob amesa, em placas hospedeiras que poderão ser manipuladas.Uma terceira versão será uma variante da segunda, que não exigirá as placas hospedeiras,permitindo o transporte da cópia do objeto com a pá para qualquer local da mesa, sem anecessidade de placas hospedeiras. Entretanto, a realocação dos objetos sob a mesa exigiráo uso da pá, uma vez que os mesmos não estarão sob placas.

Figura 3: Captura de cenas do CatalogSystem_aquarium.

A coleção de bibliotecas ARtoolKit (BILLINGHURST; KATO, 2004), disponívelgratuitamente no Laboratório HITL da Universidade de Washington, foi utilizada para esteprocesso. Algumas funcionalidades foram incluídas no software como a pá e a associaçãode sons com os objetos virtuais (SANTIN et al, 2004). O sistema espacial‘CatalogSystem[aquarium]’ insere-se no contexto de um ambiente formado pelocomputador, incluindo o monitor, uma câmera de vídeo e um marcador, que consiste emuma placa de papelão com marcas fiduciais chamadas de ‘patterns’ ou padrões. Nesseambiente, podem-se desenvolver aplicações gráficas tridimensionais sofisticadas - cenáriosanimados interativos e/ou jogos educacionais (BILLINGHURST; KATO; POUPYREV,2001), que serão gerados pelo computador e colocados sob a placa/ marcador.A criação da aplicação evidenciou a modificação de aspectos ferramentais para averificação e testes com o sistema. Objetos virtuais – cones, quadrados, elipses, cilindros,entre outros - foram criados, através de primitivas gráficas e, sobrepostos em novosmarcadores. Alterações no código fonte foram feitas para testar a usabilidade do sistema.Os exemplos de aplicações foram propiciados pela compilação do novo código, noambiente integrado de desenvolvimento, através da geração do arquivo executável. Otrabalho de associação dos novos marcadores (placas reais) aos objetos virtuais foi feitoatravés da prática de cadastramento dos marcadores. Veja as fotos dos exemplos deaplicações interativas (figura 4).


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Figura 4: Exemplos de interação e marcador com o pattern fish.

3 – ConclusãoO desenvolvimento do sistema de autoria espacial de realidade aumentada‘CatalogSystem_aquarium’, ao evidenciar suas características, como a manipulação domarcador pelo usuário que visualiza e move o ambiente virtual sobreposto ao mundo real,interagindo e transformando a cena real, objetivou demonstrar as possibilidades epotencialidades do desenvolvimento de aplicações de realidade aumentada.Essas características viabilizam interfaces mais naturais, na medida em que sobrepõem oespaço do usuário com o espaço virtual, dando a impressão que o espaço virtual encontra-sena frente do usuário. Além disso, o uso das mãos manipulando placas é bastante natural enão exige treinamento, o que faz com que o sistema seja de fácil utilização.Assim, qualquer pessoa, dispondo do ambiente de realidade aumentada, como foi descrito,e de um catálogo de marcadores associados com objetos virtuais mais variados, conseguerealizar a composição de ambientes virtuais na cena real, juntando placas, além de alteraresse ambiente a qualquer momento, mudando a localização das placas.O sistema pode ser útil em ensino e treinamento, além de ter alto potencial paraentretenimento através de jogos. Há também a possibilidade de uso desse sistema em rede,permitindo a montagem de ambientes em grupos de pessoas, remotamente localizadas.

4 – Referências BibliográficasBILLINGHURST, M.; KATO, H. ARToolKit. Human Interface Technology Lab (HITL),Washington, 2004. Disponível em http://www.hitl.washington.edu/artoolkit. Acesso em:15 ago. 2004.

BILLINGHURST, M.; KATO, H. & POUPYREV, I. – The MagicBook-MovingSeamlessly between Reality and Virtuality, IEEE Computer Graphics and Applications,p. 2-4, May/June 2001.

MILGRAM, P.; HERMAN, C.J. A Taxonomy of Real and Virtual World DisplayIntegration, in Mixed Reality, Merging Real and Virtual Environments, Ohmshda &Springer-Verlag, p. 5-30, 1999.

SANTIN, R. et al. Ações Interativas em Ambientes de Realidade Aumentada comARToolKit, in SVR, VII Symposium on Virtual Reality, São Paulo, SP, p.161-168,Outubro 2004.

WEISER, M. The Computer for the 21st Century. Scientific American, Sep. 1991.


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Anotações Geo-Virtuais

Rafael A. D. Souza1, Fábio R. Miranda2

Centro Universitário [email protected]

[email protected]

AbstractThis article emphasizes a subtype of augmented reality, mobile augmented reality. It is shown

how augmented reality and mobile devices technology can be mixed and proposes an application that leverages both augmented reality and mobility, through a server that provides dynamic AR content over a wireless network.

ResumoEste artigo destaca uma especialidade de realidade aumentada, a realidade aumentada móvel.

Mostra como se pode usufruir das vantagens da realidade aumentada junto com a tecnologia de dispositivos móveis atuais e propõe uma aplicação que explora algumas das características de realidade aumentada e mobilidade, através do uso de um servidor de conteúdo dinâmico via redes sem fio.

1. IntroduçãoA Realidade Aumentada (RA) se utiliza da realidade virtual para enriquecer os ambientes reais

com objetos virtuais, através de algum dispositivo tecnológico, funcionando em tempo real. Tecnologicamente é comum o uso de um óculos ou capacete com visor semitransparente, de forma que a visão do ambiente real possa ser sobreposta com informações virtuais. Também é possível coletar a imagem real com uma câmera de vídeo e misturá-la com a imagem virtual antes de ser apresentada. Com isso podemos enxergar, por exemplo, um objeto real com o seu detalhamento interno gerado por realidade virtual.

Um sistema típico de RA é composto de um capacete de visualização com sistema de rastreamento de posição, sobre o qual é disposta uma câmera de vídeo, conforme a figura 1a. Nesse caso, a imagem real é obtida pela câmera de vídeo montada sobre o capacete, enquanto que a imagem virtual é gerada por um computador que considera o posicionamento do rastreador. Um misturador combina as duas imagens e mostra o resultado final ao usuário.

A finalidade desse tipo de sistema é o enriquecimento do mundo físico com informações digitais, como o SignPost [1], que ajuda na navegação em um ambiente supostamente desconhecido, fornecendo uma indicação, por meio de uma seta, do caminho que se deve seguir para atingir o destino alvo. Como mostra a figura 2.

Figura 1. (a) Uma típica mochila setup para RA móvel versus (b) dispositivo handheld leve e prático. [2]


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A realidade aumentada pode naturalmente ser complementada com a computação móvel em um dispositivo portável, fornecendo uma relação intuitiva a um espaço tridimensional da informação encaixado dentro da realidade física, tornando possível associar informação computacional a ambientes cotidianos. Infelizmente, os sistemas usáveis atuais de RA são relativamente complexos, caros, frágeis e pesados (figura 1a). São inadequados para a distribuição em grande escala e normalmente envolvem ambientes confinados em que sempre há um especialista por perto. Conseqüentemente, a escala de experiências multi-usuários não excedeu ainda um punhado dos participantes.

Figura 2. Um guia móvel de navegação em realidade aumentada. [2]

Azuma [3] agrupou as aplicações de realidade aumentada em três áreas: aplicações móveis, aplicações colaborativas e aplicações comerciais. As aplicações móveis de realidade aumentada incluem:

- visualizar anotações virtuais em edifícios, salas e outros elementos urbanos para orientar o usuário;- mostrar ou recuperar prédios e outros elementos inexistentes ou em ruínas, enfatizando o planejamento urbano e a arqueologia;- turismo.

Protótipos de aplicações móveis têm sido desenvolvidos pela equipe do Studierstube Project [4], que demonstraram que os assistentes digitais pessoais (PDAs) têm características que os tornam particularmente interessantes para realidade aumentada. No contraste aos notebooks, PDAs podem ser carregados sem inconvenientes ergonômicos, simplesmente porque foram projetados para exatamente essa finalidade. São suficientemente pequenos e leves para o manuseio. Recentemente estão sendo lançados PDAs com um maior poder de processamento (na casa de 600MHz) e aceleradores gráficos dedicados.

O trabalho proposto neste texto consiste em utilizar o PDA como assistente para a realidade aumentada, sendo este o dispositivo para a captura das informações do ambiente (usando uma câmera acoplada), e de mixagem de objetos virtuais com as imagens do mundo real e no seu display LCD será apresentado o resultado dessa mistura. Temos, portanto, uma infra-estrutura de RA independente (de equipamentos desajeitados, especialista, etc) utilizando o PDA. Veja a Figura 1b.

Das muitas aplicações que poderiam ser desenvolvidas no contexto desse projeto, foi escolhido um aplicativo para anotações virtuais geograficamente posicionadas no mundo real com diferentes usos. Tendo o conteúdo (objetos apresentados pelo PDA) dinâmico como diferencial, usando para isso uma comunicação wireless.


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2. ObjetivosEste projeto tem por objetivo criar um sistema que auxilie pessoas dentro de um lugar

geograficamente determinado a colocarem e visualizarem informações (sejam simples anotações em textos puros ou objetos 3D virtuais interativos) nesses lugares georeferenciados (através de marcadores especiais). O sistema que irá possibilitar esse ambiente é o foco deste projeto. O equipamento utilizado consiste em um PocketPC Dell Axim 50v (com Wi-Fi 802.11 b/g) e uma câmera digital (para o PocketPC).

Um ambiente interessante para o uso deste sistema são escolas, em que se coloca marcadores de realidade aumentada na parte de fora da porta de cada sala de aula, e através do sistema de Anotações Geo-Virtuais conseguimos ter informações sobre o local, como horário de aulas, reclamações de alunos, avisos quanto a problemas em patrimônios da sala, lembretes para a próxima turma, publicidade, avisos chamativos sobre eventos e etc.

A grande vantagem é que todas essas informações estarão associadas apenas a aquele local geográfico específico, ou melhor, à sala na qual foi visualizado o marcador, dessa maneira, as anotações colocadas em uma sala (ao visualizar o marcador da sala) não estarão disponíveis na próxima sala, só estarão presentes na sala que foram disponibilizados os dados, seja via o AGV-Mobile (entrada de uma anotação ou objeto virtual pelo PDA) ou pelo AGV-Server (informação colocada no sistema através do servidor de conteúdo local).

Não é intuito deste projeto criar a melhor forma possível de manipular anotações em lugares geograficamente determinados, e sim criar uma forma intuitiva de associá-las aos espaços cotidianos, utilizando recursos da realidade aumentada para uma melhor visualização e interação.

3. ProjetoO sistema de Anotações Geo-Virtuais utilizará as funcionalidades de visão computacional

presentes no ARToolKitPlus [5][6] para identificar o local, que conterá um marcador único, buscando no servidor as anotações referentes a aquele lugar, tais anotações poderão conter também objetos virtuais manipuláveis, sons e talvez pequenos vídeos. O ambiente em que será inicialmente testado é uma escola, com marcadores únicos para cada sala de aula, e através do sistema de Anotações Geo-Virtuais o usuário que passeia pela escola com o seu PDA contendo o sistema de AGV-Mobile, poderá visualizar as “surpresas” que cada sala contém, mirando a câmera de seu PDA para o marcador da sala e visualizando as anotações que a sala detêm ou o(s) objeto(s) virtual(is) da sala. Sendo que nos dois casos, o usuário poderá interagir, seja criando novas anotações e as “postando na sala” ou manipulando o objeto virtual de acordo com as características desse objeto.

A figura 3 fornece uma visão da arquitetura proposta:

Figura 3. Mostra como será desenvolvida a arquitetura deste projeto. O PDA contém o sistema AGV-Mobile, uma câmera e se comunicando com o servidor (rodando o AGV-Server) via wireless.


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Os módulos que compõem a arquitetura do sistema são melhor descritos abaixo:• PDA (AGV-Mobile)– Realidade aumentada: responsável pela captura dos marcadores postos em lugares de fácil visualização. Guarda a identificação do marcador para ser enviado pelo módulo de comunicação. É responsável também pela mixagem dos dados, recebidos do sistema de comunicação, mostrando-os na tela do PDA. Esse módulo é baseado na biblioteca de RA ARToolkitPlus, toda a implementação desse módulo será feita com base nesta biblioteca.– Sistema de comunicação integrada: após a captura do marcador e primeira identificação dele, este módulo é responsável pela comunicação com o servidor (via Wi-Fi) através de um protocolo a ser desenvolvido para o envio da identificação do marcador até o sistema servidor. Também é responsável por receber e disponibilizar ao módulo de RA os objetos virtuais (textos e objetos 3D interativos) para serem mixados ao mundo real e apresentados na tela do PDA.• Servidor de conteúdo - PC (AGV-Server)– Sistema de comunicação: responsável por receber as identificações dos marcadores e disponibilização dos objetos virtuais para o PDA requerente, comunicando com o PDA via wireless.– Banco de dados: abrigará todas as informações dos marcadores (identificadores das salas que serão pré-cadastradas e armazenadas nesse banco), as anotações e os objetos virtuais relacionados a cada marcador.– Cadastro: responsável pelo cadastro dos marcadores do ambiente, e terá também uma interface para a entrada de anotações e objetos virtuais.

4. ConclusãoO emprego da realidade aumentada contribui significativamente para o estabelecimento de uma

interação mais amigável e natural com os ambientes para visualização de informações. Facilitando a interação com objetos virtuais e potencializando os aspectos cognitivos, relacionados com o entendimento da informação[7].

O conceito de realidade aumentada móvel é capaz de proporcionar experiências novas, quando se utiliza um PDA alido aos sistemas grandes e complexos existentes hoje. Tem-se, assim, uma variedade muito grande de aplicações que podem usar cada vez mais intensamente a realidade aumentada de formas inovadoras nesses “pequenos” equipamentos.

5. Referências[1] Handheld Augmented Reality - http://studierstube.org/handheld_ar/Acesso em: 04/04/2005.[2] Wagner, D., Pintaric, T., Ledermann, F., Schmalstieg, D., Towards Massively Multi-User Augmented Reality on Handheld Devices.[3] Azuma.R.et al. Recent Advances en Augmented Reality. IEEE Computer Graphics an Applications, 2001.[4] Applications - http://studierstube.org/handheld_ar/applications.phpAcesso em: 19/05/2005.[5] Wagner, D., Schmalstieg, D., ARToolKit on the PocketPC Platform.[6] ARToolKitPlus - http://studierstube.org/handheld_ar/artoolkitplus.phpAcesso em: 06/09/2005.[7] Kirner , C., Kirner , T., Calonego Jr., N., Buk, C., Uso de Realidade Aumentada em Ambientes Virtuais de Visualização de Dados. Proceedings of the 7th Symposium on Virtual Reality.


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Ambientes Colaborativos com Realidade Aumentada

Thiago Humberto Geraldi¹, Claudio Kirner² Universidade Metodista de Piracicaba – UNIMEP

Faculdade de Ciências Exatas e da Natureza - FACEN ¹Curso de Ciência da Computação.

²Programa de Pós Graduação em Ciência da Computação.

{ thgerald,ckirner } @unimep.br Abstract Collaborative Work has being discussed during years, because it is a very important tool to improve learning and performance. Manual interaction is the main problem to get full collaborative, but with the use of Augmented Reality, it is possible to get good results in this area. This work presents a research in this way, implementing an augmented collaborative environment, using the software ARToolKit. The software was modified to work with a computer network connected by sockets, so that marker positions can be sent to all computers of the network, allowing interaction and visualization of all objects of the shared environment. 1. Introdução O aumento da carga de trabalho, juntamente com a complexidade das diversas áreas da ciência, está exigindo mais do que os sentidos naturais que o homem pode utili zar. Com a pressão crescente pela melhoria do rendimento dos trabalhos realizados em grupo, o Trabalho Colaborativo Suportado por Computador (Computer Supported Cooperative Work - CSCW ) está sendo cada vez mais utili zado . Sendo assim, a Realidade Aumentada e os Ambientes Colaborativos podem auxili ar na percepção e na interação, promovendo situações mais motivadoras e intuitivas aos usuários e melhorando seu desempenho e produtividade. Com base nestas informações, este trabalho enfoca o desenvolvimento de situações mais motivadoras e intuitivas aos usuários de sistemas computacionais, usando uma rede de computadores com câmeras, aplicações de realidade aumentada e trabalho colaborativo suportado por computador, de forma que usuários remotos possam participar de um mesmo ambiente, interagindo entre si com o uso das mãos ou de dispositivos simples. Como resultado, são apresentados os estudos e o desenvolvimento de um protótipo de um ambiente colaborativo, usando realidade aumentada. 2. Realidade Aumentada Segundo [KIRNER, 2004] a Realidade Aumentada é uma particularização da Realidade Misturada e pode ser definida como a técnica da adição de objetos virtuais no ambiente real. Com esse principio a Realidade Aumentada surgiu para incrementar o ambiente real, adicionando a esse ambiente objetos virtuais tridimensionais, que são mostrados ao usuário através de um dispositivo computacional em tempo real, complementando esse ambiente e dando a idéia ao usuário de que, tanto os objetos virtuais quanto os reais fazem parte do mesmo ambiente. [DAINESE, 2003]. Para que as imagens do mundo real e virtual possam ser “ fundidas” na posição correta é preciso que a posição e orientação da câmera sejam rastreadas constantemente. Essa varredura é denominada tracking.


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Três elementos são essenciais para qualquer sistema de Realidade Aumentada: Interação - permite que o usuário controle o sistema, a inexistência desse elemento reduz o sistema a um filme ou vídeo. Percepção - aguça a percepção do usuário através dos sentidos (visão, tato, audição). Simulação - permite que os objetos virtuais reproduzam ou ultrapassem as leis da física, possibilit ando que a Realidade Aumentada possa ser aplicada a qualquer área do conhecimento. A Realidade Aumentada busca também a representação de aspectos ocultos dos ambientes reais, ou seja, faz uma espécie de "fusão" da imagem real com uma informação gerada por computador (imagens virtuais) a fim de facilit ar a sua análise e visualização. A Figura 1 mostra um ambiente de realidade aumentada contendo um carro e um vaso virtuais, devidamente posicionados sobre a mesa.

Figura 1 - Ambiente com Realidade Aumentada [KIRNER, 2004] Um dos recursos de software bastante populares para o desenvolvimento de aplicações de Realidade Aumentada é o ARToolKit [ArtoolKit, 2005]. Ele baseia-se no uso de vídeo para misturar as cenas reais capturadas com os objetos virtuais gerados por computador. Para ajustar a posição dos objetos virtuais na cena, ele se serve de marcadores (placas com molduras quadradas, circundando símbolos escolhidos pelo usuário), funcionando como código de barras. A moldura serve para o cálculo de sua posição, em função da imagem em perspectiva do quadrado, previamente cadastrado, enquanto que o símbolo interno funciona como identificador do objeto virtual com ele associado em uma etapa anterior do sistema. Assim, ao colocar-se a placa marcadora no campo de visão da webcam, o software identifica sua posição e seu objeto virtual, gerando e posicionando o objeto virtual sobre a placa. Ao movimentar-se a placa, o objeto virtual é movimentado junto como se a ela estivesse preso, permitindo que seja manipulado com as mãos. 3. Ambientes Colaborativos com Realidade Aumentada Há bastante tempo, estão sendo desenvolvidas pesquisas, visando o uso do computador em tarefas colaborativas, envolvendo participantes, tanto locais quanto remotos. No entanto, a colaboração por computador, incluindo a manipulação natural de objetos, só foi desenvolvida mais recentemente, através de interfaces com realidade aumentada. Essas interfaces abrangem colaboração local e colaboração remota, envolvendo objetos reais e virtuais. A colaboração local com Realidade Aumentada [SCHMALSTEIG, 1996] baseia-se no compartilhamento do ambiente físico, misturado com objetos virtuais e visto através de capacete ou no monitor. Os participantes do trabalho colaborativo atuam nos objetos reais e virtuais do mesmo


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ambiente, tendo cada um sua visão, quando usam capacete com micro-câmera, ou a mesma visão, quando se usa monitor com webcam. A colaboração local com Realidade Aumentada, usando visão baseada em monitor e webcam, permite que os usuários manipulem os objetos, visualizando-os no monitor, de forma que todos os usuários possuam o mesmo ponto de vista, mostrado no monitor. A colaboração remota com Realidade Aumentada, por sua vez, baseia-se em interfaces computacionais em rede, que compartilham informações e sobrepõem os espaços físicos dos vários usuários remotos. Assim, cada usuário pode colocar objetos virtuais sobre uma mesa compartilhada, de forma a visualizar todo o conjunto de objetos e manipulá-los. Usando o software ARToolKit, cada usuário poderá colocar suas placas no campo de visão da webcam, enxergando seus objetos e os objetos dos outros que aparecem no cenário, em função de suas posições, promovendo assim a colaboração remota. 4. Implementação de um Ambiente Colaborativo com realidade Aumentada O trabalho consistiu no desenvolvimento de um sistema bastante simples, baseado no uso do software ARToolKit, configurado para funcionar em rede, através do uso de sockets. Para isto, o ARToolKit foi modificado para importar e exportar posições, permitindo a colocação de objetos virtuais em posições recebidas e o envio das posições das placas marcadoras existentes no ambiente local. Inicialmente, os objetos virtuais, que serão compartilhados, são cadastrados em todas as máquinas, enquanto cada local terá cadastrado suas placas marcadoras associadas aos objetos virtuais. Quando um usuário coloca sua placa marcadora no campo de visão da webcam, o objeto virtual associado aparece sobre ela, de forma que ao mover-se a placa, o objeto move junto como se a ela estivesse preso. Como a posição e a identificação da placa é exportada para as outras máquinas, as máquinas remotas receberão estas informações e farão a colocação do mesmo objeto virtual na mesma posição, permitindo que os usuários enxerguem e manipulem seus objetos no mesmo ambiente. Na primeira versão do ambiente, cada usuário só pode manipular os objetos associados com suas placas. mas numa Segunda versão em desenvolvimento, uma pá de manipulação, permitirá coletar qualquer objeto em qualquer posição e depositá-lo em outra.

Figura 2 - Visualização individual dos objetos virtuais associados aos respectivos marcadores. Para evitar sobrecarga de tráfego na rede, o envio da atualização de posições só está sendo feito, quando qualquer uma das três coordenadas variar mais do que um valor previamente estabelecido, como meio centímetro, por exemplo. Assim, uma placa parada ou sofrendo uma pequena tremida na placa de controle, não gera mensagens na rede. A Figura 2 mostra primeiramente cada usuário em sua máquina, mostrando sua placa marcadora com o objeto virtual associado. Nesse caso, pode ser visto o disco voador e o boneco ET.


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Ao ativar-se o sistema colaborativo, conforme a Figura 3, percebe-se que uma placa marcadora com seu objeto aparece na cena junto com o outro objeto posicionado sem a placa, uma vez que sua posição veio pela rede. Isto permitiu uma interação fazendo com que o boneco ET procura-se pelo disco voador, A movimentação do disco e do boneco fez com que os dois usuários passassem a movimentar suas placas para atingir o objetivo da sobreposição.

Figura 3 - Visualização dos objetos virtuais em ambiente colaborativo. 5. Conclusão Após as pesquisas e implementação do protótipo, foi possível concluir que a utili zação da Realidade Aumentada beneficia de maneira muito significativa a percepção dos usuários e sua interação, principalmente em ambientes colaborativos. Esses ambientes mostraram-se muito interessantes e eficientes para realizar interações com as mãos, abrindo espaço para jogos e outras atividades dinâmicas em grupo. Assim, neste trabalho procurou-se demonstrar que é possível, através de algumas modificações na estrutura do ARToolKit e o uso de conexão em rede, obter novas formas de interação entre os usuários. Referências Bibliográficas

- ARTOOLKIT (2005) Software disponível em: <http://www.hitl .washington.edu/artoolkit/> (acesso em 08/08/2005). - AZUMA, R. et al. (2001) “Recent Advances in Augmented Reality.” IEEE Computer Graphics and Applications, v.21, n.6, pp. 34-47. - DAINESE.C.A.; GARBIN, T.R.; KIRNER, C. (2003) ”Sistema de Realidade Aumentada para Desenvolvimento Cognitivo da Criança Surda” In: VI Symposium on Virtual Reality, Ribeirão Preto. Proceedings, SBC, pp. 273-282. - KIRNER, C.; TORI, R. (2004) Introdução à Realidade Virtual, Realidade Misturada e Hiper-realidade. In: Claudio Kirner; Romero Tori. (Ed.). Realidade Virtual: Conceitos, Tecnologia e Tendências. 1ed. SBC, pp. 3-20.

- SCHMALSTEIG, D.; FUHRMANN, A.; SZALAVA RI, Z.; GERVAUTZ, M. (1996) "Studierstube - An Environment for Collaboration in Augmented Reality", CVE '96 Workshop.


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ASSOCIANDO ROBÓTICA A REALIDADE AUMENTADA

Flávio Soares Rocha1, Israel de Abreu1, Ítalo de Oliveira Gonçalves1, Normandes José Moreira Júnior1, Tiago Barros de Souza1, Fábio Vincenzi1, Alexandre Cardoso, Edgard Lamounier

1Faculdade de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Uberlândia

Uberlândia – MG, Brasil ([email protected] – [email protected] – [email protected] –

[email protected] – [email protected] – [email protected] – [email protected] ) Abstract: This article proposes the use of techniques of Virtual Reality (VR) and Augmented Reality (AR) in the construction of an interactive environment that it helps the user in the chess game, or that it uses commands for positioning of an arm robotic in any application. The work contains an arm robot, board of chess, pieces and markers, everything made by the group. It is necessary also a computer with control software.

Motivação

Automação de Sistemas e Robótica são duas áreas da ciência e da tecnologia intimamente relacionadas. Num contexto industrial, pode se definir a automação como a tecnologia que se ocupa da utilização de sistemas mecânicos, eletroeletrônicos e computacionais na operação e controle da produção. Diversos exemplos de automação de sistemas de produção podem ser observados nas linhas de produção industrial chamadas de “transfer”, nas máquinas de montagem mecanizadas, nos sistemas de controle de produção industrial realimentados, nas máquinas-ferramentas dotadas de comandos numéricos e nos robôs de uso industrial. Portanto, a robótica é uma forma de automação de sistemas. [1,2]

A Realidade Aumentada é uma “subárea de investigação” da Realidade Virtual relacionada com o desenvolvimento de ambientes que combinem representar o mundo real observado pelo usuário e, além disso, uma cena virtual gerada por computador (aumentar o mundo real com a adição de mais informações).

A proposta deste trabalho é apresentar uma implementação que une Realidade Aumentada com a Robótica, capaz de permitir que o usuário possa interagir em tempo real, visualizando o mundo ao seu redor com elementos virtuais associados e a atuação de um mecanismo de robótica por meio desta interação.

Arquitetura do Sistema

O sistema é composto de um microcomputador conectado a uma webcam (por porta USB) e a um manipulador articulado antropomórfico (braço robótico ligado na porta RS-232) posicionado a frente de um tabuleiro de xadrez. No microcomputador implementamos um software na linguagem C++ [3] com base na biblioteca ARToolkit [4], que é disponível na Internet e de acesso público.

O sistema proposto é capaz de realizar o seguinte processo:

• Por meio de uma webcam captura uma imagem de vídeo em tempo real;

• Rastreia a imagem capturada, em busca de marcadores pré-definidos;

• Ao encontrar um marcador conhecido, associa a ele um comando;


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• Exibe um objeto 3D na imagem real capturada exibida na tela;

• Calcula as posições angulares de cada motor orientando o braço robótico em uma das posições do tabuleiro de xadrez (elemento real) dentre outras funções.

Os marcadores foram feitos de forma a conseguir posicionar o manipulador em qualquer casa de um tabuleiro de xadrez. Foram definidos marcadores que associam-se a linhas e colunas: deste modo há 8 marcadores de A a H para representar as colunas e 8 marcadores de 1 a 8 para representar as linhas. Além disto, existem outros 4 marcadores para orientar a ação do braço de robô, para que este possa pegar as peças sobre o tabuleiro, com as funções de Descer, Subir, Abrir a Garra e Fechar a Garra. [5]

Resultados

Como resultado do trabalho, é possível movimentar o braço robótico ao longo do tabuleiro de xadrez utilizando as letras e números para posicionamento e outras funções para movimentar cada peça.

Para o movimento, utilizando os marcadores confeccionados, deve-se seguir a seguinte seqüência: Primeiramente apresenta-se a webcam o marcador das letras, depois o dos números e em seguida o marcador para a ação: Descer, Subir, Abrir a Garra e Fechar a Garra. Para terminar o movimento, repete-se o procedimento para uma nova posição. A Figura 1 apresenta uma seqüência de reconhecimento destas ações, com o equivalente elemento virtual associado ao marcador.

(a)

(b)


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(c)

Figura 1: (a) marcador que identifica a coluna A no tabuleiro (b) marcador que identifica a linha 4 no tabuleiro (c) marcador que identifica a função Abre Garra

A Figura 2, representa o Robô Antropormófico que consiste num braço mecânico com 3 graus de liberdade, e como foi implementada a garra. Apresenta-se também o tabuleiro, com suas linhas e colunas definidas e as peças do jogo.

Figura 2


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Conclusões e Trabalhos Futuros

O trabalho atingiu os objetivos propostos, relativos ao desenvolvimento de um braço robótico controlado por marcadores. Conseguimos adquirir conhecimento das técnicas de visão por computador e de Computação Gráfica/Realidade Virtual que permitiram a realização deste projeto onde se integraram imagens do mundo real e imagens de objetos virtuais e fazer a interação com a robótica, controlando o braço mecânico. As técnicas de Realidade Aumentada podem ser aplicadas em diversas áreas, inclusive na operação de um robô. Há uma grande distância, operar um robô é uma tarefa que requer alguns cuidados. Atrasos gerados devido a problemas de comunicação prejudicariam o desempenho desta tarefa que requer tempo real a fim de não comprometer a sua execução. Além disso, a execução dos movimentos dos robôs através de joysticks pode provocar erros de precisão ao pegar um objeto e atraso no cumprimento do serviço, requerendo do utilizador grande concentração visual e coordenação motora.

Uma contribuição da RA então, é que utilizando um objeto virtual sobreposto ao robô, pôde-se criar um plano para a realização dos movimentos do robô antes de executá-lo. Ou seja, o utilizador faz o plano, valida-o e simplesmente manda o robô executá-lo.

Outra aplicação futura para o trabalho seria a implementação de um jogo de xadrez utilizando a Inteligência Artificial e disponibilizar assim, que um usuário possa jogar contra o computador e aplicar as regras de realidade virtual e realidade aumentada.

Referências

[1] PAZOS, Fernando, “Automação de Sistemas e Robótica” – Axcel Books do Brasil Editora – 2002

[2] KERAMAS, James G., “Robot Technology Fundamentals” – Delmar Publishers – 1999 [3] DEITEL, Harvey M. & DEITEL, e Paul J. , “C++ Como Programar” - Bookman – 2001 [4] http://www.hitl.washington.edu/artoolkit/news/index.php [5] http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010180041109


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o uso de realidade aumentada no ensino de...

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