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Aplicações de realidade aumentada na visualização de elementos cartográficos

João Victor Pacheco Gomes 1 Luis Felipe Coutinho Ferreira da Silva 1

1 Instituto Militar de Engenharia - IMEPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Cartográfica a SE/6. Praia Vermelha - Rio de

Janeiro – RJ – CEP 22290-270 [email protected]

Abstract. This paper describes experiments conducted to identify an authoring tool for Augmented Reality to allow the construction of models with enhanced interactive cartographic purposes. Augmented Reality allows the insertion of virtual elements in a real environment, the user can view and manipulate these elements using a specific technological support, can be a personal computer, tablet or even a cell phone. This technology enables new forms of interaction and visualization of three-dimensional data which has benefited many fields of science. The mapping is also benefited by this technology that enhances the process of cartographic visualization enabling new forms of analysis. It is a field of research that has not been fully explored in Brazil and research mapping and augmented reality are still incipient. However, the creation of cartographic models increased is a procedure that has a high inherent complexity, therefore, this research aims to find a more simplified methodology that can be applied by various professional geoscience and allowing the use of digital elevation models, maps and satellite images. Some major programs authoring in Augmented Reality were tested for their application methodology and possibilities of interaction that allows the user.

Palavras-chave: augmented reality, cartography, cartographic visualization, realidade aumentada, cartografia, visualização cartográfica.

1. IntroduçãoA realidade aumentada está inserida em um contexto de evolução da visualização

científica que beneficia diversos campos da ciência, dentre estes a Cartografia. As novas formas de visualização e interação com os dados espaciais, proporcionadas pela realidade aumentada, possibilitam novas formas de análise à ciência cartográfica.

Na Cartografia, os estudos nessa área encontram-se em um estágio inicial. Apesar de muitos trabalhos utilizarem esta técnica com finalidade que pode ser considerada Cartográfica, poucos artigos realizam estudos e análises sobre a implementação dessas técnicas como ferramentas de análise e representação da cartografia.

A interatividade com os dados cartográficos adquirida com o uso crescente dos computadores pode obter, com esta nova técnica, um novo parâmetro. No entanto, este deve ser investigado quanto a sua viabilidade e possibilidades de aplicação.

O objetivo deste trabalho é as possibilidades de aplicação de alguns dos principais aplicativos de autoria em Realidade Aumentada para implementação no desenvolvimento de elementos cartográficos interativos, um mapa aumentado.

1.1 Conceitos Básicos de realidade aumentadaO termo Realidade Aumentada (RA) envolve um conjunto de tecnologias que

transportam o ambiente virtual para o ambiente físico, possibilitando uma interação com o mundo virtual de maneira mais natural e intuitiva (Kirner e Tori, 2006). Esta tecnologia deve ser entendida diferentemente da Realidade Virtual (RV). Segundo Azuma (1997), a RV busca a imersão completa do usuário em um ambiente artificial gerado por computador, desta forma a noção de realidade é perdida, pois o usuário não tem o contato visual com o ambiente real a sua volta.

A RA consiste em aumentar o nível de informação do ambiente a partir da inserção de objetos virtuais, criando um ambiente misturado em que o usuário pode ver e interagir com o auxílio de dispositivos tecnológicos. Ao simular a existência de objetos virtuais e reais

Anais XVI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Foz do Iguaçu, PR, Brasil, 13 a 18 de abril de 2013, INPE

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interagindo entre si, um sistema de RA permite que se interaja de maneira intuitiva com a informação virtualizada, como se esta estivesse realmente à sua frente, sem a necessidade de ser transportado para um ambiente virtual como ocorre nos sistemas de RV.

Em seu artigo, Azuma (2001) aponta três características básicas que um sistema de RA deve possuir, que constituem a essência desta tecnologia:

• Combinar o real e o virtual;• Interatividade em tempo real;• Alinhamento de objetos reais e virtuais entre si. Ou seja, os objetos serão visualizados

de acordo com o posicionamento do observador, sendo ocultados ou revelados caso algum objeto real (ou virtual) esteja na sua frente, como se estivessem, de fato, inseridos no ambiente;

O movimento correto dos modelos em um ambiente misturado é conseguido a partir do seu registro no ambiente real tendo como base um ponto específico. Pode ser um marcador fiducial, que funciona como um código de barras indicando onde o modelo deve aparecer ou até mesmo o uso de GPS (Global Position System) para posicionar o objeto em uma coordenada específica. 2. Metodologia de Trabalho

Identificar uma plataforma para o desenvolvimento de produtos cartográficos com o uso de RA, é um processo que teve diversas etapas. Desde a identificação da forma de interação, os testes em realidade aumentada, a identificação do software adequado, geração das texturas até a criação do modelo experimental definitivo, são assuntos que serão detalhados nos tópicos subsequentes.

2.1 Experimento 1: Adobe DirectorSeguindo a metodologia descrita por Gomes e Parreiras (2010) foi desenvolvido um

modelo aumentado do Parque Estadual da Pedra Branca, localizado no município do Rio de Janeiro. A escolha por essa área deu-se devido a uma disponibilidade de material, por parte do autor, que estava realizando estudos na área para um projeto da iniciativa privada.

A metodologia descrita por Gomes e Parreiras (2010) utilizou o Macromedia Director MX 2004 que é um software pago. Para essa experiência, adquirimos a versão gratuita de avaliação, disponibilizada pela adobe em seu website (ADOBE). O procedimento realizado envolveu a utilização de diversos programas além do Director, como o SPRING (Sistema de Processamento de Informações Georreferenciada) para o tratamento das imagens; 3DEm, para geração dos modelos tridimensionais; 3D Max, também um software pago que aqui foi utilizado em sua versão de avaliação para conversão dos formatos. Na Figura 1 é possível verificar as etapas de ajustes do modelo aumentado sobre o mapa, assim como o resultado final.


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Figura 1: Etapas de posicionamento do modelo aumentado. A) o modelo é exibido sobre o marcador; B) deslocamento do modelo sobre a imagem; C) modelo posicionado corretamente sobre a área de representação; D) ajustamento da escala.

2.2 Experimento 2: Caneta LEDLee (2010), desenvolveu uma metodologia para a criação de quadros interativos de baixo

custo com a utilização de um wii remote. Essa metodologia é a base do experimento aqui apresentado que teve como objetivo manipular informações virtuais à distância, sem a necessidade de utilizar um periférico tradicional, de modo que pudesse ser aplicada à realidade aumentada e, posteriormente, ao mapa aumentado.

O wii remote é um dispositivo de controle de jogo do Nintendo Wii, um console de jogo lançado pela empresa japonesa Nintendo. O aparelho permite ao jogador interagir com o seu personagem no jogo a partir do controle de movimentos.

Os Diodos emissores de luz, os chamados LEDs, são pequenas lâmpadas iluminadas pelo movimento de elétrons capaz de gerar luz. Os LEDs que atuam na porção infravermelha do espectro de luz são ideais para utilização em controles remotos, dentre outras aplicações (Harris, 2011) . Esses LEDs são utilizados na construção da caneta que, neste experimento, interage com o wii remote controlando o computador remotamente. A construção da caneta seguiu a metodologia de Lee (2010), sendo que a Figura 2 A exibe um modelo de construção e a Figura 2 B a caneta construída, com base no modelo para essa experiência.

Figura 2. Caneta de LED. A – modelo da caneta de LED. (adaptado de Lee, 2010). B- Caneta de LED desenvolvida.


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Após a criação da caneta, aplicou-se a metodologia descrita por Lee (2010) para a realização da interação. O procedimento efetuado buscou aplicar a caneta para interagir com mapas ou representações terrestres projetadas em um quadro branco. A Figura 3 apresenta um teste realizado após a construção de toda a estrutura, onde a caneta de LED é utilizada para manipular uma imagem do software Google Earth, em sua versão gratuita. É possível observar o funcionamento desta ferramenta no teste gravado em vídeo, disponibilizado no Apêndice deste trabalho.

Figura 3. Utilização da caneta LED na manipulação de uma imagem do aplicativo Google Earth.

2.3 Experimento 3: SACRA

O sistema SACRA foi incorporado no escopo desta pesquisa por se tratar de um aplicativo de autoria em RA que permite trabalhar com um nível de interatividade adequado a proposta desta pesquisa e é um sistema voltado para pessoas que não possuem grande conhecimento de programação (SACRA, 2010). Outro motivo que contribuiu para a utilização dessa ferramenta é o fato desta ser gratuita, algo que facilita a aplicação em estudos subsequentes.

A interação do usuário no aplicativo acontece com o uso de marcadores e os chamados pontos de colisão. Os pontos de colisão são responsáveis por implementar ações em determinado marcador (Santin, 2008). É necessário que um ponto colida com outro para que aconteça uma interação (figura 3.7). O aplicativo funciona com diversos marcadores, cada um com uma função diferente.

Para a criação de um modelo aumentado no SACRA, foi utilizado uma imagem resourcesat do Parque Estadual da Pedra branca e uma imagem ASTER para compor o relevo. A imagem foi trabalhada no software SPRING 5.1.8 e o relevo no 3DEM, onde também foi texturizado e exportado no formato “.wrl”.

Os arquivos “.wrl” possuem essa extensão pois são arquivos VRML (Virtual Reality Modeling Language), uma extensão própria da realidade virtual que possibilita criar objetos 3D e ambientes virtuais nos quais se pode navegar. O SACRA, assim como outros aplicativos de realidade aumentada, reconhece arquivos nesse formato e alguns softwares de GIS como o 3DEM e o ArcGis, por exemplo, possuem a capacidade de exportar dados nesse formato.

Ao exibir o modelo, a representção não foi feita corretamente e a textura foi apresentada em níveis de cinza (Figura 4). O modelo foi novamente trabalhado em outro software de design 3D, o Blender, software gratuito que foi utilizado na sua versão 2.5. No entanto apesar das tentativas o problema não pode ser solucionado.


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Figura 4. Representação do modelo 3D no SACRA com a textura em níveis de cinza.

2.4 Experimento 4: basARO aplicativo basAR surgiu como alternativa para o desenvolvimento de um mapa

aumentado interativo. O programa permite programar ações baseado na interação direta com marcadores. É um aplicativo de simples usabilidade e que utiliza apenas dois marcadores básicos, a estrutura do basAR permite infinitas possibilidades no desenvolvimento de aplicações interativas. Até o momento da redação deste texto, o aplicativo ainda estava em sua versão inicial, não possuindo uma interface gráfica, o que dificulta o seu uso em um primeiro momento. No entanto, a manipulação dos aquivos se revela extremamente simples obtendo resultados satisfatórios.

O período de testes com o basAR teve auxílio do desenvolvedor do software, Christopher Shneider Cerqueira, este se mostrou sempre disposto a sanar dúvidas e auxiliar no entendimento e desenvolvimento das aplicações, enviando testes e documentação de apoio.

Os primeiros testes com o basAR se basearam em exemplos disponibilizados pelos autores na homepage do aplicativo (Cerqueira, 2011). Após esse período foi realizada uma sequencia de testes com o intuito de gerar modelos de relevo aumentados e avaliar como estes se comportavam. Os primeiros resultados demonstraram uma incompatibilidade entre a textura e o aplicativo. O basAR apenas identifica texturas no formato GIF, não sendo possível trabalhar com texturas em JPEG como a maior parte delas é gerada.

Na Figura 5, vê-se um teste preliminar com o aplicativo em que um recorte de relevo, não texturizado, é apresentado sobre um marcador impresso. Sobre o modelo, um ponto azul que serve como botão para que seja programada uma interação. O teste de apresentação do relevo mostrou-se satisfatório e, junto aos testes de interação realizados anteriormente, motivaram a elaboração da metodologia de criação do mapa aumentado.

Figura 5. Teste com o aplicativo basAR.


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Neste exemplo, um arquivo DAT informa ao aplicativo a localização, translação, rotação e escala do modelo a ser apresentado. O arquivo “config_behavior” é utilizado para implementar a ação que deve ocorrer com o comando do marcador de controle. Com base nessas informações o aplicativo efetua a interação. Diversas outras interações podem ser programadas, incluindo botões diversos cada um com uma ação específica ou até mesmo zonas no modelo que chamam uma determinada ação, tudo isso pode ser associado a um único marcador tendo um único outro (controle) como dispositivo que ativa ou desativa a ação.

3. Resultados e Discussão

O experimento 1 demonstrou que a metodologia, então utilizada, ainda que utilizasse equipamentos de hardware comuns para a visualização do modelo, era por demais complexa e exigia a utilização de pelo menos dois softwares com um custo elevado (3D Max e o Macromedia Director MX 2004), isso poderia inviabilizar a sua reprodução. Por esse motivo, essa metodologia foi descartada para fins de implementação em um mapa aumentado.

A ideia de aplicar a caneta de LED como mecanismo de interação com o modelo aumentado foi descartada, a partir da análise do resultado obtido no experimento 2. O principal motivo para o descarte é devido à complexidade inerente à aplicação desta forma de interação em um ambiente de usuários múltiplos, isso iria decorrer em uma série de alterações na estrutura dos programas aqui descritos e a metodologia necessária para tal aplicação fugiria do escopo dessa pesquisa. O uso da caneta de LED em aplicações futuras não é descartado, mas quanto ao seu uso na construção de um mapa aumentado, este dispositivo não se faz prático.

O aplicativo utilizado no experimento 3 foi também descartado por não apresentar um resultado adequado para a construção de um mapa aumentado. Apesar do descarte na utilização do SACRA neste projeto, o aplicativo revelou-se como uma boa alternativa para aplicação de RA interativa. Não se mostrou adequado para esta pesquisa, mas as possibilidades de aplicações dessa ferramenta para fins cartográficos deve ser estudada, para que se identifique outras formas de aplicação.

O basAR, utilizado no experimento 4, aparece como uma boa alternativa para a continuidade dessa pesquisa. Apesar de não contar ainda com uma interface gráfica, o aplicativo é de fácil utilização e correspondeu aos objetivos desta pesquisa. O basAR, é um aplicativo gratuito que, apesar de possuir características que se destacam em comparação a outros programas descritos neste trabalho, ainda está passando por alterações em sua estrutura.

4. ConclusõesNos últimos anos a Cartografia experimenta a inserção de novas tecnologias. A

popularização cada vez maior dos computadores possibilita que estudos diversos sejam feitos por profissionais de diversas partes do Brasil. Dessa forma, a troca de informações se torna cada vez mais dinâmica e a necessidade de profissionais da área é cada vez mais crescente. A RA está inserida nesse contexto de novas tecnologias, não só no que diz respeito à troca de informações mas também a educação e formação de profissionais futuros.

Nesse contexto, o que concerne a Cartografia ainda é pouco explorado no Brasil, existem poucas experiências a respeito. E é importante que o Brasil realize pesquisas nessa área que é extremamente interessante pois trata-se de uma possível tendência na exploração e visualização de mapas. Hoje, a RA já é amplamente utilizada na cartografia através de celulares e tablets, e a cada dia surgem novos programas e aplicações diferenciadas desta tecnologia.


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A RA pode servir como ferramenta para construção de mapas aumentados interativos para usos diversos, os quais devem ser testados em trabalhos subsequentes a fim de verificar a contribuição dos mapas aumentados em sua dinâmica, tais como o compartilhamento de informação entre instituições, análise espacial e, principalmente a educação.

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