Dispositivos Adequados à Realidade Virtual 

Alexandre Cardoso1, Liliane dos Santos Machado2

1 Faculdade de Engenharia Elétrica ­ Universidade Federal de Uberlândia (UFU)Av. João Naves de Ávila, 2121 – Uberlândia ­ MG – Brazil

2 Departamento de Informática – Universidade Federal da Paraíba (UFPB)Cidade Universitária s/n ­ João Pessoa ­ PB ­ 58059­900

alexandre@ufu.br, liliane@di.ufpb.br

Resumo.  Este  capítulo  visa apresentar    os dispositivos  mais  utilizados  em sistemas de Realidade Virtual. As principais características dos equipamentos  de entrada e saída de dados são destacadas,  bem como a possibilidade e adequação de utilização. 

2.1. Introdução

Visando­se garantir  que o usuário se sinta imerso e possa interagir  com o ambiente virtual, as tecnologias de entrada e saída de dados associadas à Realidade Virtual (RV) pretendem estimular, de maneira eficiente, a maior quantidade de sentidos e capturar com grande fidelidade os diversos movimentos do usuário, tais como os movimentos das mãos, da cabeça ou dos olhos.

A Figura 2.1 apresenta o esquema com os elementos chave de um sistema de Realidade Virtual, onde pode ser notada a importância dos elementos de entrada e saída de dados. 

Figura 2.1 ­ Elementos Chave de sistemas de RV

A seguir, uma análise dos dispositivos de saída e entrada de dados é efetuada, analisando­se cada um deles e apresentando­se suas características mais importantes. 

2.2. Dispositivos de Entrada de Dados

O participante da experiência de Realidade Virtual se sente imerso no ambiente virtual através dos dispositivos de saída de dados. Os dispositivos de entrada de dados, por sua vez,   permitem   a   movimentação   e   interação   do   usuário   com   o   mundo   virtual,   no esquema de interação em primeira pessoa. 

Os dispositivos de entrada de dados podem ser separados em duas categorias:

• de interação;

• de trajetória. 

Os   dispositivos   de   interação   permitem   ao   usuário   a   movimentação   e manipulação de objetos no mundo virtual, de forma direta ou indireta. Neste contexto, tais dispositivos conectam ações do usuário com elementos de cena do ambiente virtual. 

Os dispositivos de trajetória, por sua vez, monitoram movimentos de partes do corpo   do  usuário,   para   criar   a   sensação  de   presença  no   mundo   virtual.  Assim,   ao movimento do usuário,  percebido por tais dispositivos, uma atualização do ambiente virtual é efetuada. 

É   importante  observar  que objetos  dos  ambientes  virtuais  geralmente  podem mover­se com seis graus de liberdade (6DOF1), o que implica na possibilidade de três rotações e três translações, como pode ser visto na Figura 2.2.

Figura 2.2 ­ Seis graus de liberdade dos elementos de Ambientes Virtuais

2.2.1. Dispositivos de Interação

Existem   diferentes   dispositivos   de   interação   com   diferentes   finalidades,   sendo importante escolher o mais adequado para a aplicação de RV em questão. A escolha do 

1 DOF – do inglês degrees of freedom (graus de liberdade)

dispositivo  de   interação  mais   adequado   leva   em  conta   não   apenas   a   finalidade   do sistema, mas também o software utilizado, pois a eficiência do sistema vai depender da capacidade do software de aproveitar as características do dispositivo.

2.2.2. Luvas de dados (data gloves)

Através das luvas de dados o sistema de RV pode reconhecer os movimentos dos dedos da mão do usuário que veste a luva.

Para a determinação dos movimentos dos dedos são utilizados, na maioria dos equipamentos disponíveis, sensores mecânicos ou de fibra ótica. Os sensores de fibra ótica são utilizados nas versões mais populares de luvas de dados. Seu uso consiste em um fio de fibra ótica com junções. Quando a junta é movida o cabo dobra­se reduzindo a passagem de luz por ele. Essas variações de luz são resumidas e transmitidas para o computador. Às luvas de dados também pode ser adicionado um sensor de movimentos, neste caso um dispositivo de trajetória permitirá  a localização da mão do usuário no espaço atvés deste sensor. O esquema básico deste tipo de luva pode ser visto na Figura 2.3.

Figura 2.3 ­ Elementos de uma Data Glove

Atualmente existem diversos modelos de luvas disponíveis no mercado de RV, utilizados em sistemas de diferentes finalidades.

2.2.3. Dispositivos com 2DOF

Interagir com um mundo virtual nem sempre requer o uso de um complicado e/ou caro dispositivo. Muitas tarefas podem ser executadas com simples dispositivos com 2DOF, como um  mouse  ou um  joystick.  Apesar de limitar  as possibilidades  de movimento, estes  dispositivos   reduzem o   tempo  de   resposta  do  sistema   (seus  eventos   são mais rapidamente processados) e são fáceis de serem utilizados.

2.2.4. Dispositivos com 6DOF

Os dispositivos de interação com 6DOF permitem uma movimentação bastante ampla quando utilizados  em sistemas  de  RV, pois  permitem a  movimentação em todas  as direções do espaço 3D incluindo movimentos de rotação. .

Os   dispositivos   chamados   isométricos,   ou   bolas   isométricas   são   fáceis   de manipular   e   apresentam   uma   diferença   crucial   em   relação   aos   demais   dispositivos 6DOF, pois são capazes  de medir  a quantidade de força aplicada a eles.  Costumam constituir­se de uma bola sobre uma plataforma com botões (normalmente um deles é utilizado para a reinicialização do sistema) que são configurados via software.

Algumas empresas procuram modificar o projeto do mouse padrão para que este possa funcionar com sensores de trajetória de 6DOF ou 3DOF. Esses mouses (o plural correto seria mice) passam então a utilizar dispositivos de rastreamento ultrassônicos ou eletromagnéticos,   ficando   sua   eficiência   dependente   da   qualidade   do   sistema   de rastreamento dos movimentos.

2.2.5. Sensores de Entrada Biológicos

Sensores   de   entrada   biológicos   processam   atividades   chamadas   de   indiretas,   como comando de voz e sinais elétricos musculares.

Estudos   sobre   reconhecimento  de  voz  existem há  mais  de  vinte   anos,   e   em sistemas de RV o reconhecimento de comandos de voz pode facilitar a execução de tarefas no mundo virtual, principalmente quando as mãos estiverem ocupadas em outra tarefa e não possam acessar o teclado.

Já os dispositivos que utilizam sinais elétricos musculares são utilizados para, através de eletrodos colocados sobre a pele, detectar a atividade muscular, permitindo ao usuário movimentar­se pelo mundo virtual através do simples movimento dos olhos, por exemplo.

2.2.6. Dispositivos de Trajetória

Alguns dispositivos de interação estão associados a um dispositivo responsável pela tarefa   de   detecção   ou   rastreamento   da   trajetória,   conhecido   como   dispositivo   de trajetória (tracking).

Os dispositivos  de   trajetória   trabalham baseados  na  diferença  de  posição ou orientação em relação a um ponto ou estado de referência.  Basicamente  existe  uma fonte que emite  o  sinal   (que pode estar   localizada  no dispositivo  de  interação),  um sensor que recebe este  sinal  e  uma caixa  controladora  que processa o sinal  e  faz a comunicação com o computador.

A   maioria   das   aplicações   que  utilizam   detecção  de   trajetória   fazem  uso   de pequenos sensores colocados sobre as partes do corpo ou sobre o objeto (se for o caso), técnica  conhecida  como  tracking  ativo.  Dispositivos  de  trajetória  de dispositivos  de interação com 6DOF utilizam técnicas  eletromagnéticas,  ultrassônicas,  mecânicas  ou óticas para fazer a medida dos movimentos. 

Como alternativa, o  tracking  passivo utiliza câmeras ou sensores óticos ou de inércia para “observar” o objeto e determinar sua posição e orientação. Diferente dos 

dispositivos que utilizam  tracking  ativo,  os dispositivos de  tracking  passivo utilizam apenas um sensor para rastrear o objeto.

Como   exemplo,   para   o   desenvolvimento   de   luvas   de   dados   existem   três tecnologias   predominantes   no   que   diz   respeito   à   localização   da   mão   no   espaço   e orientação da palma da mão. A primeira baseia­se no uso de câmeras para monitorar a luva a uma certa distância (tracking  passivo), a segunda trabalha com a radiação de pulsos magnéticos emitidos pela luva (tracking ativo), e a terceira baseia­se na acústica (tracking ativo), onde dispositivos ultrassônicos transmitem a posição da mão.

As principais características técnicas avaliadas para os dispositivos de trajetória são:

• número de medidas efetuadas em um intervalo de tempo de 1 segundo;

• sensibilidade;

• isenção ao ruído;

• erros: qualidade das medidas efetuadas;

• tempo de medição;

• com ou sem fio;

• área de captura.

Dispositivos   de   trajetória   mecânicos   consistem   de   uma   série   de   estruturas cinemáticas   que,   em   paralelo,   são   capazes   de   detectar   alterações   da   posição   dos elementos às quais se encontram conectados. Para tanto, usam sensores associados ao corpo do usuário. Apresentam baixas latências e são imunes à interferência de campos magnéticos. 

Tais  dispositivos,  no entanto,  são  limitados  pela   liberdade de movimento  do usuário, podendo dificultar o movimento dos usuários pela dureza do material da qual são   constituídos.   A   Figura   2.4   apresenta   um   exemplo   de   dispositivo   de   trajetória mecânico.

Dispositivos   de   trajetória   magnéticos   (Figura   2.5)   são   capazes   de   efetuar medições sem o contato direto com o corpo do usuário. Para tanto, fazem medidas do campo   magnético   produzido   por   um   transmissor   estacionário   para   determinar,   em tempo   real,   a   posição   do   receptor   (que   está   em   movimento).   Suas   principais características são: 

• usam baixa freqüência de campos magnéticos;

• os campos são produzidos por uma fonte fixa;

• tamanho   da   fonte   está   relacionado   com   o   tamanho   da   área   de   captura   do dispositivo;

• o receptor está associado ao objeto que está sendo rastreado e tem três antenas perpendiculares entre si; a distância é inferida com base nas voltagens induzidas nas antenas e para isto uma acurada calibração deve ser efetuada.

Figura 2.4 ­ Exemplo de dispositivo de trajetória (tracker) mecânico

Figura 2.5 ­ Componentes de um dispositivo de trajetória magnético

Os dispositvos de trajetória ultrassônicos são dispositivos que não entram em contato  com o usuário  e  usam um sinal  ultrassônico  produzido  por  um  transmissor estacionário para determinar a posição do objeto em tempo real, em função da mudança de posição do receptor. Características principais:

• usam sinais ultrassônicos de baixa frequência para medir posição;

• o som é produzido por fontes fixas, dispostas triangularmente;

• o número de fontes é proporcional à area de atuação do dispositivo;

• o receptor é triangular e permanence preso ao objeto que está sendo rastreado; 

• o objeto possuim três microfones;

•  a distância é inferida a partir do tempo de captura do som pelo dispositivo fixo;

• alterações na temperatura do ar e ruídos ambientes atrapalham a medida;

• requerem que a fonte “enxergue” o receptor;

• são mais lentos que os dispositivos magnéticos.

A Figura 2.6 apresenta o esquema básico deste tipo de dispositivo.

Figura 2.6 ­ Esquema básico dos dispositivos de rastreamento ultrassônicos

Os dispositivos ópticos são medidores que não exigem contato com o usuário e que utilizam sensores ópticos para determinação de posição e orientação de um dado objeto. A Figura 2.7 apresenta configurações possíveis para tais tipos de equipamentos. 

Figura 2.7 ­ Esquemas de Rastreadores Ópticos [Burdea e Coiffet, 2003].

2.3. Dispositivos de Saída de Dados

2.3.1. Dispositivos Visuais

Uma grande porção do cérebro é dedicada ao processamento e organização dos estímulos visuais. Devido a isto, os dispositivos visuais e o tipo de imagem gerada por um sistema de RV são fatores muito importantes na obtenção e na determinação do nível de imersão de um sistema de RV.

Conforme   o   tipo   de   dispositivo   utilizado,   podemos   ter   sistemas   de   RV monoscópicos   ou   estereoscópicos.   No   caso   de   um   sistema  monoscópico,   a   mesma imagem será exibida para os dois olhos: apenas uma imagem passa pelo processo de renderização  e é exibida para os dois olhos. Já no sistema estereoscópico, cada olho verá uma imagem ligeiramente diferente, sendo necessário a construção de um par de imagens. Neste caso é importante ressaltar que uma característica fundamental da visão humana é que, em função da colocação dos olhos na frente da cabeça, o campo visual não é  de 360 graus  como o  das  aves,  mas,  a  visão é  binocular.  A visão binocular (esterescópica) se caracteriza pelo reconhecimento de duas imagens obtidas por pontos de  vista   diferentes,   que  permite   uma   comparação   capaz  de  originar   a   sensação  de profundidade.   O   Capítulo   11   discute   o   assunto   “estereoscopia”   com   maior profundidade.

Um outro fator importante quanto à parte visual da RV refere­se ao número de quadros por segundo que aparecem no vídeo, ou seja, a velocidade da simulação. Filmes projetados   para   o   cinema   apresentam   aproximadamente   24   quadros   por   segundo, enquanto os projetados para TV apresentam aproximadamente 30 quadros por segundo. Em RV, busca­se entre 15 e 22 quadros por segundo.

Podemos separar os dispositivos de visualização em duas categorias:

- de visualização individual;

- de visualização coletiva ou baseados em sistemas de projeção. 

Na   primeira   categoria,   encontramos   representantes   como   os   videocapacetes (HMDs) e  head­coupled  displays  (dispositivos  que  utilizam­se de braços mecânicos para permanecerem diante do usuário). Na segunda categoria, temos os monitores de computador e os sistemas de projeção. 

Óculos Obturadores Sincronizados

Os óculos obturadores sincronizados são constituídos por um par de lentes feitas de cristal líquido, que podem ficar instantaneamente transparentes ou opacas, de acordo com um controle eletrônico gerado pelo sistema computacional associado. Tal controle é sincronizado com um sinal de vídeo, fazendo com que a lente da esquerda fique opaca e a da direita transparente, quando a imagem em um dispositivo (como uma tela) for a imagem direita e vice versa, para a imagem esquerda. 

Neste caso, o sinal de vídeo deve estar bem sincronizado com as obturações e possuir   taxas  de  atualização  das   imagens  suficientemente   rápidas   (30  ou  60Hz),  de maneira   a   usar   eficientemente   a   retenção   das   imagens   pelo   cérebro.   De   forma alternativa,  o   sinal  de  vídeo  pode ser   entrelaçado   (linhas  pares  mostram a   imagem 

esquerda e linhas ímpares mostram a imagem direita)  para reduzir o cintilamento da imagem. 

Há   óculos   em   que   a   obturação   das   lentes   é   controlada  por   um   emissor   de infravermelho, dispensando a conexão por fios com o sistema computacional para envio de sinais de sincronização. A Figura 2.8 apresenta um exemplo de óculos obturadores com   emissor   de   infravermelho   e   a   Figura   2.9   um   exemplo   de   óculos   obturadores comuns. 

Figura 2.8 ­ Óculos obturadores sem fio (controlados por infravermelho)

Figura 2.9 ­ Óculos obturadores com fio

Videocapacetes (HMDs)

O videocapacete (HMD2) é  o dispositivo de saída de dados que mais isola o usuário do mundo real. Ele é constituído basicamente de duas minúsculas telas de TV e um conjunto  de   lentes  especiais.  As  lentes  ajudam a  focalizar   imagens  que estão a alguns milímetros dos olhos do usuário, ajudando também a estender o campo de visão do vídeo. O vídeocapacete funciona também como um dispositivo de entrada de dados quando contém sensores de rastreamento que medem a posição e orientação da cabeça transmitindo   esses   dados   para   o   computador.   Neste   caso,   o   computador   gera   uma seqüência de imagens por quadro, correspondentes às ações e perspectiva do usuário 

2 HMD – do inglês head­mounted display

A Figura 2.10 apresenta o esquema de um HMD dotado de um rastreador de posição. 

Figura 2.10 ­ HMD profissional

2.2.1. Head­Coupled Display

Este dispositivo basicamente constitui­se de um display montado sobre um braço mecânico   com   um   contra­peso,   fazendo   com   que   o  display  possua   “peso   zero”. Sensores ligados ao braço mecânico mais os controles presentes próximos ao  display permitem movimentos com 6DOF. 

O   formato   do  head­coupled  display  permite   uma   transição   fácil   entre   a visualização   do   mundo   virtual   e   a   interação   com   teclados,   monitores   e   outros dispositivos   que   possam   estar   controlando   a   simulação.   Além   disso,   o   fato   deste dispositivo utilizar  sensores de posição mecânicos e não eletromagnéticos  diminui  o tempo de latência das imagens. Devido a essas características e ao seu preço ser inferior ao dos HMDs, os  head­coupled  displays  são bastante populares entre a comunidade científica. 

Monitores e Sistemas de Projeção

Dispositivos   visuais   baseados   em   monitores   e   sistemas   de   projeção   não constumam  oferecer  um alto   nível   de   imersão.  Neste   caso,  o  usuário   precisa   estar constantemente olhando para a tela e utilizar algum dispositivo de entrada para fazer sua movimentação pelo mundo virtual.

Mas isso não implica  que as   imagens  não possam ser vistas em estéreo.  Há monitores   que   apresentam   as   imagens   associadas   aos   olhos   esquerdo   e   direito simultaneamente e que dispensam o uso de óculos especiais. Trata­se dos monitores auto­estereoscópicos (Figura 2.11).

Figura 2.11 ­ Monitor auto­estereoscópico ­ Dimension Technologies Co.

Outra   técnica   para   visualização   estereoscópica   utiliza   óculos polarizadores/obturadores para filtrar  as duplas de imagens geradas pelo computador associados a um rastreador de posição. Neste caso, o computador exibe alternadamente as imagens direita e esquerda sincronizadas com óculos a partir da posição informada pelo circuito de rastreamento. A Figura 2.12 apresenta o esquema básico deste tipo de equipamento, onde pode ser observada a presença dos óculos ativos. 

Figura 2.12 ­ Associação Monitor/Óculos ativos

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Com respeito aos óculos, há ainda os óculos que estão associados diretamente a sistemas de projeção e que dispensam os monitores, ocluindo completamente o campo visual do usuário e que, por rastreamento, atualizam o cenário virtual apresentado em cada um dos sistemas de projeção (esquerdo e direito). 

Estes   dispositivos   também   são   conhecidos   como   FMD   –  Face   Mounted Displays e podem ser vistos na Figura 2.13. 

Figura 2.13 ­ Face Mounted Display

Existe ainda a técnica dos filtros coloridos, onde as imagens de cada olho são exibidas em cores complementares, como vermelho e azul (ou vermelho e verde). As imagens são observadas por óculos que têm a mesma correspondência de cores (são os filtros), permitindo a cada olho ver a sua respectiva imagem. No entanto, esses óculos cansam os olhos após algum tempo de uso.

Uma vantagem dos óculos na visualização baseada em monitores ou sistemas de projeção é que eles permitem que várias pessoas participem da experiência de RV, além do custo ser inferior ao de um HMD.

Um outro dispositivo utilizado é o chamado “capuz” de visualização: uma peça plástica anexada à superfície frontal do monitor. Neste sistema o computador exibe as imagens esquerda e direita ao mesmo tempo e lado a lado no monitor,  sendo que o “capuz” separa e reflete a dupla de imagens de forma que o usuário só  percebe um único objeto flutuando à sua frente.

Considerando   os   monitores,   pode   ainda   ser   concebida   uma   associação   de monitores, simulando a construção de um muro de monitores – Figura 2.14. Como esta concepção geralmente utiliza os monitores do tipo LCD3, a luminosidade local pode ter grande interferência ( já que os mesmos produzem em torno de 300 lumens somente). 

3 LCD – do inglês liquid crystal display (monitor de cristal líquido)

Figura 2.14 ­ muro de monitores LCD

2.3.1  Dispositivos Auditivos

Os dois  ouvidos  captam ondas  sonoras  provenientes  de   todas  as  direções.  O formato   de   concha  do  ouvido   externo   capacita­o  para   o   trabalho  de   coletar   ondas sonoras e direcioná­las para os vários caminhos através do canal auditivo. O cérebro então recebe e processa as características deste som para determinar ou localizar o local exato da fonte sonora. 

Os   sistemas  de   som 3D  duplicam  artificialmente   os   ativadores   naturais   que auxiliam o cérebro a localizar o som, além de recriar eletronicamente esses efeitos em tempo­real e não devem ser confudidos com sons estéreo. A Figura 2.15 apresenta a diferença básica entre a geração do estéreo e de sons para ambientes virtuais. 

A característica básica de equipamentos para gerar sons em sistemas de RV é a simulação   do   modelo   humano   de   audição.   Em   tais   casos,   a   presença   de   placas específicas é indispensável.

Existem diversas  placas  de   som projetadas  para   trabalhar   com conjuntos   de ferramentas que constróem mundos em RV. Algumas dessas placas permitem trabalhar com diversas fontes de som simultâneas. O método mais popular para criar e controlar sons é o MIDI (musical instrument digital interface).

Figura 2.15 – Comparação entre som 3D Virtual e som Estéreo.

Dispositivos Físicos

Os dispositivos  físicos procuram estimular  as sensações  relacionadas  ao tato,   tensão muscular  e   temperatura.  Diferente  dos  dispositivos  de  saída de  visão e  audição,  os dispositivos físicos requerem uma sofisticada interação eletromecânica com o corpo do usuário. 

A   tecnologia   dos  dispositivos   físicos   existente   não  é   capaz  de   estimular   os sentidos do usuário com a mesma qualidade de realismo que atinge os sentidos visuais e auditivos: o problema está além da criação de dispositivos físicos, pois envolve também a compreensão e simulação das forças apropriadas.

Dispositivos Hápticos

Dispositivos hápticos são aqueles que incorporam sensores e atuadores, permitindo o monitoramento das ações do usuário e fornecendo-lhe sensação tátil e/ou de força. A sensação tátil está associada à natureza do contato com o objeto, como textura ou rugosidade, enquanto a sensação de força refere-se ao senso de posição e movimentação junto com as forças associadas ao movimento durante a interação com um objeto [Burdea e Coiffet, 2003].

Os dispositivos hápticos que fornecem sensação de força podem ser divididos em   duas   categorias   básicas:   fixos   (ground­based)   ou   móveis   (body­based).   Os dispositivos   hápticos   fixos,   como   os  joysticks,   são   aqueles   que   estão   fisicamente atrelados a uma plataforma ou superfície  estável que permite o envio de reações de 

força ao usuário. Já os dispositivos hápticos móveis utilizam um ponto de conexão do próprio   dispositivo   para   fornecer   a   reação   de   força   e   apresentam   a   vantagem   de poderem ser portáteis na maioria das vezes, como no caso das luvas e exoesqueletos.

A Figura 2.16 apresenta o esquema de uma luva associada a atuadores, de forma a prover resposta de força à solicitações do usuário. 

Figura 2.16 ­ Luva associada a atuadores (feedback de força)

Atualmente já existe uma série de dispositivos hápticos que permitem manipulação com retorno tátil e/ou de força. Estes dispositivos podem permitir movimentos com diferentes graus de liberdade, suportam e reagem com diferentes valores de força, oferecem manipulação em um espaço limitado e utilizam tecnologias diversas [Netto, 2002].

A Figura 2.17 apresenta o esquema básico de um haptic sensor composto de seis atuadores controlados individualmente.

Figura 2.17 – Sensor háptico com seis atuadores

Dispositivos de resposta térmica

Um outro tipo de estímulo que também pode ser fornecido por um sistema de RV é a resposta térmica. Este tipo de resposta poderia ser fornecida, por exemplo, quando o usuário se aproximasse de uma fogueira no mundo virtual.

A Figura 2.18 apresenta o esquema elétrico de um dispositivo térmico, com destaque para a presença de semicondutores, fonte DC, receptor e fonte de calor.

Figura 2.18 ­ Sensor térmico ­ esquema básico

Plataformas móveis

As plataformas móveis também são consideradas um dispositivo de resposta física, pois fornecem   a   sensação   de   movimento.   Normalmente   são   utilizadas   em   videogames, simuladores de vôo e simuladores de movimento.

2.4. Referências

Burdea e Coiffet, Virtual Reality Technology. Addison Wesley. 2003.

Netto, A.V.; Machado, L.S.; Oliveira, M.C.F. Realidade Virtual. Visual Books. 2002.