utilização de modelos de realidade virtual na...
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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Utilização de modelos de realidade virtual na
construção.
Como criar modelos tridimensionais para comunicar com
utilizadores de edifícios?
Projeto Feup 2016/2017- Mestrado Integrado em Engenharia Civil
Docente Manuel Firmino da Silva Torres Docente Sara Maria Pinho Ferreira
Equipa 1
Supervisor: João Poças Martins Monitora: Margarida Martins
Estudantes & Autores:
Hélder Silva - [email protected] Mafalda Ferreira - [email protected]
Mafalda Lima - [email protected] Manuel Filgueiras - [email protected]
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Resumo
Este relatório realizado no âmbito da unidade curricular projeto Feup tem como
função desenvolver competências que serão úteis mais tarde na nossa profissão como
engenheiros e a idealização de um modelo tridimensional para comunicação com
utilizadores. A realidade virtual é nos apresentada através de modelos com os quais o
utilizador pode combater certas dificuldades. É também apresentada a história da
evolução da realidade virtual, algum dos modelos utilizados, assim como, impactos
sociais causados pela mesma.
Desenvolvemos, então, um pequeno modelo do que seria um software que
posteriormente estaria na base de uma aplicação de telemóvel que permitiria os
utilizadores de uma instituição, neste caso a FEUP, uma melhor orientação dos locais,
salas, e edifícios de interesse desse espaço. Desta forma, o utilizador poderia colocar o
curso que frequenta e seriam-lhe apresentados as salas do seu horário e as salas dos
seus docentes, assim como o seu departamento. Com este modelo pretendemos
diminuir a sensação de desconhecimento total da instituição em questão e a melhor
integração do utilizador.
Palavras-Chave
realidade virtual; modelação; oculus rift; modelos; construção; implicações; simulação
visual de processos construtivos;
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Agradecimentos
A realização deste trabalho teve grande apoio por parte dos orientadores e
professores.
Desta forma gostaríamos de agradecer ao professor João Poças Martins pela ajuda no
esclarecimento do que veio a ser o nosso modelo de trabalho.
À monitora Margarida Milicic pela disponibilidade em esclarecer as nossas dúvidas e
dificuldades que foram surgindo, e também pela orientação no nosso trabalho.
Ao Fábio Dinis pelos conselhos e ajudas no programa em que desenvolvemos o modelo
e em toda a parte informática.
Um sincero obrigada a todos.
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Índice
Resumo ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2
Palavras-Chave ------------------------------------------------------------------------------------------------- 2
Agradecimentos ------------------------------------------------------------------------------------------------ 3
Índice -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4
Lista de figuras -------------------------------------------------------------------------------------------------- 5
Introdução ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 6
O que é a realidade virtual? --------------------------------------------------------------------------------- 7
A história da realidade virtual ------------------------------------------------------------------------------ 8
Tecnologia ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 9
Oculus Rift ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 10
Implicações Associadas: ------------------------------------------------------------------------------------ 11
Modelos de Construção ------------------------------------------------------------------------------------ 12
Alguns softwares de modelação 3D --------------------------------------------------------------------- 13
Utilização de modelos tridimensionais para comunicar com utilizadores de edifícios: O
nosso modelo ------------------------------------------------------------------------------------------------- 15
Algumas imagens retiradas do projeto. ---------------------------------------------------------------- 16
Conclusões ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 18
Lista de referências bibliográficas------------------------------------------------------------------------ 19
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Lista de figuras
Fig. 1 – Estereoscópio. ................................................................................................................... 8
Fig. 2 – Sword of Damocles. .......................................................................................................... 8
Fig. 3 – Simulador de condução HMD. .......................................................................................... 9
Fig. 4 – Oculus Rift desconstruído. .............................................................................................. 10
Fig. 5 – TinkerCAD, exemplo. ...................................................................................................... 13
Fig. 6 – 123D Design, exemplo. ................................................................................................... 13
Fig. 7 – OpenSCAD, exemplo. ...................................................................................................... 14
Fig. 8 – Unity, exemplo. Imagem retirada do nosso projeto. ..................................................... 14
Fig. 9 - Localização do edifício G ................................................................................................. 15
Fig. 10 – Controlador com câmara amovível. ............................................................................. 15
Fig. 11 – Como colocar Box Colliders. ......................................................................................... 15
Fig. 12 – Desenvolvimento do projeto. ....................................................................................... 16
Fig. 13 – Modelo 3D do edifício G. .............................................................................................. 16
Fig. 14 – Colocação da textura no edifício. ................................................................................. 16
Fig. 15 – Primeiro destino, máquina de café e snacks. ............................................................... 16
Fig. 16 – Indicação do trajeto a percorrer com setas. ................................................................. 17
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Introdução
No âmbito da disciplina Projeto FEUP inserido no primeiro ano do Mestrado Integrado
em Engenharia Civil foi proposto o tema “Utilização de realidades virtuais na
construção” tendo como subtema “Como criar modelos tridimensionais para
comunicar com utilizadores de edifícios?”
Uma vez inseridos numa sociedade completamente dependente de dispositivos
eletrónicos este tema torna-se de elevada relevância e pertinência.
Desenvolvemos, então, um pequeno modelo que permitiria os utilizadores de uma
instituição, neste caso a FEUP, uma melhor orientação dos locais, salas, e edifícios de
interesse desse espaço promovendo assim a melhor integração do utilizador.
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O que é a realidade virtual?
Todos as definições de realidade virtual indicam que “é uma imersiva e interativa
experiência que se baseia em imagens gráficas 3D geradas por computador em tempo
real”
(http://openrit.grupotiradentes.com/xmlui/bitstream/handle/set/395/REALIDADE%20
VIRTUAL.pdf?sequence=1), consistindo em reproduzir uma experiência sintética
representando um contexto ilusório ao utilizador.
A realidade virtual implica a utilização de equipamentos altamente sofisticados e
dispendiosos, tendo sido a sua evolução lenta e acessível a poucos.
Atualmente esta tem evoluído e tem-se tornado mais recorrente, sendo que a sua
utilização passou a ser feita para variadíssimos assuntos.
Inicialmente era apenas utilizada por empresas, que através do sistema CAVE (cave
automatic virtual environment), que consistia em projeções estereoscópicas nas
paredes, chão e teto de uma sala resultando numa visão 360º para o utilizador, como
foi o exemplo da Ford que possui um simulador de condução para os seus protótipos.
Nos dias de hoje é cada vez mais utilizada por utilizadores individuais, seja para uma
maior aproximação dos seus jogos à realidade ou por profissionais como forma de
auxílio nos seus projetos, como é o exemplo da construção Civil.
Não se sabe em concreto o futuro da realidade virtual, poderá continuar a
desenvolver-se ou mais uma vez adormecer por alguns anos.
Mais próximo da atualidade está a melhoria de algumas componentes utilizadas na
criação de controladores virtuais que permitem ao utilizador uma representação do
mundo real (vibrações, cheiros, sons) para o mundo virtual.
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A história da realidade virtual
Apesar de só ter sido criada no século xx, a primeira tentativa de realidade virtual
ocorreu em 1838. Sir Charles Weatstone inventou
o estereoscópio.
De seguida foi também criado o Sensorama,
inventado por Morton Heilig. (“Sensorama é um
simulador com ecrã 3D, som estéreo, inclinação
do corpo, e sensações como vento e aromas.”)
Este foi imaginado como sendo uma linha de
produtos para ser aplicada no “cinema do
futuro”.
Em 1965, Ivan sutherland escreveu “the ultimate
display” onde refere que “O Ultimate Display
seria, obviamente, uma sala no qual o
computador conseguiria controlar a existência de
matéria”.
Mais tarde construiu um protótipo deste dispositivo.
“Sword of Damocles” foi o primeiro sistema de
realidade virtual.
Posteriormente, no final da década de 70, Thomas
Furness começou a trabalhar em interfaces visuais
para controlar aviões, apresentando assim o “visual
Coupled airborne systems Simulator” e mais tarde,
como consequência, dirigiu o programa “super
cockpit” da força aérea americana. Desenvolveu, ainda, um
sistema capaz de projetar mapas em 3D e radares onde o
piloto poderia ouvir e ver em tempo real.
Contudo os avanços da realidade virtual não eram acompanhados pelos avanços
tecnológicos, tendo este sido posto de parte e diminuída a sua importância.
Posteriormente, com o boom da internet e com os avanços tecnológicos na área da
multimédia permitiu a utilização da realidade virtual nos mais variados assuntos.
Fig. 1 – Estereoscópio. http://sabia.tic.udc.es/gc/Contenidos%20adicionales/trabajos/3D/ester
eoscopia/Historia.htm
Fig. 2 – Sword of Damocles. http://www.roadtovr.com/fred-brooks-ivan-
sutherlands-1965-ultimate-display-speech/
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Tecnologia
Para uma experiência completa de realidade virtual são necessários três compostos
essenciais: um computador, que controla toda a experiência, um conjunto de sensores,
para identificarem e estimularem os movimentos do utilizador, e um ecrã, pelo menos.
Contudo, por detrás do que o utilizador vê, existe ainda um conjunto de tarefas para
que tudo funcione na perfeição, sendo eles a construção de mundos, cenários virtuais
ou contextos, modelados computacionalmente.
Fig. 3 – Simulador de condução HMD. http://web.ist.utl.pt/ist170613/
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Oculus Rift
Um dos equipamentos utilizados na realidade virtual são os óculos Rift, tendo estes
tido um importante papel na aproximação do consumidor com este tipo de realidade.
Características:
Acelerómetro, giroscópio e bússola, com uma taxa de update de 1000 Hz;
Deteção de posicionamento, através de uma câmara externa com um sensor
CMOS infravermelhos;
Dois ecrãs Super AMOLED de 5.7 polegadas, com uma resolução de 960x1080
(um por olho)
Este equipamento utiliza um sistema de lentes que visa estabelecer um ponto focal
para o utilizador experienciar a sensação de profundidade, e um sistema de dois ecrãs
AMOLED, de alta resolução, um em cada olho, que tem como princípio de
funcionamento a forma como os humanos utilizam a visão binocular para criar a
sensação de profundidade, distorcendo as duas imagens 2D que as umas pequenas
distâncias criam a sensação de que o utilizador está num mundo virtual.
O Oculus Rift está equipado, também, com um giroscópio, acelerômetro e uma bússola
que tem como principal função detetar o movimento da cabeça do utilizador.
Agregando os dados recebidos destes três sensores é possível detetar rapidamente e
com exatidão a orientação da cabeça do utilizador, e sincronizar o que o utilizador vê
no mundo virtual.
Fig. 4 – Oculus Rift desconstruído. http://web.ist.utl.pt/ist170613/
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Implicações Associadas:
Uma experiência de realidade virtual perfeita visa enganar os nossos sistemas
cognitivos de tal forma que nos pareça o mundo real. Obviamente, isso terá uma série
de implicações associadas, tanto a nível social como a nível físico e psicológico, sendo
elas:
Físicas:
● Cinetose - Náusea ou enjoo semelhante a ler um livro num carro em
andamento
● Doenças de visão
● Doenças neurológicas, como epilepsia
● Doenças ortopédicas, e.g. devido a má postura durante as simulações
● Doenças cardiovasculares e excesso de peso
● Doenças dermatológicas, causadas pelo contacto constante com os
dispositivos de simulação
● Traumas, contusões ou lesões causadas por colisões com objetos reais
durante uma simulação
Psicológico:
● Ansiedade
● Paranoia
● Claustrofobia
● Alucinações
● Dissociação do mundo real
● Comportamentos obsessivos e aditivos sobre o mundo virtual
Social:
Socialmente, as questões sobre a utilização deste tipo de realidade não são
tão lineares, uma vez que apesar tentar cessar o isolamento, também acaba por promover
este, devido à não necessidade de duas pessoas estarem fisicamente no mesmo lugar para
estar nesse mesmo lugar virtualmente. Deste modo, as implicações sociais incluem o
isolamento.
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Modelos de Construção
Modelar: “representar o sistema físico real, ou parte dele, em forma física ou
simbólica, para predizer ou descrever o seu comportamento.”
http://www.ebah.pt/content/ABAAABVpcAC/trabalho-introducao-engenharia
Modelação: “ato de modelar, ou seja, é a atividade de construir o modelo para
representar o sistema físico real”.
http://www.ebah.pt/content/ABAAABVpcAC/trabalho-introducao-engenharia
A modelação funciona como um planeamento para a construção de algo, como por
exemplo, as estruturas de um edifício.
Estes modelos são muito utilizados na construção devido à sua vertente prática e
económica permitindo expor todas as tentativas possíveis e o avanço da precisão do
processo e um menor gasto de tempo na avaliação da situação.
Perante todas as experiências realizadas ao nível dos modelos tridimensionais
podemos concluir que é possível criar modelos a partir de um texto ou de uma ideia
simples tornando, assim, viável que utilizadores não especializados possam trabalhar
com este sistema.
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Alguns softwares de modelação 3D
Existem diversos softwares de modelação que se adequam as capacidades de cada um,
desta forma, as suas potencialidades vão aumentando ou diminuindo, ou seja,
possuem um maior ou menos número de opções e são mais ou menos intuitivas.
Desde o mais simples até ao mais sofisticados apresentamos alguns, sendo eles:
TinkerCAD
O TinkerCAD é um software
desenvolvido pela Autodesk
recomendada para iniciantes. É talvez
a ferramenta mais básica e permite
criar formas geométricas 3D, guardá-
las e partilha-las numa plataforma ou
site, podendo ainda exportá-las para
outros arquivos. É recomendado para
ajustes e reparos. Oferece uma
pequena galeria de formas
geométricas das quais se pode utilizar
como base de trabalho.
123D Design
O 123D Design é uma software livre de
modelação 3D, também desenvolvido pela
Autodesk, que apesar de ser mais
sofisticada e avançada que o anterior é,
ainda, muito intuitiva e fácil utilização.
Contém uma vasta panóplia de modelos
pré-desenhados que, à semelhança do
TinkerCAD, são utilizáveis como base de
trabalho. Os trabalhos realizados neste
software podem ser guardados numa
base de dados, exportados, ou impressos
diretamente do programa.
Fig. 5 – TinkerCAD, exemplo. http://www.3dprinting.com.br/dicas-e-tutoriais/10-softwares-de-
modelagem-3d-gratuitos-para-iniciantes-ou-experts/
Fig. 6 – 123D Design, exemplo. http://www.3dprinting.com.br/dicas-e-tutoriais/10-softwares-de-
modelagem-3d-gratuitos-para-iniciantes-ou-experts/
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OpenSCAD
O OpenSCAD é um software livre e confiável.
Ao contrario das anteriores, esta é uma
ferramenta de modelação 3D não visual, o
que a torna menos acessível a principiantes,
uma vez que este software funciona como
um “compilador 3D”. Este tipo de modelação
permite uma edição e um controle fácil
sobre o modelo que se está a desenvolver e,
como é uma das únicas ferramentas de
modelagem não visuais no mercado, assume
grande importância no mesmo.
Unity
O Unity 3D começou como um
programa auxiliar ao
desenvolvimento e à criação de
jogos em várias plataformas
diferentes. Este software permite a
utilização de vários tipos de scripts
em diversas linguagens e tem como
principal vantagem a grande
diversidade de ferramentas já
prontas, criando, assim, muitas
possibilidades para os utilizadores e
aumentando a facilidade de utilização. Este é um programa com uma grande aptidão
para o design gráfico tornando se por isso muito divulgado e útil na engenharia. Outra
grande vantagem do Unity é existência de auxiliares de aprendizagem para
desenvolver os modelos desejados.
Fig. 7 – OpenSCAD, exemplo. http://www.3dprinting.com.br/dicas-e-tutoriais/10-
softwares-de-modelagem-3d-gratuitos-para-iniciantes-ou-
experts/
Fig. 8 – Unity, exemplo. Imagem retirada do nosso projeto.
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Utilização de modelos tridimensionais para comunicar com utilizadores
de edifícios: O nosso modelo
Como forma de comunicação com o utilizador pensamos numa aplicação que
possibilitaria o utilizador uma melhor orientação num edifício. Como projeto base
criamos um modelo do departamento de civil da faculdade de engenharia civil para
exemplificar o que o utilizador veria.
1. Utilizando o Unity, começamos por criar um
terreno 3D, importando através do Revit,
para o Unity, o edifício G da Faculdade de
Engenharia do Porto outrora concebido por
Fábio Dinis e, de seguida, adicionamos
texturas, relevo e árvores ao terreno para
que este se tornasse mais real. Fomos
adicionando alguns elementos e resolvendo
os problemas identificados ao longo do
processo.
2. Adicionamos um controlador com câmara
amovível para que este tivesse a
possibilidade de se mover pelo modelo.
3. Inserimos box colliders ao edifício para
que este ganhasse forma e não fosse
possível atravessar as estruturas.
Fig. 10 – Controlador com câmara
amovível.
Fig. 9 - Localização do edifício
G
Fig. 11 – Como colocar Box Colliders.
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4. Traçámos 2 percursos simulando a forma como o utilizador se deve deslocar
para chegar a cada um dos destinos exemplificativos.
5. Através de um gravador de vídeo do ecrã captámos os movimentos da câmara
nestes trajetos, simulando assim o percurso que o utilizador faria na aplicação
de telemóvel.
Algumas imagens retiradas do projeto.
Fig. 12 – Várias fases do projeto.
Fig. 13 – Modelo 3D do edifício G.
Fig. 14 – Colocação da textura no edifício. Fig. 15 – Primeiro destino, máquina de
café e snacks.
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Fig. 16 – Indicação do trajeto a percorrer com setas.
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Conclusões
Mediante as pesquisas efetuadas podemos afirmar que a realidade virtual é a
interação do computador com o mundo físico através de diversos equipamentos como
óculos, capacetes, computadores, entre outros. Observamos também que as
aplicações da Realidade Virtual passaram por diversos obstáculos, evoluindo assim, ao
longo do tempo através do aperfeiçoamento dos dispositivos juntamente com o
grande desenvolvimento dos computadores.
Este sistema ajuda tanto profissionais a desenvolver os seus projetos como utilizadores
não especializados a combater diversos problemas. Estamos perante um método que
começa a ser mais utilizado e que, cada vez mais, será implementado no futuro no auxílio e de
trabalho nas mais diversificadas áreas.
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Lista de referências bibliográficas
● http://web.ist.utl.pt/ist170613/
● https://www.google.pt/search?q=123D+Design&espv=2&biw=1366&bih=662&source
=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwjC0O_kvt_PAhUFtBQKHXJpB8EQ_AUIBigB#imgr
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● https://www.google.pt/search?q=123D+Design&espv=2&biw=1366&bih=662&source
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● http://www.devmedia.com.br/unity-3d-introducao-ao-desenvolvimento-de-
games/30653
● http://www.3dprinting.com.br/dicas-e-tutoriais/10-softwares-de-modelagem-3d-
gratuitos-para-iniciantes-ou-experts/
● http://www.ebah.pt/content/ABAAABVpcAC/trabalho-introducao-engenharia
● http://openrit.grupotiradentes.com/xmlui/bitstream/handle/set/395/REALIDADE%20
VIRTUAL.pdf?sequence=1