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Thesis - Técnico Lisboa

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1. aj ISA cant r gt C A Figura 2 20 T cnica de interac o TRS Hancock et al 2006 Os tampos de mesa 3D interactivos e as transforma es sobre objectos s o tamb m abordados no artigo de Hancock et al 2007 Aqui algumas t cnicas de interac o s o introduzidas que proporcionam controlo sobre todos os tipos de rota o unidos a transla o 6 DOF de objectos virtuais num ecr de superf cie de tampo de mesa de toque ainda apresentado um estudo que examina a efici ncia das t cnicas desenvolvidas 21 Tamb m s o apresentadas cinco t cnicas diferentes de rota o e transla o para objectos mostrados num ecr multitoque analisada a sua adequabilidade para esse tipo de interface em rela o aos seus graus de liberdade de input e output tal como a sua precis o e completude Como seguimento destes ltimos Hancock et al 2009 d a conhecer um paradigma de interac o que traz os benef cios de uma interac o baseada em for as com manipula o completa em 6DOF Aqui apresentado Sticky Tools que une os m todos de Sticky Fingers movimenta o e rota o de objectos virtuais e Opposable Thumbs para virar objectos a Virtual Tools para propagar determinado comportamento a outros objectos em cena Assim um dedo utilizado para mover o objecto no plano bidimensional A utiliza o de dois dedos permite n o s mover o objecto na terceira dimens o levant lo aumen
2. Adequa o das pegas para a fun o 1 145 2 25 3 35 4 Figura 4 11 N vel de satisfa o dos utilizadores acerca dos planos de corte Uma das funcionalidades introduzidas que tamb m teve um feedback muito positivo foi a barra de pr visualiza o e ajuste das alturas das v rias camadas no cen rio com 73 dos utilizadores a considerar muito f cil a sua utiliza o Um factor que pode merecer alguma aten o a exist ncia dos modos de c mara e de edi o que apesar da maioria dos utilizadores responder que conseguiu perceber com facilidade em que modo se encontrava m dia de 3 26 de 4 verificou se que muitos se esqueciam que tinham de trocar de modo antes de desempenhar tarefas que lhes eram caracter sticas Foi por exemplo comum ver um utilizador tentar transformar geometricamente o modelo criado ap s edi o sem ter alternado para o modo de c mara necess rio para tal A n vel da modela o 3D 80 dos questionados considerou a abordagem usada de constru o bottom up come ando na camada geologicamente inferior e acabando na superior como muito adequada Quanto a utiliza o da caneta com os marcadores para interac o com o sistema a respostas dos utilizadores mostraram que apesar dos resultados razo veis a interac o 3D uma rea que ainda pode ser um pouco melhorada no nosso sistema figura 4 12 com o conforto no seu manuseamento a ser o factor menos positivo desta Alguns utilizadores referi
3. Uma vez desenvolvido o sistema e realizados os testes com utilizadores destacam se as seguintes contribui es deste trabalho e Utiliza o de gestos e movimentos no espa o com e sobre uma mesa multitoque para modela o e produ o r pida de cen rios estratigr ficos atrav s de poucos gestos e num curto espa o de tempo poss vel gerar uma superf cie representativa de uma camada estratigr fica e Utiliza o de gestos espaciais para cria o de modelos geol gicos como defini o para novas linhas de investiga o na rea A utiliza o de manipula o directa na recria o de paisagens geol gicas recorrendo a gestos e movimentos acima da mesa pode ser desenvolvida e explorada de modo a proporcionar um meio de interac o natural e com grande vantagem para modeladores na defini o de cen rios geol gicos de camadas O trabalho desenvolvido no mbito desta disserta o serviu como base a uma publica o aceite na confer ncia EPCG Encontro Portugu s de Computa o Gr fica que decorrer em Novembro de 2014 e Lopes D S Sim o D D Fonseca F Mendes D Jorge J 2014 Modela o Expedita de Terrenos e Subsolo via Interac o Espacial e Superf cies Interactivas 21 Encontro Portugu s de Computa o Gr fica 14 EPCG 1 6 Estrutura da Disserta o Esta disserta o cont m ao todo cinco cap tulos Ap s o cap tulo da introdu o o segundo cap tulo apresenta o estado da arte
4. o crie a cada instante um vector entre as posi es dos dois dedos e calcula o angulo entre este e o vector calculado no instante anterior Este angulo por fim utilizado para adicionar ao valor de rota o em yy do objecto referente ao cen rio A fim de rodar o modelo em torno do eixo xx o utilizador deve usar mais de dois dedos Esta foi uma decis o tomada como meio de desambiguar esta transforma o das restantes efectuadas com dois dedos na medida em que ajuda o modelador a evitar ac es de escalonamento indesejadas O utilizador pode ent o arrastar os dedos em movimentos ascendentes ou descendentes no ecr de modo a rodar o cen rio para cima ou para baixo O tamanho do vector de movimento dos toques 37 calculada uma m dia dos movimentos a cada instante ent o adicionado ao angulo de rota o em xx do objecto referente ao cen rio Esta transforma o importante na medida em que permite ao modelador observar de forma f cil a parte lateral da proxy que apresenta de forma clara as v rias camadas estratigr ficas O modelador tem ainda a possibilidade de definir planos de corte segundo os eixos xx e zz sobre o cen rio planos de clipping Esta tarefa d ao utilizador um meio de visualizar o interior do modelo que de outro modo estaria oculto facultando uma melhor compreens o do mesmo De modo a dar acesso a esta funcionalidade est o presentes em volta do modelo quatro pegas nos quatro cantos inferiores
5. o de dispositivos capazes de captar os movimentos do jogador tornando acess veis a qualquer pessoa dispositivos que at ent o estavam dispon veis apenas a um conjunto restrito Um desses dispositivos o Wii Remote da Nintendo o primeiro a surgir O Wii Remote possui um sensor de infravermelhos e um conjunto de aceler metros que permite obter a acelera o do controlador nos tr s eixos vertical lateral e profundidade O sensor encontra as fontes de infravermelho e emite as coordenadas dos pontos para a consola Com isto poss vel calcular a orienta o do controlador relativamente ao ch o e a direc o para a qual est a ser apontado para o ecr O Kinect um dispositivo de input de sensores de movimento produzido pela Microsoft tamb m no mbito da sua consola de jogos Permite ao utilizador interagir com o seu computador ou consola sem necessitar de um comando controlador permitindo a interac o por gestos e voz figura 2 11 O Kinect possui para al m de uma camara RGB sensores de profundidade conseguindo por exemplo estimar com precis o a posi o de um corpo recorrendo a um mapa de profundidade e ao reconhecimento de padr es Ambas as tecnologias devido ao seu valor s o largamente utilizados em v rias reas da investiga o onde este tipo de interac o gestual desej vel como na manipula o de dados volum tricos ou na comunica o gestual Figura 2 11 Utilizador a interagir com
6. Os esbo os trazem a grande vantagem de permitirem de forma simples atrav s do desenho de um conjunto de curvas de pontos definir as principais caracter sticas da superf cie pretendida Al m disso ainda poss vel acrescentar caracter sticas relevantes ao cen rio como o leito de um rio ou uma cordilheira montanhosa esbo ando o seu contorno no local desejado Com a utiliza o da caneta surge no entanto outro problema Este ocorre devido oclus o da mao dispositivo de edi o ao conte do que pode ocorrer durante a interac o com o sistema Isto verifica se que a percep o tridimensional gerada pelos culos foriemente afectada quando um objecto f sico intercepta os objectos 3D virtuais 48 Ainda na edi o do cen rio de referir a barra de ajuste das camadas que faz de tr s em um Para al m de dar ao modelador uma ferramenta de monitorizar continuamente a altura das varias camadas e de permitir o seu ajuste sempre que necess rio ainda serve de meio de selec o de qual a superf cie a editar A utiliza o de um bot o para activar desactivar a edi o merece tamb m uma refer ncia Apesar de poder parecer desnecess rio a sua utiliza o til na medida em que permite ao modelador definir quando quer come ar por exemplo a esbo ar uma linha e quando quer terminar tornando se muito mais preciso do que qualquer gesto que possa ser interpretado por um meio de captura Uma caracter stica do sis
7. cie bastante larga a modela o pode tornar se uma tarefa cansativa dif cil e desconfort vel caso o alvo desejado esteja fora de alcance Toney and Thomas 2006 Por exemplo tal acontece com frequ ncia nas 34 extremidades da superf cie em rela o ao utilizador Esta limita o parcialmente resolvida movendo o conte do para mais pr ximo do modelador na tela de toque recorrendo op o de transla o 3 3 2 Interac o gestual A interac o gestual com a aplica o ocorre com o aux lio de um instrumento de edi o Este assemelha se a uma caneta ou ponteiro e est provido de um conjunto de marcadores reflectores figura 3 9 Estes marcadores reflectem a luz infravermelha que posteriormente captada por um conjunto de camaras situadas volta da sala A partir da triangula o feita pela capta o das v rias camaras O sistema consegue saber com precis o milim trica qual a posi o e orienta o do corpo r gido definido pelos marcadores no espa o da sala Figura 3 9 Instrumento de interac o provido de marcadores pticos Os dados da posi o e orienta o da caneta s o em seguida passados aplica o onde feita a sua convers o para o espa o virtual onde se encontra o cen rio A fim de fazer a convers o dos dados o sistema tem acesso s dimens es da mesa e posi o da sua origem canto inferior direito figura 3 8 de referir que a origem tamb m marcada recorrend
8. dando uma vis o global dos mesmos Podemos verificar que j existem alguns trabalhos recentes a tirar partido da utiliza o de esbo os na produ o de modelos geol gicos para a cria o r pida de modelos na medida em que este tipo de interface permite uma interac o mais natural com os sistemas O sistema proposto por Gain et al 2009 apresenta no entanto um tipo de limita o presente em boa parte das interfaces de modela o Apesar de completo a sua complexidade impede que utilizadores com menos experiencia possam usufruir da aplica o de forma satisfat ria Neste sentido os trabalhos desenvolvidos por Amorim et al 2014 Lidal 2013 Bendiksen 2013 privilegiam a simplicidade e rapidez na cria o de modelo Podemos verificar na tabela 2 1 representada a baixo que estes dois aspectos est o fortemente relacionados em grande parte dos trabalhos Mesmo interfaces tang veis como o Relief Leithinger and Ishii 2010 ou o Illuminating Clay Piper et al 2002 podem trazer os seus benef cios dando a possibilidade dos utilizadores usarem as pr prias m os para a modela o como se de uma escultura se tratasse No entanto o facto de se tratar de objectos f sicos traz algumas desvantagens nomeadamente o tamanho m ximo fixo dos modelos e as propriedades do material utilizado para a constru o dos mesmos constituem uma limita o 23 impedindo serem moldados de forma completamente livre tamb m necess ria a adi
9. es Como j falado em sec es anteriores como forma de diminuir o n mero de bot es presentes na GUI a fim de se criar uma interface mais limpa 66 implicando com isso menor controlo indirecto pode ser acoplado um pequeno bot o ou conjunto de bot es m o do modelador por exemplo em forma de anel que desempenhasse fun es como activar desactivar a edi o ou escolher o dispositivo virtual a utilizar Os modos de edi o e c mara poderiam ser fundidos por forma a evitar erros e tornar a interac o mais fluida A capta o de gestos poderia tamb m passar por um Kinect de ultima gera o tornando obsoleta a necessidade de utilizar um instrumento de edi o f sico como a caneta sem perder a precis o a ela inerente Como extremo de modo a dar um tipo de explora o de dados completamente diferente e realista ao modelador poderia mesmo considerar se a utiliza o de uma luva ou dedal h ptico que forne a ao utilizador o tipo de feedback do cen rio que seria esperado de um modelo f sico N o pode ainda ser esquecida a substitui o da representa o de dados utilizada de momento mapas de alturas por outra mais complexa e vers til pode fornecer um conjunto de novas possibilidades quanto a estruturas geol gicas como a modela o de falhas e dobras Por fim muito importante validar os resultados dos testes utilizados e outros a realizar no futuro com ge logos de modo a permitir uma maior compreens o das neces
10. m claro que para representar determinadas caracter sticas geol gicas seria necess ria uma altera o na representa o utilizada A cria o de modelos geol gicos faz uso de dois tipos de interac es gestuais gestos no ar para criar o conte do em geral e gestos de toque para adicionar detalhes e suavizar qualquer artefacto introduzido por gestos A adi o de detalhes por via do toque no entanto pass vel de algumas melhorias pois apesar de conferir a capacidade de modelar com precis o pequenos detalhes dos modelos devido matriz de projec o personalizada e ao uso da estereoscopia em camadas com alguma altura o mapeamento do toque pode parecer algo desfasado ao modelador dependendo da sua perspectiva Isto acontece porque o mapeamento feito sempre para o plano com altura zero Conv m n o esquecer que apesar de ser poss vel adicionar detalhes mais finos aos objectos geol gicos o prop sito principal do sistema de criar esbo os 3D de camadas geol gicas n o havendo em tais esbo os lugar para adicionar detalhes muito intrincados ou numerosos Na modela o gestual o facto de poder ser seleccionado um de v rios dispositivos virtuais diferentes tem a grande vantagem do utilizador poder pr visualizar qual o tipo de ac o que vai desempenhar Ao utilizar a desempenadeira ou talocha poss vel criar eleva es e depress es de forma suave gra as ao ajuste gradual da superf cie altura do dispositivo
11. os criar e editar caracter sticas geol gicas figura 2 5 Figura 2 5 Esbo os usados para cria o de relevo Amorim et al 2012 No entanto provavelmente o trabalho mais not rio relativo a sistemas computacionais para desenho de esbo os geol gicos apresentado por Lidal 2013 Na sua tese foram apresentados v rios sistemas baseados em esbo os para modelar rapidamente geometrias estruturadas por camadas A ideia de utilizar uma interface de esbo o proxy em forma de paralelep pedo referida anteriormente como forma de desenvolver modelos geol gicos foi tamb m explorada por Lidal et al 2013A nos m todos apresentados no seu artigo Neste trabalho s o apresentados e comparados dois m todos que permitem modela o geol gica tridimensional r pida num sistema desenhado para o efeito explorando os factores de complexidade do modelo versus o n vel de dificuldade na sua cria o Assim um dos m todos cont m um conjunto de opera es de modela o ad hoc para captura de objectos geol gicos t picos ou seja define v rias ferramentas especializadas cada uma na execu o de uma tarefa espec fica ex uma para criar rios outra para criar vales etc O outro m todo utiliza tecnologias mais gen ricas proporcionando apenas uma ferramenta para todo o processo Em ambos utilizado precisamente um conjunto de geometrias proxy nas quais s o esbo adas linhas 2D para defini o das fronteiras de cada uma das super
12. 133 140 69 Hancock M Carpendale S Cockburn A 2007 Shallow Depth 3D Interaction Design and Evaluation of One Two and Three Touch Techniques Proceedings of the SIGCHI Conference on Human Factors in Computing Systems 07 1147 1156 Hancock M S Vernier F D Wigdor D Carpendale S Shen C 2006 Rotation and Translation Mechanisms for Tabletop Interaction First IEEE International Workshop on Horizontal Interactive Human Computer Systems 06 TableTop 79 88 Hansen T E Hourcade J P 2010 Comparing Multi Touch Tabletops and Multi Mouse Single Display Groupware Setups Proceedings of the 3rd Mexican Workshop on Human Computer Interaction 10 36 43 Hilliges O Kim D Izadi S Weiss M Wilson A 2012 HoloDesk direct 3d interactions with a situated see through display Proceedings of the SIGCHI Conference on Human Factors in Computing Systems 12 2421 2430 Keefe D Acevedo D Moscovich T Laidlaw D H LaViola J 2001 CavePainting A Fully Immersive 3D Artistic Medium and Interactive Experience Proceedings of ACM Symposium on Interactive 3D Graphics 01 85 93 Kim S G Kim J W Bae K T Lee C W 2006 Multi touch Interaction for Table Top Display Advances in Artificial Reality and Tele Existence Lecture Notes in Computer Science 4282 Springer Berlin Heidelberg 1273 1282 Kooima R 2008 Generalized Perspective Projection Technical report Louisiana State University Leithinger D I
13. 54 Figura 4 3 Modelo a seguir na Tarefa 3 ccccccssssecccccsesececcceeseececcseeuseeecseeueeeecssaaseeeesssaaseeeesssagaeeess 55 Figura 4 4 Gr fico da m dia e desvio padr o dos tempos levados em cada tarefa Geocake 57 Figura 4 5 Gr fico da m dia e desvio padr o dos tempos levados em cada tarefa Geolllustrator 57 Figura 4 6 Nivel de facilidade na explora o dos cen rios aeee 59 Figura 4 7 Nivel de facilidade na adi o de detalhes aos modelos a 59 Figura 4 8 N vel de satisfa o pelo algoritmo de ajuste de superf cies ii 60 Figura 4 9 N vel de satisfa o pelo resultado final das tarefas rea 60 Figura 4 10 N vel de facilidade geral de utiliza o das aplica es n 61 Figura 4 11 N vel de satisfa o dos utilizadores acerca dos planos de corite 62 Figura 4 12 N vel de satisfa o na utiliza o do instrumento de interac o cccceesseeeeeeeeaeeeeeees 63 Figura 4 13 N vel de satisfa o acerca do aspecto dado aos avatares do dispositivo de edi o 63 Figura 4 14 Modelos gerados pelos utilizadores durante as sess es dos testes 64 xii xili Lista de Abreviaturas Abrevia o Significado CAD CoP CAVE DI DOF FTIR GUI IR LLP MD MND PoV RBF TPS TRS WIMP Computer aided Design Center of Proj
14. A r r TETE Lf A P APAR PO aar ff Hm a ee ae 4 Figura 3 15 Adi o de conte do atrav s da talocha O conte do ent o adicionado ao modelo acrescentando valores ao mapa de alturas na posi o do dispositivo de desenho no plano figura 3 15 A nova altura nesse local corresponde amplitude de uma fun o super Gaussiana el ptica F A x F Ran x y 2 onde A a amplitude ou altura da caneta x e yo O centro o e o a vari ncia segundo x e y respectivamente y 2 1 o expoente que confere um formato circular y 2 ou quadrado y gt 2 Gaussiana Note se que uma Gaussiana circular um caso particular da Equa o 2 quando o 0 e y 1 Fazendo uso da orienta o da caneta relativamente ao plano do ecr poss vel ainda de rodar a fun o Fsge em torno do eixo yy que sai da mesa A adi o desta caracter stica d ao modelador a possibilidade de adicionar mais algum detalhe edi o 41 ainda de referir que esta adi o de conte do feita de forma incremental at ser atingida a altura do dispositivo de desenho permitindo altera es mais suaves na superf cie A velocidade proporcional altura dos dispositivos de modo que o tempo de ajuste do conte do seja igual qualquer que seja a altura Por forma a marcar poss veis pontos de perfura o no modelo para simular por exemplo a explora o mineira o utilizador pode seleccionar um instrumento de edi o virt
15. Sad a cd lala dio 4 2 Trabalho Relacionado neci acts Td ad ae chu dade iaateaheantac an aanehatarweataates 5 2 1 Modela o deo logica guisa ee eee eee ie ee 5 2 2 IC RACCAG Espacial saia dada its nano Sa a ha da Rm a 11 2 3 VISWANIZACAO sie ing aii a a a a a a 16 2 4 Gestos em Superf cie Multitoque e reeeeeeerrena eee errera aaa rerrenaa nar errenaaaaso 19 2 5 DISCUSS O sagas Essas RE a CD E ar aa 23 Bi OOC Oeae Eau s Gerada da sae raiar Ea E asa lena nda a as E abas atras 27 3 1 PRODO Meas et anata cen e a E ees 21 3 2 PANCIUIT OG UNAS ANNE NeNRRE E RD DR ae ERR DEDE RECREIO RD RR ENE 29 3 3 PROLOLIDO siaran nach ca leao ge grad aa do Da a aaa a a a a o 32 ia iMeractao Sobre d Mosa rui aii euisie tes swents 33 393 2 IMERACCAOrGES LI nara sas a ee 35 Soo Modela o SD Na MESA asi teat det ead eta eee Ed ad SU ga deat iad ade 36 doa Modela o SD NOA Aadan a a 40 3 39 VISUGIIZA O men a a a a et esa 44 3 4 DISCUSS O peer crane meee re me ene a a S 47 A AAMAS ti a ia dd a te pndmmeaueuonaR Nai ooR 51 4 1 MEtOCOlOG aena eet A eet ele wet esac hen vee eS 51 4 2 WAT AS isso Beale a oi ces la e a Moan Tousen dua e a 52 4 3 SE SSO0CS dO TOSCO masi ii e a ab Rai 55 4 4 An lise e Discuss o dos Resultados ii eeeeeeererenaa eee eerrreenaa anna rereaa 56 AAT Tempos deconNcIuS O A pssiaistaiia ie E ass lr Uia 56 4 42 GeoCake vs Geolllustrator iiin ba a DS inal aa a 58 vi 4 4 3 An lise das
16. abaixo do dispositivo com c rculo de luz Esta funcionalidade d ao utilizador a capacidade de ter sempre no o da localiza o no mapa de alturas onde vai ser efectuada a edi o independentemente da altura em que o dispositivo virtual se encontra figura 3 21 O foco de luz est acoplado ao instrumento de edi o virado para baixo perpendicularmente a este movendo se em concord ncia com ele Figura 3 21 Foco de luz no plano para co localiza o 3 4 Discuss o Foi importante encontrar um equil brio entre o grau de complexidade e as funcionalidades dispon veis de forma a proporcionar o m ximo de liberdade ao utilizador com a m xima simplicidade pois fulcral que o sistema seja pass vel de ser utilizado tamb m por utilizadores com menos experiencia Deste modo foi ainda indispens vel que o sistema mantivesse sempre vis veis informa es b sicas e claras sobre o seu estado Neste trabalho a conven o adoptada para construir um modelo geol gico consiste em partir de baixo para cima isto adopta se como a primeira superf cie a camada mais profunda e as camadas seguintes v m empilhadas por ordem estratigr fica terminando se com a cria o da camada geologicamente mais pr xima do ponto de visto do utilizador ou seja a superf cie do terreno Note se que devido semelhan a bvia os modelos aqui considerados designam se por camadas de bolo em ingl s cake layer model por terem como
17. aplica es em adicionar detalhes aos modelos Foi permitido aos utilizadores que utilizassem qualquer das ferramentas disponibilizadas para o sistema n o lhe sendo restrito qualquer tipo funcionalidade As tarefas bem como os desafios que lhe s o est o associadas s o apresentados de seguida Tarefa 1 A primeira tarefa tinha como objectivo levar o utilizador a modelar uma estrutura geol gica como a vemos por exemplo numa paisagem fluvial Assim era pedido aos utilizadores que criassem uma superf cie simples com pouco detalhe com um sulco no meio a atravessar a superf cie representando um rio O segundo passo passava por elevar a altura do n vel de gua de modo a preencher esse sulco Optou se por come ar com uma tarefa mais simples com apenas uma camada estratigr fica sem detalhes e com gua Para desempenhar a tarefa na aplica o por n s desenvolvida o utilizador poderia dar uso ao ajuste de superf cies sobre um conjunto de curvas esbo adas mas tamb m utilizar a talocha desempenadeira de modo a acrescentar todo o relevo m o Por fim seria apenas necess rio recorrer barra de ajuste das alturas das camadas por forma a subir o n vel da gua Figura 4 1 Modelo a seguir na Tarefa 1 Tarefa 2 A segunda tarefa tinha como grande foco explorar o potencial da aplica o para adi o e ajuste de detalhes nos modelos Assim foi mostrado aos utilizadores um modelo que apresentava um conjunto de rel
18. apresentado um conjunto de trabalhos e tecnologias que influenciaram este trabalho desde a modela o geol gica em particular de terrenos e subsolos at captura de gestos e visualiza o estereosc pica 2 1 Modela o geol gica Entre ge logos pratica comum a cria o de modelos geol gicos representativos quer m o quer recorrendo ao computador podendo se diferenciar dois tipos de modelo distintos modelos da crosta terreste e modelos de terrenos A modela o geol gica correspondente cria o computorizada de representa es da crosta terrestre baseada em observa es feitas superf cie terrestre e ou com aux lio de sondas perfuradoras ou sonares para obter informa o das camadas mais profundas Tais modelos geol gicos s o utilizados na gest o de recursos e eventos naturais com fortes aplica es na explora o mineira ind strias do g s natural e do petr leo Estes dever o permitir uma avalia o de reservas realista e ser actualizados de forma r pida e simples Quanto aos modelos de terreno s o representa es tridimensionais de parte da superf cie terrestre permitindo uma percep o r pida e directa da paisagem e relevo geol gico Geralmente estes modelos s o criados por ilustradores conferindo lhes algum detalhe e tornando os visualmente apelativos Entre as reas aplicacionais contam se o ensino o planeamento urbano ou regional e o estudo geol gico Tal como no artigo de Na
19. caracter stica dominante o empilhamento homog neo de camadas isto n o apresentam falhas nem dobras geol gicas 47 Uma sess o de modela o come a com a primeira camada de superf cie definida para a altura zero Cada superf cie depois modelada de forma independente de baixo para cima sendo adicionada uma nova camada sempre que desejado Desta forma o terreno modelado por ltimo Essa restri o de modelagem importante pois d ao modelador um sentido de ordem no processo de modela o e mais importante permite que o modelador possa supervisionar se alguma intersec o de superf cies ocorrer Foi assim poss vel construir uma aplica o com um conjunto de funcionalidades uteis capaz de permitir a um modelador modelar de forma geral e com poucos gestos cen rios geol gicos podendo a qualquer altura proceder a exporta o das superf cies modeladas na defini o de superf cie adoptada neste trabalho que se verifica uma das maiores limita es em termos de representatividade geom trica O facto de ser considerado um empilhamento homog neo de camadas na constru o dos modelos neste caso representado por mapas de alturas torna perto de imposs vel a representa o de alguns fen menos geol gicos como o caso das referidas dobras e falhas Por sua vez a vantagem desta estrutura de dados proporcionar uma representa o simples facilmente actualiz vel e leve para o sistema computacional Fica por
20. das camadas seja alterada garantindo que as camadas mantenham a mesma posi o relativa entre elas Este mecanismo faz com que a ordem com que as camadas se apresentam seja mantida do in cio ao fim da modela o A barra possui ainda um bot o desliz vel que d ao modelador a possibilidade de definir o n vel das guas no cen rio dando maior diversidade na cria o dos modelos geol gicos figura 3 12 A fim de proceder edi o do conte do figura 3 13 as coordenadas dos pontos de toque s o mais uma vez transformadas Isto faz com que o ponto em coordenadas do mundo virtual seja mapeado em coordenadas locais da superf cie de edi o na proxy Deste modo posi es inferiores a zero ou superiores ao tamanho m ximo da superf cie de edi o s o automaticamente exclu dos As posi es v lidas s o enviadas para o modelador da aplica o que vai alterar o mapa de alturas da camada nesses locais Figura 3 13 Edi o atrav s de multitoque Por fim a interac o multitoque garante ao modelador uma forma de acrescentar algum detalhe ao modelo Atrav s do toque no modelo s o criadas eleva es ou depress es de rea mais reduzida nas superf cies recorrendo a Gaussianas circulares para o efeito figura 3 14 ainda poss vel introduzir v rias Gaussianas circulares em simult neo tocando na tela em v rios pontos ao mesmo tempo figura 3 13 Figura 3 14 Gaussiana circular 3 3 4 Modela o 3D no A
21. de objectos em diferentes condi es de projec o Para tal foi pedido a utilizadores que estimassem a orienta o de objectos tridimensionais projectados num ecr de tampo de mesa com diferentes geometrias de projec o Como principal resultado observou se que o erro foi maior quanto maior a discrep ncia entre o CoP centro de projec o e o PoV ponto de vista Do lado dos sistemas que proporcionam ambientes imersivos est o CAVE computer assisted virtual environment Cruz Neira et al 1993 Este composto por uma sala em forma de cubo em que as suas paredes pelo menos tr s ch o e tecto servem de telas gigantes onde projectado ambiente virtual O utilizador usa um par de culos 3D por forma a percepcionar objectos directamente sua volta Os movimentos do utilizador s o captados por sensores normalmente acoplados aos culos de modo a ser gerada uma imagem dependente da sua perspectiva Neste mbito Bayyari and Tudoreanu 2006 avaliam a utiliza o de m todos de visualiza o de realidade virtual concentrando se nos benef cios da combina o da realidade virtual imersiva e a visualiza o de dados Assim foram feitas experi ncias usando quatro configura es diferentes nas quais participantes foram testados num monitor comum utilizando um dispositivo de interac o hand tracked e um n mero variado de ecr s CAVE Concluiu se que os ecr s imersivos permitem uma melhor compreens o na visualiza o dos d
22. der por satisfeito com os esbo os adicionados o sub m dulo de modela o da aplica o pega ent o na lista de pontos ordenados e adiciona conte do ao mapa de alturas de maneira a criar as eleva es e ou depress es com as alturas determinadas Mais uma vez utilizada uma super Gaussiana Equa o 2 para o efeito Ap s esta opera o as curvas de nuvens de pontos s o apagadas Tal como nos pontos de perfura o tamb m neste caso poss vel apagar o ultimo esbo o criado utilizando o bot o referido p2 g pi p1 Ja p2 i N Figura 3 16 Adi o de detalhes com a caneta ponto p2 prevalece sempre em rela o a p1 Al m da edi o local o sistema proporciona aos utilizadores um m todo para ajustar um mapa de alturas a curvas de pontos esbo adas que apresentem as caracter sticas geol gicas intencionadas para efeitos de modela o ou ilustra o Mais uma vez a aplica o come a por filtrar os pontos constituintes de todas as curvas eliminando n o s pontos que tenham a mesma posi o no mapa de alturas mas tamb m que se situem demasiado pr ximos uns dos outros pontos dentro de uma vizinhan a de 0 01 largura da proxy s o descartados Este passo importante pois permite evitar erros no algoritmo de ajuste da superf cie que ser referido de seguida Por forma a interpolar as curvas de pontos esbo ados e ajustar um mapa de alturas utilizado o m todo TPS Thin Plate Spline qu
23. e capta o de gestos permitem que ge logos se expressem atrav s de cen rios virtuais tridimensionais Como descrito na sec o anterior ficaram claros alguns dos problemas que podem ocorrer em aplica es neste tipo nomeadamente o elevado grau de complexidade e de peso computacional sendo portanto necess rio minimizar tanto quanto poss vel sen o eliminar a sua ocorr ncia no trabalho a ser desenvolvido No presente capitulo ser descrita a solu o adoptada apresentada a arquitectura do sistema os algoritmos utilizados bem como os pontos fortes e as limita es da aplica o desenvolvida 3 1 Proposta Neste trabalho foi desenvolvido um sistema de interac o espacial baseado em esbo os capacitado de visualiza o 3D e multitoque que permite atingir os objectivos propostos anteriormente sec o 1 3 Nesta sec o demonstra se que de facto poss vel a utiliza o de uma interface baseada em gestos para a produ o e manipula o de modelos geol gicos 3D O sistema proposto tem como objectivo modelar superf cies nomeadamente mapas de alturas fazendo uso da rapidez e expressividade de gestos e movimentos da m o Por forma a exteriorizar rapidamente conceitos em superf cies a interac o homem computador baseada em movimentos de um dispositivo de edi o atrav s do recurso de tecnologias de captura de movimento assim como de gestos e no toque utilizando uma mesa multitoque de grandes dimens es
24. f sico Esta informa o importante para as transforma es de coordenadas A fim de criar os corpos r gidos no sistema o utilizador deve e Iniciar o servidor associado ao tracker i e s c maras optitrack e Executar o programa GeoCakeTracker exe e Seleccionar o conjunto dos marcadores presentes no espa o detectado correspondentes ao dispositivo de edi o necess rio que este se encontre na horizontal virado de frente para a mesa multitoque e Clicar no bot o direito do rato e seleccionar a op o create Rigid Body e Seleccionar o conjunto dos marcadores presentes no espa o detectado correspondentes ao objecto que define a origem e Clicar no bot o direito do rato e seleccionar a op o create Rigid Body Nota a selec o e cria o dos corpos devem seguir a ordem apresentada primeiro criar o corpo r gido referente caneta depois criar corpo r gido referente origem da mesa 74 rr Bea FAXLOOD Greust 10 Master Properbes Figura 0 1 Sistema de tracking 1 2 Definir localiza o orienta o e dimens es do ecr no espa o De modo a funcionar correctamente o sistema necessita de obter informa o sobre a localiza o orienta o e as dimens es da mesa no espa o em particular de modo a calcular correctamente a matriz de projec o personalizada ao modelador Esta informa o pode ser obtida com aux lio da c mara Kinect presente em frente da mesa P
25. modela o de conte dos em 3D recorrendo a gestos e movimentos no ar praticamente n o foi abordada Tal como nas ci ncias geol gicas tamb m na ind stria dos videojogos e em reas como a arquitectura avia o e um sistema que permita a modela o f cil e eficiente destas estruturas seria de grande utilidade n o existindo em muitas delas aplica es semelhantes para al m dos normalmente utilizados sistemas de CAD Apesar de plataformas como o Unity3D desenvolvimento de jogos ou SketchUp arquitectura e design suportarem a modela o de terrenos o facto de nao serem especializados para tal torna estes modos em geral complexos ou algo limitados 1 3 Objectivos Como referido anteriormente a falta de tecnologias de modela o geol gica 3D r pida onde exista um compromisso entre o detalhe e a velocidade de modela o e que permita a cria o de um cen rio a partir do zero no dom nio da ilustra o geol gica um ponto que pode ainda ser explorado Assim este trabalho almeja um ambiente de modela o expedita e explora o de cen rios geol gicos com um processo de aprendizagem r pido e satisfat rio para os utilizadores O sistema deve ser capaz de produzir atrav s de movimentos no ar e gestos sob uma mesa multitoque modelos estratigr ficos simples proporcionando um conjunto de ferramentas que d em ao modelador a possibilidade de materializar as suas ideias assim como de as explorar tridimensionalmente T
26. o o avatar da c mara identificadora do modo de c mara e a informa o sobre o clipping planos de corte est o ocultos Em contra partida no modo de C mara est oculto o bot o que activa desactiva a edi o Sketch Figura 0 6 Zona de selec o do cursor e activa o de edi o sketch Figura 0 7 Avatar identificador do modo de c mara 79 4 Modo de Edicao 4 1 Interac o gestual dispositivo f sico Para edi o recorrendo ao dispositivo f sico destacam se os seguintes 4 1 1 Drill A ferramenta Drill permite a cria o de pontos de perfura o no modelo criado Assim o utilizador deve criar dois pontos um superf cie e outro no interior do modelo que gera automaticamente um caminho de perfura o entre eles Utiliza o Seleccionar o bot o Drill Colocar a broca no ponto desejado na superf cie do modelo Sem mexer a broca seleccionar o bot o Sketch O primeiro ponto criado Colocar a broca no ponto desejado no interior do modelo Sem mexer a broca seleccionar o bot o Sketch O segundo ponto criado bem como o caminho que une os dois pontos Nota De modo a facilitar a coloca o dos pontos quando o bot o Drill seleccionado os modelos ficam transl cidos permitindo observar a broca no interior destes Figura 0 8 Bot o Drill seleccionado Broca pet UI a ash of um wo niii a Figura 0 9 Caminho entre dois pontos de perfura
27. o 3D com obturador usados pelo utilizador filtrando as duas imagens emitidas pelo ecr e separando a imagem correcta para cada olho Como referido anteriormente utilizado um sistema de captura da posi o do utilizador como forma de melhorar a percep o tridimensional recorrendo a uma camara Kinect 44 O sistema proposto come a por escolher o esqueleto do utilizador captado que de facto se refere ao modelador do sistema Para tal considera se que o modelador em interac o com a aplica o tem o esqueleto detectado cuja dist ncia ao centro da mesa a menor omxi tracker client IP ADDR Port 127 0 0 1 3337 USEWID_045E amp FID_02AE 0000000000000000 Figura 3 18 Esqueleto escolhido pelo Kinecti A posi o do esqueleto posteriormente enviada aplica o que com base nesta calcula a matriz de projec o personalizada para o utilizador actualizando as posi es das camaras na cena para a posi o mapeada do modelador no mundo virtual No c lculo da matriz de projec o foi utilizada a Generalized Perspective Projection Kooima 2008 Esta foi considerada til na medida em que ao contr rio de outros tipos de projec o n o assume que o utilizador esteja posicionado imediatamente frente do ecr estando orientado de forma perpendicular a este mas sim tome em conta posi o e orienta o do utilizador relativamente a ele o que de facto o pretendido importante portanto que o sist
28. o ajuste dos planos de corte o utilizador deve tocar em uma das pegas presentes nos cantos do modelo e arrasta la para o local desejado Figura 0 20 Pega para defini o dos planos de corte 86
29. o e manipula o de hardware de cada vez que se quer fazer uma adi o de funcionalidade tornando rapidamente incomport vel a extensibilidade do sistema e assim especifica para determinado tipo de tarefas A utiliza o de voxels em Arches Peytavie et al 2009 apesar de permitir a simula o realista de caracter sticas geol gicas ao n vel dos terrenos por ser algo pesada n o muito eficiente quando em utiliza o para modela o geol gica dos subsolos em modelos extensos ainda de referir que embora a abordagem para modela o 3D de esbo os usando o espa o livre e 9 espa o em acima de uma mesa n o seja novidade Galyean amp Hughes 1991 Schkolne et al 2001 Keefe et al 2001 o desenvolvimento de um sistema de interac o espacial baseada em gestos especificamente desenhado para construir rapidamente modelos geol gicos com camadas nunca fora desenvolvido antes Data Baseado Interface Modela o Framework de Modelador de Modelador de free em Tangivel Rapida Analise de Terreno Subsolos Esbocos Dados World Machine X X Quick terrain X X Modeler lluminating Clay X X X X Piper et al 2002 Relief Leithinger X X X X and Ishii 2010 Terrain Sketching X X X Gain et al 2009 Amorim et al 2012 X X X Rapid Modeling of X X X X Geology Bendiksen 2013 Amorim et al 2014 X X X Arches Peytavie et X X al 2009 Tabela 2 1 Tabela comparativa para sistemas de modela o geol ga Ideal
30. para a captura dos movimentos e enviada ent o por rede para o cliente que cont m o prot tipo Como referido anteriormente este tipo de capta o de gestos ao contr rio de outras solu es permite uma precis o e frequ ncia de amostragem elevadas O Gestor da GUI vai utilizar a informa o recebida pelo Sub M dulo Multitoque para verificar se algum dos bot es ou pegas widgets foi de facto seleccionado alterando o estado da interface se exigido tomando a ac o correspondente ao bot o seleccionado Assim este gestor que gere as posi es e tamanhos de cada bot o funcionamento de sliders barras desliz veis e movimento das pegas O Gestor de Cena tem como objectivo utilizar o input por parte do m dulo de gestos e multitoque para efectuar transforma es sobre o cen rio transla o rota o escala assim como actualizar as posi es dos instrumentos virtuais no espa o de modo a mapear os movimentos reais do utilizador com o instrumento de interac o O gestor de cena tem ainda como objectivo converter as coordenadas no mundo do ambiente virtual para as coordenadas locais da proxy utilizada para modela o Por forma a utilizar os dados de entrada em cen rios geol gicos o Modelador utiliza as coordenadas do instrumento de modela o para gerar conte do no modelo Dependendo do modo em que a aplica o se encontra e a camada seleccionada gerado e actualizado um mapa de alturas que traduz os gestos do
31. para representa o virtual da caneta eram adequados Confrontados com a quest o se a visualiza o estereosc pica foi til na compreens o dos dados 3D modelado 53 dos utilizadores respondeu que ajudou muito perfazendo uma m dia de 3 47 A grande maioria 80 considerou tamb m que as dimens es do ecr eram adequadas para as tarefas em causa No entanto nem todos os utilizadores conseguiram perceber a real fun o do foco de luz projectado pelo dispositivo de edi o virtual m dia de 2 87 e alguns consideraram que o offset entre este e a caneta f sica manuseada pelos utilizadores poderia ser melhorado ainda de referir que 93 dos questionados acha que a utiliza o e possibilidade de defini o de planos de corte auxilia muito a visualiza o e compreens o dos cen rios criados Ainda neste mbito os planos de corte foram uma funcionalidade muito bem recebida pelos utilizadores figura 4 11 com 73 destes a considerar a abordagem utilizada recorrendo ao widgets de pegas para a sua defini o como muito adequada Al m disso 100 dos utilizadores ficou muito satisfeito com a resposta destes s suas ac es e 87 gostavam de ver uma extens o desta 61 funcionalidade com planos de corte com outras orienta es A figura 4 11 apresenta as m dias das respostas a estas perguntas Planos de Corte clipping Utilidade de planos de corte com outras orienta es Comportamento das pegas era o esperado
32. pelo menos duas camaras Assim os instrumentos de 29 interac o com o prot tipo est o dotados destes marcadores definindo os corpos r gidos virtuais com posi o e orienta o no espa o definidos A camara de profundidade Kinect est colocada por detr s da mesa multitoque e tem como objectivo encontrar e localizar o modelador no espa o filtrando o conjunto de esqueletos detectados Esta informa o tem como objectivo saber a posi o da cabe a do utilizador relativamente ao cen rio modelado na mesa O setup tem ainda um par de culos activos com obturador que em conjunto com o ecr 3D da televis o permite a visualiza o dos cen rios em estereoscopia Em combina o com a captura da posi o do utilizador poss vel criar um ambiente virtual onde dada ao utilizador a ilus o de que os modelos est o a sair da mesa como que um holograma Relativamente plataforma de desenvolvimento escolhido foi o motor de jogo Unity3D do qual foram usadas algumas funcionalidades de modo a criar uma aplica o interactiva que permite um conjunto de tarefas em real time com resultados 3D convincentes Para alem de possuir um conjunto de ferramentas que simplificam a cria o de conte dos tridimensionais tamb m capaz de representar os conte dos geom tricos de forma eficiente permitindo um melhor desempenho aplica o A partir do setup acima apresentado foi desenvolvida uma arquitectura modular que est e
33. que compensa a visualiza o fora de eixo para um s utilizador estendendo ent o a t cnica para m ltiplos utilizadores a interagir com o mesmo ecr Para al m de descrever alternativas fixas e personaliz veis s o ainda discutidas as implica es de cada abordagem Neste trabalho s o apresentadas op es discretas e continuas para correc es fixas permitindo interac o nas perspectivas correcias J em 1997 no trabalho de Agrawala et al 1997 apresentado um sistema de projec o de realidade virtual que permite que dois utilizadores vejam simultaneamente imagens estereosc picas individuais para os pr prios pontos de visualiza o tornando o numa extens o aos mais comuns sistemas de realidade virtual preparados para um s utilizador figura 2 16 De modo a dois utilizadores poderem ver uma imagem estereosc pica individual s o representadas e mostradas quatro imagens dois pares esquerda direita Para tal os culos de visualiza o tiveram de ser modificados a fim de apenas mostrar as duas das quatro imagens a cada utilizador O maior problema da solu o implementada prende se com o frame rate que ao mostrar o dobro das imagens reduzido para metade para cada utilizador Figura 2 16 Sistema de visualiza o personalizada 3D para dois utilizadores Agrawala et al 1997 17 Hancock et al 2009 apresenta um estudo que tem o fim de investigar a capacidade dos utilizadores em perceber orienta es
34. transforma es 3D s o interfaces que permitem controlo sobre a rota o transla o ou escala de objectos de forma independente Este tipo de interfaces foi explorado por Coh et al 2011 No seu trabalho Coh estudou como que os widgets podem ser adaptados a interfaces multitoque Como resultado foi desenhado um novo widget tbox que pode ser manipulado de forma f cil e eficiente atrav s do toque para transforma es tridimensionais em 9DOF O widget composto por um cubo do qual apenas s o representadas as arestas Manipulando as faces e as arestas com um dedo ent o poss vel a um utilizador rodar e mover o objecto respectivamente Como forma de escalonamento o utilizador selecciona duas arestas paralelas do cubo e mov las em direc o uma outra ou afastando as No trabalho de Toney and Thomas 2006 ainda abordado o tema do alcance nas interfaces tang veis de referir que tomando em considera o este aspecto poss vel melhorar a usabilidade de interfaces do tipo tampo de mesa pois importante tornar todos os objectos interactivos facilmente acess veis ao utilizador 2 5 Discuss o Ap s a exposi o de alguns trabalhos relevantes na rea da modela o geol gica reconhecimento de gestos manipula o e visualiza o tridimensional de objectos apresentada uma breve discuss o sobre os mesmos As seguintes tabelas t m como objectivo servir de compara o entre os trabalhos expostos
35. 3 11 Informa o sobre a parte do cen rio vis vel oculta erra 39 Figura 3 12 Barra de selec o ajuste de camadas ie eeeeareeraaaaaaa aaa errrraannaaa 39 Figura 3 13 Edi o atrav s de multitoque re eeeeeerreee eee errena nao errenaa nar ereeananaena 40 PIQUA 3 14 GaussIana CIRQUIAR aaa Casada dou Gaara calidad ua lin o dra dia dg Sa 40 Figura 3 15 Adi o de conte do atrav s da talocha cccccseeeccceceeeeeeeeeeeeeeeeeeeeaeeeeeeeseaeeeeeeesaeeeees 41 xi Figura 3 16 Adi o de detalhes com a caneia erre erererenaea aaa rerereennada 43 Figura 3 17 Utiliza o da caneta para esbo ar curvas de pontos aerea 44 Figura 3 18 Esqueleto escolhido pelo Kinect cccccscccccccseecccceeececceseeccseueeecsaseesseseeessneeessaueeesseass 45 Figura 3 19 Tampas laterais geradas entre as superf cies das camadas i 46 Figura 3 20 Algoritmo de triangula o ccccccsseseececeeeeseeeecseeeeeeeeeeeeeseeeseaeaeeeeeessaaaeseeeesaaeeeeessaaeeeess 46 Figura 3 21 Foco de luz no plano para co localiza o eee aeereeeaaaarena 47 Figura 4 1 Modelo a seguir na Tarefa 1 cccccccssssececcceesseeeccceesececceeauseeecceeueceecssauaeceeessaaseeessssanseeees 53 Figura 4 2 Modelo a seguir na Tarefa 2 ccccccccssseccccccaseeceeceueeeeeeceeeseeeeesausaeeeeesseaeeeesssaaseeeessaaneeess
36. Quanto edi o gestual esta pode ocorrer de tr s formas diferentes O objecto de edi o virtual assume tr s aspectos gr ficos poss veis isto o utilizador pode alternar entre tr s instrumentos diferentes cada um associado a uma funcionalidade caracter stica em que se apresentam como um objecto 3D que se assemelha sua fun o Nomeadamente o dispositivo virtual pode adquirir as seguintes formas figura 3 10 e Desempenadeira ou talocha trowel em ingl s que permite uma edi o directa dos mapas de alturas elevando ou deprimindo as superf cies e Caneta ou ponteiro com ponta esf rica esferogr fica a fim de desenhar os esbo os representados como curvas de nuvens de pontos e Caneta ou ponteiro com ponta em forma de broca para marcar pontos da perfura o de um po o Figura 3 10 Avatares dados aos dispositivos virtuais talocha caneta com ponta esf rica e broca da esquerda para a direita 3 3 3 Modela o 3D na Mesa Utilizando a superf cie multitoque da mesa como meio de interac o com o prot tipo poss vel desempenhar v rios tipos de ac es desde a interac o com a GUI at adi o de detalhes ao modelo Extremamente importante para o processo de modela o a visualiza o do conte do 3D segundo diferentes pontos de vista e ngulos de c mara Para visualizar o conte do modelado transforma es afim podem ser aplicadas pelo modelador sobre o conte do da mesa recorren
37. T CNICO LISBOA GeoCake Modela o Expedita de Terrenos e Subsolos com Interac o Baseada em Gestos Daniel Filipe Domingos Sim o Disserta o para obten o do Grau de Mestre em Engenharia Inform tica e de Computadores Orientadores Prof Joaquim Armando Pires Jorge Dr Daniel Sim es Lopes J ri Presidente Prof Miguel Nuno Dias Alves Pupo Correia Orientador Prof Joaquim Armando Pires Jorge Vogal Prof Alfredo Manuel dos Santos Ferreira J nior Outubro 2014 Agradecimentos Ao longo do desenvolvimento do trabalho abordado nesta disserta o foram varias as pessoas que quer de forma directa quer indirecta contribu ram para o seu sucesso e s quais n o posso de deixar de expressar os meus agradecimentos Agrade o ao grupo VIMMI do Instituto Superior T cnico bem como aos seus integrantes e em particular ao Professor Doutor Joaquim Jorge e ao Doutor Daniel Lopes pela oportunidade de ter podido trabalhar com eles pela orienta o pelos constantes desafios e sobretudo por toda a dedica o e disponibilidade demonstrada Quero ainda agradecer ao Doutor Ivan Viola e ao Doutor Daniel Patel por terem disponibilizado a aplica o Geolllustrator indispens vel para a avalia o com utilizadores feita neste trabalho Um especial agradecimento minha fam lia e amigos aos meus av s os meus pais e minha namorada pelo constante apoio e paci ncia para comigo bem como por terem sido fontes daquel
38. a motiva o extra que por vezes foi t o necess ria na concretiza o deste trabalho Por fim um grande obrigado a todos aqueles que despenderam do seu tempo pessoal para participarem nas sess es de avalia o do sistema e ainda ao Daniel Mendes ao Fernando Fonseca e Sandra Gama pelas sugest es e a disponibilidade que foram sem d vida de grande ajuda para mim na resolu o de alguns desafios Resumo A ilustra o e visualiza o 3D de modelos geol gicos s o tarefas comuns em muitas reas da geologia Na larga maioria dos casos tais tarefas s o realizadas recorrendo ao desenho sobre meios bidimensionais com o intuito de transmitir uma percep o 3D aos conceitos geol gicos tra ados Ao longo desta tese apresentado um sistema de interac o espacial baseada em gestos e movimentos da m o para a constru o r pida de modelos e ilustra es geol gicas a tr s dimens es com e sobre uma mesa multitoque Os modelos caracterizam se por serem compostos por camadas homog neas empilhadas entre si Partindo de cen rios de modela o sem dados o sistema permite a modela o edi o e explora o expedita de terrenos e subsolos num ambiente 3D O princ pio de modela o baseia se no facto da geometria de um terreno ou camada estratigr fica poder ser modelado por gestos na mesa e movimentos no ar As interac es do utilizador com o sistema s o adquiridas atrav s de tecnologias de captura do movimento e de um
39. a cria o da superf cie ou altera o local da mesma respectivamente Nota Ao seleccionar Augment os pontos utilizados para a edi o local s o automaticamente apagados O mesmo n o acontece com o Surface Fit de modo a permitir um reajuste da superf cie se desejado AM Sketch Figura 0 12 Bot o Pen seleccionado Caneta Figura 0 13 Curva de pontos gerada com a caneta 4 2 Interac o multitoque Para edi o recorrendo mesa multitoque o utilizador pode seleccionar se deseja criar uma eleva o ou uma depress o no local tocado 82 Para proceder adi o de eleva es o utilizador deve carregar em Hille em seguida tocar nos locais desejados no modelo Para proceder adi o de depress es o utilizador deve carregar em Dig e em seguida tocar nos locais desejados no modelo Figura 0 14 Menu de edi o multitoqe 83 5 Modo de C mara 5 1 Transforma es O sistema d ao modelador a possibilidade de aplicar transforma es geom tricas aos modelos criados permitindo a transla o a escala e rota o sobre o cen rio para efeitos de visualiza o Para efectuar a transla o do modelo o utilizador pode utilizar um dedo para o arrastar pela superf cie multitoque para o local desejado s Cu Figura 0 15 Transla o Para efectuar a escala do modelo o utilizador pode utilizar dois dedos movendo os pela superf cie multitoque de encontro um ao outro ou afa
40. a matriz de projec o personalizada Outro problema encontrado teve a ver com a utiliza o do objecto Terrain inerente ao Unity3D Apesar de este dispor j de um conjunto de funcionalidades teis inerentes a terrenos geol gicos por motivos de performance as estruturas criadas com este objecto n o eram passiveis de rota o o que o tornou obsoleto como op o para a aplica o criada 50 4 Avalia o Foram abordados no cap tulo anterior as funcionalidades do sistema apresentado neste trabalho bem como as t cnicas de interac o definidas que permitem aos utilizadores criar e manipular cen rios de camadas geol gicas 3D De modo a avaliar o sistema desenvolvido feito um estudo comparativo da utiliza o das aplica es GeoCake desenvolvido nesta disserta o e da aplica o Geolllustrator CMR permitindo perceber a adequabilidade das t cnicas usadas para interac o em modela o 3D e funcionalidades proporcionadas para cria o de modelos geol gicos na nossa aplica o Infelizmente os testes n o contaram com a presen a de ge logos devido a alguma dificuldade encontrada na desloca o destes as instala es da faculdade onde a avalia o foi feita que teria sido importante para atingir resultados com um maior grau de fidelidade ent o apresentada nesta sec o a metodologia usada para a execu o dos testes com utilizadores efectuados as tarefas pedidas nestes ambiente de testes e materi
41. a mesa multitoque A visualiza o garantida por tecnologia estereosc pica que proporciona atrav s de um par de culos est reo uma percep o 3D do modelo Os resultados da avalia o experimental com utilizadores nos quais o prot tipo desenvolvido foi comparado com outra aplica o de modela o geol gica que fora desenvolvida para um sistema inform tico convencional usando rato e teclado mostram que o sistema proposto permite criar estruturas em camadas de uma forma r pida e simples sendo a modela o 3D e multitoque uma alternativa v lida aos processos de modela o tradicionais Palavras Chave Geologia camadas estratigr ficas modela o expedita interac o baseada em gestos esbo os visualiza o estereosc pica Abstract Illustration and visualization of 3D geological models are common tasks in many areas of geology In most cases these tasks consist of sketching on bi dimensional media to transmit a 3D perception of the geological concepts In this thesis we present a spatial gesture and motion based interaction system for rapid construction of three dimensional 8D geological models and illustrations on and above a multi touch tabletop screen The models are composed by uniform stratigraphic layers i e without geological folds and faults stacked upon each other Starting from no data scenarios the system enables expeditious modeling edition and exploration of terrains and subsoil within a tridim
42. ados No entanto no topo da lista de tecnologias de realidade virtual esta o Oculus Rift que um equipamento desenhado principalmente para o uso em videojogos O Oculus Riff um sistema visual do tipo Head Mounted Display onde um par de culos est equipado com dois ecr s nos lugares das lentes simulando os olhos do utilizador num ambiente virtual O dispositivo tem um sensor de movimentos embutido permitindo que as imagens em 3D se movam consoante os movimentos da cabe a do utilizador Por fim como representante da realidade aumentada surge o trabalho de Hilliges et al 2012 Este introduz um sistema interactivo que combina uma camara Kinect e um ecr translucido para que os utilizadores consigam misturar a realidade com o ambiente virtual possibilitando lhes a interac o com objectos gr ficos tridimensionais figura 2 17 A cena 3D representada atrav s de um espelho translucido que reflecte a imagem virtual gerada num ecr posicionado acima do mesmo e alinhada espacialmente com o mundo real a baixo Figura 2 17 Sistema de realidade aumentada HoloDesk Hilliges et al 2012 18 2 4 Gestos em Superf cie Multitoque Nos dias de hoje as superf cies e ecr s multitoque como interface s o uma realidade para a maioria das pessoas Estes encontram se presentes por exemplo no dia a dia daqueles que possuem um smartphone ou tablet sendo que o uso deste tipo de dispositivo se encontra em larga expans o A g
43. al utilizado an lise dos dados recolhidos e respectiva discuss o 4 1 Metodologia Por forma a avaliar as v rias funcionalidades presentes na aplica o bem como o m todo de interac o utilizado para o multitoque e para os gestos foram efectuadas sess es de testes com um conjunto de utilizadores A dura o dos testes prevista foi de cerca de 60 minutos estando divididos em duas fases Estas consistiam em testar dois prot tipos diferentes o apresentado neste trabalho e a aplica o Geolllustrator facultada para o efeito pelo grupo CMR Cada fase foi dividida em tr s etapas Na tabela seguinte tabela 4 1 est o representadas as v rias etapas que constitu am cada fase do teste e os tempos previstos para cada uma Etapa Tempo min Apresenta o 5 Teste da Aplica o 20 Preenchimento do Question rio 5 Tabela 4 1 Tabela de tempos previstos para a sess o de testes A aplica o Geolllustrator foi utilizada em conjunto com a nossa a fim de poder fazer uma compara o entre as funcionalidades e interac o de ambas Apesar de as duas serem baseadas em esbo os as aplica es possuem m todos de interac o distintos Enquanto a aplica o GeoCake possui uma interac o multitoque e baseada em gestos 3D o utilizador interage com o Geolllustrator recorrendo ao rato e teclado Para al m do m todo de interac o tamb m a met fora usada para o esbo o das curvas e o algoritmo de ajuste de superf cies
44. ant Figura 1 Figura 2 Figura 3 Test statistic W 53 5 17 43 5 Critical value N 15 25 25 25 p lt 0 05 Conclusion NS SIG NS Tabela 4 4 Resultado do Wilcoxon signed rank test sobre os tempos dos testes 57 A partir destes resultados podemos concluir que a aplica o GeoCake tem resultados significativamente melhores na tarefa 2 17 lt 25 concluindo se que esta bastante melhor a nivel de desempenho temporal em tarefas mais complexas 4 4 2 GeoCake vs Geolllustrator De modo a ter uma no o melhor das qualidades e problemas da aplica o GeoCake foi ent o feita uma compara o entre os resultados obtidos com esta e com a aplica o Geolllustrator que nao obstante possuir um meio de interac o e alguns m todos de edi o diferentes um sistema de modela o geol gica baseada em esbo os com os objectivos semelhantes aos nossos de oferecer uma forma r pida e simples de exprimir cen rios geol gicos sendo portanto uma boa referencia de compara o Ao nivel da interface gr fica foi questionado aos utilizadores sobre a quantidade de bot es nas interfaces a sua disposi o e se a sua fun o era expl cita P de verificar se que a quantidade de bot es na aplica o Geolllustrator era ligeiramente superior do GeoCake Os utilizadores classificaram a disposi o dos bot es no GeoCake mais coerente do que no Geollustrator m dias de 3 33 contra 3 27 Al m disso consideraram ainda que as fu
45. ara tal o utilizador deve e Iniciar a m quina pertencente mesa multitoque caso ainda n o o esteja e Na pasta da aplica o entrar no projecto KinectRactangleMS e correr a aplica o KinectRectangleMS exe e Colocar uma folha branca encostada a cada um dos cantos inferiores do ecr multitoque e outra no meio e Najanela onde se pode observar a imagem proveniente do Kinect clicar nos cantos inferiores do ecr da mesa multitoque com o rato e repetir no centro do ecr esta ac o vai gerar uma representa o das dimens es da mesa e Carregar na tecla W a fim de gravar as dimens es da mesa para o ficheiro rectangle txt presente na pasta da aplica o e Copiar o ficheiro rectangle txt e col lo na pasta do projecto GeoCake 15 pe Kinect Rectangle MS Res E Figura 0 2 Captura das dimens es da mesa 1 3 Iniciar HeadTracker O HeadTracker a ferramenta que vai localizar continuamente o modelador escolhendo entre as v rias pessoas presentes na sala quem efectivamente o utilizador do sistema e passar essa informa o aplica o Esta ferramenta indispens vel para o sistema na medida em que torna poss vel a constante actualiza o da matriz de projec o personalizada ao modelador Por forma a iniciar o Headtracker o utilizador deve e Iniciar a m quina pertencente mesa multitoque caso ainda n o o esteja e Na pasta da aplica o entrar no projecto Head Tracker MS e co
46. as onde gestos possam ser usados para a modela o expl cita de superf cies e objectos geol gicos sendo este o principal objectivo da tese 2 2 Interac o Espacial Sistemas com os quais poss vel interagir espacialmente atrav s de gestos e movimentos cujo principal objectivo permitir uma interac o com sistemas computacionais sem contacto f sico com o mesmo s o uma tecnologia que tem ganho um grande protagonismo recentemente principalmente com a rea dos videojogos Estas interfaces permitem ao utilizador uma interac o mais intuitiva No entanto um reconhecimento bem sucedido dos gestos um desafio pois n o s a possibilidade do uso de movimentos naturais limitado pela tecnologia actual como surgem ambiguidades em atribuir um nico evento a um determinado tipo de gestos Um dos problemas continua a ser a segmenta o dos gestos sendo que n o trivial definir onde um gesto iniciado ou termina Para al m disso n o h um consenso absoluto no que toca defini o de gesto destacando se dois polos principais 11 Num artigo de 1991 Rubine 1991 define gestos como sendo marcas feitas com a m o utilizando um rato que indicam um comando ou contexto Esta defini o demarca se um pouco daquilo que geralmente entendido como um gesto pois necessita de um objecto de interac o neste caso o rato para ser efectuado No outro extremo e mais natural Rico and Brewster 2010 descrevem gestos como s
47. atali et al de 2013 A falta ou aus ncia de dados obriga o ilustrador modelador a focar se nas caracteristicas globais do modelo podendo ent o ser complementadas mais tarde quando mais dados estiverem dispon veis com detalhes mais finos Assim o processo de modela o orientado pelo conhecimento geral do ge logo podendo necessitar de v rias itera es para produzir o resultado desejado Note se que cada itera o consiste num esbo o r pido j que n o h informa es como base pois para construir modelos geol gicos mais detalhados s o obrigatoriamente necess rios dados reais Esta externaliza o pode mais facilmente ocorrer num sistema que permita que o modelador possa semelhan a de um escultor passar as suas ideias de forma directa para um modelo A percep o 3D do cen rio modelado pode tamb m ser aumentada atrav s da combina o de visualiza o estereosc pica utilizando por exemplo um par de culos polarizados com um sistema de seguimento da posi o da cabe a Este sistema aumenta a percep o espacial do utilizador pois dependendo da sua posi o em rela o ao modelo a imagem gerada segundo a sua perspectiva Em conjunto a estereoscopia e o seguimento da cabe a ambos transmitem ao modelador a ilus o de que os objectos da cena est o em acima da superf cie de visualiza o tornando estas ferramentas muito uteis para a modela o e explora o de objectos tridimensionais 1 2 Descri o d
48. ca o Apesar de a transla o ser feita na direc o do movimento do toque a uma velocidade aproximada ao mesmo foi definido um limite para esta velocidade Esta op o foi tomada de modo a manter o desfecho da ac o previs vel impedindo o utilizador de cometer involuntariamente um erro atrav s de um movimento demasiado brusco Por forma a escalar o modelo o modelador necessita de dois dedos Estes devem ser arrastados de encontro um ao outro ou afastando os um do outro O movimento deve aproximar a forma de uma linha recta Ao afastar os dedos o utilizador aumenta a escala do cen rio aumentando o seu tamanho caso contr rio o cen rio escalado diminuindo o seu tamanho de referir que a escala tem um limite superior e um inferior que nunca ultrapassado isto a proxy onde desenvolvido o cen rio tem sempre um tamanho m ximo e m nimo fixo Assim o tamanho m ximo corresponde ao tamanho m ximo dos mapas de alturas utilizados como superf cies e o tamanho m nimo a cerca de 10 do tamanho m ximo Um tamanho m nimo foi definido de modo a impedir que o utilizador fizesse o modelo desaparecer Quanto rota o pode ser efectuada de duas formas distintas a primeira roda o modelo em torno do eixo vertical yy e a segunda em torno de xx Para rodar o cen rio em torno de yy o modelador deve utilizar dois toques arrastando os dedos de forma circular em rela o um ao outro Este movimento permite que a aplica
49. cie multitoque desenvolvida por Wellner 1991 sees eee eeeeeeeeeeeeeeaes 19 Figura 2 19 Tecnologia multtoque LLP tetiainastniecclv Hemi idea feira usa n a a dana 21 Figura 2 20 Tecnica de interac o TRS sao n lela eis a a aa da a a eed ale ioe 21 Figura 2 21 T cnica de interac o Sticky TOOIS ccccccsesccccccccessececcceseeeecceauseeeecssauseeeesssauseeeesssagseeees 22 Figura 3 1 Interac o de um utilizador com o sistema proposto 28 Figura 3 2 Modelo com po o de perfura o gerado na aplica o GeoCake 28 Fouras SS ep do SIStCIM A Rabi a a sie a di deli oc joel stone 29 Figura 3 4 Diagrama da arquitectura do sistema desenvolvido 30 Figura 3 5 MD segura o instrumento de interac o a enquanto a MND navega no menu da GUI O Sic o ppE Rae RR EB E SR E ESSE RENT DOCE RR 32 Figura 3 6 Duas imagens 2D que comp e a imagem 3D eee 33 Figura 3 7 Ecr de calibra o da localiza o da mesa multitoque KINECL ccccccccccceesseeeeeeeeaeeeeeees 34 Figura 3 8 Sistema de coordenadas f sica azul e virtual verde eee 34 Figura 3 9 Instrumento de interac o provido de marcadores pticos 35 Figura 3 10 Avatares dados aos dispositivos virtuais talocha caneta com ponta esf rica e broca daesquerda para ardifelta ssa sssesira doloso a a a a dO Ena assa ges ola a das ads 36 Figura
50. colocado numa posi o horizontal altura da cintura figura 3 1 J a percep o 3D do conte do gr fico conseguida atrav s de um ecr estereosc pico usando um par de culos estereosc picos activos juntamente com uma c mara de profundidade que regista o posicionamento da cabe a do utilizador relativamente ao ecr figura 3 1 Esta caracter stica vai permitir que seja gerada uma perspectiva de visualiza o adequada posi o do modelador O utilizador encontra se cercado por c maras de captura de movimento que monitorizam continuamente os marcadores pticos que instrumentam o dispositivo de desenho i e caneta A caneta utilizada para a interac o espacial para modelar o conte do geom trico Dentro da aplica o o utilizador visualiza uma caixa virtual proxy para desenhar as superf cies e um menu para evocar as diversas funcionalidades de modela o e visualiza o O modelador poder utilizar a superf cie multitoque para proceder a transforma es geom tricas sobre o modelo bem como a adi o de alguns pormenores geom tricos ao mesmo Limitado inferiormente pela superf cie do ecr o espa o acima da superf cie confere ao utilizador toda a liberdade necess ria para desenhar livremente no ar um prot tipo ou esbo o de um terreno e de camadas estratigr ficas 21 Figura 3 1 Interac o de um utilizador com o sistema proposto Deste modo o utilizador pode criar cen rios geol gicos est
51. da proxy Cada pega marca dois limites um em cada um dos eixos permitindo ocultar todo o conte do que se situa atr s deste Assim a por o do cen rio mostrado depende dos pontos em que estes se encontrem As pegas podem ser acedidas tocando nelas e arrastando as para a direc o desejada De imediato os limites de oclus o s o alterados dando ao modelador a possibilidade de ver para o interior do modelo De cada vez que detectado um toque num widget o sistema escolhe este no lugar de uma poss vel transforma o espacial sobre o cen rio importante frisar que de modo a manter a coer ncia espacial a aplica o n o permite que uma pega atravesse a fronteira definida por outro A forma de desempenhar as transforma es geom tricas sobre o cen rio bem como a manipula o das pegas para os planos de corte est explicada em detalhe no Manual de Utilizador Ap ndice A Qualquer altera o relativamente parte do modelo vis vel reportada por um indicador na interface Esta apresenta desta forma um pr visualizador que ajuda o modelador a situar se Esta pequena funcionalidade muito til dado que apresenta um meio de saber qual a parte do cen rio oculta e qual a por o vis vel figura 3 11 ainda de referir que os widgets s o automaticamente ocultos quando o sistema est em modo de edi o estando esta ferramenta de forma semelhante s transforma es afins apenas dispon vel no modo de camara da apl
52. diferente nomeadamente o Geolllustraror permite apenas a edi o atrav s do esbo o de curvas nas faces do cubo utilizado como proxy 51 Assim interessante comparar as utiliza es de ambas as aplica es em termos de efici ncia e efic cia na modela o e explora o 3D Antes do in cio do teste foi sorteado qual das aplica es devia ser testada em primeiro pelo utilizador tentando que o n mero de utilizadores para cada ordem de teste fosse o mais equilibrado poss vel por forma a impedir que esta influenciasse ou enviesasse os resultados e assim garantir a validade destes 1 Apresenta o No in cio de cada fase foi feita uma apresenta o da aplica o em causa e explicado como esta funcionava revelando e demonstrando todas as funcionalidades Mais especificamente foi explicada a interface e as fun es dos bot es e demonstrado como interagir com a aplica o como criar superf cies e modelos geol gicos simples 2 Teste das Aplica es O teste das aplica es pretende averiguar se o sistema apresentado neste trabalho tr s ou n o vantagens na cria o de modelos de camadas geol gicos relativamente aos sistemas convencionais de modela o e ilustra o ex Geolllustrator focando na forma de interac o e nas funcionalidades de modela o disponibilizadas i Habitua o aplica o Ap s a apresenta o e demonstra o das funcionalidades da aplica o 1 foi dado aos utili
53. dings of the SIGCHI Conference on Human Factors in Computing Systems 01 261 268 71 Tang J K T Chan J C P Leung H 2011 Interactive Dancing Game with Real time Recognition of Continuous Dance Moves from 3D Human Motion Capture Proceedings of the 5th International Conference on Ubiquitous Information Management and Communication 11 50 Toney A Thomas B H 2006 Considering reach in tangible and table top design First IEEE International Workshop on Horizontal Interactive Human Computer Systems 06 Table Top 5 7 Turner K 2006 Challenges and trends for geological modelling and visualisation Bulletin of Engineering Geology and the Environment 65 2 109 127 Wang R Paris S Popovic J 2011 6d hands markerless hand tracking for computer aided design Proceedings of the 24th annual ACM symposium on User interface software and technology 11 UIST 549 558 Wellner P 1991 The digitaldesk calculator tangible manipulation on a desk top display In Proceedings of the 4th annual ACM symposium on User interface software and technology 91 UIST 2 33 Refer ncias Online 3D GeoModeller www geomodeller com 3D Max www autodesk com products 3ds max overview AutoDesk www autodesk com CityEngine ww esri com software cityengine CMR and Geolllustrator www cmr no cmr_computing index ctm 7id 313109 Data Glove htto www vrealities com oroducts data gloves EarthVision ww
54. do tamb m ao multitoque Kim et al 2006 Quanto s citadas transforma es geom tricas sobre o cen rio a aplica o permite ao utilizador transformar os modelos em particular a proxy segundo cinco graus de liberdade 5 DOF nomeadamente dois graus de transla o dois graus de rota o e um de escala uniforme Para tal o utilizador tem ao seu dispor o gesto de tocar e arrastar os dedos sobre a superf cie dependendo a ac o escolhida do n mero de dedos usados e direc o do seu movimento 36 A transla o ocorre apenas em dois graus de liberdade pois apenas contemplada o movimento da proxy sobre o plano x Z n o sendo do interesse neste trabalho alterar a altura em que se encontra o cen rio coordenada y na medida em que til a superf cie da mesa definir o limite inferior da altura deste No caso das transforma es de rota o mais uma vez o utilizador apenas pode manipular dois dos graus de liberdade S o estes rota o em torno dos eixos yy yaw e de xx pitch O terceiro grau foi exclu do na medida em que n o foi encontrada vantagem em rolar o modelo para a esquerda ou para a direita em termos de compreens o do cen rio Em termos de gestos sobre a mesa de modo a movimentar o modelo isto proceder sua transla o sob o plano no espa o o modelador utiliza um s dedo para interagir com a superf cie Este deve ent o ser arrastado na direc o pretendida para mover o conte do da apli
55. dores onde a aplica o apresentada GeoCake foi comparada com um prot tipo do Geolllustrator aplica o WIMP de modela o geol gica baseada em esbo os mostrou que o sistema desenvolvido nesta disserta o n o s alcan ava tempos de modela o melhores para cen rios mais complexos como que era poss vel gra as interac o espacial alcan ar de forma expedita resultados muito satisfat rios na cria o cen rios geol gicos de camadas Posto isto como principais contribui es deste trabalho destacam se 1 O recurso a gestos no espa o com e sobre uma mesa multitoque para a manipula o directa do sistema e de tecnologias 3D est reo na cria o de cen rios geol gicos constitu dos por camadas estratigr ficas homog neas layered cake models 2 A defini o para novas linhas de investiga o em interac o para o esbo o deste tipo espec fico de modelos desenvolvendo e explorando gestos e movimentos espaciais acima da mesa para manipula o directa na recria o de paisagens geol gicas proporcionando um meio de interac o natural e com grande vantagem para modeladores 65 5 2 Trabalho Futuro Como trabalho futuro considera se importante a adi o de algumas funcionalidades e correc o de algumas caracter sticas da aplica o Funcionalidades interessantes a ter em conta seriam habilitar o modelador de poder fazer anota es sobre o modelo criar especificamente redes fluviais e importar model
56. e 2009 symposium on Interactive 3D graphics and games 31 38 Galyean T A Hughes J F 1991 Sculpting an interactive volumetric modeling technique Proceedings of the 18th annual conference on Computer graphics and interactive techniques 91 SIGGRAPH 267 274 Gallo L Placitelli A P Ciampi M 2011 Controller free exploration of medical image data experiencing the Kinect Proceedings of the 2011 24th International Symposium on Computer Based Medical Systems 11 1 6 Grossman T Wigdor D 2007 Going Deeper A Taxonomy of 3D on the Tabletop Second Annual IEEE International Workshop on Horizontal Interactive Human Computer Systems 07 137 144 Guiard Y 1987 Asymmetric Division of Labor in Human Skilled Bimanual Action The Kinematic Chain as a Model Journal of Motor Behavior 19 486 517 Hancock M Carpendale S 2007 Supporting Multiple Off Axis Viewpoints at a Tabletop Display Horizontal Interactive Human Computer Systems 07 171 178 Hancock M Nacenta M Gutwin C Carpendale S 2009 The Effects of Changing Projection Geometry on the Interpretation of 3D Orientation on Tabletops Proceedings of the ACM International Conference on Interactive Tabletops and Surfaces 09 ITS 157 164 Hancock M ten Cate T Carpendale S 2009 Sticky Tools Full DOF Force Based Interaction for Multi touch Tables Proceedings of the ACM International Conference on Interactive Tabletops and Surfaces 09 ITS
57. e consiste numa interpola o impl cita de superf cies comummente usada como m todo de reconstru o tridimensional dado um conjunto de pontos B rentzen et al 2012 A TPS pode ser representada em termos de uma soma ponderada de fun es de base radial radial basis functions ou RBF que mapeia x numa nova localiza o f x FO gt glx w ID q onde a norma euclidiana c um conjunto de coeficientes de mapeamento w um ponto de controlo com i entre 1 e K e q representa a RBF com q P log r A utiliza o de RBF s para a gera o de superf cies na modela o de terrenos n o nova Berentzen et al 2012 sendo que o princ pio de modela o consiste na determina o de uma superf cie impl cita definida como uma fun o escalar de valores reias s x de tal forma que todos os pontos fornecidos satisfa am a condi o s x 0 podendo escrever um sistema de K equa es por K inc gnitas Os coeficientes da superf cie c s o ent o calculados resolvendo um sistema de equa es lineares de referir que de modo a construir uma superf cie o algoritmo necessita de pelo menos 3 pontos de controlo neste caso com 3 pontos o algoritmo gera um plano interpolador Esta representa o foi escolhida n o s pela boa performance que apresenta com as quantidades de pontos esbo adas como garante que a 43 superf cie passa efectivamente por eles proporcionando um comportamento fluido e com resultados de
58. ection Computer Assisted Virtual Environment rear Diffused Illumination Degrees of Freedom Frustrated Total Internal Reflection Graphic User Interface Infrared Laser Light Plane Mao Dominante Mao Nao Dominante Point of View Radial Basis Functions Thin Plate Spline Translation Rotation Scale Window Icon Menu Pointing device XIV XV 1 Introdu o llustrar e visualizar conceitos geol gicos em 3D como terrenos ou subsolos s o tarefas comuns em muitas reas da geologia e encontradas num vasto leque de aplica es Tais tarefas visam a comunica o de rela es espaciais e temporais de poss veis configura es estruturais apresentadas por um objecto geol gico Lidal 2013 Turner 2006 Actualmente o desenho de ilustra es tridimensionais normalmente realizado em meios 2D como tentativa de transmitir uma percep o espacial fora do plano de desenho No entanto o aparecimento de novas formas de interac o leva nos a p r em causa este m todo pois solu es como a visualiza o estereosc pica ou a interac o espacial que recorre a c maras de profundidade por forma a capturar e localizar gestos de um utilizador podem providenciar um controlo preciso e experiencia tridimensional natural e eficaz no desenvolvimento de cen rios geol gicos 1 1 Motiva o A externaliza o de uma ideia ou conceito principalmente se se partir de um cen rio sem dados uma tarefa muito comum em geologia N
59. el se tratasse esta foi tamb m feita para a edi o de detalhe multitoque Houve ainda quem sugerisse uma fus o dos dois modos de c mara e edi o permitindo efectuar transforma es sobre o modelo a qualquer altura Esta acaba por vir em linha do problema referido anteriormente no qual 63 nem todos os utilizadores se lembravam de alternar entre os modos quando necess rio Neste mbito foi sugerido que as rota es efectuadas sobre o cen rio se mantivessem durante a edi o de modo a proporcionar uma edi o mais fluida e uma melhor perspectiva sobre os dados durante a edi o Por fim pode se observar que a maioria dos utilizadores tirou partido do sistema de capta o da posi o do utilizador referente mesa para melhorar a sua experiencia de visualiza o 3D A figura 4 14 mostra alguns modelos criados durante as sess es de testes com as aplica es GeoCake e Geolllustrator GeoCake GeoCake Figura 4 14 Modelos gerados pelos utilizadores durante as sess es dos testes 64 5 Conclus o Ap s apresentados e discutidos os resultados da avalia o experimental com os utilizadores s o abordadas neste capitulo as conclus es finais e contribui es bem como uma reflex o sobre o trabalho futuro a desenvolver 5 1 Sum rio e Contribui es Com o prop sito de encontrar uma forma alternativa aos sistemas convencionais WIMP para cria o manipula o e visualiza o de cen rios geol g
60. em se ainda como objectivo mostrar que o sistema desenvolvido de facto uma alternativa vi vel a outros sistemas similares com um modo de interac o convencional rato e teclado Lidal 2013 Bendiksen 2013 til e com vantagem para o utilizador A interac o deve ser o mais natural e o menos complexa poss vel quer para utilizadores experientes quer inexperientes 1 4 Solu o Desenvolvida Tendo em conta os objectivos propostos foi desenvolvido um sistema de interac o espacial baseada em esbo os para a constru o expedita de modelos geol gicos em camadas ou seja terreno e subsolo recorrendo a uma mesa multitoque a um sistema de captura de movimentos As superf cies s o representadas como um conjunto de mapas de alturas sendo uma representa o comum para modela o 3D de terrenos e subsolos Como refer ncia um mapa de alturas uma fun o matem tica f a b c d pertencente a F gt R A solu o desenvolvida permite uma interac o mais directa do que com o convencional uso de rato e ou teclado fazendo uso de dispositivos como c maras de profundidade e de captura de movimentos explorando ainda as funcionalidades de uma mesa de projec o estereosc pica com superf cie multitoque para facilitar a constru o de maquetes Ara jo et al 2013 e modelos geol gicos Deste modo a ideia consiste em usar o sistema proposto para construir modelos estratigr ficos para efeitos de ilustra o e visuali
61. ema de capta o seja preciso em captar apenas um e um s utilizador de cada vez Caso contr rio poss vel que o sistema entre em conflito tentando gerar imagens para dois ou mais utilizadores criando se um efeito de intermit ncia flickering Quando o modo de camara seleccionado s o imediatamente geradas as tampas laterais para cada uma das camadas na caixa proxy Estas tampas ou faces permitem ao modelador observar com melhor precis o as fronteiras e reas cobertas por cada camada Desta forma feita uma triangula o simples entre os pontos fronteiri os de cada uma das camadas figura 3 19 45 Figura 3 19 Tampas laterais geradas entre as superf cies das camadas Para a gera o das malhas para as tampas laterais foi criado um triangulador b sico que emparelha os pontos dos pares de camadas Os tri ngulos pares s o formados pelo ponto na fronteira de uma das superf cies e pelos pontos e 7 na superf cie a cima Os tri ngulos mpares s o formados pelos pontos e i 1 da fronteira da superf cie abaixo e pelo ponto 7 da superf cie acima como ilustrado na figura seguinte i 1 Figura 3 20 Algoritmo de triangula o Por forma a minimizar o efeito de oclus o provocado aquando um utilizador tenta reeditar uma camada localizada geologicamente abaixo de outra a aplica o garante que todas as camadas acima da citada fiquem translucidas Este efeito imediatamente activado se
62. endo movimentos deliberados do corpo usados como inten o de comunicar uma ideia sendo que este pode ser usado durante uma conversa entre duas pessoas ou como comunica o entre um humano e uma m quina Assim o reconhecimento de gestos e movimentos tem como objectivo permitir a humanos comunicar com m quinas sem recorrer a dispositivos mec nicos sendo a interpreta o destes feita atrav s de algoritmos matem ticos Para tal a captura destes pode ser feita recorrendo a variados tipos de dispositivos desde c maras e sensores de movimentos como o caso do Kinect da Microsoft a marcadores pticos ou activos acoplados ao utilizador para a captura dos movimentos No caso do uso de camaras o seu reconhecimento pode ser feito atrav s de um conjunto de t cnicas de processamento de imagem Como referido e ao contr rio das interfaces h pticas este tipo de captura n o requer que o utilizador vista equipamentos especiais ex Data Glove ou que recorra a dispositivos que estejam acoplados ao seu corpo como sensores ou marcadores permitindo uma interac o cont nua e sem fios de referir que esta tecnologia pode ainda ser utilizada para reconhecimento facial Pode se considerar que o primeiro grande sistema de interac o espacial foi desenvolvido por Bolt 1980 No seu sistema o utilizador podia criar e mover objectos 2D como cubos c rculos ou tri ngulos dist ncia apontando para o local desejado num ecr de gra
63. ensional environment The modeling principle is based on the fact that the geometry of a terrain or stratigraphic subsurface can be modeled with spatial and multi touch gestures The developed system enables the modeling of finer details by interacting with the multi touch surface with the user s fingertips Interaction with the system is acquired by a motion capture technology and a multi touch table Visualization is granted by a stereoscopic technology that using 3D glasses allows a tridimensional perception of the created 3D scenarios We performed an experimental user evaluation where we compared the developed prototype with a conventional windows icon menu pointer geologic modeling application The results show that the proposed system allows the rapid modeling of layered geologic structures and that multi touch and 3D spatial modeling is a valid alternative to traditional modeling methods Key words Geology stratigraphic layers rapid modeling gesture based interaction sketching stereoscopic visualization Conte do do JN OQUE O st a a are es SS SEE SG 1 1 1 WIGTIMACAG cuia oia ae Ge e a DN siooN aves 1 1 2 Descri ao do PODEM E araras asia ones SU E eet ce PU alee ces DE 1 1 3 OBICCIVOS raratan a a a eia ad dia A ada 2 1 4 Solu o Desenvolvida a ereeeeererreea ana rerreeaaa ne rreeaa an cerenan encena nana a ereenaaaanaa 2 1 5 COMO UIC OC S gasolina bi N a 3 1 6 Estutura da DISSERa o tia a das salada Gaga
64. eology Msc Thesis University of Bergen Bolt R A 1980 Put that there Voice and gesture at the graphics interface Proceedings of the 7th annual conference on Computer graphics and interactive techniques 80 SIGRAPH 262 270 Coffin C H llerer T 2006 Interactive Perspective Cut away Views for General 3D Scenes Proceedings of the IEEE conference on Virtual Reality 06 25 28 Cohe A Decle F and Hachet M 2011 tBox a 3D transformation widget designed for touch screens In Proceedings of the SIGCHI Conference on Human Factors in Computing Systems 09 3005 3008 68 Cruz Neira C Sandin D J DeFanti T A 1993 Surround screen projection based virtual reality the design and implementation of the CAVE Proceedings of the 20th annual conference on Computer graphics and interactive techniques 93 SIGGRAPH 135 142 Ebert D S Shaw C D Zwa A Starr C 1996 Two handed Interactive Stereoscopic Visualization Proceedings of the 7th conference on Visualization 96 VIS 205 210 Elmavist N Tsigas P 2008 A Taxonomy of 3D Occlusion Management for Visualization IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 08 14 5 1095 1109 Elmqvist N Tudoreanu M E 2007 Occlusion management in immersive and desktop 3d virtual environments Theory and evaluation International Journal of Virtual Reality 6 21 32 Gain J Marais P StraBer W 2009 Terrain sketching Proceedings of th
65. ersonalizada ao utilizador 3 2 Arquitectura Para a concretiza o deste trabalho foi utilizado um setup que combina uma mesa multitoque de visualiza o estereosc pica um sistema de captura de movimentos e uma camara de profundidade Kinect figura 3 3 Figura 3 3 Setup do sistema a C maras de infravermelhos OptiTrack b C mara Kinect c Mesa com ecra 3D multitoque d Dispositivo de interac o provido de marcadores pticos A superf cie da mesa multitoque composta por uma televis o 3D de dimens es 70x122 cm deitada sobre uma base de cerca de 95 cm de altura sua volta est colocada uma moldura dotada da tecnologia multitoque Infrared Grid grelha de raios infravermelhos para a capta o dos pontos onde a superf cie tocada pelo utilizador Uma grelha depois gerada a partir de um conjunto de leds igualmente espa ados presentes na moldura que emitem raios de infravermelhos Os raios s o ent o detectados por foto receptores do lado oposto da moldura Quando um dedo toca no ecr o raio de infravermelhos que passa pelo ponto interrompido e a posi o da interrup o detectada Foi utilizado como sistema de captura de movimentos o OptiTrack sendo constitu do por um conjunto de dez projectores e camaras de infravermelhos colocados em volta da sala que conseguem localizar no espa o um conjunto de marcadores reflectores Para ser detectado pelo sistema um marcador tem de estar a vista de
66. este modo o novo ponto interm dio vai herdar as coordenadas de x e z do ponto a superf cie situando se portanto exactamente abaixo deste e a coordenada y do ponto no interior do modelo O avatar da caneta como dispositivo de desenho pode ser usado para a adi o de esbo os Os esbo os s o representados por um conjunto de pontos foram escolhidos pequenos cubos como representa o como forma de expressar o caminho seguido pela caneta tocando no bot o de activa o para activar desactivar o desenho do esbo o figura 3 17 A partir dos esbo os a aplica o pode ajustar localmente se o utilizador assim o desejar o mapa de alturas da camada em edi o altura dos pontos marcados Esta fun o principalmente til se o modelado quiser adicionar ao modelo um conjunto de depress es ou eleva o tal como uma pequena cordilheira montanhosa Para desempenhar a tarefa a aplica o come a por fazer uma filtragem aos pontos eliminando todos aqueles que se encontram muito pr ximos uns dos outros Em seguida optou se por ordenar os pontos em termos da sua altura do mais baixo para o mais elevado Esta op o foi tomada como forma de garantir uma prioridade aos pontos mais altos em detrimento dos mais baixos Caso contr rio dar se ia que existindo dois pontos pr ximos no mapa de 42 alturas com eleva es diferentes o ponto mais baixo pudesse anular a eleva o criada pelo mais alto figura 3 16 Quando o utilizador se
67. evos mais finos podendo representar cadeias de montanhas e foi lhes pedido que criassem um cen rio com as mesmas caracter sticas mas n o necessariamente igual O modelo possu a duas 53 camadas estratigr ficas com a camada inferior relativamente plana sobressaindo ent o da camada superior uma s rie de relevos de referir que ao contr rio do cen rio da primeira tarefa este n o representa uma paisagem t pica tal como estamos habituados a ver O grande foco nesta sem d vida testar a capacidade de modelar detalhes por parte da aplica o Na nossa aplica o para al m da modela o da superf cie recorrendo s ferramentas enumeradas na primeira tarefa por forma a desempenhar esta tarefa o utilizador dever fazer uso da edi o multitoque e do esbo o de curvas de pontos para o ajuste local do mapa de alturas A barra de ajuste de alturas das camadas pode tamb m ser considerada til nesta tarefa Figura 4 2 Modelo a seguir na Tarefa 2 Tarefa 3 Por fim na terceira tarefa era pedido aos utilizadores que reproduzissem um cen rio com tr s camadas estratigr ficas semelhantes entre si O cen rio formava aquilo que pode ser considerado um monte e estava rodeada por gua nas laterais O modelo apresentado aos utilizadores apresentava se tamb m cortado em forma de fatia com a face lateral voltada para o utilizador revelando apenas uma parte do cen rio completo Esta tarefa tinha como principal ob
68. f cies figura 2 6 Figura 2 6 Superf cies geradas a partir de curvas de pontos esbo adas nas faces da proxy Lidal et al 2013A No seguimento do trabalho de Lidal 2013 e com o objectivo de permitir a r pida cria o de estruturas geol gicas Bendiksen 2013 prop e um sistema baseado em esbo os utilizando para tal um cubo a fim de criar modelos estratigr ficos O estado inicial da aplica o um cubo vazio cujas faces v o ser utilizadas para esbo ar o contorno da superf cie nesse limite A superf cie ent o criada a partir da interpola o dos contornos da mesma nas v rias faces O utilizador pode ent o conferir mais algum detalhe superf cie adicionando vales rios e outras entidades geol gicas esbo ando para tal sobre a mesma figura 2 7 Figura 2 7 Esbo o directo na superf cie para adi o de detalhes Bendiksen 2013 De modo a reduzir a separa o entre as tarefas de interpreta o e modela o Amorim et al 2014 prop e tamb m uma abordagem baseada em esbo os para a cria o de modelos directamente da fase de interpreta o A modela o proposta baseada nas anota es standard de mapas geol gicos 2D por parte das interpreta es de ge logos Deste modo o sistema interpreta os esbo os 2D e anota es e gera o respectivo modelo estratigr fico tridimensional O sistema decide ainda de forma autom tica as idades das camadas do modelo com base nas anota es feitas de
69. finindo assim a sua sequ ncia Seguindo outra abordagem Arches Peytavie et al 2009 apresenta uma framework capaz de representar terrenos complexos como arcos ou cavernas baseado na utiliza o de voxels Para tal s o utilizados modelos de terrenos h bridos que combinam uma estrutura de dados volum trica discreta com uma representa o impl cita Para edi o do terreno s o utilizadas ferramentas de modela o de terrenos de alto n vel e de escultura ainda apresentado uma ferramenta de eros o que permite de forma eficiente gerar pilhas de pedras e ou areia figura 2 8 Figura 2 8 Representa o de eros o criada a partir de uma superf cie impl cita Peytavie et al 2009 10 Voxels representam valores numa grelha num espa o tridimensional e podem ser vistos como an logos ao texel que representa dados de imagem 2D num mapa de bits O voxel usado com frequ ncia na visualiza o e an lise de dados m dicos e cient ficos Um problema recorrente em sistemas de modela o geol gica prende se com a oclus o de determinados detalhes Neste sentido Coffin and Hollerer 2006 desenvolveram um m todo que proporciona aos utilizadores uma visualiza o de raio X virtual em cenas 3D permitindo de forma simples observar atrav s de objectos escondidos por oclus o dando ao utilizador uma melhor percep o de toda a cena 3D Para tal apenas necess rio especificar a forma do corte representado internamente c
70. ftwares especializados Como descrito na sec o 3 3 2 a capta o dos gestos ocorre atrav s de um conjunto de camaras que recorrendo a marcadores pticos recolhe informa o sobre a posi o e orienta o de um dispositivo deles dotado A grande vantagem deste sistema sem d vida a precis o com que a posi o captada No entanto esta tecnologia obriga tamb m a que o modelador esteja sempre provido de um dispositivo f sico que poderia ser evitado caso a captura dos gestos ocorresse de forma n o intrusiva com aux lio de uma camara de profundidade Durante a execu o do presente trabalho foi dada primazia precis o em detrimento de uma maior liberdade de movimento Apesar disto de referir que com o recente aparecimento do novo Kinect da Microsoft poss vel uma precis o mais elevada que pode competir com sistema utilizado Verificou se que a plataforma escolhida para o desenvolvimento o Unity3D apresenta algumas limita es quanto a um conjunto de fun es internas quando em combina o com o uso de matrizes de projec o personalizadas Este facto trouxe alguns problemas ao desenvolvimento do sistema 49 Como exemplo uma caracter stica que est em falta na aplica o e que apesar de pequena poderia trazer alguns benef cios quanto a percep o do cen rio a inclus o de sombras Dado que as sombras s o calculadas de acordo com a matriz de projec o estas n o conseguem ser geradas com um
71. ica o Esta decis o foi tomada como forma de manter a interface simples e limpa 38 Figura 3 11 Informa o sobre a parte do cen rio vis vel oculta Para al m da visualiza o o toque pode tamb m ser utilizado para editar o modelo Ainda no modo de camara o modelador pode redefinir as alturas de cada uma das camadas As alturas das camadas podem ser redefinidas e ajustadas recorrendo a um barra slider que possui uma representa o visual das posi es destas em forma de bot es selectores Assim o utilizador pode seleccionar o bot o correspondente a cada uma das camadas e arrast lo para cima ou para baixo na barra alterando desta forma a sua altura A altura destes ainda actualizada a cada instante de acordo com a edi o feita pelo modelador no cen rio proporcionando a qualquer momento uma pr visualiza o das posi es das camadas no cen rio figura 3 12 Figura 3 12 Barra de selec o ajuste de camadas A selec o da camada utilizada para edi o tamb m feita recorrendo a estes bot es No in cio apenas est vis vel um bot o correspondente a primeira das camadas sendo que de cada vez que o modelador queira adicionar mais uma deve seleccionar o bot o existente para o efeito No caso de dois bot es se interceptarem apresentado um menu de desambigua o ao lado destes 39 figura 3 12 A aplica o n o permite que a ordem das alturas dos selectores correspondentes a cada uma
72. ica o de que a aplica o GeoCake permitiu executar os tempos mais rapidamente que a aplica o Geolllustrator O altos valores verificados nos desvios padr o est o relacionados com a presen a de um ou outro outlier que fugiu regra As figuras 4 4 e 4 5 apresentam os gr ficos com as m dias e desvios padr o dos tempos de cada tarefa 56 GeoCake fig3 fig2 fig1 0 100 200 300 400 500 600 Tempo em segundos Figura 4 4 Gr fico da m dia e desvio padr o dos tempos levados em cada tarefa Geocake Geolllustrator fig3 fig2 fig1 0 100 200 300 400 500 600 Tempo em segundos Figura 4 5 Grafico da m dia e desvio padrao dos tempos levados em cada tarefa Geolllustrator De modo a poder comprovar esta ideia foi feita uma analise estatistica aos dados Em primeiro lugar foi feito um teste Shapiro Wilk que mostrou evidencias contra uma distribui o normal em algumas das tarefas Tanto na tarefa 3 executada com o GeoCake como na tarefa 1 executada com o Geolllustrator os valores p s o inferiores a 0 05 0 01 lt p lt 0 02 e p lt 0 01 respectivamente Dada a evidencia contra a normalidade optou se por um teste n o param trico Assim como foram usados os mesmos utilizadores para testar ambas aplica es a comparar foi aplicado aos dados um Wilcoxon signed rank test Os resultados podem ser observados na seguinte tabela tabela 4 4 onde estes s o classificados como NS Not significant e SIG Signific
73. icos foi apresentado nesta disserta o um sistema de modela o 3D baseado em gestos para a cria o expedita de cen rios geol gicos de camadas Foram revistos alguns sistemas e trabalhos nas reas da interac o gestual interac o multitoque visualiza o 3D e na modela o e explora o de modelos geol gicos Apesar da modela o de terrenos e subsolos ser utilizada em larga escala em areas desde a geologia ind stria dos videojogos e da evolu o tecnol gica nos m todos de interac o concluiu se que um sistema de modela o geol gica que tire partido de tecnologias interactivas inteligentes ainda foi pouco explorado Deste modo este trabalho averigua as vantagens de um ecr 3D com superf cie multitoque para explora o de dados e um sistema de captura de movimentos para a interac o com um sistema de modela o de camadas estratigr ficas O sistema proposto possibilita a interac o gestual para manipula o de diferentes ferramentas de modela o desde a edi o local at ao ajuste de superf cies a curvas esbo adas Os esbo os proporcionam uma forma simples e expedita de expressar as formas pretendidas numa superf cie O multitoque utilizado para a manipula o geom trica explora o dos modelos criados bem como a adi o de detalhes mais finos O sistema permite ainda a exporta o das superf cies geradas num formato standard para software de modela o 3D Uma avalia o feita com utiliza
74. igura 2 18 Superf cie multitoque desenvolvida por Wellner 1991 J no trabalho de Lindermann 2010 dada uma vis o geral sobre os dispositivos multitoque e tecnologias relacionadas como os ecr s resistivos capacitivos e outros m todos pticos S o ainda discutidas vantagens e desvantagens na utiliza o dos mesmos Como principais vantagens destes dispositivos destacado o facto de devido possibilidade de gerir o conte do do ecr de acordo com as necessidades uma interface multitoque poder ser adaptada a praticamente qualquer tipo de problema que deva solucionar bem como dar a possibilidade de servir de interac o a m ltiplos 19 utilizadores ao mesmo tempo O principal problema apontado prende se com o problema da oclus o provocado pelos dedos e m os do utilizador no conte do do ecr Por forma a classificar estas superf cies Grossman and Wigdor 2007 definem uma taxonomia de classifica o de tampos de mesa 3D interactivos atrav s de uma revis o feita a trabalhos existentes No artigo s o discutidas as principais reas da taxonomia exploradas tal como um conjunto quest es relacionadas com a interac o e algumas directrizes de desenho aplicadas na framework A taxonomia est dividida em tr s reas principais propriedades de visualiza o propriedades do input e propriedades f sicas Relativamente aos ecr s sens veis ao toque estes podem ser implementado de diferentes formas Alguns dos si
75. ios trabalhos Lidal 2013 Turner 2006 Olsen 2004 Peytavie et al 2009 Apesar deste facto poucos adoptam uma abordagem baseada em esbo os Natali et al 2012 Natali et al 2014A Natali et al 2014B Lidal et al 2013A Amorim et al 2012 Neste mbito da produ o de cen rios a partir de esbo os surge o Terrain sketching Gain et al 2009 uma interface de modela o atrav s de esbo os que permite uma gera o de terrenos de forma procedimental O terreno gerado iterativamente de forma a satisfazer as restri es do esbo o usando a deforma o de superf cies A interface suporta relevos utilizando curvas 2 5D sendo que permite ao utilizador controlo sobre a silhueta sombras e curvas de fronteira figura 2 4 O Terrain sketching permite por exemplo ao utilizador antes de confirmar um tra o modificar o esbo o desenhando por cima utilizando assim a met fora do l pis e do papel ainda poss vel ao utilizador ajustar a opacidade de um determinado elemento do terreno A interface disponibiliza tr s modos diferentes para cria o de classes diferentes de terrenos Figura 2 4 Esbo o da silhueta de uma montanha em Terrain sketching Gain et al 2009 Tamb m Amorim et al 2012 no seu trabalho reporta um sistema de modela o baseado em esbo os Aqui o foco uma interface para a avalia o em estados iniciais na prospec o de g s e petr leo permitindo a partir de um cen rio de dados com esbo
76. ipais funcionalidades 3 3 1 Interac o sobre a mesa Como descrito anteriormente a interac o sobre a mesa feita recorrendo tecnologia Infrared Grid que capta as posi es dos toques no ecr atrav s de uma grelha de infra vermelhos gerada a partir de um conjunto de leds que se encontram na moldura presente em volta do ecr A origem do sistema de coordenadas x y da mesa situa se no seu canto inferior esquerdo com valores entre O e o tamanho m ximo da mesa em ambos os eixos O sistema de captura passa ent o estas coordenadas aplica o Como o sistema estereosc pico no viewport as duas camaras s o colocadas uma sobre a outra figura 3 6 Este facto faz com que seja necess rio efectuar algumas transforma es sobre as coordenadas de modo a obter a tradu o exacta entre o ponto onde o ecr foi tocado e onde a aplica o entende que o toque ocorreu no ecr A quest o da estereoscopia ser abordada num t pico mais a frente neste trabalho sec o 3 3 5 Figura 3 6 Duas imagens 2D que comp e a imagem 3D Por forma a localizar os toques no espa o virtual da aplica o em coordenadas do mundo foi definida uma representa o digital da mesa Para tal as dimens es da mesa s o captadas por uma camara Kinect e guardadas num ficheiro txt figura 3 7 Este posteriormente lido no arranque da aplica o para definir as coordenadas no espa o onde est o localizados os cantos da mesa com
77. jectivo avaliar a capacidade de construir de forma simples e r pida um cen rio com v rias camadas estratigr ficas que se assemelham como natural encontrar na crosta terrestre bem como a explora o dos modelos com base nas transforma es geom tricas e defini o dos planos de corte Apesar de ser poss vel a defini o das superf cies camada a camada a forma mais simples de modelar o cen rio seria utilizar a particularidade do GeoCake em criar sempre uma camada com as caracter sticas da que lhe precede Deste modo definindo apenas uma camada recorrendo barra de ajuste das alturas das camadas seria poss vel criar todo o cen rio Por fim seria necess rio recorrer ao multitoque para transformar geometricamente o modelo e definir os seus planos de corte 54 Figura 4 3 Modelo a seguir na Tarefa 3 Ao contr rio do GeoCake o modo de edi o dos modelos no prot tipo do Geolllustrator e portanto da execu o dos testes neste decorre sempre da mesma forma definindo as posi es dos planos de corte da proxy em que o cen rio est contido e esbo ando as curvas de pontos neles A tabela 4 2 apresenta as caracter sticas gerais das tarefas N mero de Exist ncia de Exist ncia de Tempo Previsto Tempo Previsto Camadas gua Detalhes s GeoCake s Geolllustrator Tarefa 1 1 Sim N o 100 100 Tarefa 2 2 N o Sim 200 300 Tarefa 3 3 Sim N o 150 200 Tabela 4 2 Caracter sticas gerais das tarefas de ava
78. lguns problemas caso a mesma curva cobrisse dois planos de corte algo que pode facilmente acontecer quando uma curva se aproxima da fronteira entre dois planos O principal problema apontado ao GeoCake neste caso era que algumas vezes se poderia tornar complicada a co localiza o dos pontos criados no espa o 59 O algoritmo de ajuste de superf cies surface fitting utilizado para cria o das camadas com base nas curvas esbo adas teve um resultado mais imprevis vel na aplica o Geolllustrator Este mais complexo do que o utilizado na nossa aplica o suportava uma variedade maior de tipos de estruturas geol gicas mas tinha como grande desvantagem o ajuste a curvas que apresentassem detalhes um pouco mais finos devolvendo resultados que n o eram de todo os esperados Na figura 4 8 podemos observar os resultados dos question rios quanto a esta quest o Semelhan a do Ajuste de Superf cies ao Esperado Geolllustrator GeoCake 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 Figura 4 8 N vel de satisfa o pelo algoritmo de ajuste de superf cies Quando confrontados com os resultados s tarefas pedidas e se estes tinham obtido resultados semelhantes aos pretendidos os utilizadores consideraram que a aplica o Geolllustrator proporcionou melhores resultados para a primeira tarefa enquanto o GeoCake teve os melhores resultados para a segunda e terceira tarefas figura 4 9 Estes resultados na segunda tarefa explicam se com o facto de es
79. lia o 4 3 Sess es de Testes De modo a avaliar a aplica o desenvolvida no decorrer desta disserta o foi elaborado um estudo em ambiente controlado que seguiu a metodologia descrita no sentido de desempenhar as tarefas apresentadas na sec o anterior Os testes decorreram recorrendo a uma mesa multitoque com ecr 3D figura 3 3 c com as dimens es de 70x122 cm uma c mara de profundidade Microsoft Kinect figura 3 3 b um conjunto de camaras e projectores infravermelhos OptiTrack figura 3 3 a um par de culos estereosc picos activos de obturador figura 3 3 c e um dispositivo de edi o dotado de marcadores pticos figura 3 3 d Todo este setup foi j explorado na sec o da arquitectura sec o 3 2 e pode ser visto na figura 3 3 Nas sess es de testes estiveram presentes 15 utilizadores com as idades compreendidas entre os 22 e os 47 anos Todos os utilizadores tinham no m nimo uma licenciatura como grau acad mico Apenas um n o possu a um dispositivo multitoque Tablet Smartphone etc e 80 interage com um dispositivo multitoque v rias vezes por dia Todos j utilizaram um dispositivo de visualiza o 3D como culos 3D e 87 j utilizaram dispositivos de interac o espacial como o Microsoft Kinect Por fim a m o dominante de quase todos os utilizadores 13 era a direita e numa escala de 1 a 4 55 os utilizadores classificaram a sua experi ncia em modela o com uma m dia de 2 47 1 ex
80. mas tamb m de captar input por parte do utilizador A superf cie male vel accionada por um array de potenciadores electr nicos que deslizam na vertical A grande vantagem desta arquitectura a combina o da r pida actua o com uma captura de input muito precisa Este tipo de interface tem como desvantagem a resolu o m xima do modelo devido quantidade de pinos fixa que s o utilizados Figura 2 3 Superf cie maleavel do sistema Relief Leithinger and Ishii 2010 Apesar do sistema desenvolvido neste trabalho tamb m estar apto para a modela o de terrenos ser focada apenas a modela o geol gica dado que a que reside a contribui o do mesmo A larga maioria dos sistemas de modela o geol gica tais como os software Petrel e GoCAD visam construir modelos precisos estando focados na modela o de pequenos detalhes e pormenores geol gicas com grande exactid o e realismo Estes sistemas requerem grandes quantidades de dados e o processo de modela o leva v rios meses para ser conclu do Desta forma estes sistemas n o permitem expressar conceitos iniciais ou esbo os de uma forma expedita logo s o impratic veis para comunicar propostas alternativas de geometrias em tempo til uma tarefa recorrente na explora o mineira e petrol fera As necessidades e os desafios em desenvolver sistemas computacionais para construir de forma expedita modelos geol gicos tem sido relatada em v r
81. mente a captura e reconhecimento dos gestos seria imediata com um tempo de resposta m nimo no entanto isto n o se verifica Principalmente em sistemas de captura de gestos com camaras como os que utilizam o Kinecil a velocidade de amostragem n o t o alta quanto desejado para aplica es em tempo real O mesmo se pode dizer da precis o que com o uso de camaras de profundidade tamb m n o t o boa como seria desej vel n o s no que se refere ao correcto reconhecimento dos gestos como tamb m na posi o espacial dos mesmos Este ltimo fortemente atenuado com o uso de interfaces invasivas e tang veis como a Data Glove ou o OptiTrack Em contrapartida neste tipo de sistemas destaca se o facto de interfaces invasivas necessitarem da utiliza o de sensores acoplados ao corpo do utilizador como os marcadores utilizados no caso do Interactive Dancing Game Tang et al 2011 A utiliza o destes dispositivos pode provocar que os utilizadores n o possuam tanta liberdade de movimentos e conforto como seria desej vel tornando a interac o menos natural 24 Apesar disto os sistemas de Motion Capture captura de movimentos como o OptiTrack t m sido cada vez mais utilizados na captura digital de objectos e pessoas em movimento desde reas de anima o 3D efeitos visuais industria cinematogr fica a videojogos Na tabela seguinte tabela 2 2 podemos verificar qual o tipo de tecnologias utilizadas por cada
82. modelador em modelos estratigr ficos Deste modo o modelador possui um conjunto de m todos que gerem todo o conte do geol gico do cen rio incluindo a verifica o de constrangimentos e conflitos entre as v rias camadas estratigr ficas criadas A fim de dar uma representa o mais realista do cen rio ao utilizador o M dulo de Ponto de Vista faz uso de uma camara de profundidade Kinect para proporcionar aplica o a posi o da cabe a do utilizador relativamente a mesa A camara escolhe o esqueleto do modelador e passa a sua localiza o ao sistema O M dulo de Representa o utiliza ent o estes dados para calcular a matriz 31 de projec o correcta para o utilizador dependendo da sua posi o Este m dulo envia directamente a informa o para o ecr da mesa multitoque que com os culos estereosc picos cria a ilus o do conte do virtual estar efectivamente a sair da mesa Relativamente ao controlo indirecto do sistema a GUI est dividida em dois modos principais o estado de visualiza o ou camara e de edi o O modo de camara permite ao utilizador efectuar as transforma es no espa o sobre o cen rio proceder defini o dos planos de corte clipping dos modelos e ajustar as alturas das camadas O modo de edi o d ao utilizador as ferramentas para esbo ar curvas de terreno adicionar conte do directamente e fazer ajustes ao modelo recorrendo ao toque podendo para tal o utilizador trocar o i
83. n es dos bot es eram mais simples de perceber na aplica o GeoCake m dia de 3 13 contra 2 67 Na verdade esta foi a maior critica apontada pelos utilizadores a aplica o Geolllustrator n o sendo bvio em alguns casos o que determinado bot o fazia Apesar disto foi sugerido que a nossa aplica o tamb m acrescentasse uma representa o gr fica a todos os seus bot es referente sua fun o de modo a melhorar o seu reconhecimento Na explora o dos cen rios criados foi pedido aos utilizadores que classificassem os sistemas quanto s transforma es geom tricas sobre os modelos Nas transforma es de transla o e escala a aplica o GeoCake com a interac o multitoque foi considerada mais simples No entanto a aplica o de rota es sobre o modelo foi considerada um pouco mais f cil na aplica o Geolllustrator Quanto manipula o dos planos de corte os utilizadores acharam o seu ajuste bastante mais simples no GeoCake Isto deve se provavelmente ao facto de em Geolllustrator ser necess rio rodar o cen rio de cada vez que se quer manipular um plano de corte que n o o correspondente face da proxy virada para o utilizador De uma forma geral a explora o dos cen rios no nosso sistema foi considerada mais f cil do que na aplica o Geolllustrator figura 4 6 de referir que a crescente utiliza o de dispositivos multitoque e assim a habitua o a este tipo de manipula o de dad
84. ndes dimens es Para tal o utilizador usava uma pulseira especial no bra o que dava as direc es na interac o e a tecnologia era baseada em medi es feitas num campo magn tico gerado entre a pulseira e um transmissor Como representante de interfaces invasivas para a captura dos gestos temos a Data Glove esta um dispositivo de interac o semelhante a uma luva que facilita o controlo na rob tica e em aplica es de realidade virtual A luva procede a captura dos movimentos fazendo uso de um conjunto de sensores J em 1996 no trabalho Ebert et al 1996 com um sistema mais antigo se pode observar um meio de interac o para a visualiza o estereosc pica de dados volum tricos baseado na utiliza o de dois pequenos man pulos um para cada m o O par de trackers magn ticos permitia ao utilizador abstrair se da utiliza o das interfaces 2D comuns dando lhe uma maior sensa o de imers o figura 2 9 Deste modo com o tracker da m o esquerda o utilizador podia manipular a posi o e orienta o da cena e seleccionar o contexto de desenho enquanto com o da m o direita poderia seleccionar os volumes 12 Figura 2 9 Setup do sistema apresentado por Ebert et al 1996 Mais recentemente Schkolne et al 2001 prop e um sistema para cria o de formas org nicas tridimensionais recorrendo a ferramentas tang veis e m o A interface permite aos utilizadores utilizarem a m o recorrendo a uma l
85. no que toca a sistemas de modela o geol gica superf cies multitoque e captura espacial de gestos Adicionalmente dada uma breve contextualiza o a cada um dos t picos S o abordados alguns prot tipos e sistemas j existentes para a modela o geol gica e discutidas as suas limita es O terceiro cap tulo aborda a solu o implementada a arquitectura da mesma a abordagem seguida tal como principais algoritmos implementados Os cap tulos quatro e cinco abordam a avalia o do prot tipo com utilizadores e as conclus es respectivamente Na avalia o s o descritos os testes com os utilizadores e analisados os resultados dos mesmos 2 Trabalho Relacionado Com a recente inova o de tecnologias que auxiliam a captura de gestos e movimentos tem havido uma crescente utiliza o de interfaces que fazem uso destas tecnologias para manipula o tridimensional de dados Keefe et al 2001 No entanto ainda pouco trabalho foi feito no sentido de areas como a modela o geol gica fazerem uso dos seus benef cios Neste trabalho pretendemos desenvolver um prot tipo que explorasse essa lacuna permitindo a utiliza o de gestos sob uma mesa multitoque 3D para criar modelos de camadas geol gicos atrav s de esbo os Para tal foram revistos trabalhos relevantes neste sentido que possibilitaram uma melhor compreens o de como proceder no desenvolvimento do trabalho assim como quais as lacunas a resolver Em seguida ser
86. nstrumento virtual de edi o 3 3 Prot tipo A interac o com o sistema segue um modelo bimanual assim trico Guiard 1987 que considera as ac es do utilizador domin ncia manual e espa os de interac o Para este efeito o sistema exige que o utilizador use a m o dominante MD para esbo ar em pleno ar ou desenhar no ecr multitoque A MD pode tamb m ser usada para mover a caixa de proxy e para complementar as tarefas de rota o e escalonamento realizadas em conjunto com a m o n o dominante MND J as tarefas de corte da proxy selec o da camada o alternar entre vis o de c mara e edi o de modelo s o tarefas mais adequadas para a MND figura 3 5 Ainda relativamente gera o de conte do 3D este produzido no interior da proxy atrav s de gestos no ar apenas com a MD e toques com MD e MND que actuam como inputs de modela o ou edi o geom trica A MD segura uma caneta devidamente instrumentada com marcadores pticos para que as coordenadas 3D e orienta es sejam adquiridas usando a tecnologia de captura de movimento em tempo real Figura 3 5 MD segura o instrumento de interac o a enquanto a MND navega no menu da GUI b 32 Utilizando a ferramenta Unity3D foi desenvolvido um prot tipo capaz de por em pr tica e concretizar os objectivos propostos De modo a proporcionar uma vis o mais clara de como o trabalho foi concretizado ser o em seguida explicadas em detalhe as princ
87. ntro do esperado ao utilizador Figura 3 17 Utiliza o da caneta para esbo ar curvas de pontos Por fim importante acrescentar que o descrito bot o de activa o que permite controlar quando algo ou n o desenhado o mesmo para qualquer que seja o instrumento de edi o virtual utilizado Uma explica o detalhada de como interagir gestualmente com o sistema pode ser encontrada no Manual do Utilizador Ap ndice A 3 3 5 Visualiza o L A visualiza o do conte do aquando e ap s a cria o do cen rio um factor importante na compreens o dos dados e consequentemente numa melhor interac o com o sistema Neste trabalho foi utilizado um sistema de visualiza o estereosc pica com aux lio de um captador da posi o do utilizador por forma a retornar uma vista personalizada para o mesmo Foram ainda adicionadas algumas caracter sticas visuais aplica o que permitiram minimizar problemas como a oclus o ou a co localiza o do dispositivo de interac o no sistema como descrito de seguida De modo a implementar o sistema de estereoscopia s o utilizadas duas camaras virtuais na cena posicionadas com uma pequena diferen a uma da outra a fim de simular a diferen a nas posi es dos olhos figura 3 6 As duas imagens geradas s o colocadas no ecr uma acima da outra e misturadas pela televis o 3D mostrando cada imagem de forma alternada Estas s o captadas pelos culos de visualiza
88. o 80 4 1 2 Brush A ferramenta Brush permite usar uma talocha ou desempenadeira para adi o de conte do no modelo A quantidade de conte do adicionado ou retirado depende da altura da talocha relativamente a superf cie da camada a editar Utiliza o Seleccionar o bot o Brush Colocar a talocha no local desejado para come ar a edi o Sem mexer a talocha seleccionar o bot o sketch para iniciar edi o Mover a talocha pela superf cie ajustando a sua altura para altura desejada da superf cie no local Para terminar edi o seleccionar novamente o bot o Sketch Figura 0 10 Bot o Brush seleccionado Talocha Desempenadeira Figura 0 11 Material adicionado recorrendo talocha 4 1 3 Pen A ferramenta Brush permite a utiliza o de uma esp cie de caneta para esbo o de curvas de pontos Estas curvas podem posteriormente ser utilizadas para a cria o de uma superf cie que se ajusta 81 aos pontos esbo ados ou para a edi o local da superf cie com o mapa de alturas a ser alterado localmente para as alturas dos pontos esbo ados Utiliza o e Seleccionar bot o Pen e Colocar a caneta no local desejado para come ar o esbo o dos pontos e Sem mexer a caneta seleccionar o bot o sketch para iniciar esbo o e Mover a caneta de modo a esbo ar as curvas desejadas e Para terminar esbo o seleccionar novamente o bot o Sketch e Seleccionar o bot o Surface Fit ou Augment par
89. o seu localizado na origem 0 0 0 33 Figura 3 7 Ecr de calibra o da localiza o da mesa multitoque Kinecti Com esta representa o ent o mapeado o ecr na mesa virtual Ou seja atrav s de uma simples convers o s o mapeadas as coordenadas do toque no ecr f sico para a mesa virtual figura 3 8 virtualTablePoint 0 5 screenPoint screenWidth tableWidth 1 ScreenPoint representa o ponto onde ocorreu o toque no ecr Dividindo este valor pelo tamanho do mesmo screenWidth obtemos um valor normalizado no intervalo 0 1 Este valor subtra do a 0 5 de modo a transladar a posi o da origem no canto inferior da mesa para o centro desta 0 0 Por fim este valor multiplicado pelo tamanho da mesa tableWidth para obter a posi o final dentro da mesa no espa o virtual 0 X Figura 3 8 Sistema de coordenadas f sica azul e virtual verde A interac o multitoque com a mesa pode ser feita com dois tipos de gestos O gesto de tocar tap e largar serve essencialmente como meio de selec o sendo sobretudo utilizado na interac o com o conjunto de bot es presentes a GUI O gesto de tocar e arrastar o dedo serve n o s para interac o com os sliders barra deslizadora presentes na interface como para interagir com o modelo quer na edi o do cen rio quer nas transforma es espaciais sobre o mesmo Como uma nota sobre ergonomia dado que o ecr interactivo uma superf
90. o Problema De um modo geral a cria o de modelos geol gicos 3D feita por ilustradores que usam programas especializados e complexos como por exemplo o 3D GeoModeller o GoCAD ou mesmo o EarthVision Esta abordagem permite um aspecto muito bom mas requer um esfor o e tempo de desenvolvimento razo vel Principalmente nas reas geocient ficas onde rapidez na constru o de um cen rio tem uma grande import ncia Bendiksen 2013 o tempo de desenvolvimento de um modelo geol gico t pico torna se numa limita o Por exemplo na explora o petrol fera a fase inicial caracterizada por ter muito poucos ou mesmo nenhuns dados dispon veis o que dificulta tremendamente a procura de recursos inexplorados de petr leo Desta forma dado que a explora o e avalia o de modelos geol gicos alternativos s o realizadas sob fortes restri es de tempo modelar esbo os 3D uma tarefa adequada para sistemas de modela o r pida Ademais especialistas em geologia j expressaram a necessidade de sistemas computacionais que permitam a modela o geol gica r pida de terrenos assim como de elementos estratigr ficos recorrendo a esbo os Lidal 2013 Apesar de algum trabalho j ter sido feito no sentido de desenvolver sistemas que permitam uma r pida modela o geol gica a utiliza o de esbo os para a defini o de um cen rio geol gico recorrendo a sistemas de interac o espacial isto sistemas que permitem a
91. o a um corpo f sico dotado com marcadores que tamb m ele captado pelo sistema de camaras enviando a informa o por rede ao prot tipo Com os dados descritos o sistema calcula se as coordenadas de entrada do objecto de interac o se encontram dentro do espa o f sico que est acima da mesa convertendo as em coordenadas locais mesma entre O e o tamanho m ximo do ecr Estas s o por fim normalizadas em valores no intervalo de 0 1 O gestor de cena utiliza os valores normalizados da posi o para transform los em coordenadas do mundo A posi o primeiro passada para coordenadas do ecr i e com valores entre zero e as dimens es do ecr multiplicando o valor normalizado pelo seu tamanho e s o depois convertidas com um processo semelhante ao descrito para o toque na subsec o anterior sec o 3 3 1 Com a posi o no espa o virtual e a orienta o do objecto f sico actualizada a informa o sobre a posi o e orienta o do objecto de desenho virtual que mapeado no espa o da aplica o na ponta do instrumento f sico com um determinado offset O offset garante que o dispositivo de edi o virtual n o fique oculto pelo f sico 35 a A altura do objecto virtual calculada a partir da altura da caneta relativamente mesa que representa o zero O valor ent o multiplicado por um factor de escala a fim de mapear da forma mais realista poss vel a altura f sica na virtual
92. o de ambientes estereosc picos e investimento no desenvolvimento de ambientes mais imersivos sendo a imersividade a percep o de se estar fisicamente presente num ambiente virtual recorrendo vis o audi o ou outros sentidos do utilizador Com a chegada dos televisores 3D este tipo de tecnologias passou a ser acess vel a qualquer pessoa Estes d o ao utilizador uma percep o de profundidade ao que est o a ver recorrendo em grande parte dos casos a culos apropriados para o efeito Os culos podem usar tecnologia activa ou passiva No caso dos culos activos as lentes direita e esquerda v o fechando e abrindo alternadamente deixando o utilizador apenas ver a imagem em cada olho que lhe dirigida Isto ocorre em sincroniza o com a taxa de actualiza o do ecr a que est o associados A sincroniza o pode ser obtida com o uso de sinais infravermelhos Bluetooth ou mesmo por cabo Esta tecnologia tamb m utilizada pelo sistema de Nvida 3D Vision que um kit de estereoscopia para videojogos figura 2 15 Por sua vez os culos passivos s o polarizados isto cada lente polarizada filtra apenas ondas de luz que s o alinhadas na mesma direc o Este facto leva a que cada olho percepcione uma imagem diferente 16 Figura 2 15 Kit Nvidia 3D Vision Partindo do problema da visualiza o tridimensional em ecr s de grandes dimens es Hancock and Carpendale 2007 prop e um modelo simplificado
93. o modelador seleccionar uma camada que n o seja a de cima mas apenas se verifica no caso de a aplica o se encontrar no modo de edi o No modo de camara todas as camadas s o opacas para garantir uma melhor visualiza o e explora o do modelo Como excep o a este caso o efeito de transpar ncia tamb m activado no caso de o utilizador ter o dispositivo de adi o de pontos de perfura o broca seleccionado figura 3 2 Esta excep o deve se ao facto do modelador querer com alguma probabilidade conseguir observar o interior do cen rio de maneira a visualizar o ponto criado no dentro do modelo e o caminho de perfura o gerado Este efeito de transpar ncia apenas possibilitado pelo shader criado de prop sito para este trabalho Para al m da transpar ncia das camadas o shader que a partir de um conjunto de 46 par metros define os limites nos quais o cen rio ou n o desenhado permitindo ao utilizador definir os j referidos planos de corte clipping O shader criado aceita ainda os ngulos de rota o do modelo a fim de acertar os planos de corte do cen rio quando este sofre alguma transforma o afim de referir que todos os mapas de alturas e tampas laterais geradas no modo de camara possuem um material com este shader Por fim e de modo a melhorar a percep o de co localiza o do instrumento de edi o no espa o virtual foi implementado um foco de luz que ilumina a rea imediatamente
94. o sistema atrav s do Kinectl A partir de duas camaras Kinect Wang et al 2011 introduziu um novo m todo para obten o da posi o espacial e orienta o das m os Este m todo n o necessita de qualquer dispositivo invasivo ao utilizador e baseia se na observa o das imagens de profundidade captadas pelas camaras para recortar todo resto da imagem para al m das m os Este resultado ent o comparado com uma base de dados existente com representa es de m os em v rias posi es sendo por fim as m os substitu das pelo modelo tridimensional correspondente encontrado figura 2 12 14 Figura 2 12 Capta o dos gestos de um utilizador recorrendo ao sistema desenvolvido por Wang et al 2011 Utilizando tamb m o Kinect como unico meio de input no sistema de reconhecimento de gestos Luigi Gallo et al 2011 apresenta um sistema open source mais uma vez livre de controladores para explora o de imagens m dicas Nesta interface os utilizadores s o representados como um esqueleto de linhas ligadas por juntas A estimativa do movimento do corpo dado atrav s da forma como a juntas do esqueleto se movem Todos os comandos de interac o s o mapeados em gestos podendo ser executados sem tocar no ecr Os gestos reconhecidos possuem tanto elementos est ticos como din micos Neste caso os gestos estat sticos indicam poss veis ac es enquanto os din micos discriminam as diferentes ac es Este sistema de in
95. omo uma geometria de corte 3D sendo ent o utilizado o stencil buffer para remover toda a geometria que intercepta a de corte No entanto o m todo falha no caso de o objecto n o ser completamente penetrado pela geometria de corte Num caso semelhante pode acontecer a geometria de corte interceptar parte do objecto que queremos conseguir visualizar Este tema ainda abordado por Elmqvist and Tsigas 2008 No seu trabalho que utilizando como base outros anteriores Elmqvist and Tudoreanu 2007 a fim de explorar o problema da oclus o espacial 3D definida uma taxonomia de desenho espacial com t cnicas de gest o de oclus o explorando tamb m as propriedades caracter sticas das mesmas Os autores apresentam cinco padr es de desenho baseados na classifica o de t cnicas de interac o existentes Os padr es incluem m ltiplos viewports x ray virtual amostras volum tricas entre outros De forma geral o grande objectivo dos m todos e princ pios abordados por estes artigos dar aos especialistas no dom nio geocient fico uma ferramenta que permita explorar e comunicar os aspectos mais importantes dos seus modelos atrav s da cria o de visualiza es interactivas dos mesmos Apesar de nestes terem sido considerados diferentes abordagens para criar esbo os 3D de referir que nenhum deles explora as vantagens e potencialidades do uso de um sistema de interac o espacial que fa a uso de interfaces multimodais interactiv
96. on Computer Graphics SCCG 14 5 12 Natali M Viola l Patel D 2012 Rapid Visualization of Geological Concepts In Proceedings of the 25 SIBGRAPI Conference on Graphics Patterns and Images SIBGRAPI 12 1590 157 Olsen J 2004 Realtime procedural terrain generation Technical report Department of Mathematics And Computer Science IMADA University of Southern Denmark Peytavie A Galin E Merillou S Grosjean J 2009 Procedural Generation of Rock Piles Using Aperiodic Tiling Proceedings of Computer Graphics Forum 09 1801 1809 Piper B Ratti C Ishii H 2002 Illuminating Clay A 3 D Tangible Interface for Landscape Analysis Proceedings of the SIGCHI Conference on Human Factors in Computing Systems 02 355 362 Reisman J L Davidson P L and Han J Y 2009 A screen space formulation for 2d and 3d direct manipulation Proceedings of the 22nd annual ACM symposium on User interface software and technology 09 UIST 09 69 78 Rico J Brewster S 2010 Usable Gestures for Mobile Interfaces Evaluating Social Acceptability Proceedings of the SIGCHI Conference on Human Factors in Computing Systems 10 887 896 Rubine D 1991 Specifying Gestures by Example Proceedings of the 18th annual conference on Computer graphics and interactive techniques 91 SIGGRAPH 329 337 schkolne S Pruett M Schroder P 2001 Surface Drawing creating organic 3D shapes with the hand and tangible tools Procee
97. ordenadas dos pontos de toque de acordo n o s da sua posi o no plano do ecr mas tamb m da matriz de projec o e portanto da perspectiva com que o cen rio visualizado como meio de prevenir erros de co localiza o Seria util ainda que as transforma es geom tricas de rota o sobre o cen rio se mantivessem durante a edi o de modo a facilitar a modela o De modo a facilitar a visualiza o dos cen rios poder se ia criar ainda um modo de vista explodida exploded view onde as v rias camadas estariam separadas deixando o utilizador observar melhor todos os seus detalhes As ferramentas de edi o com a talocha e o multitoque poder o dar ao utilizador a possibilidade de definir a espessura do material a adicionar permitindo uma modela o mais detalhada Uma extens o importante seria ainda a possibilidade do modelador ajustar e ou apagar determinados pontos das curvas esbo adas de modo a garantir um grau de detalhe e polimento superior O pr prio modo de interagir gestualmente no espa o como potencial defini o para novas linhas de investiga o na rea da modela o geol gica pode sofrer de algumas afina es maximizando a fluidez e a qualidade dos resultados e minimizando ao m ximo a complexidade na interac o Mesmo o modelo bimanual utilizado Guiard 1987 pode ser estendido de modo a que cada utilizador possa optar por qual a sua m o dominante O pr prio sistema pode tamb m sofrer de altera
98. os contribui para este resultado 58 Facilidade Geral na Explora o dos Modelos Geolllustrator GeoCake 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 Figura 4 6 N vel de facilidade na explora o dos cen rios A edi o dos modelos foi tida como factor principal na compara o das duas aplica es Deste modo o question rio focou funcionalidades como a adi o de detalhes a um modelo a cria o de curvas de pontos para o ajuste de superf cies o algoritmo de ajuste destas e os modelos como resultado final de cada uma das tarefas Para alguma surpresa verificou se que a adi o de detalhes ou seja o ajuste local das superf cies n o teve o resultado esperado no prot tipo testado de Geolllustrator Como podemos ver no gr fico seguinte figura 4 7 a edi o local do terreno teve bastante melhores resultados na nossa aplica o Dentro do GeoCake a adi o de detalhe via multitoque foi sem d vida a preferida dos utilizadores Facilidade na Adi o de Detalhes Geolllustrator GeoCake Touch GeoCake Pen 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 Figura 4 7 N vel de facilidade na adi o de detalhes aos modelos A cria o de curvas de pontos foi considerada ligeiramente mais f cil no GeoCake atrav s do uso da caneta m dias de 2 87 contra 2 47 pois n o restringia o utilizador aos esbo os nos planos de corte faces da proxy como era o caso do Geolllustrator que utiliza o rato este tinha ainda a desvantagem de criar a
99. os criados anteriormente para edi o como por exemplo interligar aplica es como o CityEngine para efeitos de planeamento urbano As anota es permitiram a cria o de apontamentos sobre caracter sticas e defini o de areas de interesse do modelo e o carregamento de modelos j existentes daria n o s a liberdade de obter modelos gerados por outros sistemas e ou modeladores como a possibilidade do modelador poder come ar um modelo hoje e termin lo noutra altura que fosse do seu agrado Ainda de referir que a cria o de uma ferramenta para a gera o procedimental de edif cios e ou vegeta o para a areas como a arquitectura seria de grande valor no extremo adaptando a aplica o para a modela o expedita de maquetes arquitect nicas A adi o de uma ferramenta de undo redo desfazer refazer da ultima ac o e de esbo o nas faces da caixa de proxy tamb m considerado til O facto de o modelador poder voltar atr s nas suas decis es confere lhe uma maior liberdade de ac es e a utiliza o das faces para esbo o dos contornos de estruturas geol gicas seguido de uma interpola o dos pontos poderia proporcionar uma maior variedade nos cen rios criados Para al m das caracter sticas referidas a extens o e melhoramento de algumas ferramentas da aplica o poderia ser de grande proveito Como tal sugere se a possibilidade dos planos de corte poderem ter orienta o e n mero arbitr rio e a transforma o das co
100. periencia b sica 4 experiencia profissional As sess es de teste foram individuais tendo sido cronometrados os tempos que os utilizadores demoravam a desempenharem cada uma das tarefas Foram ainda anotadas todas as observa es feitas pelos mesmos durante e depois dos testes e guardados os modelos resultantes de cada uma das tarefas Na figura 4 3 pode ser visto um utilizador a interagir com o sistema durante a execu o de uma tarefa Tabela 4 3 Interac o de um utilizador com GeoCake 4 4 An lise e Discuss o dos Resultados Ap s a execu o das tarefas dadas aos utilizadores foi lhes pedido que preenchessem um question rio onde deveriam classificar as aplica es testadas quanto sua interface gr fica ao n vel de dificuldade da interac o e quanto aos resultados devolvidos por elas A nossa aplica o Geolake teve um question rio ligeiramente maior onde eram feitas perguntas sobre funcionalidades presentes nesta que n o existiam na outra aplica o usada para os testes Geolllustrator A classifica o foi feita numa escala de 1 a 4 onde 4 era bom e 1 era mau Os tempos de ambas as aplica es bem como as respostas dos question rios foram ent o analisados e comparados sendo apresentados de seguida 4 4 1 Tempos de conclus o Para cada tarefa foi avaliado o tempo demorado por cada utilizador at a sua complei o Foram obtidos assim ao todo 90 tempos Olhando para os resultados ficou a ind
101. r A interac o atrav s de gestos no ar apenas poss vel atrav s de um processo especializado para a sua captura Para tal o utilizador encontra se cercado por c maras de captura de movimento que monitorizam continuamente os marcadores pticos que instrumentam o dispositivo de modela o 40 i e caneta figura 3 9 Este processo passa a aplica o a posi o e orienta o do dispositivo em rela o sala Note se que o sistema de interac o espacial desenvolvido neste trabalho baseia se no seguinte princ pio de modela o partindo de um cen rio sem dados a estrutura geral de uma superf cie geol gica pode ser modelada por um conjunto bastante limitado de gestos grosseiros no ar Em particular a modela o e edi o de superf cies consistem na altera o de um mapa de alturas atrav s da introdu o de v rias eleva es e depress es A edi o ocorre dentro de uma rea disponibilizada para o efeito i e dentro da proxy Tal como na edi o do modelo recorrendo ao toque tamb m aqui feita primariamente a convers o das coordenadas do mundo virtual do avatar do instrumento de edi o para as coordenadas locais da superf cie do mapa de alturas figura 3 15 Deste modo quando o instrumento de edi o est sobre o mapa de alturas o utilizador pode activar a edi o tocando no bot o existente para desempenhar a tarefa sendo de imediato percepcionada a altera o do mapa no local esperado
102. ram que ao utilizar o dispositivo durante per odos de tempo mais longos poderiam sentir se cansados 62 Utiliza o do Dispositivo de edi o f sico Comportamento esperado Movimento fluido Facil de usar Confortavel 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 Figura 4 12 N vel de satisfa o na utiliza o do instrumento de interac o O aspecto dos diferentes dispositivos virtuais ou cursores utilizados foi tamb m um ponto questionado figura 4 13 O avatar utilizado que menos convenceu os utilizadores foi o da caneta para o desenho de esbo os sendo o mais satisfat rio o correspondente broca para defini o dos pontos de perfura o em modelos Aspecto Dado aos Dispositivos Virtuais Broca Caneta Talocha 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 Figura 4 13 N vel de satisfa o acerca do aspecto dado aos avatares do dispositivo de edi o Foi ainda questionada a facilidade de uso se o uso da talocha ou desempenadeira para adi o de terreno Apesar de uns poucos utilizadores terem demonstrado alguma dificuldade no seu manuseamento a grande parte dos utilizadores mostrou se satisfeita com esta funcionalidade m dia de 3 2 em 4 Foram feitas n o s nos question rios mas tamb m durante a execu o das tarefas algumas observa es relevantes para a melhoria do nosso sistema Alguns utilizadores sugeriram que na edi o desempenadeira fosse poss vel definir a espessura do material utilizado como se de um pinc
103. rande vantagem de um ecr sens vel ao toque permitir uma interac o directa do utilizador com o que est a ser mostrado no ecr estando a selec o de um objecto a dist ncia de um toque E f cil de perceber que a extens o desta tecnologia para a utiliza o de multiplos toques s pode melhorar a experiencia dos utilizadores ao dar lhes um conjunto de novas possibilidades Neste mbito no artigo de Hansen and Hourcade 2010 pode ser vista uma compara o entre a utiliza o deste tipo de superf cies e a convencional utiliza o do rato em tarefas visuais que requerem coordena o e colabora o No estudo feito pode ser observado que a grande maioria dos utilizadores deu prefer ncia utiliza o da superf cie multitoque em detrimento da outra Nos prim rdios das superf cies multitoque esta o trabalho desenvolvido por Wellner 1991 Este surge da tentativa de dar a uma secret ria propriedades electr nicas trazendo benef cios na an lise e leitura de documentos em papel O sistema faz uso de um projector e de uma camara acima de uma secretaria a fim de conseguir identificar para onde o utilizador aponta e ler por es dos documentos projectando ent o algum feedback na mesa figura 2 18 Deste modo o utilizador pode interagir com o papel e com os objectos projectados tocando lhes com o dedo Projector Camera E qo um AR a See electronic document Pg tae ua paper document 1 DigitalDesk F
104. ratigr ficos recorrendo ao dispositivo de desenho quer esbo ando as caracter sticas globais do modelo quer adicionando pormenores geom tricos O modelador pode alternar livremente entre a camada estratigr fica a modelar assim como ajustar as suas alturas em qualquer momento da edi o sendo poss vel exportar os modelos num ficheiro digital comummente usado o formato ob O menu lateral tal como as transforma es geom tricas sobre o modelo s o acedidos atrav s da superf cie multitoque Aqui por forma a permitir uma visualiza o livre do cen rio constru do poss vel escalar transladar e rodar o modelo podendo o utilizador ainda definir planos de corte i e planos de clipping Estas definem zonas de visualiza o onde o modelo pode ser observado no seu interior Adicionalmente o modelador pode ainda colocar pontos de perfura o no cen rio estratigr fico isto do in cio e final do po o de perfura o para efeitos de esbo o de prospec o mineira e de petr leo figura 3 2 e gnats oe Fyne ee y W 3 Figura 3 2 Modelo com po o de perfura o gerado na aplica o GeoCake 28 Especificamente foram desenvolvidas nesta disserta o todas as funcionalidades da aplica o em causa bem como o dispositivo de interac o utilizado para manipula o do cen rio tendo sido utilizados os m dulos de captura de movimentos de detec o do toque e cria o da matriz de projec o p
105. restantes funcionalidades sed a Poa da aa 61 Di CONCUSSA ass sei a seach Go ia rbd A 65 5 1 SUINAhIO e GOMMIDUICOS Sauer sees a ee cee a eae nea 65 5 2 Mrabaha E RO aeriene A eer 66 6 ROLCLQNCIAS quis ie Diecast a cia a Dans ia es Ea ias ia a 68 APENdICE A sas ans natal Ss Cu Sid a a Rio ASS COS RE in q RO a RE ao DE ARO O DS Dn 74 vil viii Lista de Tabelas Tabela 2 1 Tabela comparativa para sistemas de modela o geol ga sccccecsseeeeeeeeeeeeeaeeeeeens 24 Tabela 2 2 Tabela comparativa para sistemas de captura de gestos eeea 25 Tabela 2 3 Tabela comparativa para sistemas de visualiza o 3D eres 25 Tabela 2 4 Tabela comparativa para transforma es geom tricas em multitoque 26 Tabela 4 1 Tabela de tempos previstos para a sess o de testes eres 51 Tabela 4 2 Caracter sticas gerais das tarefas de avalia o enero aerea 55 Tabela 4 3 Interac o de um utilizador com GOOCAKE cccseeeccceecceeeeeeeeeeeeeeeeeeaaaaseeeeeeeeesaaansseeeeeees 56 Tabela 4 4 Resultado do Wilcoxon signed rank test sobre os tempos dos testes 57 Lista de Figuras Figura 2 1 Terreno gerado com a aplica o World Machine cccccccccceseeeeeeeeeeeeeeeeeeeaeeeeeeeeaeneeeeeenas 6 Figura 2 2 Utilizador a editar topografia do terreno em Illuminating Clay 7 Figura 2 3 Superf cie maleavel do si
106. rrer na pasta bin release a aplica o SkeletonBasics WPF exe oa a ees Sox IP ADDR Port 127 0 0 1 3337 USBrVID 045ESPID 024840000000000000000 Figura 0 3 Sistema de captura do modelador 76 2 Segurar o Dispositivo de Edi o Caneta O dispositivo de edi o deve ser segurado na posi o orienta o correcta de modo a funcionar devidamente Assim a caneta deve ser segurada na horizontal podendo ter um ligeira inclina o para a frente e sendo poss vel rod la lateralmente para ambos os lados Esta possibilidade permite uma maior liberdade ao utilizador Figura 0 4 Posi o do dispositivo f sico caneta 11 3 Apresenta o da Interface GUI Apesar de estar toda localizada esquerda no ecr multitoque a interface gr fica encontra se dividida em v rias zonas S o elas a A zona onde definido o tipo de edi o gestual b A zona onde definido o tipo de edi o multitoque c A zona onde s o ajustadas e alternadas as camadas a editar d A zona onde prestada informa o ao utilizador Clipping Meshes Builder Z NJ Reset Terrain Figura 0 5 GUI 78 Est o ainda presentes um bot o para alternar entre o modo de c mara e o modo de edi o Builder Camera que muda de layout consoante a sua ac o um bot o para a exporta o das superf cies modeladas Export Meshes e um para apagar todo o conte do criado Reset Terrain No modo de edi
107. s Para al m destes tamb m ambientes de desenvolvimento de jogos como o Unity3D j possuem motores de modela o de terrenos que os utilizadores podem utilizar para incluir nas suas cria es Figura 2 1 Terreno gerado com a aplica o World Machine Com rela o s interfaces tang veis destacam se os trabalhos de Piper et al 2002 e Leithinger and Ishii 2010 O primeiro descreve um sistema para a an lise em tempo real de modelos paisag sticos Os utilizadores podem alterar a topografia de um modelo de argila que capturado em tempo real por um scanner a laser com o resultado da an lise projectado de volta no modelo figura 2 2 Assim o sistema consiste num tecto montado sobre o modelo com um scanner e um projector ambos alinhados na mesma origem ptica e calibrados para fazer o rastreamento e a projec o numa rea igual Com esta configura o poss vel que as superf cies vis veis pelo scanner sejam tamb m posteriormente projectadas Durante a captura do modelo usado um m todo de triangula o laser a fim de oferecer um r cio de captura e precis o maiores Figura 2 2 Utilizador a editar topografia do terreno em Illuminating Clay Piper et al 2002 O segundo um tipo de ecr de tampo de mesa com actuadores que capaz de representar e animar formas tridimensionais atrav s de uma superf cie male vel figura 2 3 O ecr n o s capaz de fazer a representa o das formas
108. s raios infravermelhos s o dispersados e captados por uma camara colocada atr s deste figura 2 19 O LLP mais barato e mais preciso do que as tecnologias de FTIR e DI 20 IR Laser i I i t i Scattered Light V deo Camera Difuser Figura 2 19 Tecnologia multitoque LLP V rios foram os trabalhos que fizeram uso destas tecnologias como exemplo Kim et al 2006 descreve um sistema de ecr multitoque numa mesa e do seu algoritmo de controlo para o Google earth que adopta a t cnica FTIR para interac o gestual baseada em toques Os gestos s o definidos de acordo com a posi o o movimento e o n mero de dedos que s o obtidos na interac o Assim os comandos gestuais s o reconhecidos comparando a imagem pr processada com modelos gestuais predefinidos como o n mero de pontos de contacto o ngulo ou a dist ncia euclidiana entre dois pontos O algoritmo TRS Translation Rotation Scale Hancock et al 2006 a n vel de transforma es de objectos o mais utilizado pelos dispositivos multitoque que usamos no nosso dia a dia Com este consegue se manipular um objecto do seguinte modo i utilizando apenas um dedo sobre o objecto poss vel mov lo arrastando o dedo na posi o desejada ii utilizando dois dedos o objecto rodado de acordo com o angulo formado pela direc o de movimento deles e escalado de acordo com as diferen as das dist ncias entre eles figura 2 20 woke
109. shii H 2010 Relief A Scalable Actuated Shape Display Proceedings of the fourth international conference on Tangible embedded and embodied interaction 10 221 222 Lidal E M 2013 Sketch based Storytelling for Cognitive Problem Solving Externalization Evaluation and Communication in Geology PhD Thesis University of Bergen Lidal E M Natali M Patel D Hauser H Viola l 2013B Geological storytelling Computers amp Graphics 37 5 445 459 Lidal E M Patel D Bendiksen M Langeland T Viola l 2013A Rapid Sketch based 3D Modeling of Geology Workshop on Visualisation in Environmental Sciences EnvirVis 13 31 35 70 Lindemann P 2010 A Short Report on Multi touch User Interfaces Dept of Media Informatics University of Munich Germany Nacenta M A Baudisch P Benko H and Wilson A 2009 Separability of spatial manipulations in multi touch interfaces Proceedings of Graphics Interface 09 175 182 Natali M Klausen T G Patel D 2014B Sketch based modelling and visualization of geological deposition Computers amp Geosciences 67 40 48 Natali M Lidal E M Parulek J Viola I Patel D 2013 Modeling Terrains and Subsurface Geology Proceedings of EuroGraphics 2013 State of the Art Reports STARs 155 173 Natali M Parulek J Patel D 2014A Rapid modelling of interactive geological Illustrations with faults and compaction Proceedings of Spring Conference
110. sidades destes e perceber onde e com o qu que a aplica o pode ser melhorada 67 6 Refer ncias Agrawala M Beers A C Frohlich B Hanrahan P McDowall I Bolas M 1997 The Two User Responsive Workbench Support for Collaboration Through Individual Views of a Shared Space Proceedings of the 24th annual conference on Computer graphics and interactive techniques 97 SIGGRAPH 327 332 Amorim R Brazil E V Patel D Sousa M C 2012 Sketch Modeling of Seismic Horizons from Uncertainty Proceedings of the International Symposium on Sketch Based Interfaces and Modeling SBIM 12 1 10 Amorim R Brazil E V Samavati F Sousa M C 2014 3D Geological Modeling using Sketches and Annotations from Geologic Maps Proceedings of the 4th Joint Symposium on Computational Aesthetics Non Photorealistic Animation and Rendering and Sketch Based Interfaces and Modeling SBIM 14 17 25 Araujo B R Casiez G Jorge J A Hachet M 2013 Mockup builder 3D Modelling On and Above the Surface Computers amp Graphics 37 3 165 178 B rentzen J A Gravesen J Anton F Aanees H 2012 Guide to Computational Geometry Processing Springer Verlag London Bayyari A Tudoreanu M E 2006 The Impact of Immersive Virtual Reality Displays on the Understanding of Data Visualization Proceedings of the ACM symposium on Virtual reality software and technology 06 VRST 368 371 Bendiksen M 2013 Rapid Modeling of G
111. squematizada no seguinte diagrama figura 3 4 Mesa Sistema de Captura Multitoque OptiTrack M dulo de Sub M dulo de Sub M dulo de Interac o Toque Gestos Gestor da GUI Gestor de Cena Aplica o GeoCake Modelador C mara gt M dulo de Ponto de Vista Kinect M dulo de Representa o Ni Ecr culos 3D Figura 3 4 Diagrama da arquitectura do sistema desenvolvido 30 L O M dulo de Interac o respons vel pela captura envio e tratamento da informa o de interac o com o programa De modo a permitir a interac o com o sistema por parte do utilizador foram criados dois sub m dulos que tratam a informa o provenientes i da mesa multitoque e ii dos sensores de captura de movimentos O Sub M dulo de Toque capta a informa o proveniente da mesa atrav s da moldura situada em volta do ecr em forma de coordenadas da mesa ecra recorrendo a aplica o zinFrame da empresa Zaag Tech e envia as para a aplica o segundo o protocolo TUIO protocolo de mensagens multitoque onde s o transformadas em coordenadas no espa o do cen rio O Sub Modulo de Gestos utiliza as camaras do OptiTrack para captar a posi o e orienta o do instrumento de interac o na sala com os marcadores e envia os para a aplica o onde mais uma vez s o convertidas em coordenadas no ambiente virtual Neste ltimo a informa o em primeiro lugar passada a um computador que corre um servidor
112. stando os um do outro formando o mais poss vel uma linha FS Figura 0 16 Escala recta Para efectuar uma rota o em volta do eixo vertical o utilizador pode utilizar dois dedos movendo os na superf cie multitoque de forma circular relativamente um ao outro na direc o da direc o desejada GN Figura 0 17 Rota o em torno do eixo vertical 84 Para efectuar uma rota o em volta do eixo horizontal o utilizador pode utilizar tr s ou mais dedos movendo os na superf cie multitoque na vertical na direc o que deve ocorrer a rota o ascendente ou descendente Figura 0 18 Rota o em torno do eixo horizontal 5 2 Barra de camadas A aplica o d ao utilizador a capacidade de alternar entre as v rias camadas bem como ajustar as suas alturas Para criar uma nova camada o utilizador apenas precisa de pressionar o bot o existente para o efeito A nova camada criada automaticamente com o relevo da camada anterior Para seleccionar uma camada basta tocar no slider correspondente mesma Para ajustar a altura de uma camada ou do n vel de gua necess rio tocar no slider correspondente mesma e arrast lo ao longo da barra Figura 0 19 Barra de ajuste das alturas das camadas 85 5 3 Planos de Corte A aplica o proporciona ao modelador a possibilidade de explorar os modelos criados definindo planos de corte ocultando as partes do modelo que n o s o importantes no momento Para
113. stema Relief cccccccccccseeeecceccseeeceeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeessaaeeeeeesaageeeeeeaas 7 Figura 2 4 Esbo o da silhueta de uma montanha em Terrain sketching 8 Figura 2 5 Esbo os usados para cria o de relevo rece eeeaarrenaaaaa aaa 9 Figura 2 6 Superf cies geradas a partir de curvas de pontos ae 9 Figura 2 7 Esbo o directo numa superf cie para adi o de detalhes 10 Figura 2 8 Representa o de eros o criada a partir de uma superf cie impl cita 10 Figura 2 9 Setup do sistema apresentado por Ebert et al 1996 ee cece eee eeaeeeeeeeeeeeeeeaes 13 Figura 2 10 Utilizador provido de marcadores pticos erra 13 Figura 2 11 Utilizador a interagir com o sistema atrav s do Kineci aerea 14 Figura 2 12 Capta o dos gestos de um utilizador recorrendo ao sistema 6D Hands 15 Figura 2 13 Utiliza o do Leap Motion para captura de gestos neeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeaaas 15 Figura 2 14 Compara o de uma ilustra o 2D com um modelo 3D eee e tesa eteeeeeeeeeeeeaes 16 Figura 2 15 NVICIA SD VISITOR ssaa e aaa Sado N dada 17 Figura 2 16 Sistema de visualiza o personalizada 3D para dois utilizadores 17 Figura 2 17 Sistema de realidade aumentada HoloDesk eee 18 Figura 2 18 Superf
114. stemas utilizados s o os ecr s resistivos capacitivos DI FTIR e LLP que ser o descritos em seguida Ecr s resistivos s o compostos por duas camadas flex veis com um material resistivo e linhas horizontais e verticais separadas por uma fina camada de ar Quando a superf cie tocada as duas camadas s o pressionadas uma contra a outra registando o local exacto do toque Os ecr s capacitivos consistem de um material isolador como vidro coberto por um condutor transparente Como o corpo humano um condutor el ctrico este provoca uma distor o do campo electroest tico do ecr quando h um toque que medido como uma altera o na capacit ncia Ecr s com DI difuse ilumination funcionam utilizando projectores de infravermelhos uma camara e um difusor colocado sob o ecr Quando um objecto toca na superf cie reflectida mais luz do que apenas com o difusor Esta altera o ent o captada pela camara Num sistema semelhante o sistema FTIR Frustrated Total Internal Reflection utiliza leds de luz infravermelha no interior do ecr dirigidos para a superf cie que a reflecte de volta na sua totalidade Quando um objecto lhe toca os raios de luz deixam de ser todos reflectidos o que pode ser captado por uma camara colocado por detr s dela Na tecnologia LLP Laser Light Plane projectada luz infravermelha a partir de um conjunto de lasers colocados acima da superf cie de toque Quando ocorre um toque no ecr o
115. ta obrigar os utilizadores a acrescentar detalhes ao modelo A aplica o GeoCake tamb m tr s vantagem na terceira tarefa pois dado que as varias camadas s o semelhantes entre si esta permite que o utilizador duplique a camada inferior quando adiciona uma nova Semelhan a do Resultado ao Pretendido Tarefa 3 Tarefa 2 E Geolllustrator E GeoCake Tarefa 1 1 1 5 2 2 2 3 3 5 4 Figura 4 9 Nivel de satisfa o pelo resultado final das tarefas 60 Por fim questionados quando ao n vel de dificuldade geral do uso do sistema os utilizadores deram prefer ncia ao GeoCake figura 4 10 mostrando que um sistema de interac o espacial tr s algumas vantagens para modela o 3D tal como a possibilidade de definir os esbo os em todo o espa o e que o algoritmo de ajuste de superf cies bem como a adi o de detalhes funcionavam dentro do esperado Facilidade Geral de Utiliza o Geolllustrator GeoCake 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 Figura 4 10 N vel de facilidade geral de utiliza o das aplica es 4 4 3 An lise das restantes funcionalidades Para al m da compara o feita na ltima subsec o sec o 4 4 2 foram testadas focadas nos question rios outras funcionalidades presentes no prot tipo da nossa aplica o Deste modo tentou se saber se a visualiza o estereosc pica dos modelos criados a utiliza o de widgets como pegas para defini o dos planos de corte e o aspecto dos cursores
116. tali et al 2013 onde apresentada uma taxonomia orientada aos dados a modela o geol gica e de terrenos pode assentar em tr s tipos de cen rios distintos data free sparse data e dense data Os cen rios data free considerados neste trabalho n o t m nenhuma informa o de base e assim a s ntese geom trica feita inteiramente com modela o procedimental e geom trica Nos cen rios sparse data h alguma informa o dispon vel mas os dados n o cobrem na totalidade o modelo necessitando de ser interpolados Os cen rios dense data s o tipicamente baseados em grandes conjuntos de dados s smicos volum tricos de atributos simples ou multi atributos Na rea da modela o de terrenos existem actualmente diversos tipos de aplica es capazes de desenvolver e analisar cen rios desde muito complexos a muito simples onde se contam por exemplo alguns sistemas de desenho assistidos por computador CAD AutoDesk GoCAD mas tamb m interfaces tang veis que permitem ao modelador definir os terrenos esculpindo as formas desejadas Relativamente a software de modela o de terrenos existem aplica es como o World Machinel que combina a cria o de terreno procedimental simula o de natureza e edi o interactiva para produzir terrenos com elevado detalhe figura 2 1 ou o Quick Terrain Modeler capaz de importar um grande volume de dados e que permite aos utilizadores analisar editar explorar e partilhar os mesmo
117. tando a dist ncia entre estes como roda lo bidimensionalmente A fim de proceder a rota o em 3D necess rio utilizar dois dedos posicionados de modo a definir o eixo de rota o e um terceiro para rodar o objecto em torno do eixo definido Figura 2 21 T cnica de interac o Sticky Tools Hancock et al 2009 Partindo do algoritmo TRS Reisman et al 2009 apresenta um novo m todo para manipula o de objectos tridimensionais via ecr multitoque Para al m das interac es 2D tradicionais o m todo permite a utiliza o de tr s ou mais dedos para uma interac o tridimensional com a superf cie multitoque A t cnica utiliza uma fun o de resolu o de restri es de modo a calcular a posi o e orienta o do objecto e a manter constantes as posi es dos dedos na superf cie e na cena virtual Como limita o desta solu o destaca se possibilidade de manipula o de v rias das t cnicas utilizadas ao mesmo tempo o que leva o utilizador por vezes a ac es indesejadas Partindo do problema da ambiguidade na utiliza o destes gestos para manipula o de objectos Nacenta et al 2009 realizou um estudo com utilizadores onde foram comparados quatro m todos 22 distintos para a interac o multitoque onde estes podiam escolher formas de manipula o para minimizar ac es indesejadas Uma forma de desambiguar transforma es durante a interac o multitoque recorrendo a widgets Widgets de
118. tema de realidade aumentada poder de facto trazer os seus benef cios na percep o do utilizador relativamente aos modelos criados culos Passivos culos Activos Imersivo Realidade Aumentada Televis es 3D X X Nvidia 3D Vision X Oculus Rift X CAVE Cruz Neira X et al 1993 HoloDesk Hilliges X et al 2012 Tabela 2 3 Tabela comparativa para sistemas de visualiza o 3D 25 Relativamente interac o multitoque v rios autores defendem formas distintas de interagir e transformar objectos no plano espa o tabela 2 4 Enquanto alguns defendem a manipula o directa pois d ao utilizador a possibilidade de proceder a varias manipula es simultaneamente outros consideram melhor uma abordagem indirecta recorrendo ao uso de widgets por forma a separar os v rios graus de liberdade e assim evitar poss veis erros involunt rios na interac o Podemos ainda verificar que as v rias t cnicas exploradas podem ir desde 4 2D at 9 3D graus de liberdade e que com excep o do tBox Coh et al 2011 que utiliza widgets todos os sistemas s o de manipula o indirecta DOF Manipula o Directa Manipula o Indirecta TRS Hancock et al 2006 Sticky Tools Hancock et al 2009 Shallow Depth Hancock et al 2007 tBox Coh et al 2011 Tabela 2 4 Tabela comparativa para transforma es geom tricas em multitoque 26 3 Solu o Os avan os das tecnologias nas reas da visualiza o 3D
119. tema desenvolvido que pode ser encarado como uma desvantagem prende se com a utiliza o de uma GUI graphic user interface com um mero elevado de bot es que obriga o modelador a interagir em v rios casos de forma indirecta com o sistema por forma a alterar os modos e op es da aplica o Apesar de ser claro que muitas funcionalidades implicam muitos bot es importante n o esquecer que muitos bot es podem implicar mais confus o para o utilizador Uma redu o deste n mero seria no entanto complicado dado que seria necess rio definir todo um vocabul rio gestual n o amb guo para mapear as fun es Uma poss vel alternativa seria acoplar alguns bot es ao dispositivo de interac o caneta ou mesmo utilizar outro dispositivo que j possuisse um determinado numero de bot es ex Wii Remote Ainda assim tentou se tanto quanto poss vel reduzir este n mero ao m nimo poss vel tendo sido tido em conta um conjunto de factores no desenho da interface como a disposi o dos bot es escolha dos nomes e cores de modo a proporcionar uma interac o mais natural e agrad vel Por forma a evitar erros foi criado um bot o que activa desactiva a edi o do cen rio A exist ncia de uma fun o de exporta o dos modelos desenvolvidos tr s tamb m grande vantagem ao sistema pois permite que o utilizador possa reutilizar o cen rio criado mais tarde para fins de apresenta o ou mesmo refina o dos mesmos noutros so
120. terac o tem como base uma m quina de estados Nota se o facto de o uso de camaras de profundidade ter como problema estas possu rem um raio de ac o captura limitado obrigando o utilizador a permanecer dentro do seu alcance ainda de referir o Leap Motion que um perif rico usb para ligar a um computador pessoal Atrav s de duas camaras e tr s leds infravermelhos o dispositivo consegue observar uma rea at cerca de um metro acima do mesmo figura 2 13 As camaras captam a luz reflectida proveniente dos leds atingindo uma taxa de quase 300 frames por segundo Os dados s o ent o transmitidos por usb ao computador que com aux lio de um controlador sintetiza a posi o 3D comparando os frames 2D vindas das duas c maras Figura 2 13 Utiliza o do Leap Motion para captura de gestos 15 2 3 Visualiza o O modo como dados geom tricos e topol gicos s o representados e visualizados por um utilizador tem grande import ncia na forma como estes s o interpretados Por exemplo quanto mais complexo um desenho ou modelo 2D mais dif cil a sua percep o tridimensional Aqui a transforma o para um espa o 3D revela uma grande ajuda diminuindo fortemente a margem de erros de interpreta o figura 2 14 Figura 2 14 Compara o de uma ilustra o 2D com um modelo 3D Com o avan o da tecnologia e de modo a melhorar a dita percep o tridimensional tem havido uma crescente utiliza
121. ual diferente em forma de broca figura 3 10 Os pontos de perfura o s o adicionados aos pares um superf cie correspondendo ao local de inicio de perfura o e outro no interior do modelo correspondente ao destino e poss vel localiza o de como por exemplo um po o de petr leo Os pontos s o colocados exactamente na ponta do instrumento e apenas dentro nos limites da proxy que define a rea de edi o bastando o utilizador tocar no bot o de activa o Caso o utilizador por lapso adicione um ponto imediatamente abaixo deste a sua altura corrigida para zero Ap s adicionados os dois pontos automaticamente gerado um caminho de perfura o entre ambos figura 3 2 Em caso de engano o utilizador pode de forma simples apagar a ultima curva gerada tocando no bot o correspondente Podem ser apagados tantos pontos quanto desejados A representa o escolhida para a liga o entre os dois pontos foi o da curva de B zier quadr tica A curva de B zier uma curva polinomial expressa como a interpola o linear entre alguns pontos representativos denominados de pontos de controlo 2 2 B t 1 t B 2rd 1 B 1 B t 0 1 Dado que a curva de B zier quadr tica como representado na equa o anterior 3 tem tr s pontos de controlo B B B gt e o utilizador marca apenas dois pontos sendo um terceiro gerado automaticamente como ponto interm dio de modo a permitir a cria o da curva D
122. um dos trabalhos referidos C maras de Motion Capture Tang veis Profundidade Marcadores Ebert et al 1996 X Surface Drawing Schkolne et X al 2001 6D Hands Wang et al 2011 X Interactive Dancing Game X Tang et al 2011 Gallo et al 2011 X OptiTrack X Wii Remote X Kinect X Leap Motion X Tabela 2 2 Tabela comparativa para sistemas de captura de gestos A forma como a informa o mostrada ao utilizador tamb m importante pois dela depende a coer ncia e a imers o com que o utilizador experiencia a interac o com a interface A tabela 2 3 apresenta e compara as tecnologias associadas s diferentes plataformas de visualiza o Os Oculus Rift e sistemas CAVE apresentam a melhor imersividade aos seus utilizadores colocando os quase por completo no mundo virtual sendo a visualiza o dos dados completamente personalizada aos mesmos Infelizmente o sistema Cave tem como grande desvantagem o seu elevado custo e os Oculus Rift podem tornar se desconfort veis ao fim de algum tempo de uso nao s devido ao seu peso Um problema recorrente a denominada ciberdoen a cyber sickness que pode provocar enjoos e ou tonturas aos utilizadores ao cabo de algum tempo de uso O HoloDesk tem como lacuna o espa o muito limitado onde o utilizador pode interagir com o sistema devido sua arquitectura O que num sistema com o objectivo de modela o geol gico n o adequado No entanto de referir que um sis
123. uva de dados para marcar o espa o 3D e assim desenhar formas S o ent o disponibilizados um conjunto de ferramentas tang veis que d o ao utilizador a possibilidade de editar e manipular os modelos criados anteriormente Estas ferramentas t m a particularidade de cada uma permitir atingir um efeito diferente sobre o modelo Outro representante deste conjunto de interfaces o OptiTrack Este utiliza um conjunto de camaras de infravermelhos para captar as posi es de marcadores reflectores presentes no espa o por elas coberto Esta tecnologia invasiva na medida em que o utilizador tem de colocar os marcadores no seu corpo ou num objecto a ser utilizado por ele por forma a capturar os seus movimentos figura 2 10 Figura 2 10 Utilizador provido de marcadores pticos OptiTrack Este sistema utilizado por exemplo no trabalho de Tang et al 2011 onde foi implementado um jogo de dan a interactivo usando para tal a tecnologia de captura ptica de movimentos 3D Aqui os dan arinos vestem um fato coberto com marcadores pticos e os seus movimentos s o captados pelas camaras de infravermelhos Em seguida os movimentos s o comparados a um conjunto de 13 movimentos template existentes no sistema Em caso de reconhecimento um parceiro de dan a virtual responde aos movimentos do utilizador dan ando com ele Com o aparecimento das ltimas gera es das consolas de videojogos houve tamb m algum progresso na cria
124. w dgi com earthvision evmain html GoCAD www pdgm com products gocad Infrared Grid solutions 3m com wps portal 3M en_US TouchTopics Home T echnologies Commercial Infrared 72 Kinect www xbox com pt pt kinect Leap Motion www leapmotion com Nintendo Wii Remote www nintendo com wiiu accessories Nvidia 3D Vision www nvidia com object 3d vision main html Oculus Rift www oculus con Optitrack www naturalpoint com optitrack Petrel http www software slb com products platform pages petrel geology modeling software aspx Quick Terrain Modeler www idaholidar org tools quick terrain modeler SketchUp www sketchup com TUIO http www tuio org UDK www unrealengine com products udk Unity3D unity3d com World Machine www world machine com Zaag Tech www zaagtech com 73 Ap ndice A Manual do Utilizador 1 Preparar o Sistema 1 1 Definir Corpos R gidos No sistema em causa pode ser definido um corpo r gido como o conjunto dos marcadores pticos que est o associados a um objecto de interac o com a aplica o Para funcionar de forma correcta o sistema precisa de obter informa o sobre dois corpos r gidos O primeiro define o dispositivo de interac o f sico ou caneta que o modelador utiliza para transmitir os seus gestos aplica o e deste modo editar os modelos O segundo corpo utilizado para definir a origem da mesa no espa o
125. za o A simula o geol gica n o aqui considerada O sistema permite agilizar a modela o e edi o assim como a explora o de modelos geol gicos partindo de um cen rio sem dados sendo que os modelos considerados s o conceitos e ideias iniciais portanto n o apresentando detalhes geol gicos intrincados Uma das novidades deste trabalho consiste na realiza o da modela o r pida de caracter sticas geol gicas grosseiras com apenas um conjunto limitado de gestos e movimentos no ar O prot tipo recorre a tecnologia de captura de movimentos OpiTrack a fim de capturar os movimentos da m o do modelador quer para a edi o expl cita de superf cies quer para o esbo o de curvas de pontos utilizadas para ajustar superf cies surface fitting que modelam terrenos e subsolos A superf cie multitoque utilizada para interagir com a GUI interface gr fica e para definir transforma es geom tricas sobre o objecto modelado enquanto a c mara de profundidade Kineci d a posi o da cabe a do utilizador relativamente mesa de modela o de modo a criar a perspectiva de visualiza o para o utilizador de referir ainda a possibilidade das superf cies criadas serem exportadas com o intuito de poderem ser refinadas mais tarde com aux lio de outro software de modela o ex 3D Max ou serem utilizadas em plataformas de desenvolvimento de jogos ex UnitySD UDK ou constru o de maquetes 1 5 Contribui es
126. zadores cinco minutos para experimentarem por eles pr prios o prot tipo disponibilizado de modo a ganharem alguma sensibilidade na interac o com a mesma ii Execu o da tarefa Depois do tempo de habitua o aplica o foram dadas aos utilizadores tr s tarefas que deveriam desempenhar A descri o das tarefas incumbidas est detalhada na pr xima sec o sec o 4 2 3 Preenchimento do question rio Por fim foi pedido aos utilizadores que preenchessem um question rio sobre a aplica o e as tarefas desempenhadas de modo a classificar o n vel de dificuldade sentido no desempenho das tarefas e no uso das diferentes funcionalidades disponibilizadas 4 2 Tarefas A fim de avaliar a aplica o desenvolvida foi pedido aos utilizadores que desempenhassem um conjunto de tr s tarefas sobre os prot tipos dos dois sistemas referidos GeoCake e Geolllustrartor 52 Duas das tarefas consistiam em esbo ar modelos previamente criados figuras 4 1 e 4 3 tarefas 1 e 3 respectivamente com a aplica o GeoCake e que o utilizador deveria tentar reproduzir o mais fielmente poss vel A terceira no testes designada por tarefa 2 figura 4 2 tamb m era baseada num esbo o criado previamente mas neste caso apenas com a inten o de levar o utilizador a reproduzir um modelo com as mesmas caracter sticas sem que fosse de todo relevante a sua semelhan a pois o principal objectivo consistia em avaliar a capacidade das

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