47 - Departamento de Engenharia Elétrica

UMA BIBLIOTECA VRML PARA A VISUALIZAÇÃO DE CAMPOS ELETROMAGNÉTICOS
Antonio L. de Souza - [email protected] - professor do Departamento de Eletrotécnica da
Universidade Federal do Rio de Janeiro – UFRJ
Fabiano S. de Oliveira - fabiano [email protected] - Engenheiro Eletricista da
Eletrobras/RJ
José C. de Oliveira - [email protected] - professor do Departamento de Eletrotécnica da
Universidade Federal do Rio de Janeiro – UFRJ
Marcelo P. de L. Santos - [email protected] - aluno da graduação em Engenharia Elétrica
do Departamento de Eletrotécnica da Universidade Federal do Rio de Janeiro – UFRJ
Resumo. Este artigo apresenta os resultados recentes de um projeto em desenvolvimento
no Departamento de Eletrotécnica da Universidade Federal do Rio de Janeiro (DEE/UFRJ)
visando o uso da linguagem VRML - Virtual Reality Modeling Language - como instrumento
de modelagem gráfica no ensino da disciplina Teoria Eletromagnética. Um breve panorama
sobre a evolução e as características básicas da linguagem é apresentado seguido de
considerações sobre a produção de arquivos VRML otimizados. A parte final do artigo
apresenta algumas imagens obtidas de uma biblioteca de visualizações em realidade virtual
de campos eletromagnéticos fundamentais.
Palavras-chave:
informação.
VRML,
Realidade
virtual,
Infotecnologias,
Novas
tecnologias
da
1. INTRODUÇÃO
A disciplina "Teoria Eletromagnética" tem importância fundamental nos cursos de
graduação em Engenharia Elétrica. Ela apresenta e discute os conceitos fundamentais da
ciência da eletricidade e do magnetismo através de um tratamento matemático mais
sofisticado. Ela é a linguagem básica do Engenheiro Eletricista, mas não é de fácil
assimilação e causa grande impacto nos alunos de graduação da área elétrica. Um dos
grandes obstáculos enfrentados pelos alunos, quando do estudo desta disciplina, refere-se à
dificuldade de visualização espacial das funções do campo eletromagnético. Essas funções
modelam as conseqüências da presença de cargas e correntes no ambiente analisado e são
definidas genericamente no espaço tridimensional. A noção de como os campos se
distribuem no espaço é essencial para a solução de inúmeros problemas do
eletromagnetismo. Na grande maioria das vezes, porém, o professor da disciplina não
dispõe de ferramentas de modelagem e visualização adequadas e acaba sendo forçado a
representar os campos através de desenhos em perspectiva, feitos no espaço
bidimensional. Isso exige um considerável domínio do desenho em perspectiva, por parte do
professor, além de um aguçado senso de visão espacial, por parte dos alunos. É freqüente a
situação na qual o aluno falha na solução de um problema de teoria eletromagnética,
simplesmente por não ter sido capaz de visualizar no espaço tridimensional as funções
matemáticas envolvidas. Seria interessante, portanto, que o professor e os alunos de teoria
eletromagnética pudessem dispor de recursos gráficos, ilustrando a variação e a distribuição
espacial dos campos fundamentais. Seria igualmente interessante que esse material
estivesse à disposição dos alunos fora da sala de aula e que pudesse, inclusive, ser
consultado a distância, via Internet. Recursos gráficos, com as características acima, podem
ser produzidos através do uso da tecnologia da realidade virtual. Este artigo apresenta os
primeiros resultados de um trabalho em desenvolvimento no Departamento de Eletrotécnica
da Universidade Federal do Rio de Janeiro - DEE/UFRJ - visando a produção de uma
biblioteca de visualizações de campos eletromagnéticos básicos em VRML, a linguagem da
realidade virtual para a Internet [1],[2].
2. A LINGUAGEM VRML - CARACTERÍSTICAS GERAIS
VRML é uma sigla formada a partir de "Virtual Reality Modeling Language" e denomina
uma linguagem de programação utilizada na World Wide Web (WWW) para a descrição de
cenas tridimensionais interativas.
As bases da VRML remontam a um trabalho desenvolvido por Pesce e Parisi [3], [4], [5],
visando o desenvolvimento de uma interface gráfica 3D para a web e apresentado na
Primeira Conferência Internacional da WWW realizada na primavera de 1994 na Suiça. Este
trabalho despertou grande interesse e, imediatamente após a conferência, foi criada uma
lista de discussão por e-mail, com a finalidade de estabelecer uma padronização para a
linguagem. Em outubro do mesmo ano, na segunda conferência da web, realizada em
Chicago, foi apresentada a especificação VRML 1.0, baseada no formato "Open Inventor" da
Silicon Grafics [5]. A VRML1.0 era muito limitada permitindo apenas a construção de
ambientes estáticos, sem interação ou animação. O único movimento permitido era o
realizado pelo próprio observador, ao caminhar por entre os elementos da cena, e a única
forma de interação disponível era o acionamento de links a partir dos objetos presentes na
referida cena. A primeira versão foi rapidamente aperfeiçoada originando a especificação
VRML2.0, baseada na proposta "Moving Worlds", também da Silicon Grafics. Esta versão
acrescentou recursos tais como a navegação interativa, a inclusão de som, de sensores,
além de possibilitar a produção de arquivos com a animação [6].
A linguagem VRML foi criada para ser usada na Internet, permitindo aos usuários
conectados na rede a produção e troca de arquivos tridimensionais interativos. Devido a
isso, ela foi desenvolvida como uma linguagem totalmente independente de plataforma, ou
seja, é possível migrar entre distintas plataformas sem a necessidade de alteração do
código fonte. Outra característica importante da VRML é o fato de ser uma linguagem
interpretada. Para a visualização das cenas em VRML torna-se necessário o uso de um
navegador convencional da Internet (Netscape ou Internet Explorer) associado a um plug-in
que interprete este formato de arquivo. Vários plug-ins estão disponíveis gratuitamente na
Internet, e as versões mais recentes do Netscape e do Internet Explorer já vem
acompanhadas do mesmo. O plug-in de VRML mais utilizado atualmente é o Cosmo Player,
disponível para download gratuito na URL que acompanha a referência seguinte [7]. Os
mundos em VRML podem, também, ser visualizados "off-line" a partir de arquivos residentes
no computador do usuário. "Mundo" é um termo normalmente usado por projetistas de
VRML para denominar as cenas ou ambientes criados nessa linguagem.
Um arquivo VRML é basicamente um texto simples e pode ser criado usando editores
de texto convencionais. No entanto, a grande maioria dos mundos são desenvolvidos a
partir de softwares construtores especiais, ficando o uso da linguagem para a manipulação
de detalhes específicos. Os mundos VRML são montados a partir da descrição de objetos
simples, as primitivas, tais como: esferas, cilindros, cones, cubos, toroides, etc. A
combinação adequada desses objetos simples leva à construção de estruturas complexas,
as quais é possível associar atributos como cores, texturas, sensores, sons e animações.
Os arquivos VRML podem ser integrados com programas em Java, aumentando com isso
as possibilidades de interação.
3. OTIMIZANDO ARQUIVOS VRML
A versão corrente da linguagem VRML oferece uma excelente gama de recursos tais
como o uso de: texturas, transparências, animações, iluminações especiais, som e sensores
para o acionamento de eventos. A utilização desses recursos deve ser feita criteriosamente,
caso o projetista tenha em mente o amplo acesso a sua criação. Isto é particularmente
verdadeiro às situações onde os trabalhos desenvolvidos devam ser visualizados em
laboratórios públicos de informática, nos quais nem sempre estão disponíveis máquinas de
última geração.
O tamanho de um arquivo VRML e a conseqüente redução na velocidade de navegação
estão diretamente relacionados à quantidade de detalhes incluídos. É possível, entretanto,
com alguma experiência e cuidado, produzir arquivos de VRML com satisfatório grau de
otimização. Um processo de otimização bastante utilizado consiste na redução do uso de
texturas ou na substituição das mesmas por cores simples com aproximadamente o mesmo
tom. Ao invés de cobrir uma caixa com a textura de jacarandá, por exemplo, é possível
pintá-la num tom marrom escuro aproximadamente igual àquele predominante na imagem
bidimensional que armazena a informação sobre esse tipo de madeira. Outro artifício de
otimização consiste na redução do número de fontes de iluminação na cena. Um número
elevado de fontes de luz espalhadas aleatoriamente pelo ambiente em construção pode ser
substituído por poucos e bem localizados pontos luminosos. É possível, ainda, reduzir o
número de polígonos usados na geração das superfícies que cobrem os objetos, quando da
sua renderização. Isso pode originar superfícies não tão suaves, mas na grande maioria das
vezes o que se busca é a modelagem de um objeto, e não sua replicagem como um
trabalho de arte hiper-realista.
Em muitos casos a visualização eficiente de arquivos VRML não requer o uso de toda a
informação neles contida. A introdução de textos em cenas VRML, por exemplo, é
freqüentemente desnecessária e acaba transformando-se numa fonte de poluição visual do
mundo construído. Esses textos acabam sofrendo a ação de todos os movimentos que o
usuário aplica à cena e, muito freqüentemente, acabam deslocados para fora do campo de
visão, perdendo sua finalidade. Além disso, sua leitura se torna confusa na maioria das
vezes. Uma solução simples e elegante do ponto de vista gráfico consiste em combinar
(inserir) arquivos VRML em páginas HTML de texto. Outra alternativa é o uso de estruturas
em "frames", nas quais textos e arquivos gráficos 3D possam ser apresentados, lado a lado,
em páginas HTML distintas. Outro recurso bastante eficiente para a redução do trabalho
computacional consiste em desmembrar arquivos complexos em conjuntos mais simples.
Nem sempre toda a informação a ser apresentada precisa estar, necessariamente, contida
numa mesma cena
Os arquivos VRML finais podem ser pós-processados em busca da otimização. Podese, por exemplo, reduzir o número de dígitos utilizados na representação numérica da
informação; retirar comentários desnecessários no texto do arquivo; remover finais de linhas
e compactar os referidos arquivos para facilitar seu manuseio. Essas tarefas podem ser,
inclusive, automatizadas através do uso de softwares depuradores, alguns dos quais são
anunciados na própria Internet. Um recurso mais sofisticado de otimização é o emprego da
técnica denominada "Level-Of-Detail" ou LOD, já incluído na maioria dos softwares de
autoria em VRML. O LOD determina o nível de detalhe de um objeto, ou conjunto de
objetos, dependendo da distância em que estes se encontrem do observador. Isto torna
rápida a visualização porque objetos com menor importância na cena podem ser
substituídos por outros de estrutura menos complexa. Um carro que estiver a 1000 unidades
de distância do observador pode ser substituído, por exemplo, por um simples cubo. Um
cubo é bem mais simples definir e calcular matematicamente do que um carro cheio de
detalhes. O objeto pode também ter mais de um nível de detalhe dependendo de sua
complexidade.
4. UMA BIBLIOTECA DE VISUALIZAÇÕES PARA ELETROMAGNETISMO
Os recursos desenvolvidos, ao longo do trabalho reportado neste artigo, fazem parte de
um ambiente educacional na Internet voltado para o ensino/aprendizado de Teoria
Eletromagnética. Esse ambiente, por sua vez, integra um programa mais amplo em
desenvolvimento no Departamento de Eletrotécnica da Universidade Federal do Rio de
Janeiro denominado Projeto LANTEG [2], [8], [9]. A área de eletromagnetismo desse projeto
disponibiliza coleções de textos básicos e tutoriais, banco de imagens, animações, applets,
questionários, seqüências de slides em sistemas de apresentação, seleções de links,
simulações de experiências básicas em laboratórios virtuais e uma biblioteca de
modelagens e visualizações desenvolvida em VRML. A primeira parte dessa biblioteca de
visualizações é apresentada neste artigo. Os arquivos foram produzidos através do uso
combinado de softwares de autoria e do código da linguagem VRML e são disponibilizados
de dois modos:
a ) Como arquivos isolados de VRML (do tipo *.wrl).
Nesta configuração os arquivos estão disponíveis para o uso local do professor,
que poderá levá-los para a sala e exibi-los aos alunos ao longo de sua aula.
b) Como arquivos inseridos em estruturas de "frames".
Nessa forma os arquivos de VRML são disponibilizados inseridos em uma
seqüência de páginas com dois “frames” cada uma (ver Figura 01). Nessas
páginas: o frame da esquerda apresenta a fórmula do campo, sua interpretação
e disponibiliza links para outros sites com informação; o da direita apresenta o
navegador Cosmo Player e a VRML do campo analisado. Essa seqüência de
páginas de duplo "frames" estará "on-line" e poderá ser visitada e navegada por
usuários da Internet.
Figura 01 –
Estrutura
em
“Frames”
com
o
campo
elétrico da
carga
pontual .
O curso
de
Teoria
Eletromagné
tica trabalha
com
três
sistemas de
coordenada
s:
o
cartesiano,
o cilíndrico e
o esférico.
As
propriedade
s do sistema
cartesiano
tais como:
localização de pontos no espaço, localização dos vetores unitários e a definição de áreas e
volumes elementares são, via de regra, dominadas pelos alunos. O mesmo fato não ocorre,
porém, em relação às propriedades dos sistemas cilíndrico e esférico, as quais são mais
complexas e de difícil representação espacial. Em função disso, um conjunto completo de
visualizações para os três sistemas de coordenadas foi desenvolvido. As Figuras 02 e 03
mostram imagens provenientes desse conjunto e ilustram, respectivamente, a localização de
dos vetores unitários e do volume elementar em coordenadas cartesianas.
Figura 02 – Sistema de coordenadas cartesiano.
Localização de um ponto e ilustração dos vetores unitários.
Figura 03 – Sistema de coordenadas cartesiano. Ilustração
para o cálculo do volume elementar.
As imagens apresentadas da Figura 04 até a Figura 09 ilustram, respectivamente, os
seguintes campos: campo elétrico da carga pontual (Figura 04), campo elétrico do dipolo
elétrico (Figura 05), campo elétrico da linha infinita (Figura 06), campo elétrico do capacitor
de placas paralelas (Figura 07), campo elétrico do plano infinito de cargas (Figura 08) e
campo magnético do filamento infinito (Figura 09).
Figura 04 – Campo elétrico da carga pontual, apresentado
como arquivo VRML isolado.
Figura 05 – Campo elétrico do dipolo elétrico, apresentado
como arquivo VRML isolado.
Figura 06 – Campo elétrico da linha infinita de cargas,
apresentado como arquivo VRML isolado.
Figura 07 – Campo elétrico do capacitor de placas
paralelas, apresentado como arquivo VRML isolado.
Figura 08 – Campo elétrico do plano infinito de cargas,
apresentado como arquivo VRML isolado.
Figura 09 – Campo magnético da infinita, apresentado
como arquivo VRML isolado.
Outras visualizações foram e continuam sendo desenvolvidas pela equipe do projeto. A
correta visualização espacial desses e de outros campos básicos é de grande importância
porque distribuições espaciais mais elaboradas podem ser, freqüentemente, decompostas
na superposição desses campos mais simples. As seqüências de visualizações em
desenvolvimento no Projeto LANTEG objetivam a formação de coleções de arquivos de
Campos Elétricos, Campos Magnéticos e Funções Potenciais. Numa próxima etapa do
trabalho serão desenvolvidas animações, em VRML, ilustrando princípios fundamentais da
ciência do eletromagnetismo tais como: conceitos de força eletromotriz induzida, princípios
do gerador e do transformador, propagação de uma onda plana eletromagnética, princípios
da transmissão e da reflexão de ondas eletromagnéticas e formação de ondas
estacionárias, dentre outras.
5. CONCLUSÃO
Este trabalho apresentou os resultados recentes de um projeto em desenvolvimento no
Departamento de Eletrotécnica da Universidade Federal do Rio de Janeiro visando o uso de
recursos das novas tecnologias da informação para a produção de ferramentas didáticas a
serem utilizadas no ensino/aprendizado da engenharia. Foram relatados o projeto e a
construção de um ambiente educacional na Internet voltado para o ensino/aprendizado de
Teoria Eletromagnética. Foram, também, apresentadas visualizações 3D produzidas até o
presente momento através de uma das tecnologias da realidade virtual para a Internet, a
linguagem VRML. O trabalho realizado ressalta a importância do uso da linguagem VRML
como ferramenta de visualização e modelagem no ensino/aprendizado da engenharia
elétrica, uma das mais abstratas das engenharias.
6. REFERÊNCIAS
[1]- Oliveira, Fabiano Salomão de; “A linguagem VRML Como Instrumento de Visualização
no Ensino de Teoria Eletromagnética”; Projeto Final para a graduação em Engenharia
Elétrica, Departamento de Eletrotécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro –
DEE/UFRJ - Cap. 4.2; pp. 32, Set/2000.
[2]- Projeto LANTEG, "Laboratório de Novas Tecnologias para o Ensino da Engenharia",
Centro de Tecnologia, Departamento de Eletrotécnica, Universidade Federal do Rio de
Janeiro.
http://www.dee.ufrj/lanteg/absite/absite.htm
[3]- Pesce, Mark, " A brief history of Cyberspace"
http://www.zdnet.com/products/vrmluser/perspectives/mp.history.html
[4]- Pesce, Mark D.; Kennard, Peter e Parisi, Anthony S. (1994), "Cyberspace",
http://www.hyperreal.org/~mpesce/www.html
[5]- Bell, Gavin; Parisi, Anthony e Pesce, Mark (1994); "The Virtual Reality Modeling
Language", Version 1.0 Specification (Draft),
http://www.cica.indiana.edu/graphics/object_specs/vr/vrml/VRML.format.html
[6]- The VRML97 Specifications;
http://www.vrml.org/Specifications/VRML97/index.html
[7]- Cosmo Player; Copyright © 1999 Computer Associates International, Inc.
http://www.platinum.com/cosmo/win95nt.htm
[8]- De Souza, Antonio Lopes; Salgado, Luiz Antônio; Sollero, Maria Karla Vervloet; &
Suemitsu, Walter Issamu; (1999); "An Internet-based Environment for Teaching and
Learning Electrical Engineering"; artigo de número 291, Proceeding of International
Conference on Engineering Education - ICEE'99; Ostrava e Praga, República Tcheca;
Agosto de 1999.
http://www.fs.vsb.cz/akce/1999/icee99/Proceedings/index.htm
[9]- De Souza, Antonio Lopes; Oliveira, José Carlos de; Sollero, Maria Karla Vervloet;
Suemitsu, Walter Issamu; "Projeto LANTEG - Recursos Interativos Para o Ensino de
Engenharia elétrica"; artigo de número 81; Annais Eletrônicos do V Encontro de Ensino
de Engenharia, Outubro de 1999.