realidade virtual aplicada no desenvolvimento de um software para

REALIDADE VIRTUAL APLICADA NO DESENVOLVIMENTO DE UM
SOFTWARE PARA GEOMETRIA DESCRITIVA
Eunice P. Santos Nunes1, Luciana C. L. Faria Borges1, Campos, Adriano Crestani1, João Luiz da Silva
Pereira Cuiabano2, Clodoaldo Nunes3
1
2
3
Departamento de Ciência da Computação – Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT) – CEP: 78060-900
Departamento de Arquitetura e Urbanismo – Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT) – CEP: 78060-900
Gerência de Educação Superior - Centro Federal de Educação Tecnológica de Mato Grosso – (CEFET) - CEP: 78005-390
Cuiabá – MT – Brasil
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[email protected],[email protected]
Resumo – O objetivo deste artigo é demonstrar a
potencialidade das técnicas de Realidade Virtual nãoimersiva como suporte no processo de ensinoaprendizagem da disciplina de Geometria Descritiva, que
costuma ser ministrada nos cursos de Engenharia e
Arquitetura. Uma das maiores dificuldades para os
estudantes dessa disciplina é a percepção e visualização
espacial de elementos no espaço 3D. Sendo assim, o
desenvolvimento de um software através de técnicas de
realidade virtual possibilita aos estudantes visualizar e
interagir com os elementos criados em um ambiente
virtual.
Palavras-Chave – Geometria Descritiva, Realidade
Virtual, Educação, Engenharias.
I. INTRODUÇÃO
A Geometria Descritiva (GD) nos cursos de Arquitetura e
nas diversas modalidades das Engenharias é matéria
introdutória na área de desenho, cuja finalidade principal é
iniciar os alunos no entendimento do desenho projetivo,
através do estudo da representação de elementos no espaço
3D e suas projeções nos planos horizontal e vertical
(visualização 2D), estudo esse que é a base no sistema de
representação do desenho técnico e nos desenhos
arquitetônicos. Para o entendimento da Geometria Descritiva,
faz-se necessário que o aprendiz tenha ou adquira a
capacidade de percepção e visualização espacial de
elementos no espaço, fundamental para o entendimento e a
compreensão dos conteúdos abordados dentro da disciplina.
A área de Geometria tem usufruído dos inúmeros
benefícios advindos da Realidade Virtual (RV). Isto porque
um dos problemas tradicionalmente apresentado na literatura
é o fato de os livros serem em 2D, o que dificulta ao aluno a
sensação tridimensional de imersão e profundidade. Tais
itens, são largamente explorados por sistemas atuais que
utilizam técnicas de RV no ensino de Geometria [3].
Sendo assim, a oferta de um software educativo que
aborde o conteúdo da disciplina de Geometria Descritiva
aponta para a inserção de um instrumento facilitador na
construção do conhecimento do aluno na disciplina citada,
visto que tal recurso tecnológico pode oferecer várias
possibilidades visuais das imagens trabalhadas, além da
interação do aluno no ambiente computacional.
Portanto, este trabalho tem por objetivo demonstrar a
potencialidade das técnicas de Realidade Virtual não
imersiva no processo de ensino/aprendizagem de geometria
descritiva, através da construção de um ambiente virtual em
que o aprendiz pode aprimorar o aprendizado, seja
navegando e/ou interagindo diretamente com os elementos
no ambiente 3D, transmitindo ao usuário a sensação de estar
inserido no contexto do ambiente virtual.
II. MOTIVAÇÃO
O desenvolvimento deste trabalho foi motivado pelo
estudo de alguns sistemas computacionais relacionados à
área educacional de Geometria Descritiva que apresentaram
limitações quanto à interação do usuário com o ambiente.
Na busca de softwares, o primeiro analisado foi
desenvolvido por CLÉRIGO & TEODORO, através do
projeto Minerva da Faculdade de Ciências e Tecnologia da
Universidade Nova de Lisboa, com o apoio da CEBIT (Feira
Internacional de Computação), que se encontra disponível
para download [4].
Este software possibilita uma visualização de elementos
simples no espaço e das suas projeções no plano. Entretanto,
apresenta uma série de limitações, como o limite do número
de dados dos elementos do desenho, o que não permite a
representação de figuras com um grau maior de
complexidade, não possibilitando a aplicação de problemas e
nem a análise dos conteúdos de geometria descritiva como
são encontrados na maioria das bibliografias.
O software EUKLID Dynageo, desenvolvido por
MECHLING é uma ferramenta de desenho que permite criar
desenhos simples ou elaborados a partir de primitivas
geométricas, como pontos e retas e encontra-se disponível
para instalação [11]. O Dynageo possui uma interface
amigável que permite a manipulação dos desenhos através da
barra de menu ou barra de ferramentas instaladas na área de
trabalho do usuário, possibilitando que o desenho seja em
preto-e-branco ou coloridas e salvo como arquivos de
geometria. Entre outras opções, estão presentes na interface
cálculos e medidas de coordenadas. Porém, seu uso no
aprendizado de geometria descritiva foi descartado por
limitar apenas à visualização de figuras no plano.
Outra ferramenta encontrada foi o software AEIOU –
Geometria Descritiva, distribuída pela Associação dos
Professores de Desenho e Geometria Descritiva de Portugal –
APROGED [1], que apresenta praticamente todas as funções
necessárias para o ensino de Geometria Descritiva, mas deixa
a desejar no que diz respeito à interatividade, pois não
permite ao usuário a interação direta com o objeto criado,
mas apenas através de botões de comandos disponíveis na
interface. Observa-se também que o software não permite a
visualização das coordenadas dos elementos instanciados no
ambiente. Quanto à licença, trata-se de um software
proprietário, o que dificulta sua utilização em instituições de
ensino devido à falta de recursos comumente vivenciada.
O software Dr. GEO, criado por HILAIRE, permite a
criação de figuras geométricas e a manipulação das mesmas
de forma interativa [9]. Apresenta uma área de visualização
para explorar a situação da geometria de uma maneira
interativa em oposição às figuras extraídas em uma folha de
papel. É indicado aos professores e estudantes do nível
preliminar ou secundário. O Dr. Geo integra características
avançadas como uma linguagem de programação integrada
para definir certificados dentro de uma figura. A linguagem é
usada também para definir a figura funcional interativa.
Contudo, o software tem a deficiência em não projetar
figuras 3D, ou seja, uma grande falha para o ensino de
Geometria Descritiva.
Dessa forma, considerando as limitações citadas nos
sistemas relacionados acima e de outros estudados, verificouse a necessidade de desenvolver um sistema que permita uma
maior interação do usuário com o ambiente, permitindo que o
aprendiz estimule a sua criatividade e seu interesse pelo
assunto abordado, respeitando inclusive o seu ritmo de
aprendizado.
Assim, no contexto da Realidade Virtual, o ambiente
tridimensional é gerado pelo computador, a partir da
descrição do usuário, podendo ser visualizado de qualquer
posição de sua escolha.
III. AVALIAÇÃO DAS FERRAMENTAS PARA
IMPLEMENTAÇÃO
Durante a pesquisa estudou-se uma linguagem que melhor
se adaptasse ao objetivo do projeto, analisando várias
linguagens de programação e de modelagem de ambientes
virtuais, tais como: Scalable Vector Graphics (SVG) [13], o
Extensible 3D (X3D) [14], VirtualReality Modeling
Language (VRML) [2] e a linguagem Java 3D [10].
O SVG é uma ferramenta, projetada pelo Centro de
Tecnologia XML da Sun, que descreve gráfico vetorial
bidimensional em XML - desenvolvida no World Wide Web
Consortium (W3C). Ela permite que aplicativos de
tecnologia Java exportem gráficos no formato SVG baseado
em XML. Os arquivos SVG podem então ser importados
pelas ferramentas de editoração/authoring de graphic viewers
que suportam SVG, trazendo benefícios como
interoperabilidade e internacionalização do espaço gráfico.
Outra vantagem são as imagens SVG, que possuem recursos
de zoom e são escalonáveis, ou seja, os usuários podem
aproximar uma área em particular de um gráfico, como por
exemplo de um mapa, e não ter nenhuma degradação de
imagem. Por serem escalonáveis, as imagens do SVG podem
ser impressas em alta qualidade em qualquer resolução.
Textos dentro de uma imagem baseada em SVG, como o
nome de uma cidade em um mapa, podem ser tanto
selecionados ou procurados. Aplicativos escritos em SVG
podem se tornar acessíveis para descrever a informação
visual em texto detalhado e suporta ainda scripting e
animação, o que permite gráficos dinâmicos e interativos
sem precedentes.
Porém, após algumas implementações, observou-se que o
SVG apresentou limitações na parte da abordagem
tridimensional (3D) onde é feita apenas uma simulação,
despendendo grande custo computacional e por isso foi
descartado do projeto, uma vez que este necessita de uma
espacialização dos objetos estudados.
Quanto à linguagem de modelagem de mundo virtual
denominada Virtual Reality Modeling Language (VRML),
esta foi considerada visto que diversos pacotes de RV
utilizam programas escritos na linguagem VRML ou
oferecem suporte para a conversão de códigos produzidos
noutros formatos para VRML, porém para desenvolver os
controles de interação da aplicação com o usuário é
necessária uma linguagem de programação, tais como C,
C++, Java, JavaScript, entre outras. Sendo assim, após essa
pesquisa descartou-se a modelagem do mundo virtual em
VRML [2].
O X3D apresentou um ótimo desempenho da modelagem
em 3D, além de uma grande performance, levando-se em
conta que o mesmo é a evolução da linguagem VRML que
migrou para o Extensible Markup Language (XML), mas seu
uso através de parsers no Java deixaria o aplicativo lento e
muito pesado, uma vez que a linguagem Java foi adotada
para o desenvolvimento do layout do software.
Ao término do estudo das ferramentas concluiu-se que a
melhor solução seria a linguagem Java, através de suas API’s
(Aplication Program Interface), como Java 3D e 2D, por sua
portabilidade e desempenho satisfatório, tendo em vista que a
API é uma biblioteca de extensão da linguagem Java, e com
isso o desempenho é consideravelmente maior, satisfazendo
as necessidades para o desenvolvimento do software
educativo proposto [5].
IV. IMPLEMENTAÇÃO
Após estudos, o software, batizado de GDFácil foi
desenvolvido através da linguagem de programação Java,
que possui em suas API’s classes especializadas em
manipulação de objetos bidimensionais (2D) e
tridimensionais (3D), que permitiram uma melhor interação
com o usuário. A API Java 2D contém classes para a criação,
manipulação e renderização de primitivas bidimensionais,
texto e imagens e a API Java 3D tem funcionalidade similar,
tratando de geometrias tridimensionais [7]. A implementação
foi dividida em dois módulos: épura (visualização 2D) e
visão espacial (visualização 3D). Para a entrada e saída de
dados foram disponibilizados barras de ferramentas e menus
de fácil manipulação para otimizar o processamento dos
elementos a serem visualizados no espaço e a análise das
imagens gráficas [x].
O software permite a representação de pontos, retas,
segmentos de retas e primitivas, como paralelepípedos,
esferas, cilindros e cones, através da entrada de suas
coordenadas e/ou dimensões em campos próprios na
interface ou em uma caixa de texto, sem limitação do número
de entrada de dados, e qualquer modificação nesses dados
permite a alteração simultânea nas representações em 2D e
3D. Foram criadas diferentes opções de visualização dos
objetos que formam a representação de cada elemento, de
forma a permitir sua visualização em separado independente
dos demais itens, facilitando a análise de elementos mais
complexos. Foi também criada a possibilidade de opção da
visualização das primitivas básicas como figuras sólidas ou
em estrutura de arame (wire frame) [6].
Como o software GDFácil foi idealizado para utilização
on-line, através do acionamento de um aplett, por meio do
qual o usuário informa os dados dos objetos a serem criados
no ambiente 3D, surgiu durante o desenvolvimento a
necessidade do armazenamento desses dados criados em um
arquivo digital para posterior utilização, opção não
disponível considerando que o software é executado via
navegador, e, por segurança, a Máquina Virtual Java (JVM)
não permite o acesso a máquina do usuário [12].
Este fato decorre pelo motivo do modelo de segurança
implementado pela plataforma Java ser centrado no conceito
de sandbox (caixa de areia), no qual um software executado
via navegador (applet) não é confiável e pode acessar
recursos limitados, fornecidos dentro do sandbox [12].
Para resolver essa questão, de forma que fosse possível
uma maior empregabilidade e conseqüente disseminação do
software pelos usuários, utilizou-se assinatura digital de
applet, realizada com os softwares jarsigner e keytool.
A assinatura digital de applet tem como objetivo garantir
ao usuário que o software que ele está executando é o
software do desenvolvedor, eliminando possíveis alterações
de terceiros. Assim, toda vez que o software for executado no
navegador do usuário, pergunta-se anteriormente se ele
autoriza que o software tenha acesso a sua máquina, e, uma
vez autorizado, o software terá total liberdade para
armazenar e ler os arquivos digitais armazenados na máquina
do usuário.
A figura 1 ilustra a janela principal do software com
algumas primitivas criadas que estão sendo visualizadas no
ambiente 3D e na épura (ambiente 2D).
implementação da caixa de texto, ficou mais acessível para o
usuário entrar com os dados das primitivas ou modificá-los,
uma vez que a caixa de texto é totalmente editável deixando
o usuário livre para fazer as devidas alterações nas
coordenadas e dimensões de qualquer primitiva e concluindo
a operação acionando o botão “Interpretar” como mostra a
figura 2.
Fig. 2. Caixa de texto contendo as definições das primitivas
Com a aplicação da certificação digital no applet, tornouse possível ao usuário utilizar a opção de armazenamento em
arquivo. Antes da aplicação da certificação digital não era
possível acessar a memória secundária quando o software
fosse executado via navegador de internet, impedindo o
usuário de continuar seu trabalho uma vez encerrado a
execução do software. Agora, antes de o software iniciar a
execução quando é executado via navegador, a janela do
certificado digital, como mostra a figura 3, requisita ao
usuário a autorização de acesso a memória secundária, assim
tornando o software hábil a armazenar o trabalho do usuário
na memória secundária para posterior continuação do
mesmo.
Fig. 3. Janela do certificado digital do software GDFácil
Fig. 1. Janela Principal do GDFácil com algumas primitivas
A figura 2 apresenta a caixa de texto, onde se encontra os
dados referentes às primitivas que estão sendo visualizadas
na épura (ambiente 2D) e ao lado no ambiente 3D. Com a
Abaixo temos na figura 4 apenas os ambientes 2D e 3D
para melhor visualização, contendo cones, cilindros,
pirâmides, no ambiente virtual e na épura, facilitando a
compreensão do conteúdo de sólidos estudado na disciplina
de geometria descritiva.
Fig. 4. Épura e ambiente virtual contendo cones, cilindros e
pirâmides
As técnicas de realidade virtual implementadas no
software permitem além da criação dos objetos, que os
mesmos sejam transladados ou rotacionados em relação a um
determinado eixo. Com aplicação dessas movimentações, as
alterações sofridas pelas projeções horizontais e verticais são
modificadas instantaneamente, tanto na representação
espacial, em 3D, quanto nas representações na épura, ou seja,
visão 2D.
As modificações provenientes dessa interação do usuário
com o software permitem que o mesmo posicione os objetos
a ser representados nas mais diversas posições desejadas, e
compreenda facilmente o processo de modificação das
projeções que ocorrem a cada mudança realizada dos objetos,
pelas novas projeções mostradas pelo software, facilitando a
percepção espacial desses usuários, que é a maior dificuldade
encontrada no ensino da disciplina.
O software GDFácil está sendo utilizado nas aulas da
disciplina de Geometria Descritiva ministrada no curso de
Arquitetura e Urbanismo da UFMT e encontra-se em fase de
testes. Para facilitar a utilização, o usuário pode fazer o
download do software para uso em sua máquina ou utilizá-lo
diretamente pela internet através do applet, a partir da página
do
grupo
de
pesquisa
no
endereço
http://www.ufmt.br/compgraf.
V. CONCLUSÕES
A contribuição deste trabalho se deve ao fato de que a
interatividade, que é a capacidade do computador de capturar
as entradas do usuário em tempo real e modificar as ações
dele no ambiente tridimensional [8], está sendo explorada
através das técnicas de Realidade Virtual apresentadas.
Com relação aos softwares encontrados na área de
geometria descritiva, pode-se afirmar que o GDFácil
apresenta diversas vantagens como: código aberto;
exploração da interatividade do usuário; podendo ser
executado diretamente pela internet; não apresenta limitação
no número de objetos a serem adicionados no ambiente
virtual., o que permite criar objetos tridimensionais com
qualquer grau de complexidade
Acredita-se que as técnicas de interação aplicadas,
contribuam para o aprendizado de conteúdos de geometria
descritiva.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] AEIOU GEOMETRIA. Associação dos Professores de
Desenho de Geometria Descritiva de Portugal,
Disponível
em
www.estv.ipv.pt/PaginasPessoais/fmorgado/aeiougd%5
Cdefault.htm, Julho/2003.
[2] CALONEGO, Nivaldi Jr., GARCIA, Marcelo de Brito,
MEIGUINS, Bianchi Serique, VALERIO NETTO,
Antonio, CATERIANO, Patricia S. H. “Modelagem e
Programação de Ambientes Virtuais Interativos”, PréSimpósio - VII Symposium on Virtual Reality, vol. único,
pp. 96-97, Outubro, 2004.
[3] CARDOSO, Alexandre, LAMOUNIER, Edgard Jr. “A
Realidade Virtual na Educação e Treinamento”, PréSimpósio - VII Symposium on Virtual Reality, vol. único,
pp. 259-264, Outubro, 2004.
[4] CLÉRIGO, Filipe Costa, TEODORO, Vítor Duarte.
“Software de Geometria Descritiva”. CEBIT, Portugal.
Disponível
em
http://mathematikos.psico.ufrgs.br/recursos.html,abril/20
03.
[5] CORNELL, Horstmann. Core JAVA 2: Volume II –
Fundamentos, Makron Books, São Paulo, 2001.
[6] CUIABANO, João Luiz da S. Pereira, NUNES, Eunice
P. dos Santos, BORGES, Luciana C. L. Faria, SENA,
Camilo de Almeida. “Desenvolvimento de Software de
Geometria Descritiva para Utilização On-Line”, XIII
Encontro de Iniciação Científica – UFMT, vol. único,
pp. 26, Julho/2005.
[7] CUIABANO, João Luiz da S. Pereira, BORGES,
Luciana C. L. Faria, Eunice P. dos Santos, SALVADOR,
Henrique Gonçalves. “Ferramenta Computacional para
Visualização 2D a partir de Elementos 3D”, XII
Encontro de Iniciação Científica – UFMT, vol. único,
pp. 27, Julho/2004.
[8] FIALHO, Francisco A. P., GUERRA, Carlos Gustavo
Marcante. “Realidade Virtual e Virtualidade”. Santa
Catarina:
UFSC.
Disponível
em
www.eps.ufsc.br/~cgustavo/leonardo/reflexoes/grupo02.
html, janeiro/2002.
[9] HILAIRE, Fernandes. “Dr. Geo”. Disponível em
http://www.ofset.org/drgeo, Outubro/2003.
[10] Java 3D, Core Java 3D API. Disponível em:
http://java.sun.com/products/javamedia/3D/index.jsp,
Junho/2004.
[11] MECHLING, Roland. Euklid DynaGeo: Geometrie
(wie) mit Zirkel und Lineal, version 2.5a. Disponível em
http://www.dynageo.com/eng, Julho/2003.
[12] NUNES, Eunice P. dos Santos, BORGES, Luciana C. L.
Faria, CUIABANO, João Luiz da S. Pereira, CAMPOS,
Adriano Crestani. “Armazenando Arquivos Digitais por
Applet através de Assinatura Digital para Software de
Utilização On-line de Geometria Descritiva”, XIII
Encontro de Iniciação Científica – UFMT, vol. único,
pp. 23, Julho/2005.
[13] SVG - Scalable Vector Graphics. Sun Microsystems do
Brasil.
Disponível
em
http://br.sun.com/press/2000/xml.html.
São
Paulo,
Agosto/2003.
[14] X3D,
3D
eXtensible.
Disponível
em
http://www.lsi.usp.br/~lsoares/x3d/faq.html,
Março/2004.