MODELAGEM E VISUALIZAÇÃO DE AMBIENTES
VIRTUAIS NA WEB
Verônica Stocchi Marinho1, Jackson Gomes de Souza 1
1
ULBRA – Centro Universitário Luterano de Palmas (CEULP)
Caixa Postal 15.064 – 91.501-970 – Palmas – TO – Brasil
{veronica, jgomes}@ulbra-to.br
Abstract. The visualization of non-conventional medias in the web, is an area
of increasing update, where some formats of medias are discovered and
specified frequently and the convenience of to visualize these medias in the
environment of navigation of web if becomes a very emergent necessity and a
characteristic sufficiently explored by the developer of web sites. Leaving of
this estimated, the visualization of electronic mockups in web becomes an area
of attractive and viable exploration. In this article, the development of a web
site is considered that serves as an environment of three-dimensional
architectural visualization surrounding.
Resumo. A visualização de mídias não-convencionais na web, é uma área de
crescente atualização, onde vários formatos de mídias são descobertos e
especificados freqüentemente e a conveniência de se visualizar essas mídias
no ambiente de navegação da web se torna uma necessidade bastante
emergente e uma característica bastante explorada pelos desenvolvedores de
web sites. Partindo desse pressuposto, a visualização de maquetes eletrônicas
na web se torna uma área de exploração atrativa e bastante viável. Neste
artigo, é proposto o desenvolvimento de um web site que sirva como um
ambiente de visualização tridimensional de ambientes arquitetônicos.
1. Introdução
A Realidade Virtual surge como uma ferramenta muito importante quanto à interação
entre usuário e os mais variados tipos de dados e informações, pois oferece eficientes
recursos gráficos, textuais e sonoros. Assim, a Realidade Virtual pode ser utilizada nas
mais diversas áreas do conhecimento, favorecendo inúmeras atividades na sociedade
como: educação, negócios, pesquisa e treinamento. Sua maior vantagem está ligada à
transferência do conhecimento intuitivo do usuário, a respeito do mundo físico, para
manipular o mundo virtual através da navegação em tempo real e imersão no espaço
visualizado.
O presente projeto tem como objetivo o desenvolvimento de um site que sirva
como um ambiente de visualização tridimensional de ambientes arquitetônicos, onde é
possível, por exemplo, realizar um “passeio virtual” pelo ambiente antes de comprá-lo.
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Para a realização do projeto, são utilizados os programas AutoCad 2002 e 3D Studio
Max 6.0, além das linguagens VRML e XD3.
2. Utilização da Realidade Virtual na Arquitetura
A computação gráfica tem sido o meio mais rápido e eficaz para a representação de
ambientes em projetos de arquitetura e urbanismo, permitindo uma melhor compreensão
e análise de projeto. A realidade virtual é mais um elemento de auxílio ao usuário na
interação em tempo real com modelos tridimensionais de superfícies urbanas, espaços
abertos, fechados e quaisquer elementos formadores do espaço urbano, fornecendo uma
melhor compreensão do espaço de intervenção. (REBELO, 2004). Além disso, os
recursos oferecidos atualmente pelas ferramentas, que criam estas representações
gráficas, são inúmeros; elas permitem um melhor acompanhamento dos projetos, através
de simulações de luz, de ambiente e de materiais.
Um exemplo do crescimento de novas tecnologias nessa área em questão é a
criação do programa conhecido como ARTHUR (criado pelos Engenheiros do
Fraunhofer Institute na Alemanha); ele permite que o projeto receba qualquer tipo de
modificação, mostrando seus resultados em tempo real. Essas modificações podem ser
realizadas em conjunto, permitindo que todos os envolvidos visualizem como cada uma
das mudanças propostas afeta o modelo, e como elas interagem entre si. (INOVAÇÃO
TECNOLÓGICA, 2004).
O interesse pelo uso da Realidade Virtual se deu através do freqüente aumento
de usuários e informações disponibilizadas na Internet, onde cada vez mais são
necessárias novas formas de comunicação e interação dentro da mesma. As linguagens
apresentadas a seguir (VRML e X3D) são os formatos de criação de realidades virtuais
que possibilitam a navegação pelo ambiente em tempo real através de navegadores da
Internet, como o Internet Explorer, que vêm apresentando um maior crescimento quanto
a utilização.
2. VRML - Virtual Reality Modeling Language
VRML (Linguagem para Modelagem em Realidade Virtual) é uma linguagem textual
que possibilita a criação de objetos e ambientes interativos 3D, os quais podem ser
aplicados em diferentes áreas como a da engenharia, visualizações científicas, títulos
educacionais, páginas da Internet, apresentações multimídia, entretenimento e mundos
virtuais compartilhados (VRML, 2004).
Suas características principais estão relacionadas à capacidade de criar objetos
3D (estáticos e animados) e multimídias com hiperlinks para outras mídias tais como
sons, textos, imagens e filmes (VRML, 2004).
Arquivos VRML possuem extensão .wrl e podem ser vistos através de um
browser helper-application ou um plug-in VRML, localmente ou através da Internet.
2.1 Componentes Funcionais
Os componentes funcionais mais importantes para a formação de um arquivo VRML
são:
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–
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–
grafo de cena;
distribuição de eventos;
header;
comentários;
nós (nodes), contendo campos (fields) e valores (values);
DEF e USE;
rotas e protótipos; e,
scripts.
O grafo de cena possui os nós que descrevem objetos e suas propriedades.
Apresenta uma geometria hierárquica agrupada para fornecer uma representação
audiovisual dos objetos, bem como os nós que participam no mecanismo de geração e
da distribuição do evento.
Alguns nós VRML geram eventos em resposta às mudanças ambientais ou à
interação com o usuário. A distribuição de eventos fornece um mecanismo, separado da
hierarquia do grafo de cena, através do qual estes eventos são propagados para efetuar
mudanças em outros nós. Uma vez gerados, os eventos são emitidos a seus destinos,
distribuídos em ordem de tempo e processados pelo nó de recepção. Esse processamento
pode mudar o estado do nó, gerar eventos adicionais, ou mudar a estrutura do grafo de
cena (VRML, 2004).
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#VRML V2.0 utf8
# Exemplo de uma caixa
Shape {
appearance Appearance {
material Material {
diffuseColor 1 0 0
}
}
geometry Box {
size 1 1 1
}
}
Figura 1 - Exemplo de arquivo VRML.
A Figura 1 apresenta um código VRML que representa uma caixa (Box). O
header (cabeçalho), apresentado na linha 1, é obrigatório em qualquer arquivo VRML;
ele é iniciado através do caracter ‘#’, além de identificar o arquivo como sendo VRML,
sua versão, e o conjunto de caracteres internacional que será utilizado (nesse caso, UTF8). O caracter ‘#’ também representa o início de um comentário, como ilustra a linha 2,
e pode ser aplicado em qualquer parte do arquivo. Na linha 3, um nó Shape está sendo
representado; ele descreve a geometria da estrutura 3D do objeto, e a sua aparência. A
aparência (nó appearance, linha 4) descreve propriedades relacionadas ao material e à
textura. Na linha 5, o nó material especifica as propriedades materiais da superfície; o
campo diffuseColor determina o modo com que a luz reflete sobre a superfície dos
objetos para criar a sua cor (linha 6). Por último, a geometria do nó Shape é descrita nas
linhas 9 a 11, onde são definidos o seu tipo (Box) e suas dimensões (size).
O VRML permite que o usuário crie nomes para qualquer nó. Quando um nó
possui um nome, ele pode ser utilizado posteriormente no arquivo. Como exemplo no
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domínio de um laboratório de informática, pode-se imaginar a criação do nome
"computador" para um nó ou grupo de nós usados na construção de um computador.
Para inserir cinco computadores em uma bancada, é possível simplesmente reutilizar
este nó, sem ter que descrever todo o computador novamente. Pode-se chamar de "nó
original” aquele nó ao qual um nome foi definido e de “instância” cada reutilização
deste nó. Assim, a definição de um nó que será instanciado é realizada colocando a
palavra DEF antes do nome criado. E para que este nó seja utilizado dentro do arquivo
utiliza-se a palavra USE ou ROUTE na frente do nome criado quantas vezes for
necessário (VRML, 2004). A sintaxe destes comandos é a seguinte:
DEF <nome_do_nó> <tipo_do_nó> { <corpo> }
USE <nome_do_nó>
Mensagens podem ser trocadas entre dois nós quando rotas são construídas. Tais
mensagens, também conhecidas como eventos (event), são emitidas aos nós destinos
para serem processadas, podendo mudar o estado do nó, gerar eventos adicionais, ou
mudar a estrutura do grafo de cena. Uma rota criada entre dois nós, onde o primeiro
envia eventos (mensagens) para o segundo, torna possível, por exemplo, passar o mouse
ou clicar em um objeto e fazer com que este gire, mude de cor ou que uma música
toque. A criação de rotas envolve um par de nós que serão ligados e uma rota entre os
dois nós (VRML, 2004):
ROUTE <nome_nó>.<nome_evento> TO <nome_nó>.<evento_nome>
Em um arquivo VRML, o uso do componente conhecido como protótipo permite
que o usuário possa criar os seus próprios tipos de nós. Além disso, é possível utilizar
protótipos criados em outros arquivos. Essa possibilidade de referenciar nós criados e
definidos em arquivos diferentes pode ser um recurso interessante, uma vez que móveis
podem estar sendo definidos em arquivos separados (ou, em uma biblioteca de objetos
comuns) e que vários mundos (ambientes) virtuais podem utilizar os elementos daquela
biblioteca para compor o seu próprio grafo de cena.
Freqüentemente, os eventos externos e as entradas do usuário fazem com que
mudanças sejam realizas no “mundo VRML”. Estes tipos de respostas podem ser
expressas como nós scripts, que recebem eventos de outros nós, os processa, e depois os
emite a outros nós (VRML, 2004). O nó script é ativado quando recebe um evento. O
browser executará então o código contido no campo url do nó script ou o programa
referenciado externamente. O programa pode executar uma grande variedade de ações
incluindo a emissão dos eventos externamente, executando cálculos, e comunicando-se
com os usuários.
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Script {
eventIn SFBool start
url [ "http://foo.com/fooBar.class",
"http://foo.com/fooBar.js",
"javascript:function start(value, timestamp) { ... }"
]
}
Figura 2 – Exemplo de nó script.
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No exemplo acima (Figura 2), quando um evento do tipo eventIn é recebido pelo
nó script, um dos scripts encontrados no campo url é executado. A ordem em que as
urls ou códigos são dispostas no campo url indica a sua ordem de execução. Assim, a
primeira url é a primeira a ser executada (linha 3), a segunda (linha 4) corresponde à
segunda execução e o código JavaScript descrito na linha 5 será o executado
posteriormente.
Figura 3 – Exemplo de execução de script
A Figura 3 representa um exemplo de execução de script utilizando JavaScript.
Quando o usuário clica no objeto círculo a mensagem “Clicaram na bola!!!!” é impressa
no browser.
3. X3D - 3D Extensible
O X3D é um padrão aberto, criado para distribuir conteúdo 3D. Ele combina geometria
e descrições de comportamentos instantâneos em um simples arquivo que possui
inúmeros formatos disponíveis, incluindo o Extensible Markup Language (XML)
(XML, 2004). O padrão X3D surgiu da última revisão da especificação ISO VRML97,
incorporando os avanços dos recursos disponíveis nos mais recentes dispositivos
gráficos tanto quanto melhoras na sua arquitetura (X3D, 2004).
Na criação do X3D, foi aproveitado o trabalho realizado pelo VRML97,
utilizando as premissas básicas e estendendo-as para prover uma maior flexibilidade. As
mudanças começaram pela especificação, que sofreram um completo ajuste, sendo
divididas em três partes: conceitos abstratos; formato de codificação para arquivos; e
acesso à linguagem de programação. (X3D, 2004); além dessa, muitas outras
modificações ocorreram, onde as principais foram: uma maior precisão com a
iluminação e modelo de eventos; expansão das capacidades do grafo de cena; revisão e
unificação do modelo da API; múltiplos formatos de codificação são aceitos: VRML,
XML e o binário comprimido; e arquitetura modular, permitindo uma faixa de níveis
para serem adotados e suportados por diversos tipos de aplicações ou uma plataforma
em particular.
A arquitetura modular foi empregada no X3D porque a maioria dos domínios de
aplicações não necessitam de todos os seus recursos, tão pouco todas as plataformas
suportam a gama de funcionalidades definidas na especificação. Com isso, dois novos
conceitos foram adicionados ao XD3: profiles e components. Estes são as novas formas
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do X3D definir respectivamente extensibilidade e o conjunto de serviços que o conteúdo
dos usuários necessita. Os recursos do X3D são agrupados em componentes
(components) que podem ser suportados pela implementação ou por uma plataforma em
particular definindo uma coleção específica de nós que possui um conjunto de
funcionalidades. Um profile é uma coleção de components para um específico nível de
suporte. Todos os arquivos X3D requerem a definição do profile que está em uso, na
qual pode ser suprida com a requisição de componentes adicionais pelo usuário - ou por
níveis maiores que aqueles providos pelo profile. Atualmente, existem seis perfis
(profile) que satisfazem a um conjunto variado de exigências. São eles: Core,
Interchange, Interactive, MPEG4Interactive, CDF (CAD Distillation Format),
Immersive e Full. (X3D, 2004).
2.1 X3D e XML
Para o desenvolvimento desse artigo utilizou-se o XML como modo de codificação do
X3D; desta forma, toda a sintaxe apresentada sobre o X3D será representada somente
através desse formato.
O XML foi adotado como uma das sintaxes X3D com o intuito de resolver
problemas reais como (X3D, 2004):
– integração com Web Services, redes distribuídas e aplicações para
transferência de dados e arquivos;
– as linguagens de marcação provam ser a melhor solução para o arquivamento,
reúso e filtragem de uma grande quantidade de dados;
– integração baseada em páginas XML, facilitando o desenvolvimento de
páginas Web, maximizando a interoperabilidade com outras linguagens da
Internet;
– integração com a futura Web, já que os membros do World Wide Web
Consortium (W3C) estão se esforçando muito no desenvolvimento do XML;
e,
– suporte a um grande número de ferramentas, como stylesheets que permitem
o trabalho em qualquer formato nativo XML, além de transformações para
visualização 3D através do Chemical Markup Language (CML), MathML e
diversas outras linguagens XML.
2.1.1 Componentes Funcionais
Um arquivo X3D pode ser composto pelos mesmos componentes funcionais que
existem no VRML, além de alguns adicionais como é o caso do EXPORT e IMPORT
que servem respectivamente para definir quais o elemento de um arquivo externo que
poderão ser importados e, para incorporar ao namespace do arquivo os nós de um
arquivo externo, para possíveis distribuições de eventos.
.
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<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE X3D PUBLIC "ISO//Web3D//DTD X3D 3.0//EN"
"http://www.web3d.org/specifications/x3d-3.0.dtd">
3
<X3D profile='Immersive' xmlns:xsd='http://www.w3.org/2001/XMLSchemainstance'
xsd:noNamespaceSchemaLocation='http://www.web3d.org/specifications/x3dVI Encontro de Estudantes de Informática do Estado do Tocantins – ENCOINFO 2004 – 4 e 5 de novembro de 2004
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3.0.xsd'>
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<head>
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<meta name='filename' content='Exemplo.x3d'/>
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<meta name='description' content='Exemplo que arquivo X3D.'/>
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<meta name='created' content='Setembro 2004'/>
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</head>
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<Scene>
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<Shape>
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<Appearance>
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<Material diffuseColor='1 0 0'/>
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</Appearance>
14
<Box size='1 1 1'/>
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</Shape>
16
</Scene>
17 </X3D>
Figura 4 – Exemplo de arquivo X3D
O exemplo acima, Figura 4, possui o mesmo resultado que o exemplo da Figura
1. Nas linhas 1 e 2 é representado o header de um arquivo X3D, o qual é composto por
2 tags; a primeira identifica o arquivo como sendo XML, sua versão e o conjunto de
caracteres internacional UTF-8, já na segunda (linha 2), é declarado o DOCTYPE X3D
que especifica o caminho da DTD de validação XML. Na linha 3, o nó raiz X3D é
definido; ele identifica o perfil X3D como Immersive e os schemas XML de validação.
Entre as linhas 4 e 8, um header opcional é criado; ele pode conter componentes e
informações. Nesse caso ele possui um nome (linha 5), uma descrição (linha 6) e uma
data de criação (linha 7). Um elemento Scene é definido entre as linhas 9 e 16; ele é um
nó raiz que contem um ou mais elementos do grafo de cena; Já entre as linhas 11 e 15, é
bastante visível a semelhança entre os nomes dos elementos X3D em relação aos nós do
VRML. Portanto, as definições de cada um desses elementos e atributos torna-se
desnecessária, já que isso foi realizado na seção 2 do VRML.
Os nós X3D são conhecidos em XML como elementos e os campos como
atributos. Cada tag começa e termina com suportes dos sinais “<” e “>“,
respectivamente. O corpo de um nó é incluído entre um par de tags de abertura e de
fechamento, onde a tag de fechamento tem a precedência da barra “/”. Muitas vezes, se
nenhum elemento adicional for contido como nó children, uma única tag pode omitir a
tag de fechamento do elemento terminando o único elemento com os caracteres “/>”.
No formato XML do X3D, as indicações DEF e USE são tratadas como
atributos. Um atributo USE indica que o nó é uma cópia da referência do nó DEF com o
mesmo ID (X3D, 2004). Fazendo uma analogia com a sintaxe XML, a indicação DEF é
atribuída ao XML como um atributo ID e USE como um IDREF.
4. AutoCad
Com o advento dos softwares de CAD (Computer Aided Design), a construção de
projetos de engenharia civil e arquitetura se tornou uma tarefa que praticamente é
realizada, por completo, utilizando o computador. Em tempos mais remotos, a
visualização ou a simulação do ambiente da edificação era possível através das
maquetes; e a tarefa de criação das maquetes exigia dispêndio de grande quantidade de
tempo, até porque é necessário expressar o máximo possível de detalhes.
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Utilizando os programas de CAD, a criação de maquetes eletrônicas (ou,
virtuais) torna-se algo que pode ser realizado até mesmo em conjunto com a definição
da planta ou do projeto arquitetônico, onde são proporcionados benefícios aos seus
usuários através da simplificação na produção de desenhos pela automação de tarefas
repetitivas e pela confiabilidade na elaboração de cálculos quantitativos.
Das ferramentas CAD disponíveis no mercado, o AutoCAD da Autodesk,
lançado em 1989, é o mais popular; sendo a ferramenta mais utilizada pelos arquitetos e
projetistas da área. O Autocad é voltado à criação e manipulação de desenhos técnicos e
projetos, não produzindo somente ambientes 2D, onde é formado apenas a base do
projeto, mas também o 3D, onde o seu sistema de unidade é muito mais preciso. Além
disso, muitos pacotes, tais como modeladores de terrenos digitais e aplicações
específicas para arquitetura, estão disponíveis. Os objetos tridimensionais existentes no
AutoCAD, são divididos em três categorias, sendo: objetos de formas com extrusão
(Thickness), de malhas de superfície (Surface e Meshes) e sólidos ACIS (Solids)
(AUTOCAD, 2004).
A importância do modelo 3D se dá através da visualização proporcionada que
pode chegar à perfeição; isto resultará em uma obra com menor consumo de recursos
financeiros, facilmente executável e com maior facilidade nas alterações possivelmente
realizadas pelo cliente.
Figura 5 – Interface do programa AutoCad 2000
5. 3D Studio Max
O software 3D Studio Max da Discreet, divisão da Autodesk objetiva a apresentação de
idéias por meio de uma realidade virtual e que pode transformar modelos
tridimensionais em fotografias, animações ou simples projetos renderizados com
altíssima qualidade de resolução gráfica e realismo das suas cenas (MALHEIROS,
1993).
Essa ferramenta é a mais popular para a criação de imagens e animações realistas
de excelente qualidade. É um software de modelagem tridimensional e animação,
utilizado, por exemplo, para produzir vinhetas para TV, logotipos 3D para CD-ROM e
Web, simulação de objetos, cenários virtuais, maquetes eletrônicas e animação de
personagens.
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Existem diversos pacotes para o 3D Studio Max, mas a sua maioria visa à
melhoria na aplicação de iluminação, materiais e na própria renderização. Na próxima
seção será apresentado um protótipo do projeto em desenvolvimento utilizando esta
ferramenta juntamente com o AutoCad 2002.
Figura 6 – Interface do programa 3D Studio Max 6.0.
6. Projeto
Como foi citado anteriormente, o projeto proposto destina-se à criação de um site que
fornece ao usuário um “passeio” por ambientes arquitetônicos virtuais 3D. Para a
criação destes ambientes, é necessário dispor das plantas baixas dos modelos (casas,
prédios, etc.), que servirão como base para as dimensões de cada um dos ambientes
modelados. Estas plantas baixas estarão no formato .dwg do programa AutoCad 2002.
Figura 7 – Etapas de criação de um ambiente 3D para Web.
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A última etapa da Figura 7, apresenta um protótipo de como seriam
disponibilizadas as informações necessárias para que o usuário pudesse realizar o
“passeio” virtual através da escolha entre várias opções de imóveis disponíveis para
aluguel, por exemplo. Neste caso, o exemplo se refere a um centro comercial. Através
dele, o usuário poderá utilizar os botões do mouse para navegar pelo ambiente 3D.
A visualização de ambientes virtuais pode ser realizada através de plugins
disponíveis na Internet. Entre os mais conhecidos estão (X3D, 2004): Cortona,
FreeWRL e Xj3D. É necessário realizar um comparativo entre os disponíveis no
mercado quando a performance e renderização para decidir qual o melhor a aplicação
em questão.
O motivo pelo qual foram escolhidos dois formatos (VRML e X3D), para
descrever um mundo virtual, foi a necessidade de realizar um comparativo entre os
mesmos, podendo, com isso, obter conhecimento sobre melhores performances em
relação aos seguintes parâmetros: taxa de renderização; consumo de recursos da
máquina (memória, processador); e, ocorrência de problemas durante a visualização.
7. Conclusão
Conforme o projeto apresentado neste artigo, pode-se perceber que a Realidade Virtual
exerce uma influência notável na construção civil e arquitetura, proporcionando a
visualização de maquetes na Web e um encurtamento de caminho na relação entre o
arquiteto e o seu cliente. Com isso, uma maior qualidade na visualização dos ambientes
e trazendo ao uso do computador um novo paradigma de interface com o usuário, onde a
sensação de imersão ou presença depende da interatividade e do grau de realismo que o
sistema é capaz de proporcionar.
Este artigo buscou apresentar parte de uma monografia de estágio em
desenvolvimento, realizado em conjunto com um arquiteto, o qual criou os modelos 2D
no AutoCad 2000. Além disso, é necessário, realizar mais testes quanto a performance
dos vários plugins existentes buscando encontrar o que melhor se adapte ao projeto. De
acordo com os testes feitos, podemos perceber que o formato, em si, não apresenta
muitas diferenças, a não ser pelas funcionalidades que foram realmente criadas junto
com o X3D (interação com outras plataformas, WebServices, XML); sobre a questão de
“Realidade Virtual na Web”, em si, as modificações não são relevantes.
Referências
AutoCAD.
Disponível
<http://usa.autodesk.com/adsk/servlet/index?siteID=123112&id=2704278>,
Acesso em: 09/2004.
em
2004.
Inovação Tecnológica, Realidade virtual para arquitetura e planejamento urbano
(2004).
Disponível
em
<http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/010150040512.html>,
2004.
Acesso em: 09/2004.
Malheiros, Paulo (1993) AutoDesk 3D Studio 2.0 - Guia Completo, 1993.
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Rebelo, Irla B.; da Luz, Rodolfo P. (2004). Simulação do espaço urbano através da rv
para o desenvolvimento e análise de projetos. Laboratório de Realidade Virtual Universidade Federal de Santa Catarina – Florianópolis, dezembro, 1999.
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em
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X3D, 3D Extensible. Disponível em <http://www.web3d.org/x3d>, 2004. Acesso em:
09/2004.
XML,
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(2004)
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