Realidade Aumentada Móvel em Academias de Ginástica
Paulo Ricardo Rezende*, Igor Auler Freire*, Orlando Bernardo Filho*, Luciano Pereira Soares*ǂ
* Núcleo de Projetos e Pesquisa em Aplicações Computacionais/ Centro Universitário da Cidade do Rio de Janeiro
ǂTecgraf, DI (Departamento de Informática) / PUC-Rio (Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro)
e-mail: {polesk8888,igorauler,orlandob,lpsoares}@gmail.com
Resumo — No ambiente de academia de ginástica, diversos
exercícios são realizados em variados equipamentos, criando
um cenário complexo tanto para o instrutor, como para o
aluno. Nesta pesquisa, foram localizados os principais
componentes que poderiam auxiliar a organização dos
exercícios, apoiados por realidade aumentada que
melhorariam o entendimento da forma correta de realizar os
exercícios pelos alunos. A proposta também endereça a
crescente utilização de aplicativos em dispositivos móveis no
cotidiano das pessoas, permitindo assim um uso de todo o
sistema pelo próprio smart-phone do aluno.
Palavras-chave – realidade aumentada; dispositivos móveis
Abstract — In a fitness center, several exercises are performed
in various exercise equipment, creating a complex scenario for
both instructor and student. In this research key components
that might assist the organization of exercises were located,
supported by augmented reality to improve the understanding
of the proper way to perform exercises by the students. The
proposal also addresses the growing use of applications on
mobile devices in daily life, thus allowing full use of the system
by the student’s smart phone.
Keywords – augmented-reality;mobile devices
I.
INTRODUÇÃO
A utilização da realidade aumentada com animação de
objetos em três dimensões permitiu setores como ensino,
cirurgias médicas, indústria em geral, melhorar a sua
qualidade mostrando seu ambiente de trabalho de uma nova
forma para os usuários. Atrelado à capacidade dos
dispositivos móveis, com boas câmeras e poder de
processamento, que permitem uma rápida e fácil adoção a
realidade aumentada, expandindo essa tecnologia para
domínios do cotidiano das pessoas.
O intuito desta pesquisa é compreender, estruturar e
desenvolver uma aplicação que utiliza as técnicas de
realidade aumentada e hiperdocumentos para o auxílio de
alunos e professores em uma academia de ginástica. Este
projeto levou ao desenvolvimento de uma aplicação que
pretende servir de apoio aos alunos e professores de uma
academia de ginástica na criação de suas “séries” de
exercícios, bem como o entendimento da execução dos
exercícios físicos em um aparelho de ginástica, sem a
necessidade de um instrutor continuamente presente.
O restante do documento é organizado da seguinte forma:
a seção II apresenta alguns trabalhos relacionados, a seção III
expõe o conceito de realidade aumentada móvel, a seção IV
expõe uma linguagem de modelagem de hiperdocumentos, a
seção V contém a o conceito do sistema criado, a seção VI
possui a descrição da implementação do projeto e a seção
VII finaliza o artigo com as conclusões.
II.
TRABALHOS RELACIONADOS
Dentre as referências examinadas aderentes a este
projeto, o aplicativo iMuscle [1] foi criado para ajudar
usuários a aprenderem mais sobre seus músculos, mostrar os
exercícios associados a eles, além de ensinar a execução de
exercícios através de imagens e vídeo. A partir da seleção de
um músculo o sistema apresenta os exercícios associados a
ele. Na tela de informações dos exercícios, são mostrados os
músculos que são utilizados, com descrições de como se
preparar e como executar, além de mostrar uma animação da
execução, para facilitar o aprendizado do exercício sem a
necessidade de um instrutor no local. Também é possível
criar séries de academia e ver seu progresso no tempo,
contudo é relativamente difícil sua criação, pois existem
muitos exercícios e um usuário teria que fazer muitas
interações, além da ausência de realidade aumentada no
sistema.
Dentre os trabalhos similares encontrados que
incorporam realidade aumentada, existe o Sistema de
Sensores Wireless Biométrico com Realidade Aumentada
[2], que permite monitorar em tempo real informações de
diferentes sensores biométricos ligados a pacientes em um
centro de tratamento. Quando o marcador é reconhecido pelo
sistema, ele procura as informações associadas aquele
marcador, que a equipe médica poderia precisar. As imagens
vêm atualizadas do computador central, assim a aplicação
pode apresentar dados em tempo real de forma rápida. A
localização e orientação do gráfico virtual na imagem é feita
por meio dos marcadores fiduciais. Uma vantagem da
realidade aumentada é que se podem associar diferentes
marcadores a diferentes sensores ligados à rede e ao
paciente.
Outro trabalho relevante é o AR Trace Route [3] que
interpreta e captura dados informados da rede e os insere em
uma interface de Realidade Aumentada com a linguagem
VRML. Para a interação e navegação são utilizados dois
marcadores, onde o primeiro translada todo o ambiente e o
segundo permite que o usuário pegue o ambiente com suas
mãos e inspecione o ambiente conforme desejar.
O MVC-RA [4] é um sistema para visualizar dados
computacionais multidimensionais em realidade aumentada.
A aplicação interage de forma natural e direta, manipulando
ferramentas tridimensionais, utilizando objetos de cores e
formatos e tamanhos diferentes, para representar valores dos
atributos da base. A interação com o usuário se dá de forma
que o usuário obstrui ou desobstrui os marcadores que são
capturados pela câmera, fazendo com que o sistema
reconheça a função a ser adotada. Outro trabalho na linha é o
Uso de Realidade na Construção do Pensamento LógicoMatemático [5], utilizando tecnologias de Realidade Virtual
com modeladores 3D. Nele o usuário se comunica
diretamente com a interface criando objetivos e manipulando
os níveis de dificuldade. A interface é composta pelo
ambiente de navegação, personagem, e operadores lógicos
matemáticos, além dos paineis de ações.
O ARTutor [6] é uma ferramenta com a possibilidade de
apresentação ou revisão teórica sobre o assunto tratado, com
o auxílio da prática e interação através de objetos virtuais. A
implementação do ARTutor foi realizada com o auxílio do
software SACRA [7], para facilitar a programação e por ser
de baixo custo, usando uma webcam e um computador para
que se possibilite a interação da realidade aumentada. O
SACRA também permite a comunicação em rede.
Para uma interface mais amigável e interação facilitada
foram feitas algumas modificações na sua modelagem inicial
quanto ao seu tratamento de dados da rede.
O SACRA tem duas possibilidades de interação, uma a
partir de marcadores de ações, cada um com uma ação
definida dentro do sistema ou com marcadores de referência
que não tem ações definidas pelo sistema, mas pode sofrer
ações pelos marcadores de ação. As referências podem ser
locais que permitem a elaboração e visualização local de um
ambiente virtual, ou remota que consiste em área
compartilhada entre mais de um usuário em comunicação via
rede, permitindo a configuração e visualização remota de
ambientes virtuais.
De maneira geral, a alteração realizada na estrutura
necessária para a comunicação via rede contempla a
simplificação da arquitetura, através da não utilização de
processos e programas intermediários entre o manipulador de
equações e o SACRA. Desta maneira, o ARTutor inclui as
capacidades, antes distribuídas no programa manipulador de
equações e no gerador de posições, sem a utilização do
arquivo de texto como repositório dos comandos gerados.
As informações são apresentadas à medida que o usuário
interage com o sistema, possibilitando a construção gradual
de conhecimento com simples demonstrações de informação.
Ao iniciar, é apresentado um resumo teórico relacionado
com o assunto evidenciando algumas características do
mesmo. A interação é bastante simplificada, possibilitando o
uso do mouse, do teclado e também de marcadores com
interações tangíveis usados para manipular os objetos
virtuais.
III.
REALIDADE AUMENTADA MÓVEL
O termo realidade aumentada foi cunhado por Tom
Caudell em 1992, para ajudar a montagem de cabos em
aeronaves, ao mesmo tempo do pioneiro Knowledge-based
Augmented Reality for Maintenance Assistance [8].
Porém a biblioteca ARToolKit [9] apresentada em 1999
revolucionou o desenvolvimento em realidade aumentada,
sendo portada para Java no jARTollkit e NyARToolkit [10],
possuindo também versão em Flash com o FLARToolkit.
Somente 20 anos após, já podemos utilizar nossos
celulares e tablets para termos sistemas completos de
realidade aumentada móveis. Isso se deve ao fato dos smart
phone terem recursos semelhantes aos utilizadas em nossos
computadores pessoais, como por exemplo, acessar a
internet, checar e-mails, criar documentos, ver vídeos,
escutar música e até mesmo jogar games com realismo 3D.
Além disso, os dispositivos móveis possuem recursos
adicionais de localização como GPS, acelerômetros,
giroscópios que permitem uma melhor interação em certos
cenários para o usuário de tais sistemas. Porém, em 2008 já
foi criado um guia de viagens em realidade aumentada para
Android, que pela câmera de um dispositivo móvel era
possível identificar e estudar um monumento, como se fosse
um guia de viagens [11], sendo uma das primeiras aplicações
de realidade aumentada para dispositivos móveis.
IV.
MODELAGEM DE HIPERDOCUMENTOS - WEBML
O WebML é uma metodologia que permite os projetistas
expressarem as características internas de sites em um alto
nível [1]. Este sistema possui ferramentas CASE, que criam
representações gráficas intuitivas que podem ser comum
tanto à equipe de desenvolvedores quanto aos membros não
técnicos da equipe.
O WebML consiste em um modelo estrutural, em um
modelo de hipertexto, que é subdivido em modelo de
composição e de navegação, em um modelo de apresentação
e em um modelo de personalização [13].
O modelo estrutural expressa os dados mostrados na
aplicação. Ele não define um novo idioma para a modelagem
de dados, mas é compatível com modelo de
Entidade/Relacionamento (ER) orientado a objeto e Unified
Modeling Language (UML).
O modelo de hipertexto descreve os hipertextos
publicados, onde cada um desses pode definir uma visão do
site e essas definições de visões consistem em dois
submodelos: o modelo de composição e o modelo de
navegação.
O primeiro é onde são definidas as partes dos conteúdos
que serão apresentados. Neste modelo, é introduzido o
conceito de unidade, uma abstração para um modo de
apresentação de um conteúdo. Podem ser utilizados seis tipos
de unidades para compor páginas: dados, uma instância de
uma entidade de dados; multi-dados, várias instâncias da
mesma entidade; índices, apontadores para as instâncias;
filtros, que permitem buscar as entidades a partir de chaves
de busca; scroller, que mostra entidades com referências de
navegação: próximo, anterior, primeiro e último; e unidades
diretas, referência não mostrada para uma entidade. Para se
gerar códigos automaticamente, uma notação gráfica e uma
expressão em XML foram definidas para cada um desses seis
tipos de unidade [14].
O modelo de navegação acrescenta ao modelo de
composição uma notação para páginas ou frames, com um
retângulo de linhas tracejadas envolvendo as unidades e setas
para identificar os links entre as unidades. Esses, por sua vez,
podem ser links não contextuais, que conectam páginas
independentes semanticamente ou links contextuais, que
conectam páginas com relação estrutural. A Figura 1
apresenta um exemplo de especificação de visão de site.
Figura 1. Exemplo de especificação de visão de site.
O modelo de apresentação visa criar um layout de
páginas independente do dispositivo de saída e da linguagem
de edição, por meio de uma sintaxe abstrata de XML.
A última fase da WebML, criação do modelo de
personalização, visa modelar usuários e grupos de usuários
em forma de entidades, chamadas de Usuário e Grupo, no
diagrama de estrutura.
V.
CONCEITO DO SISTEMA
O usuário terá uma série de exercícios através de um
sistema de hiperdocumentos, onde deverá executar certos
exercícios em aparelhos de uma academia de ginástica sem o
auxílio constante de um instrutor. Para isso, ele utilizará a
webcam de um dispositivo móvel para capturar imagens.
Marcadores fiduciais serão reconhecidos para sobrepor
imagens 3D sintéticas sobre as estruturas contempladas,
exibindo avatares, fazendo os exercícios.
pergunta lhe é apresentada até que se identifique que todas as
perguntas necessárias foram respondidas, gerando assim uma
série para esse aluno.
Dentre essas informações estão: as contra-indicações que
identificam quais exercícios o aluno não poderá realizar e a
quantidade de dias que ele irá se exercitar, identificando se o
aluno receberá uma única série ou duas. De acordo com o
histórico do aluno, o sistema identifica o seu nível (iniciante,
intermediário ou avançado).
Pelas informações fornecidas, o sistema identifica qual
modelo de série de exercícios ele irá realizar, escolhe um
exercício no banco de dados para cada linha do modelo.
Esses exercícios possuem certa aleatoriedade, respeitando as
contra-indicações do aluno e sem repetir um mesmo
exercício por série.
Mesmo usando um diagrama de atividade para facilitar a
visualização (Figura 3), foi necessário colocar as perguntas
numeradas em uma lista à parte (Tabela 1). As respostas
estão descritas no próprio diagrama de atividade.
Tabela 1. Perguntas de criação de usuário.
Algum um médico te recomendou que só fizesse atividade física
1
sob supervisão médica, pois possui algum problema do coração?
2 Você sente dor no peito causada pela prática de atividade física?
3 Você sentiu dor no peito no último mês?
Você tende a perder a consciência ou cair, como resultado de
4
tonteira?
Você tem algum problema ósseo ou muscular que poderia ser
5
agravado com a prática de atividade física?
Algum médico já recomendou o uso de medicamento para a sua
6
pressão arterial ou condição física?
Você tem consciência, através da sua própria experiência ou
7 aconselhamento médico, de alguma outra razão física que impeça
sua prática de atividade física sem supervisão médica?
8 Sente dores no Joelho?
9 Sente dores no Joelho ao estender a perna?
10 Sente dores no Joelho ao forçar lateralmente a perna?
11 Sente dores no Joelho ao forçar medialmente a perna?
12 Sente dores no Quadril?
13 Sente dores no Quadril ao elevar lateralmente a perna?
14 Sente dores no Quadril ao elevar frontalmente a perna?
15 Sente dores nos Ombros?
16 Sente dores nos Ombros ao elevar lateralmente o braço?
Figura 2. Exemplo de objeto exibido pela realidade aumentada.
A. Hiperdocumento
Para a montagem da série de exercícios, perguntas foram
implementadas por hiperdocumentos modelados pela
WebML, que respondidas pelos alunos, identificam as
contra-indicações e outras informações que ajudam o sistema
a gerar a série de exercícios mais adequada.
Para o aluno gerar sua série, o sistema lhe apresenta uma
pergunta que, de acordo com a sua resposta, a próxima
17 Sente dores nos Ombros ao elevar frontalmente o braço?
Sente dores nos Ombros ao rotacionar o ombro internamente ou
18
externamente?
19 Sente dores no Tornozelo?
20 Sente dores no Punho?
21 Sente dores na Lombar/Costas?
22 Sente dores na Cervical?
23 Sente dor em alguma articulação?
24 Irá se exercitar mais de três vezes na semana?
é possível aumentar o desempenho do aplicativo nos
dispositivos móveis e fazer com que, até mesmo os smart
phones menos potentes possam executar a aplicação. Outra
vantagem de uma base de dados centralizada é a fácil
manutenção do sistema, onde é possível a alteração do
processamento, de regras de negócio e até mesmo mensagens
do sistema sem que seja necessária a criação de uma nova
versão da aplicação, fazendo assim com que essas alterações
fiquem transparentes para os usuários.
Para a conexão com o servidor, é utilizado um
dispositivo que cria um ponto de acesso no servidor, fazendo
com que os dispositivos móveis consigam se conectar ao
servidor e acessar o banco de dados.
Para o desenvolvimento na arquitetura móvel foi
escolhida a plataforma Android. O Android se apresentou
bem estável e simples para o desenvolvimento, permitindo
criar botões e campos rapidamente, além de ter uma conexão
com o sistema de banco de dados de forma bem robusta. A
Figura 4 (a) mostra a tela de cadastro de professor, onde é
possível consultar, inserir, alterar e excluir um professor. Já a
Figura 4 (b) mostra como é inserido um exercício.
Figura 3. Diagrama de atividades de navegação de hiperdocumentos.
B. Educação Física
Através das entrevistas com os profissionais de educação
física foram definidas as perguntas geradoras das séries.
Como existem obstáculos por conta de ética, primeiramente
foram inseridas perguntas que conforme as respostas não
permitissem que o usuário continuasse a gerar uma série,
pois seria muito perigoso e antiético gerar uma série para
alunos em certas condições físicas.
As séries também não puderam vir com as cargas dos
exercícios (por exemplo, pesos e número de repetições). Isto
poderia prejudicar um aluno com menos força e não fazer
efeito em um aluno com mais força, assim o sistema foi
planejado para que os exercícios fossem gerados com carga
inicial de zero quilo, e cada aluno pudesse alterar a carga de
cada exercício de sua série. Para essa alteração de carga,
também foi inserido um tutorial, para que o aluno
conseguisse sozinho aprender a medir sua força e estipular
corretamente a carga a ser utilizada em cada exercício.
VI.
Figura 4. Inserção de professor e de exercício por dispositivo móvel (a/b).
Já a Figura 5 exemplifica uma série de exercícios gerada
pelo presente sistema. Nela, é possível verificar o que o
aluno deverá acompanhar para realizar seus exercícios. Os
botões presentes na interfaces são conexões para mais
informações que o aluno pode consultar.
DESENVOLVIMENTO DO PROJETO
Inicialmente foi gerado um sistema de banco de dados
capaz de organizar toda a base de conhecimento dos
exercícios, bem como registrar os alunos e suas séries,
permitindo assim controlar individualmente cada aluno.
Assim, foi criado um servidor de banco de dados a fim de
termos uma base de dados centralizada, onde é possível
controlar todos os usuários e gerar relatórios administrativos.
Esta arquitetura também permite passar o processamento
para o sistema gerenciador de banco de dados (SGBD),
através de triggers, views, functions e procedures. Com isso,
Figura 5. Tela de exercícios de uma série.
Ao selecionar um exercício, o sistema é direcionado para
a tela de visualização de imagem do mesmo, conforme
mostra a Figura 6. Nela, o aluno terá uma apresentação
pictorial do que se deverá realizar. Para isso, foram
selecionadas imagens que apresentam a informação dos
músculos sendo trabalhados e os movimentos que se devem
realizar.
Figura 7. Exemplo de objeto exibido pela realidade aumentada.
Figura 6. Tela de visualização da imagem de um exercício.
Ao selecionar visualizar exercício, o sistema é
direcionado para a tela da câmera do dispositivo, para que o
aluno possa utilizar a realidade aumentada. Os avatares 3D
representando uma pessoa realizando exercícios foram
produzidos através de ferramentas manuais de modelagem
3D, que também permitiam criar as junções (rigs) e assim
animar da forma adequada, seguindo as orientações de
profissionais de educação física.
Para visualizarmos os objetos animados na cena real,
basta posicionarmos corretamente o dispositivo em cima de
um aparelho e o sistema começa a demonstrar a prática do
exercício. Cada local ou aparelho da academia possui a
execução exercícios que estão associados a um ou mais
marcadores. Todos os marcadores devem ser posicionados
corretamente nos aparelhos para que, quando identificados,
sejam inseridos corretamente os avatares.
O posicionamento e dimensionamento dos marcadores
foi escolhido através de testes, para que o sistema
conseguisse identificá-los e posicioná-los corretamente no
maior número de ângulos possíveis. Para alguns exercícios,
foi necessário inserir mais de um marcador para que fosse
possível ver o exercício de vários ângulos. Na Figura 7,
temos um exemplo de um objeto exibido pelo sistema.
Devido a uma restrição de formato, as texturas foram
comprometidas na versão atual do sistema, não permitindo
enxergar o modelo com todos os detalhes possíveis.
Ao final de todo o processo, é possível selecionar gráfico
de evolução, conforme apresentado na Figura 8. Nele se
pode verificar como esta a presença do aluno, seu peso,
avanço na carga dos aparelhos, dentre outros recursos.
Figura 8. Tela do gráfico de evolução de um aluno.
VII. CONCLUSÕES
Foi apresentado neste documento, um sistema com a
proposta de automatizar a criação de séries e criar uma
interatividade entre o aluno e a execução dos exercícios
através da realidade aumentada. Além de facilitar o trabalho
de um professor em uma academia de ginástica, o presente
sistema também facilita a execução de exercícios para o
aluno. O professor pode acompanhar o desempenho do aluno
através das informações mantidas no banco de dados, as
quais também são usadas para gerar os gráficos de evolução.
Hiperdocumentos são utilizados na geração da série
automatizada e a realidade aumentada é responsável pela
visualização de um avatar 3D animado, ensinando a correta
execução dos exercícios. A título de exemplo e para efeitos
de prova de conceito, foi cadastrada no banco de dados um
conjunto completo para série de exercícios, porém um único
tipo de avatar foi implementado.
Originalmente foi adotada a biblioteca de realidade
aumentada ANDAR para o desenvolvimento do projeto,
onde os testes iniciais foram satisfatórios. Contudo, a
biblioteca ANDAR era limitada a só objetos estáticos, sem
movimentos, o que inviabilizava sua utilização. Dessa forma,
migrou-se para a biblioteca NyARToolkit [10], que permite
animações, porém no formato md2. Como os objetos
modelados estavam no formato 3ds, era preciso exportá-los
para o formato compatível com a biblioteca. Constatou-se
que o objeto não podia ser exportado adequadamente por ter
sido modelado com muitos triângulos, assim foi preciso
alterar o modelo 3D para que a biblioteca conseguisse
finalmente funcionar. Além disso, a conversão comprometeu
a texturização dos objetos 3D.
Foi utilizado o conceito de hiperdocumentos da WebML,
que permitiu a melhor navegabilidade entre as perguntas, que
foram utilizadas para a geração automatizada das séries de
exercício. Também optou-se por utilizar um banco de dados
centralizado para um melhor desempenho em dispositivos
menos robustos, uma centralização dos dados e uma
manutenção mais fácil e transparente para o usuário.
Existem muitos sistemas de gerenciamento de academia
de ginástica e gerenciamento de séries de alunos, porém até o
presente momento não foi encontrado nenhum estudo que
integrasse séries automaticamente, possuísse interatividade
na visualização de exercícios e ainda possuísse uma base de
dados centralizada que se proporciona geração de relatórios
consolidados e administrativos. Foram obtidos resultados
conforme o esperado dos variados testes realizados e se
espera aplicar o sistema em academias reais de pequeno
porte para aperfeiçoamento do sistema.
Os testes preliminares se mostraram viáveis e uma
validação completa será submetida para avaliação
diretamente no público alvo. Os resultados mencionados
foram obtidos a partir da execução do sistema por parte de
seus próprios autores.
Para trabalhos futuros, tendo em vista o controle
gerencial do sistema e uma maior flexibilidade, poder-se-ia
criar uma aplicação web que possibilitasse, por parte dos
professores, alterações desde o modelo base da série até o
modelo 3D do exercício. Outro ponto importante está em
realizar um estudo mais completo do formato md2,
permitindo assim, exportar texturas de forma mais adequada.
Outra ideia para trabalhos futuros seria a criação de
relatórios gerenciais, que ajudassem os professores a
identificar os alunos com maiores dificuldades e menores
graus de evolução.
REFERÊNCIAS
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