Interface para distribuição e integração de Realidade
Aumentada com Realidade Virtual por meio da plataforma
CORBA, tendo como estudo de caso ambientes
multidisciplinares de biologia e química.
Wender Antônio da Silva1, Marcos Wagner de Souza Ribeiro1, Edgard Afonso
Lamounier Júnior2, Alexandre Cardoso2, Ezequiel R. Zorzal2
1
Grupo de Realidade Virtual de Goiás – Instituto Luterano de Ensino Superior de
Itumbiara, Goiás (ILES/ULBRA)
2
Faculdade de Engenharia Elétrica – Universidade Federal de Uberlândia (UFU)
{wender_silva, marcos_wagner}@yahoo.com.br, {lamounier, alexandre}@ufu.br, [email protected]
Abstract. This article presents an application of Virtual and Augmented Reality
in Multidisciplinary Distributed Virtual Environments, having as transport of
solutes and photosynthesis process as a case study and communication between
environments of Biology in Virtual Reality (scenary with plants, sun, water and
land) and environments of Chemistry in Augmented Reality (membrane of a leaf,
stem and branch anatomical cut of a tree) provided by CORBA platform
distribution, emphasizing education for the practice.
Resumo. Este artigo apresenta uma aplicação de Realidade Virtual e Aumentada
em Ambientes Virtuais Distribuídos Multidisciplinares, tendo o processo da
fotossíntese e transportes de solutos como estudo de caso e a comunicação entre
ambientes de Biologia em Realidade Virtual (cenário com plantas, sol, água e
terra) e ambientes de Química em Realidade Aumentada (membrana de uma
folha, tronco cortado e galho anatômico de uma árvore) proporcionada pela
plataforma de distribuição CORBA, dando ênfase para a prática educacional.
1. Introdução
Este trabalho destaca o uso de Realidade Aumentada em ambientes virtuais distribuídos
(AVDs). O propósito deste trabalho é reproduzir o funcionamento de um ambiente virtual
distribuído, por meio da Realidade Aumentada, fazendo integração com a Realidade
Virtual, por meio da plataforma de distribuição CORBA [OMG 2004], um ambiente virtual
(Química) sofrerá interações do usuário, por meio de técnicas de Realidade Aumentada,
que serão replicadas para os outros tipos de ambientes virtuais (Biologia) e vice versa.
Estas interações simulam o processo da Fotossíntese e o Transporte de Solutos em plantas,
mais especificamente nas árvores. Como vantagem desta implementação, pode-se citar a
sensação de imersão causada pela interação em que o usuário poderá alterar o
comportamento e características de um ambiente e causar em um outro tipo de ambiente,
mudanças relacionadas ao modelo multidisciplinar dos ambientes (Biologia e Química –
Processo da Fotossíntese e Transporte de Solutos). Outra vantagem na relação entre os
mundos virtuais distribuídos de Química (ambiente virtual aumentado em forma de uma
membrana, tronco cortado e galho anatômico de uma árvore) e Biologia (cenário com
plantas, sol, água e terra) é possibilidade de acompanhar em tempo real as relações entre as
disciplinas, desta forma, dá-se uma ênfase também para as questões educacionais, onde o
usuário e/ou aluno irá visualizar a relação entre as duas disciplinas (Biologia e Química)
por meio da relação clara, demonstrada na aplicação, entre o processo da fotossíntese e o
transporte de solutos no interior das árvores.
2. Arquitetura do Sistema
Esta seção apresenta um protótipo de arquitetura para ser desenvolvimenta nos protótipos
dos sistemas de distribuição de Avs, nesse protótipo, deverá ser construída uma aplicação
com o modelo de dados centralizada e compartilhada com a existência de um servidor
único de Química, para qualquer ambiente participante da aplicação. A plataforma CORBA
foi usada sem seu serviço de eventos. Utilizou-se, aqui, apenas o modelo cliente/servidor
com o serviço de localização de objetos. A figura 1, abaixo, ilustra a estrutura de
funcionamento do protótipo. Essa estrutura trabalha com um fluxo de troca de informações
entre o cliente e o servidor, de tal forma, que caso haja alteração no servidor, as alterações
são replicadas para todos os clientes, e ao contrário se houver alterações em um dos
clientes, essas alterações irão surtir efeito na aplicação servidora. Desta forma, a
responsabilidade de armazenar os dados de qualquer ambiente existente na rede é de uma
aplicação servidora, única e exclusiva a esta tarefa.
Figura 1. Distribuição dos Ambientes Virtuais
A comunicação é iniciada por meio de uma interação transformada em uma requisição ao
servidor. Quando o servidor (química – RA) recebe a requisição, a informação recebida é
armazenada e um retorno ao cliente é disparado e, ao mesmo tempo, todos os outros
clientes (biologia - RV) são atualizados com a replicação da alteração. Independente da
quantidade de cópias de clientes deverá haver sempre um servidor responsável por todos os
ambientes. Para que isso aconteça, a primeira aplicação iniciada em uma rede de
computadores sempre procura o servidor. Desta forma o servidor deverá estar ativo para
que os clientes o encontrem. Uma vantagem desta arquitetura é que se algum cliente falhar
não afetará o servidor. Por outro lado, as alterações realizadas nos ambientes de Realidade
Virtual nas máquinas Clientes afetaram o ambiente servidor (Realidade Aumentada Química).
2.1. Algoritmo de Distribuição
Esta seção apresenta um algoritmo que deverá ser desenvolvido para gerenciar a
comunicação entre os ambientes virtuais. Este algoritmo é responsável por permitir ao
sistema, gerenciar as falhas, ou seja, permitir que o ambiente virtual distribuído seja
tolerante a falhas. Levando em consideração algumas especificidades dos ambientes
virtuais, este algoritmo deverá ser denominado de Facilidade AVD. Alguns aspectos devem
ser considerados na construção de um AVD, como a comunicação em rede, visões do
ambiente, gerenciamento da computação, comportamento dos objetos e modelo de dados.
A aplicação servidora será sempre o ambiente virtual de Química, que usa RA na
visualização. Toda aplicação que for iniciada na rede sempre procurará por um servidor,
desta forma, haverá sempre apenas uma aplicação do ambiente de Química. Todos os
outros ambientes (Biologia) se conectarão ao servidor (Química) como clientes. Qualquer
interação em Química será replicada para todos os clientes. Por outro lado, as interações
realizadas por usuários Biologias alterarão a realidade do ambiente de Química. O
sincronismo entre os ambientes de Biologia será proporcionado por uma comunicação
cliente-cliente mediante o uso do Canal de Eventos (Serviços CORBA). A Figura 2,
abaixo, ilustra o algoritmo de distribuição.
AV Q u ími ca
RA - ArToolKit
OpenG L
C O RBA
OR B Visibroker
AV
B iologia
AV
B iologia
AV
B iolog ia
AV
B iolog ia
OpenG L
OpenG L
OpenG L
OpenG L
Figura 2. Arquitetura proposta para o sistema
3. Estudo de Caso
3.1. Processo da Fotossíntese
A Fotossíntese é o processo, pelo qual as plantas verdes e alguns outros organismos
transformam energia luminosa em energia química. Nas plantas verdes, a fotossíntese
aproveita a energia da luz solar para converter dióxido de carbono, água e minerais em
compostos orgânicos e oxigênio gasoso[Linhares e Gewandszanajder 2000]. A fotossíntese
apenas ocorre na natureza em presença de luz solar, por meio de células clorofiladas de
uma folha. Na prática, é como se a planta estivesse liberando gás oxigênio e daí a sua ação
ser “purificadora” do ar atmosférico[Treichel e Kots, 1998].
3.2. Transporte de Solutos
O transporte local de solutos para dentro das células ou no interior das mesmas é regulado
principalmente por membranas. O transporte de maior escala, entre a planta e o ambiente
ou entre as folhas e as raízes, por exemplo, também é controlado pelo transporte de
membranas celulares. Por exemplo, o transporte de sacarose da folha à raiz por meio do
floema, denominado translocação, é governado e regulado pelo transporte de membrana
para dentro das células do floema na folha e do floema para as células de armazenagem da
raiz[Taiz 2006].
3.3. Funcionamento do Sistema
O sistema deverá apresentar dois modelos de ambientes virtuais (podem existir 1 instância
do ambiente de Química e n instâncias do ambiente de Biologia) com características e
comportamentos independentes. Num modelo, tem-se o ambiente virtual de Biologia, e
num outro modelo o ambiente virtual da Química, como se pode observar nas Figuras 3 e
4, onde é representado os estados iniciais dos ambientes. Um ambiente (Biologia)
demonstra uma situação macro de um ambiente real. O outro ambiente (Química)
demonstra uma situação micro de uma parte do outro ambiente. O que torna relevante esta
comunicação é o fato de que cada ambiente está ligado a uma área distinta do
conhecimento (Biologia e Química), permitindo a visualização real entre as mesmas
(multidisciplinaridade).
Figura 3. Ambiente de biologia
Figura 4. Ambiente de química – RA
O ambiente virtual da Biologia apresenta alguns objetos, como o sol e as árvores. No
ambiente virtual da Química, ocorre o processo da fotofosforilação acíclica, disparado
durante o processo da fotossíntese, e ainda ocorre o transporte de solutos (água e sais
minerais) que ocorrem devido ao processo da fotossíntese e possui uma velocidade de
absorção de acordo com a temperatura ambiente e de acordo com a velocidade do processo
de fotossíntese. Isso ocorre por meio de uma visão aumentada n vezes da membrana de
uma das folhas das árvores, e ainda do corte de tronco da árvore (visualização do transporte
de solutos dentro da árvore) e o tronco de uma árvore, onde deverá ser visualizada a
ocorrencia dos transportes de solutos e a fotossíntese ao mesmo tempo. E ainda, no
ambiente de RA, pode-se escolher os objetos de química para adicionar em uma árvore
real, onde assim, simula-se o processo de realidade aumentada. A idéia é pegar o objeto
virtual e colocá-lo em uma árvore real, como a montagem de uma árvore natalina. O
ambiente virtual da Química também interfere no ambiente virtual da Biologia. Para isto,
basta, com o uso de um marcador especial (“pá”)[Azuma 2001] arrastar um dos objetos
disponíveis na interface de R.A para serem adicionados à árvore real. A figura 5, abaixo
ilustra a escolha da membrana para a realização do processo da fotossíntese.
Figura 5. Fotossíntese no ambiente de química
4. Distribuição da Informação e Resultados Esperados
Considerando que este trabalho se encontra em fase de modelagem, entende-se que:
qualquer que seja a atividade ou fenômeno simulado nos ambientes virtuais, os mesmos
acontecem apenas seqüencialmente. Ou seja, não se vê uma possíbilidade, por exemplo, de
iniciar o processo da fotofosforilação acíclica e tentar adicionar outro objeto ou disparar
uma outro evento no cliente ao mesmo tempo.
A arquitetura proposta para este trabalho deverá suportar a comunicação de um ambiente
que se comunica ou interage com n ambientes diferentes. Sempre que houver alguma
interação, o valor do estado do ambiente será modificado e enviado ao servidor, que replica
esta informação para todas as cópias. Além do estado inicial, valor zero, os ambientes
possuem as possíveis configurações: Biologia (Estado 1 - temperatura 25 graus, árvores
com folhas médias e luminosidade média. Estado 2 – temperatura 35 graus, árvores com
folhas grandes e luminosidade alta. Estado 3 – árvores sem folhas). Química (Estado 1 –
processo da fotofosforilação acíclica em andamento. Estado 2 – demonstração do
transporte de solutos. Estado 3 – demonstração do transporte de solutos e da fotossíntese
em um galho anatômico ao ao mesmo tempo. Com o uso do ARToolKit[Billinghurst et al.
2001] as cenas virtuais geradas pelo computador deverão ser combinadas com o mundo
real observado pelo usuário. O marcador foi associado ao ambiente virtual de química
(membrana, tronco cortado e galho anatômico), assim toda vez que este marcador for
identificado pela câmera o ambiente virtual de Química é inserido na cena.
Referências Bibliográficas
Billinghurst, M.; Kato, H., Poupyrev, I. - The Magicbook: A Transitional Ar Interface.
Computers And Graphics, November 2001, Pp. 745-753.
Azuma, R. Et All. Recent Advances In Augmented Reality. Ieee Computer Graphics And
Applications, V.21, N.6, Pp.34-47, 2001.
Omg E O Padrão Corba. Disponível Em: <Http://Www.Corba.Hpg.Ig.Com.Br/>. Acesso
Em: 15 Jan. 2004.
Linhares, S.; Gewandsznajder, F. Biologia Hoje. São Paulo: Editora Érica, 2000. 520p.
Treichel, P. Jr.; Kotz, J. C. Química E Reações Químicas. V. 1. Rio De Janeiro: Editora
Ltc, 1998.
Taiz,
Lincoln.
Fisiologia
Vegetal.
São
Paulo:
Artmed,
2006.