Processamento e Visualização de Campos de Iluminâncias
Utilizando VRML e Integração com CAD 3D
Tiago Martinuzzi Buriol1,2, Marlos Fabris Miranda1, Guilherme Tows1, Daniele
Zandoná1, Maurício Muller1, Sérgio Scheer2
1
LACTEC – Instituto de Pesquisa Para o Desenvolvimento, Centro Politécnico da
UFPR, Curitiba, PR. Brasil
2
UFPR – Universidade Federal do Paraná
{tiagoburiol, marlos, guilhermet, daniele, muller}@lactec.org.br,
[email protected]
Abstract. This article presents a support tool for illumination dimensioning of
external areas which constituted of algorithms for scalar field processing and
post-processing. The algorithms allow, after the creation of any illumination
project using a 3D CAD’s intuitive interface, processing of the direct
illumination point-by-point data in 2D or 3D rectangular meshes, and
visualizing the results in an interactive way in a 3D virtual environment. With
this tool it was possible to simulate different illumination projects and
compare them. Tools used in the development were the 3D CAD Solidworks,
the VTK file format, the SQL Express database, the IIS webserver and VRML
and C# languages.
Resumo. Este artigo apresenta uma ferramenta de apoio no dimensionamento
da iluminação de áreas externas constituída de algoritmos que realizam o
processamento e pós-processamento de campos de iluminâncias. Os
algoritmos permitem, após criar um “esquema” qualquer de iluminação
usando a interface intuitiva de um CAD 3D, processar os cálculos da
iluminação direta pelo método ponto-a-ponto em malhas retangulares 2D ou
3D, e visualizar os resultados de forma interativa em um ambiente virtual 3D.
Foi possível simular a iluminação para diferentes projetos de iluminação e
compará-los. Utilizou-se o CAD 3D SolidWorks, a ferramenta VTK, o banco
de dados SQL Express, o servidor web IIS e as linguagens C# e VRML.
1. Introdução
O uso de Realidade Virtual (RV) representa um novo paradigma no que diz respeito a
interfaces para sistemas interativos de visualização, possuindo aplicações nos vários
ramos da ciência e da engenharia. Sistemas de RV têm sido utilizados com diversas
finalidades (revisão de projeto, simulações em robótica, treinamento, etc), e beneficiado
importantes empresas como petrolífera, de energia, aeronáutica e automobilística. Novas
aplicações para esta tecnologia dependem essencialmente da criatividade de seus
desenvolvedores [1].
Um sistema de RV pode ser aplicado, por exemplo, a atividades em subestações
de energia, como uma ferramenta para visualização de geometrias e de informações
diversas sobre equipamentos e outros objetos presentes na nesta instalação [2]. Modelos
digitais tridimensionais (3D) de engenharia, concebidos em sistemas do tipo CAD
(Computer Aided Design), podem ser convertidos para o formato VRML (Virtual
Reality Modeling Language) e visualizados utilizando desde sofisticados sistemas de
RV até simples deskops. Em alguns sistemas de RV o usuário pode “navegar” em um
modelo e interagir com ele obtendo a sensação de imersão, ou seja, estar “dentro” do
ambiente virtual. Para aumentar a imersão, dispositivos especiais de entrada e saída de
dados, como óculos para visão estereoscópica e luvas de dados (data gloves), podem ser
utilizados. A navegação exploratória em ambiente virtual e a visualização interativa de
conteúdo 3D aumentam a capacidade do usuário em extrair informações sobre grandes
modelos e/ou conjuntos de dados complexos. Dessa forma, um sistema de RV pode ser
usado para auxiliar em diversas atividades, como por exemplo, no caso se subestações,
no planejamento de ampliações ou transporte de equipamentos e em projetos de
iluminação.
Tratando-se de projetos de iluminação em subestações de energia, um adequado
dimensionamento da iluminação é importante por melhorar as condições de trabalho,
reduzir riscos de acidentes e o consumo de energia. Um método utilizado em
luminotécnica, indicado para projetos de iluminação de áreas externas, é o método
ponto-a-ponto, ou método das iluminâncias. Com ele é possível calcular a iluminância
resultante em cada ponto de interesse, ou em uma malha de pontos e, por exemplo,
traçar curvas isolux em um determinado plano de trabalho [3]. Este método geralmente
requer o uso de aplicativos computacionais para gerar valores de iluminâncias. Técnicas
de Visualização Científica (VC), área da computação dedicada à representação gráfica
de dados físicos ou científicos, podem ser usadas para representar graficamente dados de
iluminâncias de forma a prover um ganho em sua compreensão.
Aplicações fundamentadas na visualização tridimensional de dados científicos,
como campos escalares e vetoriais, representam poderosas ferramentas de apoio na
análise e compreensão de grandes conjuntos de dados. A representação gráfica de
campos de iluminâncias aplicado a projetos de iluminação é um caso de visualização de
campos de escalares definidos no espaço 3D.
Existem atualmente muitos softwares para projeto de iluminação, alguns deles
gratuitos, como o CalculuX e DIALux, e à altura de renomados programas comerciais,
porém, os profissionais do ramo, no Brasil, ainda têm pouco conhecimento e prática na
aplicação destas ferramentas [4]. Este fato pode ser atribuído, por exemplo, à
dificuldade de aprendizado e de utilização dos aplicativos, ao uso restrito à modelos de
luminárias de poucos fabricantes, ou à impossibilidade de sua integração com sistemas
do tipo CAD (Computer Aided Design). Não faz parte dos objetivos deste trabalho
avaliar as vantagens e/ou facilidades no uso da ferramenta apresentada frente a outras
existentes. Para isto, testes com possíveis usuários seriam necessários. No entanto, uma
tabela comparando algumas características do programa CalculuX (Philips) e da
ferramenta desenvolvida é mostrada na seção 6.
Para o dimensionamento de sistemas de iluminação, os modelos de fontes de
luz existentes em VRML (SpotLight, PointLight e DirectLight) não são suficientes,
fazendo-se necessário um processamento numérico que forneça os valores de
iluminância (em Lux) nos pontos de interesse. Uma vez realizado este processamento,
A Tabela 1 mostra uma breve comparação entre características da apresentação
dos resultados numéricos obtidos utilizando-se o programa CalculuX e utilizando-se a
ferramenta, com interface em VRML, apresentada neste artigo.
Tabela 1. Tabela de comparação entre as características de visualização de
campos de iluminâncias utilizando o programa CalculuX e a ferramenta
apresentada neste artigo, que usa interface em VRML
Característica
Permite utilização de malhas 3D
Permite a visualização simultânea de modelos
CAD 3D e campos de iluminâncias
Permite navegação/interação
Visualização por diferentes técnicas de VC
CalculuX
Não
Interface VRML
Sim
Não
Sim
Não
Não
Sim
Sim
7. Conclusões
O uso de RV em aplicações na indústria vem crescendo a cada dia e casos de sucesso
vêm comprovando seu potencial. Novas aplicações tendem a surgir nas mais diversas
áreas e a comprovação de sua operabilidade será evidenciada naturalmente com o passar
do tempo.
A aplicação desenvolvida neste trabalho verificou não somente a possibilidade
de uso de RV (através da linguagem VRML) no planejamento de iluminação, mas
também a combinação da visualização científica de campos de iluminâncias com a
visualização do modelo digital 3D proveniente de sistemas CAD.
Concluiu-se que, utilizando a tecnologia da RV através da linguagem VRML,
em combinação com ferramentas de VC como o VTK, é possível desenvolver
algoritmos e/ou aplicativos, voltados à engenharia, capazes de prover uma visualização
de dados 3D, interativa, na qual pode-se combinar VC com modelos CAD.
8. Agradecimento
O presente trabalho faz parte do projeto P&D ANEEL de Furnas Centrais Elétricas S.A.
9. Referências
[1] Burdea, G. e P. Coiffet. Virtual Reality Technology, Wiley – Interscience, New Jersey, 2003.
[2] L. D. Helwig. “Using a VRML Interface to Access Substation Engineering Design and Standards
Information”, DistribuTECH 2002, Miami, 2002.
[3] Moreira, V. A.. Iluminação Elétrica, Ed Edgar Blücher Ltda, São Paulo, 1999.
[4] D. L. Marinoski, F. S. Westphal e R. Lambert. “Desenvolvimento de um algoritmo de cálculo
luminotécnico para ambientes internos através do método ponto-a-ponto”, In: VII Encontro Nacional
sobre Conforto no Ambiente Construído, 2003, Curitiba, PR. Anais do ENCAC-COTEDI 2003, 2003,
pp. 1066-1073.
[5] Leng, J. “Scientific examples of Virtual Reality and visualization applications”. UKHEC – UK High
Performance Computing, Manchester, pp. 1-13, 2001.
[6] Schroeder, W. J., K. Martin e B. Lorensen. The Visualization Toolkit: an object-oriented approach to
3D graphics, 3rd. ed., Kitware, Inc, 2004.
[7] W. J. Schroeder, L. S. Avila, W. Hoffman. “Visualizing with VTK: a tutorial”, IEEE Computer
Graphics and Applications, IEEE, 2000.
[8] A. Kageyama e N. Ohno. “Tutorial Introduction to Virtual Reality: What Possibility are offered to our
field?”, Journal ISSS-7, Kyoto, March 2005, pp.127-136.
[9] A. V. Dam et. al. “Immersive VR for Scientific Visualization: A Progress Report”, IEEE Virtual
Reality, IEEE, 2000.
[10] Web3D (2006) Consortium. X3D International Specification Standards. Disponível em: <
http://www.web3d.org/x3d/specifications/x3d_specification.html>. Acessado em: março/2006.
[11] J. Berta. “Integrating VR and CAD”. IEEE Computer Graphics and Applications, v. 19, p. 14-19,
IEEE, 1999.
[12] Y. Zong, W. Mueller e W. MA. “A model representation for solid modeling in a virtual reality
environment”. Proceedings Of The Shapes Modeling International 2002 (SMI'02), IEEE, 2002, pp.183190
[13] Corseuil, E. T. L., A. B. Raposo, R. J. M. Silva, M. H. G. Pinto, G. N. Wagner, M. Gattass. A VR
Tool for the Visualization of CAD Models. VII Symposium on Virtual Reality – SVR 2004, p.327-338.
São Paulo, SP, Brasil, 2004.