O desenvolvimento de aplicações eficazes em geral, e particularmente em ambientes de realidade virtual, envolve a optimização da interacção entre o utilizador e a aplicação, de forma a permitir a concentração deste último em tarefas de alto nível e a maximização do seu desempenho na utilização da aplicação.
As aplicações de realidade virtual são geralmente de interacção complexa, e frequentemente providas de soluções de interacção muito dedicadas e com metáforas reconhecidamente de ambientes 2D e desktop.
Uma tão grande dificuldade na idealização e implementação de interfaces eficazes pode dever-se à dificuldade que um utilizador possui em interagir com um mundo tridimensional onde são permitidos um número de graus de liberdade superior aos habituais noutro tipo de aplicações, que utilizam 2D tradicionais para navegação. Nesta secção abordam-se várias opções tomadas para assegurar um nível de usabilidade que permita uma interacção eficaz com o modelo.
Como se pretende simular um mundo tridimensional em que supostamente o utilizador se encontra imerso, uma forma de facilitar essa abstração ao utilizador, é pelo desenvolvimento de ferramentas de interação baseadas em metaforas, de forma a que seja possível transpôr as acções realizadas sobre os objectos do mundo virtual, para acções realizadas no mundo real. Esta abordagem alêm de reforçar a credibilidade do modelo, tem como virtude permitir ao utilizador recorrer a modelos mentais já formados e refinados sobre o mundo real, para compreender o sistema.
Das várias tarefas a realizar destacam-se a navegação através do mundo tridimensional, bem como operações a selecção, posicionamento, orientação e alteração de objectos do mundo. As soluções propostas para as várias tarefas foram desenvolvidas tendo como objectivo a sua incorporação no projecto. No entanto, o seu âmbito estende-se a qualquer outra aplicação com cenários tridimensionais complexos.
5.1 Navegação
Um problema muito comum na navegação em mundos tridimensionais, deve-se à típica extensa dimensão
desorientarem em relação á sua posição em cada instante. Uma forma possível de lidar com este problema, é restringir o número de graus de liberdade da câmara virtual, aos estritamente necessários para simular uma observação real. Outra possibilidade é a de incorporar elementos na cena, que permitam ao utilizador perceber qual a sua posição no mundo, como marcas, objectos especiais ou mesmo uma representação gráfica do percurso anterior do utilizador.
A estratégia escolhida para navegação através do modelo urbano virtual baseia-se na metáfora do tapete voador. O utilizador deve imaginar que se encontra a sobrevoar o mundo como que sobre um tapete voador dos contos das mil e uma noites. São permitidas as translacções segundo um referencial XYZ com uma limitação intencional das rotações a dois eixos (Roll, Pitch), para minorar a desorientação espacial.
Como suporte à navegação e à percepção pelo utilizador da sua posição e orientação, foram incorporados no modelo um conjunto de âncoras visuais formado por vários edifícios históricos, que se destacam dos restantes, por possuirem características geométricas especiais e elevado foto-realismo. O mesmo princípio foi aplicado a zonas de baixa edificação ou praças principais.
5.2 Operações Sobre os Objectos da Cena
A aplicação que serviu de base à implementação destas técnicas compôs-se de um mundo tridimensional contendo uma malha poligonal irregular7
representando o solo (desenvolvendo-se em XoZ) sobre a qual existem objectos (edifícios) criados. Como ferramenta de interacção com os elementos da cena, o utilizador dispõe de uma mão virtual, posicionável e orientável espacialmente.
Construção
Para construir um novo objecto, é projectado um raio a partir do centro da mão em direcção à malha poligonal (direcção vertical, sentido de cima para baixo). As coordenadas do ponto de intersecção do raio com a malha do solo serão as coordenadas do centro da base do objecto.
Selecção
Esta tarefa consiste na escolha de um elemento a partir de um conjunto de objectos seleccionáveis sobre a malha poligonal. A selecção de objectos em mundos tridimensionais é uma das tarefas mais habituais e, devido a esse facto, uma das mais estudadas e avaliadas. Várias propostas têm sido submetidas a avaliação e, geralmente, podem ser agrupadas segundo a metáfora utilizada, a da "mão virtual" ou a do "ponteiro virtual". Na metáfora da "mão virtual" o utilizador selecciona um objecto "tocando-lhe" com uma representação virtual da sua mão. A "mão virtual" é posicionada e orientada pelo
7
tratou-se da primeira versão da geometria do terreno; foi entretanto substituída por uma malha regular
Figura 6
utilizador através de um dispositivo de entrada. Na metáfora do "ponteiro virtual" o utilizador selecciona um objecto apontando para o mesmo, ou seja, é lançado um raio na direcção que se encontra a mão, raio esse que selecciona um objecto quando o intersecta.
[Poupyrev et al.] efectuaram um estudo de usabilidade das duas metáforas na selecção de objectos. A principal conclusão retirada desse estudo indica que não existe uma técnica que seja universalmente superior. Embora as técnicas baseadas na metáfora do "ponteiro virtual" exibissem melhores resultados nos casos mais gerais, o seu desempenho degradava-se bastante quando o tamanho dos objectos diminuía. Em relação às técnicas baseadas na metáfora da "mão virtual" verificou-se que o seu desempenho não se degradava muito com a dimensão dos objectos, mas globalmente tinham um desempenho um pouco inferior às outras técnicas. Para tentar aproveitar as vantagens relativas das duas técnicas bem como para minimizar as suas desvantagens, propõe- se uma nova técnica, a da "selecção por aproximação". Esta técnica selecciona o objecto que se encontra mais próximo da mão. Isto resulta num decréscimo substancial do tempo médio de selecção em relação à técnica da "mão virtual", devido ao facto de não ser necessário ao utilizador colidir com o objecto desejado para o seleccionar. Optou-se ainda por definir uma distância máxima de seleccão descartando objectos que se encontrem muito distantes do utilizador.
Um problema desta abordagem é o de, em alguns casos, poder ser seleccionado um objecto não pretendido. Este problema surge principalmente na selecção de objectos muito grandes, devido ao facto da distância ser calculada em relação ao centro de inércia do objecto. A figura 6 exemplifica esse erro em duas dimensões: embora a mão se encontre dentro do objecto A, a distância ao centro de inércia do objecto B é menor do que a distância ao centro de inércia do objecto A. Assim, o algoritmo seleccionaria o objecto B, quando o utilizador pretendia seleccionar A.
A "selecção por aproximação" não invalida que se efectue um teste prévio semelhante ao da "mão virtual". O algoritmo proposto representa, no seu conjunto, uma melhoria substancial em relação às técnicas base. Consegue-se assim uma selecção de objectos rápida e um
aumento de eficácia no uso da aplicação. Outro aspecto importante é a retroacção: como comunicar ao utilizador que o objecto se encontra seleccionado? Apesar de inicialmente se optar pela representação do objecto em "modelo de arame", a ambiguidade deste tipo de representação (nomeadamente na visualização da topologia do objecto) depressa conduziu à opção de mapear o objecto com um material semi-transparente (fig. 7), com resultados bem mais positivos, pois permite visualizar perfeitamente tanto a topologia do objecto como a sua inserção no meio que o rodeia.
5.3 Operações de Manipulação e Transformação
Uma vez seleccionado um edifício, a aplicação permite ao utilizador a realização de um conjunto de tarefas como translacções, rotações, escalamento, alteração da geometria, e a mudança de atributos como cor e textura. As tarefas de translacção, orientação e escalamento mereceram uma atenção especial, por exigirem controlo tridimensional sobre os objectos. A solução proposta, baseia-se na possibilidade de controlar o posicionamento utilizando apenas duas dimensões, sendo a terceira dimensão sempre automaticamente definida pela altura do solo. Não sendo relevante para o posicionamento do objecto a altura a que a mão se encontra, deixa de ser necessário que o utilizador consuma recursos cognitivos no controlo dessa dimensão, focando-se exclusivamente no controlo das restantes e melhorando o seu desempenho.
Devido à possibilidade de realização com sucesso da mesma tarefa, independentemente da “altitude” da mão do utilizador, deixava de ser necessário existir contacto entre a mão virtual e o objecto manipulado. Para evitar este comportamento pouco natural, foi incorporada uma pega extensível em altura aos edifícios seleccionados, que estabelece uma ligação "física" virtual entre o objecto e a mão que o manipula, tal como uma azeitona na ponta dum palito. A posição do edifício em altura é independente da posição da mão, ajustando-se automaticamente á altura da malha do terreno nessa posição.
As expectativas ao nível da interacção e funcionalidades entregues ao utilizador foram quase todas atingidas, tendo sido atingido um nível de usabilidade que permite a um utilizador não perito efectuar de forma eficiente um
Figura 7
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10º Encontro Português de Computação Gráfica 1-3 de Outubro 2001
conjunto vasto de tarefas ligadas à construção e alteração de objectos em cenários virtuais.
6. CONCLUSÕES E TRABALHO FUTURO
Não é tarefa simples tentar sistematizar as contribuições parciais de cada módulo na cadeia de visualização. Todavia, a perspectiva e o ênfase dado à contribuição relativamente descritiva dos vários processos, cuja mais valia não é a excelência de um ou mais algoritmos, não é sequer uma análise radical e inovadora no sentido do desenvolvimento de metodologias de processamento de dados em tempo real, mas que se pode resumir em três linhas fundamentais de acção:
• a preocupação do conceito de generalidade da metodologia em causa; as técnicas usadas não são dependentes do modelo Lisboa Virtual, antes se podem aplicar a modelos de complexidade elevada e com os fins similares de visualização e interacção em tempo real
• a automatização parcial do processo de construção do modelo; sempre que possível, e módulo a módulo, tentou-se desenvolver técnicas de optimização focadas em cada tipo de objectos e suas características
• o controlo do balanceamento de cargas entre o CPU e o GPU; seja pela diminuição das mudanças de estado entre trocas de materiais, pela partilha de pontos entre objectos do mesmo tipo, geração dinâmica de bounding boxes e níveis de detalhe, entre outras.
Finalmente, uma referência à existência do modelo tridimensional, independentemente da sua optimização para visualização em tempo real, foi que a disponibilidade física da aplicação permitiu, pela primeira vez, validar visualmente de uma forma integrada e sistemática, todo o conjunto de dados, e a análise de erros pela troca de layers, pontos falsos de cota de terreno e edificado, análise de densidade espacial, entre outras.
7. AGRADECIMENTOS
Uma última palavra de apreço pelo apoio prestado, a toda a equipa do projecto Lisboa Virtual do IST/SAE e da CML/DEIU, que não é possível enunciar extensivamente, na pessoa dos responsáveis por este projecto, respectivamente a srª vereadora drª Margarida Magalhães (CLM/DEIU) e o prof. Delgado Domingos (IST/SAE).
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