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MINISTÉRIO DA DEFESA
SECRETARIA DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
CURSO DE MESTRADO EM SISTEMAS E COMPUTAÇÃO
MELINA DE VASCONCELOS ALBERIO
ACOnTECe – um Ambiente Virtual
Colaborativo para Treinamento Cirúrgico
Rio de Janeiro
2005
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1
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
MELINA DE VASCONCELOS ALBERIO
ACONTECE – UM AMBIENTE VIRTUAL
COLABORATIVO PARA TREINAMENTO CIRÚRGICO
Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de
Mestrado em Sistemas e Computação do Instituto Militar
de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do
título de Mestre em Ciências em Sistemas e Computação.
Orientador: Jauvane C. de Oliveira, Ph.D.
Co-orientador: TC. Edison Ishikawa, D.Sc.
Rio de Janeiro
2005
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2
c2005
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
Praça General Tibúrcio, 80 – Praia Vermelha
Rio de Janeiro - RJ CEP: 22290-270
Este exemplar é de propriedade do Instituto Militar de Engenharia, que poderá incluí-lo em
base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar qualquer forma de
arquivamento.
É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre bibliotecas
deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja ou venha a ser
fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem finalidade comercial
e que seja feita a referência bibliográfica completa.
Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es) e do(s)
orientador(es).
A331a Alberio, Melina de Vasconcelos
ACONTECE – um Ambiente Virtual Colaborativo para
Treinamento Cirúrgico / Melina de Vasconcelos Alberio. - Rio
de Janeiro: Instituto Militar de Engenharia, 2005.
112 p. : il., graf., tab.
Dissertação (mestrado) - Instituto Militar de Engenharia,
Rio de Janeiro, 2005.
1. Interação Homem-Máquina. 2. Sistemas Multimídia. 3.
Realidade Virtual. 4. Medicina. I.Título. II. Instituto Militar
de Engenharia.
CDD 006.78
3
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
MELINA DE VASCONCELOS ALBERIO
ACONTECE – UM AMBIENTE VIRTUAL
COLABORATIVO PARA TREINAMENTO CIRÚRGICO
Dissertação de Mestrado apresentada no Curso de Mestrado em Sistemas e Computação
do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre
em Ciências em Sistemas e Computação.
Orientador: Prof. Jauvane Cavalcante de Oliveira – Ph.D.
Co-orientador: Prof. TC. Edison Ishikawa – D.Sc.
Aprovada em 22 de agosto de 2005 pela seguinte Banca Examinadora:
_______________________________________________________________
Prof. Jauvane C. de Oliveira – Ph.D. do LNCC - Presidente
_______________________________________________________________
Prof. TC. Edison Ishikawa – D.Sc. do IME
______________________________________________________________
Prof. Paulo Fernando Ferreira Rosa – Ph.D. do IME
_______________________________________________________________
Prof. Artur Ziviani – Docteur do LNCC
Rio de Janeiro
2005
4
Dedico este trabalho a Deus e
aos meus queridos papai e mamãe.
5
AGRADECIMENTOS
“Pai, pedi que me acolhesses
e estendestes os braços para que eu repousasse em Ti.
Entreguei meu caminho em Tuas mãos.”
Melina Alberio
Com este pensamento inicio meu agradecimento mais especial, a Ti, Meu Deus. Recebi
Tua proteção, junto a Maria Santíssima, durante toda esta caminhada. Confiei em Ti, e me
deste segurança pra que eu confiasse em mim e completasse esta etapa importante da minha
vida. Mas não dependia só de mim, e Tu, sabiamente, colocaste em meu caminho pessoas
especiais as quais hoje agradeço pelo apoio na busca a este objetivo.
Aos meus queridos Papai Italo e Mamãe Vica, vocês são exemplos de tudo aquilo que se
traduz em amor. Estiveram sempre presentes com palavras de incentivo, e em muitas vezes,
com um silêncio confortante e fortalecedor. Muito obrigada pela renúncia, pela estrutura que
vocês me deram pra que eu pudesse seguir adiante.
Minha mana “Tata” Melissa, obrigada pela compreensão nas horas de stress, pela
amizade e carinho que me devotas. Mada, obrigada pelos cuidados comigo e com o Dodi.
Agradeço também às minhas avós Zefa e Cacilda (in memorian), e à minha madrinha
Elisa, que sempre me colocaram em suas orações, e a um homem que foi exemplo de ser
humano, homem de luta, cristão: meu vovô Antonio, obrigada pelo seu olhar terno e de
entusiasmo comigo.
Aos grandes amigos e parentes, àqueles que distantes ou por perto participaram desta
trajetória, obrigada. Particularmente, agradeço às pessoas que significaram a presença familiar
e de certa forma supriram a saudade de casa. Janaína e Vitor, obrigada por me acolherem nos
primeiros momentos decisivos do mestrado, e a minha mais nova “irmã”, Ju, obrigada pelo
ombro fraterno, pelo cuidado e afeto essenciais comigo.
Agradeço a uma pessoa que tem estado ao meu lado, participando de meu crescimento
profissional e pessoal, apoiando-me com sua força, dedicando-me seu amor e estimulando-me
a continuar: meu querido Dudu, meu namorado e companheiro, você foi bastante responsável
por tudo isso! Muito obrigada!
6
Mas além dos que aqui já citei, tive o indispensável auxílio de outras pessoas que me
acompanharam desde o início do mestrado.
Ao meu professor e orientador, Jauvane, obrigada pela oportunidade, por acreditar em
meu potencial acadêmico, me ajudando para que eu me empenhasse com afinco neste
trabalho, me emprestando seus conhecimentos e contribuindo com seus ensinamentos e
experiência. Agradeço por me dar não o peixe, mas a vara de pescar!
Aos professores e funcionários do Instituto Militar de Engenharia, agradeço pela ajuda
neste período de aprendizado, e aos meus amigos do mestrado que junto comigo dividiram as
horas de estudo e de descontração.
Agradeço aos amigos que formam a excelente equipe de trabalho do Laboratório
ACiMA: Silviane, Carlos, Carla, Cadorin e os outros; pois sem sua colaboração não seria
possível a conclusão deste trabalho.
E por fim, agradeço ao Laboratório DISCOVER, da Universidade de Ottawa, Canadá,
por ceder o código do COVET; ao Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC),
por ceder a estrutura para que o trabalho fosse realizado; e a Capes, CNPq e projeto GIGA,
por financiar este trabalho.
De modo geral, agradeço a todos que contribuíram de alguma forma para a conclusão
desta dissertação.
7
“Se pude ver mais longe foi porque
subi em ombros de gigantes”.
ISAAC NEWTON (1676)
8
SUMÁRIO
LISTA DE ILUSTRAÇÕES .................................................................................................... 11
LISTA DE SIGLAS ................................................................................................................. 13
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................... 17
1.1. Contexto e Objetivo ............................................................................................... 17
1.2. Motivação............................................................................................................... 18
1.3. Estrutura da Dissertação......................................................................................... 19
2. REALIDADE VIRTUAL .................................................................................... 21
2.1. Histórico................................................................................................................. 23
2.2. Conceitos Básicos .................................................................................................. 25
2.2.1. Envolvimento ......................................................................................................... 25
2.2.2. Interação................................................................................................................. 26
2.2.3. Imersão................................................................................................................... 26
2.2.4. Estereoscopia.......................................................................................................... 27
2.2.5. Graus de Liberdade (DOF – Degrees of Freedom)................................................ 28
2.3. Dispositivos de Hardware ...................................................................................... 29
2.3.1. Dispositivos de Entrada e Saída de Dados............................................................. 29
2.4. Linguagens para Criação de Mundos Virtuais ....................................................... 32
2.4.1. VRML .................................................................................................................... 32
2.4.2. X3D (Extensible 3D).............................................................................................. 33
2.4.3. JAVA...................................................................................................................... 33
2.4.4. OpenGL.................................................................................................................. 34
2.4.5. Direct3D................................................................................................................. 35
2.4.6. GHOST................................................................................................................... 35
2.5. Tipos de Sistemas................................................................................................... 36
2.5.1. Sistemas Window on a World (WOW).................................................................. 36
2.5.2. Video Mapping....................................................................................................... 36
2.5.3. Sistemas Imersivos................................................................................................. 37
9
2.5.3.1. CAVES (Cave Automatic Virtual Environments) ................................................. 37
2.5.4. Sistemas de Realidade Aumentada ........................................................................ 38
2.5.5. Sistemas de Tele-Presença ou Tele-Operação ....................................................... 39
2.6. Aplicações .............................................................................................................. 40
2.6.1. Educação ................................................................................................................ 40
2.6.2. Treinamento ........................................................................................................... 41
2.6.3. Entretenimento e Artes........................................................................................... 41
2.6.4. Psicologia ............................................................................................................... 42
2.7. A Realidade Virtual na Medicina........................................................................... 43
2.7.1. Diagnose................................................................................................................. 44
2.7.2. Terapia.................................................................................................................... 44
2.7.3. Educação de Médicos e Pacientes.......................................................................... 45
2.7.4. Treinamento de Procedimentos Médicos ............................................................... 46
3. AMBIENTES VIRTUAIS ................................................................................... 48
3.1. Definição do Ambiente .......................................................................................... 48
3.1.1. Usuários.................................................................................................................. 49
3.1.2. Tarefas.................................................................................................................... 50
3.1.3. Modelagem............................................................................................................. 50
3.1.3.1. Ambiente Físico ..................................................................................................... 50
3.1.3.2. Aspectos de Modelagem ........................................................................................ 51
3.2. Requisitos de Ambientes Virtuais.......................................................................... 53
3.3. Ambientes Distribuídos de Realidade Virtual........................................................ 54
3.3.1. Modelo de Comunicação em um AVD.................................................................. 55
3.3.2. Características da Rede de Comunicação............................................................... 57
3.3.3. Métodos de Transmissão de Pacotes...................................................................... 58
3.3.3.1. Unicast.................................................................................................................... 59
3.3.3.2. Broadcast................................................................................................................ 59
3.3.3.3. Multicast................................................................................................................. 59
3.3.3.4. Peer to Peer (p2p)................................................................................................... 60
3.3.4. Formas de Interação em um AVD.......................................................................... 61
3.4. Ambientes Virtuais Colaborativos (AVC) ............................................................. 62
10
4. TRABALHOS RELACIONADOS ..................................................................... 65
4.1. COVET (Collaborative Virtual Environment for Training) .................................. 65
4.2. ADVICE (um Ambiente Virtual Colaborativo para o Ensino à Distância) ........... 67
4.3. Simulador para Coleta de Medula Óssea ............................................................... 68
4.4. HIP-OP................................................................................................................... 71
4.5. Ambiente Virtual e Modelo do Olho para Simulação Cirúrgica............................ 72
4.6. CardioOp-Heart...................................................................................................... 73
4.7. Visão Geral dos Ambientes Virtuais...................................................................... 74
5. ESPECIFICAÇÃO DO SISTEMA ACONTECE............................................. 76
5.1. Domínio do Problema ............................................................................................ 79
5.1.1. Anatomia do Coração............................................................................................. 79
5.1.2. Cirurgia de Transplante Cardíaco .......................................................................... 80
5.2. Proposta do Sistema ............................................................................................... 83
5.3. Tecnologias de Implementação.............................................................................. 84
5.3.1. JAVA 3D................................................................................................................ 84
5.3.2. VRML .................................................................................................................... 86
5.3.3. Interação JAVA 3D/VRML ................................................................................... 88
5.4. Visão Geral do Sistema.......................................................................................... 89
5.4.1. Camada de Interface............................................................................................... 90
5.4.1.1. Interface Gráfica 2D............................................................................................... 90
5.4.1.2. Interface Gráfica 3D............................................................................................... 92
5.4.2. Camada de Comunicação....................................................................................... 94
5.5. Funcionalidades do Sistema................................................................................... 96
5.5.1. Módulo de Anatomia.............................................................................................. 97
5.5.2. Módulo de Treinamento......................................................................................... 98
6. CONCLUSÃO .................................................................................................... 101
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................. 104
11
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIG. 2.1 Framework da tecnologia de Realidade Virtual. ...................................................... 22
FIG. 2.2 (a) Sensorama. (b) SketchPad................................................................................... 23
FIG. 2.3 6 graus de liberdade. ................................................................................................. 28
FIG. 2.4 (a) HMD. (b) Shuttler Glasses. ................................................................................. 30
FIG. 2.5 PHANToM................................................................................................................ 30
FIG. 2.6 DataGlove e seus elementos. .................................................................................... 31
FIG. 2.7 (a) Interação Java/VRML via Java3D. (b) Interação Java/VRML via EAI.............. 34
FIG. 2.8 COVET aplicando técnica de Video Mapping. ........................................................ 37
FIG. 2.9 CAVE........................................................................................................................ 38
FIG. 2.10 Imagem tridimensional de um ninja adicionada ao mundo real. ........................... 38
FIG. 2.11 Portal de entrada do ICSpace.................................................................................. 42
FIG. 2.12 Just VR.................................................................................................................... 46
FIG. 3.1 Modelo 3D da MCC no AV-Engenharia. ................................................................. 49
FIG. 3.2 Plataforma de petróleo segmentada - ACAmPE....................................................... 52
FIG. 3.3 (a) Modelo Centralizado. (b) Modelo Distribuído.................................................... 55
FIG. 3.4 (a) Ambiente Replicado. (b) Ambiente Particionado. .............................................. 56
FIG. 3.5 (a) Unicast. (b) Broadcast. (c) Multicast................................................................. 58
FIG. 3.6 Partições do AVD controladas por peers. ................................................................ 61
FIG. 3.7 (a) Médicos utilizando o VCC. (b) coração 3D, réplica do órgão do paciente......... 63
FIG. 3.8 (a) Anatomical Workbench. (b) Surgical Workbench. ............................................. 64
FIG. 4.1 Pontos de visão do treinamento do COVET............................................................. 66
FIG. 4.2 Tela Principal do COVET......................................................................................... 67
FIG. 4.3 Sala de aula virtual do ADVICE............................................................................... 68
FIG. 4.4 Módulos do simulador de coleta de medula óssea.................................................... 69
FIG. 4.5 Oncologista operando o simulador. .......................................................................... 70
FIG. 4.6 Interface multimodal do Hip-Op. ............................................................................. 71
FIG. 4.7 Cirurgia do olho - (a) Vista frontal. (b) Vista Lateral............................................... 72
FIG. 4.8 CardioOP - (a) Visualização Interna. (b) Mídias agregadas a interface gráfica.. ..... 73
FIG. 4.9 Etapas de uma tromboendarterectomia coronária..................................................... 74
12
FIG. 5.1 Anatomia interna do coração. ................................................................................... 79
FIG. 5.2 NOVA Electric Heart................................................................................................ 81
FIG. 5.3 Transplante ortotópico bicaval/bipulmonar.............................................................. 82
FIG. 5.4 Tecnologias de implementação do ACOnTECe....................................................... 84
FIG. 5.5 Grafo de Cenário em Java 3D................................................................................... 86
FIG. 5.6 Coração gerado por linguagem VRML. ................................................................... 87
FIG. 5.7 Código da classe createVRML. ................................................................................ 89
FIG. 5.8 Camadas lógicas do sistema ACONTECE. .............................................................. 89
FIG. 5.9 Intertace 2D (Java Swing) e Interace 3D (Java 3D). ................................................ 90
FIG. 5.10 Diagrama de classes para a simulação da cirurgia.................................................. 93
FIG. 5.11 Partes do VRML reestruturadas em BranchGroups. .............................................. 94
FIG. 5.12 Modelo de transmissão Multicast. .......................................................................... 95
FIG. 5.13 Formato do pacote de controle................................................................................ 96
FIG. 5.14 Visão da anatomia do Ventrículo Esquerdo. .......................................................... 97
FIG. 5.15 Ventrículo esquerdo, válvulas aórtica e pulmonar, com dicionário explicativo..... 98
FIG. 5.16 Ferramentas cirúrgicas............................................................................................ 99
FIG. 5.17 Parte da simulação do corte do esterno................................................................... 99
FIG. 5.18 Módulo de Treinamento - Visão Interna............................................................... 100
13
LISTA DE SIGLAS
2D Bidimensional
3D Tridimensional
6DOF 6 Degrees of Freedom
ACAMPE Ambiente Colaborativo para Área de Petróleo
ACONTECE Ambiente Colaborativo para Treinamento Cirúrgico
ADVICE Ambiente Virtual Colaborativo para o Ensino a Distância
API Application Programming Interface
ATM Assynchronous Transfer Mode
AVC Ambiente Virtual Colaborativo
AVD Ambiente Virtual Distribuído
BG BranchGroup
BLS Basic Life Support
BOOM
Binocular Omni-Oriented Monitor
CAD Computer Aided Design
CAVE Cave Automatic Virtual Environment
COVET Collaborative Virtual Environment for Trainning
CSCW Computer Supported Collaborative Work
DOF Dregrees of Freedom
EAI External Authoring Interface
GUI Graphical User Interface
GHOST General Haptic Open Software Toolkit
HMD Head Mounted Display
HTML Hypertext Marked Language
IME Instituto Militar de Engenharia
INCOR Instituto do Coração
IP Internet Protocol
ISPs Internet Service Providers
JNI Java Native Interface
14
JVM Java Virtual Machine
LANs Local Area Networks
LSI-EPUSP Laboratório de Sistemas Integráveis da Escola Politécnica da USP
MCC Máquina de Medir por Coordenadas
Mbps Megabits por segundo
OpenGL Open Graphics Library
PC Personal Computer
P2P Peer to Peer
RA Realidade Aumentada
RM Ressonancia Magnética
RV Realidade Virtual
SE9-IME Departamento de Sistemas e Computação do Instituto Militar de Engenharia
TC Tomografia Computadorizada
TCP Transport Control Protocol
UDP User Datagram Protocol
UERJ Universidade Estadual do Rio de Janeiro
VCC Virtual Collaborative Clinic
VoIP Voz sobre IP
VRML Virtual Reality Modeling Language
X3D Extensible 3D
XML Extensible Markup Language
WANs Wide Area Networks
WOW Window on a World
15
RESUMO
A Realidade Virtual é uma técnica da Ciência da Computação que visa simular atividades
em um mundo sintético, como se fossem desenvolvidas no mundo real, estimulando os
sentidos humanos.
Ambientes Virtuais Colaborativos são sistemas de Realidade Virtual distribuídos em
rede, cuja finalidade é integrar alguns usuários que desejem colaborar entre si através do
mundo sintético para resolução de um problema proposto pelo sistema.
Ambientes Virtuais aplicados à Medicina são utilizados para fins de diagnose, educação
tanto de médicos quanto de seus pacientes, simulação de procedimentos invasivos, dentre
outros. Os simuladores cirúrgicos são utilizados para o planejamento pré-operativo,
treinamento ou assistência em cirurgia.
Esta dissertação apresenta o ACOnTECe (um Ambiente Virtual COlaborativo para
TrEinamento Cirúrgico), um ambiente virtual não-imersivo para o estudo da anatomia
cardíaca e treinamento de transplante de coração, levando em consideração os pré-requisitos
necessários para que o ambiente virtual seja realista e atrativo aos usuários conectados
remotamente ao ambiente.
16
ABSTRACT
Virtual Reality is a computing technique that aims at simulating actions in a synthetic
world as if they were performed in the real world. That is accomplished through the
stimulation of the human senses.
Collaborative Virtual Environments are distributed networked virtual reality systems,
whose goal is to bring together a number of users which shall collaborate amongst themselves
through the simulated synthetic world.
Medical Collaborative Virtual Environments are used aiming at diagnostic, training of
both medical doctors as well as their patients, simulation of invasive procedures, amongst
others. Surgical simulators seek to aid in pre-surgical planning, training or surgical assistence.
This thesis presents ACOnTECe (a Collaborative Virtual Environment for Surgical
Trainning), a non-immersive virtual environment for heart anatomy study as well as hear
transplant training. It attempts to be as realistic as possible as well as attractive to remote
users.
17
1. INTRODUÇÃO
1.1. CONTEXTO E OBJETIVO
Ao longo dos tempos, as inovações tecnológicas determinaram os períodos de evolução
da sociedade e com a popularização dos computadores e o advento da Internet, a era atual,
conhecida como Era da Informação, possibilitou a globalização do conhecimento. Na Era da
Informação, os avanços tecnológicos na área de Computação e Telecomunicações estão
revolucionando estudos em várias ciências e suas aplicações como Engenharia, Biomedicina e
outras, e inserindo novos conceitos entre pesquisadores destes domínios.
A Realidade Virtual (RV) é uma área da Ciência da Computação de aplicação
interdisciplinar, que busca simular situações reais ou mesmo exercitar o imaginário. Podemos
dizer que alguns limites que a realidade impõe às capacidades humanas, a Realidade Virtual
pode transpor, caracterizando-se como uma tecnologia com bastante potencial em aplicações
para outras áreas.
A possibilidade de estimular de forma realista os sentidos humanos através de sistemas
de simulação conduz ao aprimoramento da tecnologia de Realidade Virtual assim como ao
desenvolvimento de recursos tanto de software, como na área de Computação Gráfica, quanto
de hardware, como na área de Robótica e de sensores.
Além disso, os sistemas de Realidade Virtual buscam novas formas de interação, como a
colaboração entre vários usuários por meio do ambiente virtual. Através da Internet, os
participantes de um ambiente colaborativo podem, além de compartilhar o mesmo ambiente,
executar atividades conjuntas remotamente.
A ciência médica tem se beneficiado dos avanços na área de Ciência da Computação, a
qual proporcionou exames de Tomografia Computadorizada que possibilitam a composição
detalhada de órgãos sem agressão ao paciente, assim como a recente técnica de Ressonância
Magnética em três dimensões.
Da mesma forma, a Realidade Virtual está sendo aplicada à Medicina a fim de promover
a modernização de atividades de diagnose, terapia, treinamento e educação de médicos e
estudantes, etc.
18
Atualmente, a educação médica cirúrgica tem utilizado algumas aplicações de Realidade
Virtual para o ensino de anatomia e na simulação de operações, principalmente para o
planejamento e treinamento pré-operatório e para o suporte intraoperatório.
Modelos virtuais de órgãos podem ser visualizados tridimensionalmente e manipulados
pelos usuários da mesma forma como se fossem objetos reais. A Realidade Virtual ainda
possibilita a observação da estrutura interna de órgãos com o recurso de semitransparência,
facilitando a análise patológica por parte de médicos e estudantes. Além destas vantagens,
sistemas de RV não apresentam limitação de tempo de utilização comparando-se aos recursos
tradicionais de ensino na área médica.
O trabalho proposto como tema desta dissertação de mestrado tem a finalidade de utilizar
as vantagens da tecnologia de Realidade Virtual aplicadas à Cardiologia, área da Medicina
amplamente desenvolvida no Brasil.
O sistema virtual denominado ACOnTECe (um Ambiente Virtual COlaborativo para
TrEinamento Cirúrgico) foi projetado com os objetivos de ensino da anatomia do coração e
para o treinamento dos procedimentos da cirurgia de transplante cardíaco.
O sistema constitui-se de dois módulos: Anatômico e de Treinamento. O módulo de
anatomia propõe-se a ensinar sobre cada estrutura que compõe o coração, suas
funcionalidades e características, de modo que seja possível entender a anatomia do órgão
previamente ao treinamento da cirurgia. Por sua vez, o módulo de treinamento busca abordar
os passos de um transplante, a fim dos participantes treinarem os procedimentos da cirurgia de
forma colaborativa.
1.2. MOTIVAÇÃO
No Brasil, várias pesquisas têm sido desenvolvidas aplicando Realidade Virtual à
Medicina. Em 2003, foi desenvolvido no Laboratório de Sistemas Integráveis da Escola
Politécnica da USP (LSI-EPUSP) um Simulador para Coleta de Medula Óssea (MACHADO,
2003), relatado como o primeiro projeto de Realidade Virtual para Oncologia Pediátrica no
país e no mundo.
O estímulo para o desenvolvimento de um Ambiente Virtual Colaborativo para a área
médica é dinamizar o aprendizado e proporcionar a participação ativa entre médicos e
19
estudantes através no ambiente, além de auxiliar em áreas nas quais métodos tradicionais de
ensino médico não sejam eficazes, principalmente no caso de disciplinas em que o
aprendizado é muito mais visual que verbal.
A motivação para a simulação de um transplante de coração se dá devido ao Brasil ser
um dos centros pioneiros neste tipo de cirurgia. O primeiro transplante feito no Brasil pelo Dr.
Euryclides de Jesus Zerbini em 1968 foi o décimo quarto no mundo desde o primeiro
transplante de coração realizado em 1967 pelo Dr. Christian Barnard, na África do Sul. Dessa
maneira, o Brasil se posicionou na linha de frente junto com a elite mundial de cirurgiões
cardiológicos.
Além disso, o rigor da Sociedade Brasileira de Cardiologia na escolha de cirurgiões para
transplantes cardíacos exige experiência da equipe médica. Conseqüentemente há a
necessidade de novas formas de treinamento que substituam treinamentos tradicionais em
cobaias, o que, atualmente, é eticamente discutível no que diz respeito a experiências com
animais ou no que se trata dos riscos aos quais um paciente é submetido quando operado por
cirurgiões iniciantes.
1.3. ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
A dissertação está organizada em seis capítulos:
• O capítulo 1 visa apresentar de forma clara o tema do trabalho, e consiste em
contexto, objetivo e motivação do desenvolvimento deste trabalho.
• O capítulo 2 apresenta a tecnologia de Realidade Virtual, assim como os
conceitos básicos, dispositivos de hardware, linguagens para a criação de mundos
virtuais, e tipos e aplicações de RV.
• O capítulo 3 descreve os Ambientes Virtuais e os requisitos para a criação de
ambientes de RV. Ainda neste capítulo, são apresentados os Ambientes Virtuais
Colaborativos.
• O capítulo 4 relaciona os trabalhos tomados como referência para o
desenvolvimento do protótipo do ACOnTECe.
• O capítulo 5 destina-se a descrição do protótipo do ACOnTECe, como também
dos recursos utilizados para a implementação do sistema.
20
• O capítulo 6 finaliza a dissertação com a conclusão, contribuição do trabalho e
trabalhos futuros.
21
2. REALIDADE VIRTUAL
A possibilidade de estimular as capacidades sensoriais humanas através de simulações do
mundo real proporcionou o avanço em pesquisas científicas e tecnológicas no
desenvolvimento de hardwares e softwares, e conseqüentemente alavancou o surgimento de
uma nova área da Ciência da Computação: a Realidade Virtual.
A Realidade Virtual (RV) reúne vários conceitos e aplica-se a diversas atividades
assistidas por computador, utilizando-se desde ambientes virtuais executados em PCs
(computadores pessoais) até a sub-área da RV que chamamos de Realidade Aumentada, a
qual é apresentada na subseção 2.5.4.
Podemos definir Realidade Virtual como uma interface avançada tanto homem-máquina
quanto homem-homem intermediada por recursos computacionais. Esta interface gráfica
gerada pelo computador trata-se de um mundo sintético onde os usuários podem interagir e
navegar no ambiente virtual, manipulando objetos naturalmente como fazem em suas ações
cotidianas.
As técnicas de simulação aplicadas em um ambiente virtual fazem uso dos sentidos da
visão, audição e tato integrados para causar maior sensação de realismo ao usuário.
Entretanto, VALERIO NETTO (2002) cita que os grandes monopolistas dos sentidos são
indiscutivelmente os olhos, já que respondem por 70% da percepção sensorial. Deste modo,
um sistema de realidade virtual investe principalmente numa visualização tridimensional do
ambiente e de seus objetos para um grau de realismo satisfatório.
Aplicações recentes de simulação dos sentidos de olfato e paladar estão sendo
pesquisadas como mostra o artigo (SPENCER, 2005), que propõe um modelo hipotético de
simulação cirúrgica que incorpora sensação olfativa em simuladores cirúrgicos hápticos.
A interação do usuário em um ambiente pode se dar tanto por dispositivos convencionais
de entrada e saída como teclado e mouse, quanto por dispositivos não-convencionais como
HMD (Head Mounted Display), DataGlove, Joystick e outros. Uma vez que é possível
navegar pelo mundo virtual através destes dispositivos é determinado um ambiente de
Realidade Virtual.
22
A tecnologia de Realidade Virtual muitas vezes é confundida com animação, CAD
(Computer Aided Design) ou multimídia. A Figura 2.1 mostra uma estrutura que distingue a
Realidade Virtual de sistemas de Computação Gráfica e outros tipos de mídias.
FIG. 2.1 Framework da tecnologia de Realidade Virtual (MARSH, 1998).
Resumidamente, em comparação com as tecnologias de multimídia e animação, a
Realidade Virtual é (LESTON, 1996):
• Orientada ao usuário, o qual é o observador da cena virtual;
• Mais imersiva, por oferecer forte sensação de presença dentro do mundo virtual;
• Mais interativa, pois o usuário pode modificar e influenciar o comportamento dos
objetos;
23
• Mais intuitiva, pois existe pouca ou nenhuma dificuldade em manipular as
interfaces computacionais entre o usuário e a máquina.
2.1. HISTÓRICO
Em meados da década de 50, o medo do ataque nuclear alertou as forças armadas dos
Estados Unidos para a criação de um sistema de rastreamento que processasse grandes
quantidades de informação e as traduzisse imediatamente em uma forma que os seres
humanos pudessem prontamente compreender. Engenheiros de aeronaves iniciaram
experimentos com computadores de modo que eles pudessem visualizar graficamente, ou
modelar dados matemáticos representando o fluxo do ar. Tais pesquisas deram inicio a
Visualização Científica, uma avançada maneira de modelagem computacional que expressa
conjuntos de dados matemáticos em forma de imagens e simulações.
FIG. 2.2 (a) Sensorama (VR HISTORIE, 2005). (b) SketchPad (VR HISTORIE, 2005).
Contudo, o marco no surgimento da Realidade Virtual foi a criação do Sensorama (Figura
2.2a), uma espécie de cabine que simulava o passeio de motocicleta pela ilha de Manhattan,
em Nova York. Patenteado por Morton Heilig em 1962, o Sensorama tratava-se de um
simulador baseado em vídeo, que propiciava ao usuário visão tridimensional, além de utilizar
recursos como som estéreo, sensação de aromas, ar movimentado por ventiladores; tudo como
24
forma de despertar a sensação de um passeio real no usuário. Embora o invento não tenha tido
sucesso comercial, ele foi o precursor da imersão do usuário em um ambiente sintético.
Em 1963, Ivan Sutherland, conhecido pioneiro em pesquisas na área de Computação
Gráfica, desenvolveu como tese de doutorado, o SketchPad (SUTHERLAND, 1963), uma
combinação de dispositivos de hardware e software que possibilitava ao usuário desenhar
diretamente sobre a tela do computador por meio de uma caneta ótica (Figura 2.2b).
Sutherland também criou em 1970 o primeiro vídeo-capacete funcional para gráficos de
computadores, que permitia ao usuário observar, movimentando a cabeça, os diferentes lados
de uma estrutura de arame na forma de um cubo flutuando no espaço.
Com o aprimoramento e a criação de recursos computacionais, a indústria militar
americana passou a financiar intensivamente as pesquisas tecnológicas, e durante o período da
Segunda Guerra Mundial até os anos 90, foram projetados simuladores de vôo com a
finalidade de treinar pilotos em solo antes que eles operassem a aeronave no espaço aéreo. Os
primeiros simuladores de vôo consistiam em cockpits construídos sobre plataformas móveis
que simulavam a decolagem, o vôo propriamente dito e a aterrisagem do avião. Entretanto, a
limitação destes modelos estava na ausência de retorno visual ao piloto.
Em 1982, a Força Aérea Americana apresentou simuladores que usavam computadores e
vídeo-capacetes interligados para representar o espaço 3D da cabine de um avião. Os vídeo-
capacetes integravam os componentes de áudio e vídeo. Assim pilotos podiam aprender a
voar e combater em trajetórias com seis graus de liberdade (6DOF) sem decolar
verdadeiramente (VALERIO NETTO, 2002). Entretanto, tais projetos de Realidade Virtual
despendiam de uma quantia financeira alta, da ordem de milhões de dólares, tornando a
tecnologia inacessível para o público em geral.
Em 1977 e 1982 surgiram as primeiras luvas desenvolvidas respectivamente pelo grupo
de pesquisadores da Universidade de Illinois e por Thomas Zimmerman para serem acoplados
a computadores. Em 1987, a VPL Research Inc. comercializou pela primeira vez produtos de
RV com uma luva chamada DataGlove (Luva de Dados) e logo em seguida comercializou o
capacete de visualização chamado Eye Phones (RODRIGUES, 2004).
Em 1986 a NASA já utilizava um ambiente virtual que reunia funcionalidades de
interação por comando de voz, manipulação de objetos virtuais através de movimentos das
mãos captados por DataGlove e outros dispositivos. Mediante a possibilidade de tornar este
conjunto de tecnologias disponíveis comercialmente, os custos de aquisição e
desenvolvimento destas tecnologias diminuíram consideravelmente, e assim grandes firmas
25
de software passaram a oferecer produtos e serviços voltados para RV. Em 1989 a AutoDesk
popularizou a ideologia da Realidade Virtual através da mídia ao anunciar o primeiro sistema
de Realidade Virtual para desktop.
2.2. CONCEITOS BÁSICOS
A Realidade Virtual baseia-se na aplicação de um conjunto dos conceitos básicos de
envolvimento, interação e imersão; para que o ambiente sintético provoque respostas
cognitivas do usuário próprias de situações reais que estão sendo simuladas pelo computador.
Os conceitos de Estereoscopia e Graus de Liberdade (Degrees of Freedom – DOF) também
serão apresentados nesta seção.
2.2.1. ENVOLVIMENTO
Em Realidade Virtual, o conceito de envolvimento é a capacidade de estimular a
motivação do usuário a participar do ambiente virtual. A reprodução da realidade em um
ambiente sintético atraente desperta no usuário a curiosidade de simular suas atividades
habituais no cenário virtual. A usabilidade (facilidade de uso) em um sistema virtual é fator
preponderante para que ele provoque sensação de envolvimento no usuário.
Segundo KIRNER (1996), o envolvimento pode ser passivo, como ler um livro ou assistir
televisão, ou ativo, ao participar de um jogo com algum parceiro. A realidade virtual tem
potencial para os dois tipos de envolvimento ao permitir a exploração de um ambiente virtual
e ao propiciar a interação do usuário com um mundo virtual dinâmico.
26
2.2.2. INTERAÇÃO
Como visto anteriormente, a interação consiste na capacidade do computador detectar
ações do usuário no ambiente virtual, e modificá-lo durante o curso da simulação. Tal
característica determina a capacidade reativa do ambiente e atrai os usuários pelo fato de suas
ações refletirem simultaneamente as mudanças no cenário virtual. Além disso, a facilidade da
interação com o usuário é provocada por seus conhecimentos intuitivos de manipulação e
navegação, trazidos do mundo real.
De acordo com o nível de interação podemos classificar as experiências de Realidade
Virtual de três formas: Passiva, Exploratória ou Interativa.
Na RV Passiva, o usuário é capaz de observar, ouvir ou até sentir o ambiente se
movimentando em torno de si, o que causa a impressão de o usuário estar se movimentando
em vez do ambiente. Entretanto, a navegação pelo mundo sintético é controlada
automaticamente pelo computador, tornando assim o usuário apenas um mero espectador.
Ao contrário da RV Passiva, a RV Exploratória permite ao usuário que ele próprio
explore e se movimente pelo ambiente virtual, no entanto o usuário ainda não é capaz de
interagir de outra forma no ambiente, como manipular objetos do cenário. Exemplos de
aplicação de RV Exploratória são exposições virtuais de artes e passeios virtuais para estudos
arquitetônicos de construções históricas.
A RV Interativa é a mais realista e poderosa dentre as três formas, por possibilitar que,
além de navegar, o usuário também modifique o ambiente através de suas ações. Nesse caso,
de fato, observa-se a capacidade reativa do ambiente e suas entidades. Por exemplo, em um
carro virtual, se o usuário apertar o botão do rádio localizado no painel do carro, o
computador deve gerar sons simulando estações de rádio.
2.2.3. IMERSÃO
A idéia de imersão está ligada ao fato de despertar no usuário alguma sensação de
presença no ambiente. Um sistema virtual pode proporcionar vários níveis de imersão,
dependendo dos dispositivos de hardware utilizados. Além de dispositivos como capacete de
27
visualização, dispositivos ligados com os outros sentidos também são importantes para o
sentimento de imersão, como som, posicionamento do usuário e seus movimentos.
Podemos definir a Realidade Virtual de acordo com o conceito de Imersão em: Não-
Imersiva ou Imersiva. Uma forma intermediária, denominada RV Semi-Imersiva, utiliza
recursos que promovem um grau limitado de imersão ao usuário.
A RV Não-Imersiva é a modalidade da Realidade Virtual que faz uso somente de
equipamentos comuns como monitor, teclado e mouse. Pelo fato de utilizar recursos
computacionais de fácil acesso, a RV Não-Imersiva é vista positivamente por aproveitar
plenamente todas as vantagens da evolução da indústria de computadores e evitar limitações
técnicas e problemas de disponibilidade de dispositivos mais sofisticados.
Embora os recursos de hardware utilizados na RV Não-Imersiva sejam limitados,
atualmente o crescimento na indústria de software tem proporcionado formas de interação
adicionais àquelas já comuns aos equipamentos tradicionais, ou seja, as tecnologias de
software avançadas, como as linguagens para implementação VRML (Subseção 2.4.1) e Java
(Subseção 2.4.3), permitem a implementação de novas formas de movimentação do usuário
no ambiente mesmo utilizando dispositivos convencionais, dando a impressão de maior grau
de liberdade (DOF) no sistema virtual.
A RV Imersiva busca a imersão total do usuário no ambiente e é obtida através
equipamentos não-convencionais como capacetes de visualização, ou CAVEs (Cavernas
Virtuais) (Subseção 2.5.3.1). Dispositivos ligados a outros sentidos também são importantes
para o sentimento de imersão, como dispositivos de retorno de força, som, etc. Tais
dispositivos serão descritos na seção 2.3 deste capítulo e a subseção 2.5.3 discorrerá acerca
dos Sistemas Imersivos.
2.2.4. ESTEREOSCOPIA
O termo Estereoscopia vem do grego e significa “visão sólida”. A Estereoscopia ou visão
binocular é a capacidade do ser humano de perceber a profundidade e avaliar a distância que
separa um objeto de seu observador.
O fenômeno que está presente na visão binocular e que permite uma avaliação precisa das
distâncias chama-se paralaxe. Trata-se da comparação entre imagens obtidas a partir de
28
pontos de vista distintos. A visão tridimensional que temos do mundo é resultado da
interpretação pelo cérebro das duas imagens bidimensionais que cada olho capta a partir de
seu ponto de vista.
A Realidade Virtual procura fornecer ao usuário um retorno visual realista, buscando
aplicar tridimensionalidade ao mundo sintético criado pelo computador. A visão
estereoscópica é implementada nos sistemas virtuais através da geração simultânea de duas
imagens distintas correspondentes às visões de cada olho. Apesar de um recurso interessante,
a implementação de Estereoscopia requer computadores de alto processamento, devido a
necessidade de atualizar, em vez de uma, duas imagens cada vez que ocorrer modificação no
ambiente.
A visão estereoscópica em RV é obtida com a utilização de óculos para separar as
imagens geradas pelo computador, e dependendo do tipo de óculos podemos obter
Estereoscopia Passiva (óculos anáglifo ou polarizados) ou Ativa (óculos sincronizados com
monitor ou projetor).
2.2.5. GRAUS DE LIBERDADE (DOF – DEGREES OF FREEDOM)
FIG. 2.3 6 graus de liberdade com movimentos
de translação e rotação nos três eixos cartesianos.
Os graus de liberdade em um ambiente virtual significam as maneiras que o usuário pode
interagir neste ambiente. Um ambiente virtual tridimensional que disponha de movimentos de
rotação e translação, além de basear-se nos três eixos cartesianos, X, Y, Z, pode proporcionar
ao usuário uma interação em 6DOF (6 Degrees of Freedom). Ou seja, o usuário pode
29
manipular objetos tanto rotacionando nos três eixos, quanto transladando nos três eixos, o que
leva a seis formas diferentes de modificação no mundo sintético (Figura 2.3).
2.3. DISPOSITIVOS DE HARDWARE
Em Sistemas de Realidade Virtual, a utilização de equipamentos de hardware acoplados
ao computador, visa atender à necessidade de interação e imersão em um ambiente virtual.
Estes dispositivos recebem e enviam informações ao usuário, fazendo a interface deste com o
ambiente. A seguir são listados alguns dispositivos de entrada e saída de dados.
2.3.1. DISPOSITIVOS DE ENTRADA E SAÍDA DE DADOS
Os dispositivos de saída de dados são classificados em dispositivos visuais, de áudio, e
hápticos, pelo fato de a RV basear-se no isolamento dos sentidos, ou seja, cada dispositivo
responde principalmente por um determinado sentido. Como anteriormente mencionado já
existem estudos para dispositivos de simulação de olfato e paladar.
Os dispositivos visuais podem ser monoscópicos (uma imagem é renderizada e exibida
para os dois olhos) ou estereoscópicos (uma imagem é renderizada e exibida para cada olho).
Monitores são dispositivos visuais monoscópicos, assim como sistemas de projeção.
Entretanto, uma maneira de visualizar estereoscopicamente as imagens mostradas em
monitores, é a utilização de shutter glasses (Figura 2.4b), equipamentos que alternam as
imagens geradas seqüencialmente pelo computador respectivas a cada olho, ora esquerdo, ora
direito, de forma imperceptível ao ser humano.
Outros dispositivos visuais são BOOM (Binocular Omni-Oriented Monitor) e HMD
(Head Mounted Display). O BOOM constitui-se de um display acoplado a um braço
mecânico, com um contra-peso na extremidade oposta. Sensores ligados ao braço mecânico e
botões próximos ao display permitem a movimentação no ambiente em 6DOF.
30
FIG. 2.4 (a) HMD (ESTEREOSCOPY.COM, 2005). (b) Shuttler Glasses (INITION, 2005).
Os HMDs (Figura 2.4a) são dispositivos de saída de dados visuais e de áudio bastante
populares, por sua característica de isolamento completo do usuário em relação ao mundo
real. Para alcançar esse nível de imersão, é preciso que tanto a translação quanto os
movimentos da cabeça do usuário sejam refletidos no ambiente virtual. Neste caso, os HMDs
utilizam sensores de captura destes movimentos e os transmite para o computador, para que
ele gere a imagem apropriada.
Os Dispositivos de Entrada de Dados capturam os comandos dos usuários e os
transmitem ao sistema virtual. Sendo assim, o usuário participa ativamente na simulação.
Mouse e teclado são dispositivos convencionais utilizados como periféricos de entrada
acoplados ao computador, entretanto dispositivos de alta tecnologia, ditos não-convencionais,
permitem maior flexibilidade e confiabilidade aos sistemas de RV.
FIG. 2.5 PHANToM. (SENSABLE, 2005)
31
Um dispositivo háptico trata-se de um equipamento de hardware que proporciona retorno
tátil, simulando sensação de força e peso em resposta a uma ação do usuário. Na Figura 2.5, o
PHANToM (SENSABLE, 2005) é um exemplo de dispositivo háptico, patenteado pela
Sensable, que possibilita ao usuário tocar e manipular objetos no mundo virtual. Além de
reação tátil, o PHANToM indica a localização exata do ponto de intervenção no ambiente,
sendo deste modo também considerado como um dispositivo de entrada de dados.
FIG. 2.6 DataGlove e seus elementos.
O DataGlove (Figura 2.6) é uma luva de dados formada por fios de fibra ótica que
permite reconhecer movimentos manuais do usuário que veste a luva, manipulando os objetos
virtuais de forma análoga a estes movimentos. Sensores de posição e orientação determinam o
tipo de interação com 6DOF.
A partir de avanços em pesquisas tecnológicas, um outro paradigma de interação vem
sendo explorado com êxito, são os chamados Sensores Biológicos de Entrada. Os biosensores
são dispositivos de entrada que utilizam tecnologia de detecção de atividades nervosas e
musculares do organismo, como por exemplo, atividades elétricas muscular e cerebral, assim
como movimentos dos olhos. Com crescimento potencial em várias áreas, os biosensores
podem ser utilizados em tratamentos de psico-traumas e na reabilitação motora.
32
2.4. LINGUAGENS PARA CRIAÇÃO DE MUNDOS VIRTUAIS
Além de editores gráficos como Maya™ (ALIAS, 2005) e 3D Studio MAX™
(AUTODESK, 2005) para a modelagem de cenários 3D, a construção de mundos virtuais é
suportada por linguagens de programação e bibliotecas utilizadas para a implementação destas
interfaces gráficas tridimensionais. A seguir serão descritas algumas linguagens utilizadas
pelos programadores.
2.4.1. VRML
A linguagem VRML (Virtual Reality Modeling Language) (ISO VRML97, 2005) é uma
linguagem descritiva, independente de plataforma, utilizada para a criação de mundos e
objetos 3D interativos, para Internet. VRML está para o mundo tridimensional, assim como
HTML está para o mundo bidimensional. Ao passo que HTML especifica o formato de
páginas Web, VRML define como ambientes 3D podem ser explorados e criados na Internet.
Para visualizar arquivos “.wrl” (extensão de arquivos VRML) via browser, é necessário
um plugin que interprete os objetos 3D descritos em VRML. Existem alguns plugins como
Blaxxun (BLAXXUN, 2005) e Cortona (PARALLEL GRAPHICS, 2005) disponíveis para
download na web.
Os arquivos “.wrl” são arquivos na forma de texto ASCII, que podem ser editados por
qualquer editor de textos. Os códigos escritos em VRML definem quais as formas
geométricas, cores, associações e movimentos de um objeto 3D.
A utilização de objetos VRML por ambientes virtuais desenvolvidos em linguagens de
programação como Java e C++ é intermediada por APIs de interface entre a linguagem e
arquivos “.wrl”.
33
2.4.2. X3D (EXTENSIBLE 3D)
O X3D (Extensible 3D) é a revisão seguinte à especificação ISO VRML97 (ISSO
VRML97, 2005), utilizando os avanços da linguagem VRML, como a estrutura do grafo de
cena semelhante, entretanto busca corrigir as limitações da linguagem, tratando conceitos
abstratos e dando suporte para acesso a linguagens de programação.
As premissas básicas do VRML foram estendidas para uma maior flexibilidade na
criação dos mundos virtuais, sendo que as principais mudanças são (SOARES, 2005):
• Capacidades do grafo de cena expandidas;
• Modelo de programação de aplicações revisado e unificado;
• Múltiplos formatos de codificação, descrevendo o mesmo modelo abstrato,
incluindo XML;
• Arquitetura modular permitindo uma faixa de níveis para serem adotados e
suportados por diversos tipos de mercado;
• Estrutura da especificação expandida.
2.4.3. JAVA
A linguagem Java (SUN, 2005) foi concebida e projetada para ser compacta,
independente de plataforma e para utilização em rede. Para tanto, Java é uma linguagem
interpretada através de bytecodes (código executável compilado), diferente de aplicações em
C/C++, que precisam ser compiladas para cada plataforma. Java ainda permite
multithreading, a execução de múltiplas rotinas concorrentes em aplicações, e o sincronismo
entre essas rotinas.
Devido a estes aspectos, Java solidifica-se como uma linguagem popular, portável, ideal
para ser usada em aplicações para Internet, integrando computadores com diferentes
configurações e sistemas operacionais como Windows, Unix e Mac.
Para a criação de ambientes virtuais, Java possui a API Java 3D, projetada para suportar o
desenvolvimento de aplicações envolvendo gráficos, imagens tridimensionais e sons. Não
obstante a possibilidade de criação de objetos 3D e cenários virtuais, Java 3D ainda permite
34
através de loaders (Figura 2.7a) a importação de cenários criados em outras linguagens como
VRML.
Outra API do Java que faz a interface da linguagem com VRML é a EAI (External
Authoring Interface), responsável pela conexão do plugin VRML com a JVM (Java Virtual
Machine) do browser (Figura 2.7b). Através da interface EAI, Java recebe informações de
algum evento ocorrido na cena, normalmente gerado pela atuação do usuário via plugin.
FIG. 2.7 (a) Interação entre Java e VRML por meio da API Java3D.
(b) Interação entre Java e VRML por meio da API EAI.
2.4.4. OPENGL
OpenGL (Open Graphics Library) (SGI, 2005) é uma API para criação de aplicações
gráficas 2D e 3D, de baixo nível de abstração, e que dispõe de diversas bibliotecas de suporte
a texturização, iluminação, cor, transparência, animação, entre muitos outros efeitos especiais.
OpenGL não possui funções para interação com o usuário ou arquivos de entrada e saída.
Desta forma, linguagens como Java por meio da API Java 3D permitem a construção de
aplicações gráficas tridimensionais interativas (interfaces gráficas com botões, menus, etc.),
utilizando OpenGL para a renderização de cena.
Por ser um padrão destinado somente a renderização, OpenGL é independente de sistema
de janelas, assim usufruindo dos recursos disponibilizados pelos hardwares gráficos
35
existentes. MANSSOUR (2005) define OpenGL como “um programa de interface para
hardware gráfico”.
2.4.5. DIRECT3D
Assim como OpenGL, Direct3D (MICROSOFT, 2005) é utilizada para manipular e
apresentar objetos tridimensionais. É uma API desenvolvida pela Microsoft que permite aos
programadores uma forma de desenvolver aplicações 3D, as quais podem utilizar qualquer
dispositivo de aceleração gráfica, instalado em um computador.
Com o uso de APIs como o Direct3D, programadores de jogos, por exemplo, podem se
preocupar apenas com a criação dos jogos, sem se preocupar com o funcionamento da placa
de vídeo e outros módulos de hardware, pois tal gerenciamento cabe ao Direct3D.
2.4.6. GHOST
GHOST (General Haptic Open Software Toolkit) é uma poderosa biblioteca de classes
C++, distribuída juntamente com o PHANToM (SENSABLE, 2005), para o desenvolvimento
de aplicações hápticas 3D. Tal biblioteca implementa em alto nível um conjunto de primitivas
geométricas 3D e diversas propriedades físicas, tais como massa, rigidez, rugosidade, etc
(CARNEIRO, 2003).
O GHOST disponibiliza aos desenvolvedores bibliotecas de objetos prismáticos
tridimensionais, objetos poligonais e efeitos de toque para a simulação de retorno tátil em
aplicativos para áreas de Medicina, Animação e CAD, entre outras.
36
2.5. TIPOS DE SISTEMAS
De acordo com a maneira que a RV pode ser apresentada ao usuário, os Sistemas de
Realidade Virtual estão divididos em: Sistemas Window on a World (WoW), Video Mapping,
Sistemas Imersivos, Sistemas de Realidade Aumentada, Sistemas de Tele-Presença ou Tele-
Operação. A seguir serão analisados, um a um, os tipos de sistemas virtuais definidos.
2.5.1. SISTEMAS WINDOW ON A WORLD (WOW)
Os Sistemas Window on a World (WoW), também chamados de Sistemas Desktop RV,
são sistemas nos quais o usuário vê o universo virtual por uma tela convencional de
computador. Nestes ambientes o usuário deve observar a tela para visualizar o mundo virtual.
Nesta classe enquadram-se hoje a maioria dos jogos eletrônicos e os sistemas interativos
de navegação. O som destes ambientes é produzido por caixas de som colocadas à frente do
usuário como as que encontramos nos tradicionais kits multimídia (PINHO, 2005).
Dispositivos de hardware de entrada e saída de dados tais como DataGlove e shuttler
glasses podem ser acoplados a sistema WoW para causar alguma sensação de imersão.
2.5.2. VIDEO MAPPING
Uma variação dos sistemas WoW combina uma entrada de vídeo da silhueta do usuário
com um computador gráfico 2D. O usuário observa o monitor, que mostra a interação de seu
corpo com o mundo.
Os sistemas de Video Mapping consistem em capturar através de uma câmera de vídeo os
movimentos do usuário e interpretá-los através de processamento de imagens e
reconhecimento de padrões. O usuário não precisa estar conectado a nenhum dispositivo ou
roupa especial que capture seus movimentos. Este tipo de sistema requer computadores de
alto processamento para a interpretação de gestos.
37
FIG. 2.8 COVET aplicando técnica de Video Mapping
para a implementação de head tracking (OLIVEIRA, 2001).
Um dos trabalhos apresentados na seção 4.1, referente aos trabalhos relacionados, o
COVET (Collaborative Virtual Environment for Trainning) (OLIVEIRA, 2001) faz uso de
Video Mapping para capturar os movimentos da cabeça do usuário e controlar a partir destes
movimentos a cabeça do avatar respectivo ao usuário no ambiente, como mostra a Figura 2.8.
2.5.3. SISTEMAS IMERSIVOS
Em sistemas imersivos são usados equipamentos especiais como HMD para possibilitar a
implementação completa de imersão. Uma variação de sistemas desse tipo são sistemas de
projeção, onde o ambiente virtual é formado por projeções em paredes, chão e teto, dando a
sensação de imersão total. Como citado anteriormente, é preciso além de dispositivos visuais,
dispositivos que estimulem outros sentidos, de modo que propiciem ao usuário o isolamento
do mundo real.
2.5.3.1. CAVES (CAVE AUTOMATIC VIRTUAL ENVIRONMENTS)
CAVE (Cave Automatic Virtual Environment) ou Caverna Digital é uma pequena sala
onde são projetados gráficos em 3 dimensões. As pessoas imersas no CAVE, utilizam
dispositivos de hardware especiais para visualizar, explorar e interagir com objetos, avatares e
outros participantes do ambiente virtual.
38
FIG. 2.9 CAVE com projetores posicionados para a
geração de imagens nas paredes e chão e teto.
O funcionamento da projeção nas paredes da sala se dá através de um cluster
(agrupamento) de computadores para a geração das imagens (Figura 2.9). A estrutura
computacional envolvida no acionamento de CAVEs é bastante avançada e deve processar os
pares estereoscópicos das imagens, além de gerenciar dispositivos de interação e percepção.
2.5.4. SISTEMAS DE REALIDADE AUMENTADA
FIG. 2.10 Imagem tridimensional de
um ninja adicionada ao mundo real (SHARED SPACE, 2005).
39
A Realidade Aumentada (RA) é o tipo de Realidade Virtual que integra objetos virtuais
gerados no computador a um cenário real. Ao contrário dos Sistemas Imersivos, que isolam o
usuário do ambiente real, a Realidade Aumentada permite que o usuário veja o mundo real,
com objetos virtuais sobrepondo ou compondo tal ambiente, sendo para isso necessário o uso
de visores especiais presos à cabeça do usuário, onde são projetados os objetos 3D ou
informações referentes aos objetos reais que estão sendo visualizados através do dispositivo
(Figura 2.10).
Segundo AZUMA (1997), pode-se dizer que a Realidade Aumentada é suplementar à
realidade, ao invés de substituí-la completamente. Azuma também definiu três características
para RA:
• Combinação de realidade com virtualidade;
• Interação em tempo-real;
• Registro (fusão exata) das imagens virtuais no mundo real.
Uma variação da RA, a Realidade Melhorada utiliza processamento de imagens para
gerar informações adicionais sobrepostas ao mundo real. O resultado final pode ser tanto uma
melhoria espectral quanto espacial, gerando transformações e anotações sobre a imagem.
Imagens geradas através de ampliação do espectro visível do olho humano e a anotação
de características específicas dos objetos como distância, tipo, etc., são exemplos de melhoria
de uma imagem.
2.5.5. SISTEMAS DE TELE-PRESENÇA OU TELE-OPERAÇÃO
Sistemas de Tele-Presença ou Tele-Operação são sistemas onde o usuário faz
modificações em um mundo real através de suas ações no ambiente virtual, ou seja, a atuação
do usuário no ambiente acontece sem que ele esteja presente. Estes sistemas utilizam uma
tecnologia que combina sensores para o controle a distância de robôs por operadores
humanos.
Projetos de pesquisas espaciais da NASA propõem o uso Tele-Presença para exploração
planetária (LANDIS, 2003). Outros exemplos de Tele-Presença são procedimentos cirúrgicos
realizados a distância, onde o médico manipula, através de dispositivos remotos, os
instrumentos cirúrgicos que de fato operam o paciente in loco (BIRCHARD, 2001).
40
2.6. APLICAÇÕES
As aplicações da Realidade Virtual abrangem vários campos e são utilizadas para
diversos fins. Os Sistemas Virtuais estão se popularizando e explorando novas possibilidades
de emprego da tecnologia de RV, sendo vistas aplicações em áreas tais como Educação,
Treinamento, Entretenimento e Artes, Psicologia, Medicina, etc. Esta seção apresenta um
apanhado de sistemas virtuais para estas áreas, exceto Medicina, cujas aplicações serão
discutidas em uma seção a parte, a seção 2.7 deste capítulo.
2.6.1. EDUCAÇÃO
As características próprias da tecnologia de Realidade Virtual tornaram-na um
instrumento diferencial na Educação, em especial na área de ensino a distância. Através da
RV, é possível descobrir, adquirir ou aprimorar conhecimentos sobre lugares e culturas jamais
vistas, dando um caráter espontâneo e ativo ao aprendizado.
Segundo BRAGA (2001), a Realidade Virtual coloca o aluno no centro dos processos de
aprendizagem e busca formar um ser crítico, independente e construtor de seu conhecimento.
Um dos tipos de ambiente virtual voltado para Educação, os Laboratórios Virtuais
(CARDOSO, 2002) são ferramentas que permitem a execução de experimentos remotos reais
mediados por computador, ou, através do laboratório imaginário é possível simular
experimentos virtuais.
Como exemplo destas aplicações, o Laboratório Virtual de Física (CARDOSO, 2002),
desenvolvido pelo Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Estadual de São
Paulo (USP), propicia experimentos virtuais relacionados com Mecânica Clássica, Óptica e
Eletricidade, adequados ao ensino médio, para a utilização de tais experimentos por
professores e alunos. O objetivo é que os alunos executem os procedimentos laboratoriais
através das simulações de fenômenos físicos e colham os resultados de suas experiências
virtuais.
41
As vantagens da utilização da RV na Educação são várias dentre as quais estão
relacionadas: a motivação maior dos estudantes e a capacidade de permitir que os
participantes do ambiente empreguem o seu próprio ritmo de trabalho.
2.6.2. TREINAMENTO
A aplicação da Realidade Virtual para Treinamento também não é novidade, visto que
treinamentos militares e aeroespaciais (BROOKS, 1999) foram pioneiros no uso da
tecnologia. Hoje, as pesquisas estão bastante avançadas, sendo a NASA um dos institutos de
pesquisa científica que mais investe no desenvolvimento de protótipos e em novas formas de
aplicação da RV.
O treinamento de uma atividade realizado anteriormente a execução desta, diminui a
possibilidade de erro e aprimora a habilidade de quem executará o procedimento. Além destas
vantagens, sistemas virtuais para fim de treinamento diminuem custos e estão disponíveis a
qualquer momento para simulação da tarefa desejada, também não submetendo o aprendiz a
situações de risco.
2.6.3. ENTRETENIMENTO E ARTES
A Realidade Virtual tem sido utilizada para o Entretenimento há muito tempo, e os
sistemas virtuais para entretenimento, como por exemplos os jogos virtuais, tem sido o
“cartão de visita” da RV para outras áreas.
Além dos jogos virtuais, outras formas de entretenimento e lazer estão sendo descobertas
pela RV, como passeios virtuais por réplicas tridimensionais de construções históricas e
visitas virtuais a galerias de artes. Um exemplo de aplicação de RV para Artes é o ICSpace
(TAVARES, 2001), um centro cultural virtual de exposição de artes disponível na Internet.
O espaço virtual do ICSpace (Figura 2.11) é dividido em salas temáticas onde autores
acessam o sistema para escolher a melhor posição e sala para exposição de suas obras, bem
como visitantes interagem no sistema para a apreciação destas.
42
FIG. 2.11 Portal de entrada do ICSpace (TAVARES, 2001).
Atualmente, os sistemas virtuais voltados para o lazer buscam a colaboração entre vários
participantes e simultaneidade no ambiente virtual, ou seja, possibilidade de interação em
tempo real, o que torna tais ambientes envolventes e atrativos.
2.6.4. PSICOLOGIA
Na Psicologia, a Realidade Virtual assiste ao tratamento de alta ansiedade, gerado por
fobias do ser humano (MENEZES, 2005). O primeiro estudo conhecido de RV aplicada a
Psicologia foi o tratamento de acrofobia (pânico de altura). As possibilidades de tratamento de
outras condições fóbicas são de grande valia, pois mostram um potencial real para o uso de
RV em terapias de exposição.
Em sua maioria, os tratamentos são feitos de maneira que o paciente é submetido a
situações reais que atinjam-no psicologicamente. O objetivo de sistemas virtuais de terapia é
preparar o paciente para a situação real, através da pré-exposição deste a um ambiente virtual,
de modo que seja possível treinar o comportamento do usuário. O paciente utiliza HMDs para
imergir no mundo virtual, onde a simulação estimula por meio de imagens, cognição e
sensações físicas próprias do fator que causa a ansiedade no indivíduo em tratamento
(MENEZES, 2005).
A resposta comportamental de pessoas fóbicas que se submeteram a estes sistemas
virtuais de terapia foi satisfatória, constatando-se que a partir de algumas sessões de
tratamento, os pacientes relataram maior segurança ao lidar com situações causadoras de
pânico.
43
2.7. A REALIDADE VIRTUAL NA MEDICINA
Aplicações médicas de Realidade Virtual tiveram seu crescimento motivado pela
possibilidade de treinamento e familiarização de médicos com casos clínicos, anteriormente a
situações reais envolvendo um paciente real. As vantagens que a RV trouxe à ciência médica
foram revolucionárias, desde as primeiras aplicações surgidas no início dos anos 90, pela
necessidade de visualização de dados médicos complexos, particularmente para auxiliar o
planejamento cirúrgico e a própria cirurgia (RIVA, 2003).
A possibilidade de recriar através da RV um modelo virtual 3D do órgão do paciente a
partir de imagens de Tomografia Computadorizada (TC) substitui a maioria das cirurgias
exploratórias, onde o cirurgião precisa operar o paciente somente para avaliar o que há de
errado (CARMINE, 2005). Além de uma análise prévia, alguns ambientes permitem o
treinamento exaustivo antes da intervenção cirúrgica. Conseqüentemente tem-se uma redução
dos riscos de vida aos quais o paciente é submetido quando deste tipo de procedimento
invasivo.
Segundo ZAJTCHUK e SATAVA (1997), a primeira área a explorar o poder da
Realidade Virtual na Medicina, foi a educação de médicos e treinamento de suas habilidades
através de simuladores cirúrgicos análogos aos simuladores de vôos, pioneiros na utilização
da tecnologia de RV. O objetivo destes simuladores é principalmente testar o ensino cognitivo
e as habilidades manuais de cirurgiões e residentes. Atualmente, os simuladores cirúrgicos são
utilizados em oftalmologia, urologia, ortopedia, cirurgia neurológica, cirurgia cardíaca, entre
outros.
SATAVA e JONES (1999) classificaram as aplicações virtuais médicas em algumas
principais categorias: Diagnose, Terapia, Educação de Médicos e Pacientes e Treinamento de
Procedimentos Médicos. As subseções a seguir descrevem as principais aplicações de
Realidade Virtual para medicina.
44
2.7.1. DIAGNOSE
A Endoscopia é um procedimento médico para o exame (“scopia”) interno (“endo”) de
órgãos, com o objetivo de diagnosticar precocemente doenças, além de possuir maior precisão
que o exame radiológico para detectar inflamações, úlceras ou tumores (benignos ou
malignos).
A Endoscopia Virtual é um procedimento que une Tomografia Computadorizada (TC) a
técnicas avançadas de renderização de imagens tridimensionais para produzir uma
visualização do órgão similar à obtida durante o procedimento normal de endoscopia (RIVA,
2003). De posse da réplica virtual, é possível manipular o órgão e analisá-lo, visualizando-o
por vários ângulos.
A diagnose por Endoscopia Virtual é vantajosa, pois evita algumas complicações para o
paciente, e não é invasiva como a endoscopia tradicional, que pode provoca perfurações e
sangramentos. Além de não consumir material cirúrgico, a Endoscopia Virtual pode utilizar o
mesmo ambiente virtual para todas as modalidades do exame, por conseguinte, diminuindo os
custos em relação ao procedimento endoscópico tradicional.
2.7.2. TERAPIA
Os Ambientes Virtuais têm se popularizado como instrumentos de apoio a aplicações
para fins de reabilitação física e controle de atividade motoras (KESHNER, 2004). Por várias
décadas utilizou-se a RV em diversas intervenções psico-sociais, entretanto desde o início dos
anos 90 a tecnologia vem sendo explorada em laboratórios e clínicas promovendo a
reabilitação física de pacientes no tratamento de doenças neurológicas como mal de
Alzheimer, Epilepsia, Esclerose Múltipla, mal de Parkinson, entre outros.
A integração bem sucedida da RV a áreas como medicina, psicologia e reabilitação,
demonstra o potencial da tecnologia em apresentar novas possibilidades terapêuticas em lugar
de tratamentos tradicionais.
Pacientes com mal de Parkinson têm dificuldade de caminhar sobre objetos em seu
caminho, mesmo quando eles são totalmente capazes de iniciar um passo em campo aberto. A
45
Realidade Aumentada utiliza imagens sobrepostas ao campo de visão do paciente acometido
pela doença, para estimular o início e desenvolvimento de caminhada (SVEISTRUP, 2004).
Outra aplicação, desenvolvida na Universidade da Carolina do Norte, consiste em um
mundo virtual para uma criança autista grave. Através da imersão no ambiente virtual, a
criança apresentou resultados positivos, adquirindo em poucas semanas um vocabulário de
mais de 200 palavras. O mundo virtual não tinha seres humanos, apenas objetos pouco
ameaçadores, mas que eram capazes de ensinar coisas para a criança (SABBATINI, 1993).
2.7.3. EDUCAÇÃO DE MÉDICOS E PACIENTES
De acordo com RIVA (2003), o ensino de anatomia e dos princípios fisiológicos é feito
principalmente de forma ilustrativa. Através de visualização tridimensional e animações é
possível entender com maior clareza o funcionamento do corpo humano, conduzindo de
forma simplificada a didática da disciplina.
A Realidade Virtual adiciona uma característica inovadora à educação tanto de médicos
quanto de pacientes, permitindo um conhecimento aprofundado das estruturas anatômicas e
dos sistemas que as envolve. Através do ambiente virtual, é possível navegar em torno das
estruturas do corpo humano e até mesmo no interior destas.
Outra vantagem é o fato de os modelos 3D de órgãos estarem disponíveis a qualquer
momento para utilização no ambiente virtual, mantendo suas características de cor,
elasticidade, viscosidade, etc., diferente dos modelos convencionais de plástico, os quais não
replicam com realismo os órgãos reais; ou de cadáveres, cujas características físicas são
perdidas com o manuseio destes.
O Projeto Visible Human® (VISIBLE HUMAN, 2005) foi desenvolvido pela Biblioteca
Nacional de Medicina, nos Estados Unidos, e trata-se de uma representação completa,
anatomicamente detalhada, em três dimensões, de corpos humanos feminino e masculino. As
imagens digitais armazenadas em um banco de dados foram obtidas por meio de Ressonância
Magnética (RM) e Tomografia Computadorizada (TC).
A National Library of Medicine disponibiliza o banco de dados das imagens
gratuitamente para download via Internet, de modo que tem proporcionado o surgimento de
46
vários ambientes virtuais educacionais com modelagem tridimensional a partir das imagens
do Visible Human ®.
2.7.4. TREINAMENTO DE PROCEDIMENTOS MÉDICOS
O treinamento de procedimentos médicos visa habilitar médicos, residentes e estudantes
de medicina na execução precisa das etapas de um determinado procedimento, objetivando
preservar a segurança e diminuir a agressão ao paciente.
O uso de sistemas de RV para treinamento de procedimentos em medicina permite
oferecer plataformas de treinamento onde o médico iniciante pode aprender em um ambiente
que simula a situação real (MACHADO, 2003).
BLS (Basic Life Support) são as etapas do atendimento pré-hospitalar realizadas na
abordagem do paciente frente a situações de risco de vida. O treinamento dos procedimentos
de BLS é de suma importância para a rapidez e eficiência do atendimento emergencial. O
sistema virtual denominado Just VR (MANGANAS, 2004) trata-se de um protótipo semi-
imersivo, interativo, em tempo-real, para a simulação de procedimentos não invasivos de
BLS.
FIG. 2.12 Just VR. (a) A massagem cardíaca é um dos primeiros passos do BLS (MANGANAS, 2004).
(b) Outro procedimento do BLS para verificar a respiração do paciente (MANGANAS, 2004).
Just VR (Figura 2.12) foi projetado para o auxílio no aprimoramento do conhecimento de
médicos e estudantes, bem como na avaliação da capacidade destes de adotarem o
procedimento correto de tomada de decisão em situações emergenciais de tempo crítico,
47
conseqüentemente ajudando o usuário em treinamento a superar barreiras psicológicas em
caso de situações reais.
Os chamados procedimentos invasivos são aqueles que permitem examinar internamente
o paciente, para isso sendo necessárias algumas intervenções cirúrgicas, como perfurações ou
incisões. Toda cirurgia trata-se de um procedimento delicado, exigindo do médico-cirurgião
experiência e habilidade na manipulação dos instrumentos para que a agressão ao paciente
seja a mínima possível.
Como mencionado anteriormente, os simuladores cirúrgicos foram umas das primeiras
ferramentas de aplicação da Realidade Virtual para medicina. Com a evolução da tecnologia
de RV, os simuladores cirúrgicos tornaram-se mais confiáveis, recorrendo a modelos
tridimensionais de alta resolução, simulação de tecidos deformáveis, feedback (retorno) tátil e
de força ao usuário.
A Realidade Virtual possibilitou uma nova oportunidade de capacitar cirurgiões,
avaliando e aperfeiçoando suas habilidades manuais através da prática exaustiva em
ambientes que recriam experiências reais. Assim como em uma operação real, a cirurgia
virtual permite a manipulação dos modelos 3D de órgãos por meio de instrumentos cirúrgicos
virtuais como bisturi, pinça cirúrgica, etc., simulando cortes e suturas nos modelos. É o caso
do sistema virtual exposto na seção 4.3 que diz respeito a um simulador de coleta de medula
óssea (MACHADO, 2003).
Além de treinamento, a tecnologia de RV pode ser utilizada para o planejamento pré-
operativo e assistência em cirurgias. O planejamento pode ser feito através de uma réplica
virtual fiel do paciente, obtida a partir da renderização de imagens 2D do órgão analisado. Já a
assistência em cirurgia ocorre por meio de Realidade Aumentada, sobrepondo ao corpo do
paciente as informações ou os modelos tridimensionais gerados pelo computador e
visualizados através de displays.
O próximo capítulo trata dos ambientes virtuais, suas características e requisitos, e aborda
de forma especial os Ambientes Virtuais Colaborativos (AVC), neste caso como o tipo de
ambiente virtual desenvolvido na dissertação de mestrado.
48
3. AMBIENTES VIRTUAIS
Os ambientes sintéticos gerados por computador podem ser representados de várias
maneiras, textuais ou gráficos, tendo objetos tridimensionais com movimentos ou simples
imagens estáticas bidimensionais.
A quantidade de usuários a utilizar o ambiente também determina se este ambiente será
mono-usuário ou multi-usuário, e neste caso, para um ambiente acessado por vários usuários é
preciso decidir o tipo de comunicação, a forma de distribuição dos dados pela rede, e outras
características relevantes. Enfim, são vários os aspectos a serem avaliados para a construção
de ambientes virtuais.
Este capítulo apresenta os requisitos que devem ser considerados na criação de um
ambiente virtual e as formas como os ambientes virtuais podem ser desenvolvidos, assim
como descreve uma maneira atrativa de interação entre os usuários de um ambiente
distribuído: os Ambientes Virtuais Colaborativos (AVCs).
3.1. DEFINIÇÃO DO AMBIENTE
A definição de um ambiente virtual é uma fase de levantamento de requisitos do
ambiente proposto com a finalidade de entender e determinar as necessidades e expectativas
do usuário operador do ambiente virtual. Outro aspecto é a modelagem do ambiente de acordo
com as funcionalidades do sistema, de modo que a simulação seja compatível com o grau de
realismo que se deseja obter no mundo sintético e dentro das limitações da tecnologia de
implementação.
49
3.1.1. USUÁRIOS
Há várias considerações a respeito de um usuário, entre as quais pode-se questionar se a
aplicação será mono ou multi-usuário e se os usuários atuarão no local ou remotamente.
O usuário pode ter uma representação de si próprio no ambiente, o denominado avatar.
Entretanto, não é necessário que ele componha a cena virtual, ou seja, ele pode atuar sobre o
ambiente sem estar representado por um avatar, como é o caso do AV-Engenharia (Ambiente
Virtual para Engenharia), descrito em (KIRNER, 2004).
O AV-Engenharia foi desenvolvido para dar suporte à utilização remota de uma Máquina
de Medir por Coordenadas (MCC), usada na usinagem de peças mecânicas de alta precisão e
apresentada na Figura 3.1.
FIG. 3.1 Modelo 3D da MCC no AV-Engenharia (KIRNER, 2004).
Outra questão abordada é a usabilidade do sistema, que é determinada pela facilidade de
interação do usuário com o ambiente. O ambiente pode ser projetado de modo que o usuário
atue nele de forma intuitiva, sem a necessidade de treinamento prévio para uso da ferramenta,
ou o ambiente é projetado de maneira que sejam necessárias instruções para a sua utilização.
Caso a aplicação seja multi-usuário, além de formas de interação destes usuários com o
ambiente, o sistema deve dispor de formas de interação entre os usuários, e deve permitir que
as ações de um usuário sejam transmitidas a todos os demais. As características de ambientes
multi-usuário serão apresentadas na seção 3.3.
50
3.1.2. TAREFAS
As funcionalidades do sistema são as tarefas que o usuário pode desenvolver por meio do
mundo sintético. As tarefas do sistema podem ser simples como acender a luz de um
ambiente, caminhar pelo ambiente ou mover um objeto de lugar.
Tarefas complexas, como um procedimento de cirurgia, são simulações elaboradas que
exigem um grau de realismo maior, conseqüentemente influenciando na modelagem mais
detalhada dos objetos e implementação de características como tratamento de força aplicada
aos objetos e comportamento de objetos em interação.
3.1.3. MODELAGEM
A modelagem de um ambiente virtual envolve características como forma e aparência de
objetos, iluminação do ambiente, mapeamento de dispositivos de entrada e saída (E/S) e
restrições no ambiente. O projeto de criação de um ambiente compreende tanto a forma como
o ambiente físico é reproduzido quanto aos aspectos simulados pelo sistema.
3.1.3.1. AMBIENTE FÍSICO
Um ambiente virtual pode ser constituído de imagens 2D ou modelos 3D. A
representação do ambiente físico no qual a simulação será realizada retrata ou uma cópia fiel
do ambiente real ou uma representação imaginária do mesmo. Além disso, um ambiente
virtual possui várias maneiras de apresentação ao usuário. A forma de representação do
ambiente físico depende daquilo que se deseja evidenciar na simulação.
Por exemplo, no caso de um simulador de corrida de Fórmula 1, o ambiente físico pode
ser visualizado como um modelo de autódromo, ou então apresentado como o cockpit do
piloto, visualizando a corrida como se o usuário estivesse dentro do carro, observando nível
de gasolina, temperatura, velocidade, etc.
51
3.1.3.2. ASPECTOS DE MODELAGEM
Os sistemas de desenvolvimento de Realidade Virtual podem simular várias
características correspondentes ao ambiente real, considerando aspectos de mapeamento,
simulação e modelagem.
O mapeamento de entrada e saída (E/S) é a capacidade do sistema de processar as ações
do usuário, e de acordo com estas ações produzir uma resposta. Por sua vez, a simulação em
um ambiente virtual deve ser síncrona, refletindo em tempo real as mudanças feitas no
ambiente. Este característica é essencial em ambientes distribuídos.
Os aspectos de modelagem abrangem: modelagem geométrica, modelagem cinemática,
modelagem física, comportamento de objetos e segmentação e alteração de detalhes.
A modelagem geométrica consiste em descrever as formas dos objetos virtuais através de
polígonos, triângulos e vértices, assim como sua aparência, usando textura, cores, etc. A
forma poligonal pode ser criada por programas como 3D Studio MAX™ (AUTODESK,
2005) ou com o uso de editores de realidade virtual.
O mapeamento de texturas bidimensionais sobre objetos tridimensionais aumenta o nível
de detalhes e de realismo do cenário sintético.
A modelagem cinemática adiciona manipulação e movimentos aos objetos do mundo
sintético como: mudança de escala e de posição do objeto, detecção de colisões e produção de
deformações na superfície. Atributos de objetos 3D tais como coordenadas no ambiente e suas
matrizes de transformação, permitem alteração de posição e mudanças de escala.
Para detecção de colisão em tempo real existem diversos algoritmos eficientes de
verificação e tratamento de colisão tais como VCOLLIDE (HUDSON, 1997), ICOLLIDE
(COHEN, 1995). Por exemplo, no caso de colisão entre um bisturi e a pele do corpo humano
é preciso deformar a malha da pele simulando um corte. Caso a colisão ocorra entre
aeronaves, o tratamento para a colisão é a explosão dos objetos envolvidos.
A modelagem física agrega à modelagem cinemática considerações como massa, peso,
inércia dos corpos simulados. Estas características associadas à modelagem geométrica e às
leis de comportamento determinam uma modelagem virtual próxima à realidade.
Também é possível simular comportamentos de objetos que independem de uma
interação do usuário com estes como é o caso dos ponteiros de um relógio, do batimento do
coração, etc.
52
Por último, a segmentação e alteração de detalhes do objeto visam melhorar o
desempenho computacional de um sistema virtual. Os sistemas virtuais que fazem uso dos
aspectos de modelagem citados anteriormente criam ambientes complexos e que despendem
de um alto processamento para sua renderização.
A segmentação do mundo e a alteração de detalhes contornam o problema da
complexidade do ambiente virtual. Dividir o mundo sintético em mundos menores é uma
forma de permitir ao sistema carregar somente as partes do ambiente que estejam ao alcance
da visão do usuário. Quanto à alteração de detalhes, objetos que estejam muito distantes não
necessitam de detalhamento geométrico rebuscado, de modo que o sistema possa carregar
réplicas dos mesmos com poucos polígonos.
FIG. 3.2 Plataforma de petróleo segmentada - ACAmPE (CADORIN, 2005).
O protótipo denominado ACAmPE (Ambiente Colaborativo para Área de PEtróleo),
descrito em (CADORIN, 2005), foi desenvolvido pelo Departamento de Engenharia de
Sistemas do Instituto Militar de Engenharia do Rio de Janeiro (SE9-IME) e pelo Laboratório
Nacional de Computação Científica (LNCC), e utiliza segmentação do mundo virtual
representado por uma plataforma de petróleo com área de aproximadamente 6400 m². A
plataforma (Figura 3.2) foi dividida em seções de aproximadamente 169 m² cada uma.
O protótipo do ACOnTECe, desenvolvido neste trabalho de dissertação de mestrado,
aplica aspectos de mapeamento de entrada e saída, simulação em tempo real, bem como
modelagens geométrica e cinemática, detecção de colisão.
53
3.2. REQUISITOS DE AMBIENTES VIRTUAIS
No desenvolvimento de ambientes virtuais alguns requisitos devem ser considerados para
que este ambiente seja atrativo e esteja de acordo com as expectativas do usuário. Sendo
assim, KIRNER (2004) menciona que um ambiente virtual deve atender boa parte dos
requisitos listados a seguir:
• Sintético. O ambiente virtual deve ser gerado em tempo real pelo sistema
computacional, o que não ocorre com alguns sistemas multimídia, nos quais as
apresentações são gravadas previamente a sua execução.
• Tridimensional. O ambiente físico deve ser modelado em 3 dimensões, de forma
que se assemelhe ao ambiente real que deseja simular.
• Multisensorial. O ambiente deve fazer uso de recursos que estimulem diferentes
sentidos humanos, como, visão, audição, tato, senso de espaço, profundidade, etc.
• Imersivo. O ambiente deve proporcionar ao usuário uma sensação de certo grau
de imersão.
• Interativo. O sistema deve permitir a detecção de estímulos (solicitações)
enviados pelo usuário e, instantaneamente, promover alterações/ações em cenas e
objetos do mundo sintético.
• Realista. Diz respeito ao nível de precisão e conformidade que o ambiente virtual
apresenta em relação à representação do mundo real enfocado.
• Com presença. Caracteriza-se por um sentido subjetivo de que o usuário está
fisicamente no ambiente virtual, e muitas vezes, participando ativamente deste
ambiente.
Requisitos não-funcionais relacionados a aspectos de software, hardware, e fatores
externos são tão importantes para a construção de sistemas virtuais assim como para a
construção de qualquer software. Os tópicos abaixo relacionam alguns requisitos:
• Desempenho. Trata-se do atendimento das exigências de processamento, tempo
de resposta, consumo de recursos, eficiência de processos contidos no escopo do
sistema.
• Usabilidade. Compreende o atendimento de critérios relacionados a entendimento
e facilidade de uso do sistema e nível de satisfação dos usuários em suas
interações com o sistema.
54
• Segurança. Trata-se da probabilidade do sistema em defender-se de ataques
acidentais ou intencionais, que possam ocorrer por conta de acesso indevido, uso
não permitido, etc.
• Portabilidade. Refere-se à capacidade do sistema ser executado através de
diferentes plataformas e/ou sistemas operacionais.
• Confiabilidade. Está relacionado à habilidade do sistema em comportar-se de
acordo com o que foi especificado na definição prévia do ambiente e com a
utilização dos recursos previstos.
O sistema proposto por este trabalho será descrito no capítulo 5 e atende a maioria das
características citadas nesta seção, de tal forma que o ambiente desenvolvido é sintético,
tridimensional, interativo, com sensação de presença, e posteriormente, espera-se que o
sistema adicione características de imersão e estímulo multisensorial, uma vez que está
prevista para desenvolvimento de versões futuras a utilização do dispositivo de retorno tátil
(PHANToM), assim como a utilização de um CAVE.
As aplicações de Realidade Virtual podem ser desenvolvidas para uso de um usuário
apenas, utilizando um computador, ou vários usuários podem compartilhar um ambiente
virtual ao mesmo tempo através de um sistema distribuído. A seguir discutiremos os sistemas
distribuídos de Realidade Virtual, os requisitos de aplicações multi-usuário que um ambiente
deste tipo deve suportar, assim como as formas de interação entre os usuários por meio destes
ambientes.
3.3. AMBIENTES DISTRIBUÍDOS DE REALIDADE VIRTUAL
Os sistemas distribuídos de Realidade Virtual (RV) estão se tornando cada vez mais
populares e têm comprovado o potencial deste tipo de aplicação. Um ambiente virtual
distribuído é um sistema que possibilita que usuários interajam entre si através do mesmo
ambiente virtual, mesmo que estejam geograficamente dispersos.
Os primeiros ambientes virtuais distribuídos (AVDs) foram desenvolvidos nos Estados
Unidos para fins de treinamento militar. Contudo, atualmente, as aplicações distribuídas de
RV atuam em áreas tais como educação, visualização científica, jogos e entretenimento, entre
outros.
55
Os primeiras projetos de AVDs foram utilizados como fonte de pesquisa para a avaliação
das características importantes na construção destas aplicações. Estas características
correspondem à organização do modelo geral de comunicação, aos protocolos de
comunicação em rede, a largura de banda, latência e confiabilidade da rede utilizada para a
transmissão de pacotes, etc. (EDUARDO, 2001), as quais serão apresentadas a seguir.
3.3.1. MODELO DE COMUNICAÇÃO EM UM AVD
Um sistema de realidade virtual multi-usuário pode utilizar duas formas de comunicação
entre os participantes do ambiente (GOSSWEILER, 1994): Modelo Centralizado e Modelo
Distribuído.
No Modelo Centralizado (Figura 3.3a), um computador é responsável pela renderização e
criação do mundo virtual e recebe todos os dados e requisições dos usuários conectados ao
sistema virtual. Este computador principal controla as alterações no mundo e retorna tais
mudanças para cada usuário do AVD.
FIG. 3.3 (a) Modelo Centralizado. (b) Modelo Distribuído.
Este modelo possui vantagens quanto ao controle de usuários e recursos computacionais,
no entanto, traz desvantagens como a escalabilidade do sistema ao todo, pois à medida que o
número de conexões ao computador central cresce, a escalabilidade diminui devido à
quantidade de mensagens que este computador deve receber, processar e devolver.
56
Outra forma de comunicação utiliza o Modelo Distribuído (Figura 3.3b). Neste modelo,
cada usuário conectado possui uma cópia do ambiente virtual (ou parte dele), de modo que o
processo de renderização e computação dos objetos e cenários de tais cópias fica a cargo de
cada computador conectado ao sistema.
O Modelo Distribuído contorna o problema de escalabilidade do Modelo Centralizado,
pois nenhum computador fica sobrecarregado quanto ao processamento de mudanças.
Quando um usuário realiza uma ação em sua réplica do ambiente, ele mesmo se encarrega de
distribuir as mudanças aos outros participantes do AVD. Porém, tal solução gera uma
quantidade maior de mensagens na rede, assim como aumenta o número de conexões entre os
usuários.
O Modelo Distribuído ainda pode ser projetado de duas formas. O mundo virtual pode
ser inteiramente replicado para cada conexão ao sistema virtual (Figura 3.4a), ou então, este
mundo é particionado, sendo que cada parte fica sob a responsabilidade de um participante do
AVD (Figura 3.4b). No caso do mundo dividido em cada máquina, quando um usuário
requisitar a utilização de alguma região do ambiente que não esteja a sua disposição, ele deve
receber uma cópia da região que deseja navegar.
FIG. 3.4 (a) Ambiente Replicado. (b) Ambiente Particionado.
É importante discutir também outros aspectos relativos a largura de banda e latência da
rede de comunicação, e garantia de que os pacotes de dados sejam recebidos por todos os
participantes.
57
3.3.2. CARACTERÍSTICAS DA REDE DE COMUNICAÇÃO
Como já mencionado, os Ambientes Virtuais Distribuídos devem atender alguns
requisitos como: suporte de comunicação em rede, simulação em tempo real, fidelidade às
atividades de cada participante do AVD, altas taxas de quadros por segundo, etc. Uma vez
reconhecido o grau de complexidade na construção deste tipo de ambiente, é preciso dar
atenção a problemas que estejam relacionados aos seguintes aspectos de rede (EDUARDO,
2001):
• Largura de banda. Significa a capacidade máxima de transferir informações pela
rede em um certo período de tempo. O número de usuários conectados ao sistema
virtual influencia consideravelmente no aumento ou diminuição de uso da largura
de banda, o que interfere também no desempenho de um sistema virtual
distribuído. Outro fator que deve ser considerado é o tipo de rede sobre a qual o
AVD é compartilhado. Em caso de redes locais (LANs – Local Area Networks), a
conexão geralmente é de 100 Mbps, e para redes de grande distância (WANs –
Wide Area Networks) a conexão fica em torno de 1,5 Mbps.
• Latência. A latência de uma rede é definida pelo tempo decorrido entre o envio de
um pacote de dados e o recebimento do mesmo no endereço de destino. A latência
também é um fator determinante para que a simulação em uma AVD ocorra em
tempo real e, conseqüentemente, seja satisfatória aos usuários.
• Confiabilidade. O conceito de confiabilidade aplicado a AVDs está relacionado à
garantia de que as alterações feitas em uma cópia do ambiente sejam transmitidas
aos outros participantes de modo que todas as réplicas do ambiente virtual estejam
em coerência. Dependendo do nível de confiabilidade exigido para uma simulação
feita em um AVD, existem duas opções de protocolos de comunicação para o
controle do envio de pacotes: TCP – é orientado a conexão e, por conseguinte
provoca atraso em simulações de tempo real; e UDP – não é orientado a conexão,
logo não garante que um pacote seja entregue ao seu destino.
Na seção a seguir discutiremos sobre os métodos que podem ser utilizados na transmissão
de pacotes de dados pela rede.
58
3.3.3. MÉTODOS DE TRANSMISSÃO DE PACOTES
O controle da comunicação em rede corresponde à criação de canais de comunicação e ao
modo como as mensagens serão transmitidas pela rede (STYTZ, 1996). Nesta seção
apresentaremos como métodos de transmissão de dados em AVDs os modelos Unicast,
Broadcast e Multicast, assim como a arquitetura Peer to Peer.
FIG. 3.5 (a) Unicast. (b) Broadcast. (c) Multicast.
59
3.3.3.1. UNICAST
A topologia de rede Unicast, demonstrada pela figura 3.5a, é utilizada para a transmissão
de dados da origem para apenas um destino. Neste sentido, utilizando-se Unicast na
distribuição de pacotes para vários usuários, a origem gera uma mensagem para cada destino,
ou seja, para N usuários da rede, N-1 mensagens serão transportadas pela rede.
O modelo de transmissão Unicast não é favorável a AVDs com grande quantidade de
usuários, pois prejudica a escalabilidade do sistema em rede, já que a medida que o número de
usuários aumenta, a quantidade de conexões entre usuários na rede cresce de acordo com a
ordem de O(N²), onde N representa o número de usuários do AVD.
3.3.3.2. BROADCAST
Para diminuir o número de conexões geradas com transmissão Unicast, foi proposto o
modelo de transmissão Broadcast (Figura 3.5b). Neste modelo, a distribuição de pacotes é
feita de modo que o usuário que gerou a alteração no mundo virtual envie apenas os pacotes
referentes à mudança para todos os participantes através de uma conexão comum para todo
AVD.
Entretanto, em um ambiente de grande porte, dividido em várias seções, os usuários
conectados não precisam tomar conhecimento de alterações feitas no ambiente (como o
deslocamento de outro usuário) que não estejam em seu alcance de visão, ademais muitos
ISPs (Internet Service Providers) bloqueiam Broadcast. Uma solução para a situação descrita
acima é a utilização de Multicast.
3.3.3.3. MULTICAST
A transmissão de dados via Multicast permite que sejam formados grupos de usuários, de
modo que é criada uma conexão comum para cada grupo.
60
Um AVD pode ter vários grupos Multicast (Figura 3.5c), de maneira que, no caso de um
ambiente com várias seções, cada seção poderia estar relacionada a um IP Multicast – IP
Classe D, cuja faixa de endereçamento vai de 224.0.0.0 a 239.255.255.255. Deste modo,
assim que um participante do AVD entrasse em uma seção, ele passaria a receber os pacotes
de dados destinados apenas ao Grupo Multicast daquela seção.
Exemplificando, podemos tomar este AVD como uma universidade, onde cada sala de
aula, biblioteca, laboratório, etc., é representada por uma seção. Usuários que estejam
assistindo a uma explanação em sala de aula, não precisam saber o que é feito do experimento
em andamento no laboratório.
3.3.3.4. PEER TO PEER (P2P)
Uma nova arquitetura de rede está em evidência atualmente, principalmente no que se
refere ao compartilhamento de arquivos pela Internet através de programas como Kazaa
(KAZAA, 2005), Napster (NAPSTER, 2005), etc. Esta arquitetura é denominada Peer to Peer
(Par a Par), ou P2P.
Peer to Peer ((MINAR, 2001) e (LEUF, 2002)) é uma tecnologia que possibilita a
distribuição de dados em rede, e pode ser definido de várias formas, dependendo dos
seguintes aspectos que juntos formam uma definição compreensível:
• Comunicação direta entre os pares: A comunicação entre os pares, que podem ser
pessoas, máquinas ou softwares, não possui um mediador central que a controle.
Portanto, por definição, é possível ter uma comunicação entre dois pares
quaisquer pertencentes à rede Par a Par.
• A conectividade é usualmente transiente e não permanente: Cada par pertencente
à rede Par a Par tem um período de vida curto (normalmente poucas horas). Isso
implica que nesta topologia, os serviços oferecidos e a comunicação são variáveis
e transientes.
• Está focado principalmente em indivíduos e recursos: As redes Par a Par
proporcionam os meios necessários para obter qualquer tipo de recursos que são
oferecidos pelos seus pares. Cada par tem um identificador global que o
caracteriza como único.
61
• Alternativa às estruturas baseadas em servidores: A maioria das tecnologias
criadas para as redes Par a Par tem como objetivo evitar as arquiteturas onde o par
só atua como cliente ou como servidor.
Um exemplo de AVD que utiliza P2P é o sistema apresentado em (CURNUTTE, 2004)
que utiliza o chamado modelo atômico da arquitetura Par a Par, onde não há um servidor
central que controle o ingresso e a utilização dos espaços do ambiente.
O mundo sintético deste AVD é dividido em partições (Figura 3.6), sendo que cada nó do
sistema funciona tanto como cliente quanto como servidor, e pode controlar apenas uma
partição do espaço global. A principal função do protocolo de comunicação descrito por
CURNUTTE (2004) é permitir que um peer móvel determine quando ele assumirá o controle
de uma partição adjacente, ou se ele se tornará cliente do nó que gerencia esta partição.
FIG. 3.6 Partições do AVD controladas por peers (CURNUTTE, 2004).
3.3.4. FORMAS DE INTERAÇÃO EM UM AVD
Ambientes Virtuais Distribuídos possibilitam a realização de atividades cooperativas e
colaborativas de forma interessante, visto que o trabalho em equipe é beneficiado por
softwares que apóiam e organizam atividades à distância.
Um exemplo de técnica para cooperação é o CSCW (Computer Supported Cooperative
Work) (BRITO, 2004). Um sistema CSCW deve proporcionar formas de interação entre
usuários por intermédio de computadores, para o planejamento e organização em conjunto de
tarefas. Uma característica de CSCW é possibilitar que a cooperação entre os usuários
ultrapasse obstáculos de tempo e espaço.
62
A Realidade Virtual permite que, através de mundos virtuais interativos, as pessoas
possam participar em conjunto com o objetivo de solucionar algum problema apresentado
pelo Ambiente Virtual Distribuído. Este é o conceito de colaboração aplicado a RV e o
ambiente projetado por este sistema é chamado de Ambiente Virtual Colaborativo (AVC), o
qual é exposto na próxima seção.
3.4. AMBIENTES VIRTUAIS COLABORATIVOS (AVC)
A habilidade da comunicação e colaboração para a troca de informações e idéias é um
fator de extrema importância para o desenvolvimento humano. Ao longo dos tempos, as
inovações tecnológicas possibilitaram a popularização dos computadores e o advento da
Internet, contribuindo conseqüentemente para a globalização do conhecimento.
Além do rápido desenvolvimento das redes de computadores, a Realidade Virtual, mais
precisamente os Ambientes Virtuais Colaborativos (AVCs), vêm despontando como uma
maneira atraente de apoiar atividades assistidas por computadores. OLIVEIRA (2001)
descreve alguns AVCs bastante conhecidos tais como: DIVE (FRÉCON, 1998), MASSIVE2
(GREENHALGH, 1997), NPSNET-IV (MACEDONIA, 1997), entre outros.
Ambientes Virtuais que podem ser compartilhados por usuários espalhados remotamente
pelo mundo, proporcionam novas formas de interação. Um Ambiente Virtual Colaborativo é
definido por BENFORD (1993) como um ponto de encontro no ciberespaço (mundo virtual)
que permite que as pessoas interajam por meio dele para atingir um objetivo comum.
Para que o sistema seja considerado um AVC é necessário o acesso simultâneo ao
sistema de RV e o suporte às necessidades dos usuários que pretendam trabalhar em conjunto.
A forma de interação propiciada pelos AVCs pode se dar desde a troca de idéias por escrito
até o uso de espaços 3D com possibilidade de movimento e comunicação por voz. Além
disso, um ambiente colaborativo deve causar ao operador a sensação de presença de outros
usuários no ambiente.
A utilização de Ambientes Virtuais Colaborativos estimula a participação das pessoas
pelo fato de viabilizar dinamicamente, através da simulação, atividades de ensino,
treinamento, lazer e outras. Neste sentido, um AVC pode interligar remotamente cientistas de
diferentes universidades, institutos de pesquisa, hospitais, para, por exemplo, a análise de
63
patologias típicas de um determinado continente ou, o treinamento de técnicas cirúrgicas com
o acompanhamento de médicos especialistas no assunto abordado.
Por exemplo, o projeto denominado Virtual Collaborative Clinic (VCC) é uma iniciativa
da NASA com o objetivo de proporcionar o tratamento de pacientes à distância, suportando a
colaboração remota entre médicos de diferentes partes do mundo (NASA, 2004). Dentro deste
projeto, pesquisadores do NASA Ames Research Center desenvolveram o CyberScalpel, um
sistema baseado em Realidade Virtual para o planejamento e prática cirúrgica.
FIG. 3.7 (a) Médicos utilizando o VCC (NASA, 2004).
(b) coração 3D, réplica do órgão do paciente (NASA, 2004).
Em maio de 1999, o projeto da Clínica Virtual (NASA, 2004) reuniu em um AVC cinco
médicos especialistas de centros de pesquisa da Califórnia, Ohio, e outras cidades, com a
finalidade de discutir e demonstrar o tratamento para um coração infantil com anomalia, caso
apresentado por médicos do Salinas Valley Memorial Hospital, Salinas, Califórnia.
Como ilustra a Figura 3.7, cada participante deste AVC pode visualizar
estereoscopicamente, em telas de computadores, a imagem do coração em três dimensões,
gerada por renderização de imagens 2D de Tomografia Computadorizada (TC). Os médicos
podem manipular o coração virtual e discutir sobre o caso em tempo real.
Outro AVC desenvolvido para a área médica trata-se de um ambiente virtual para o
ensino de anatomia e prática de manobras cirúrgicas básicas, baseado em simulação (DEV,
2002). O AVC está dividido em Anatomical Workbench e Surgical Workbench, e está
hospedado em servidores que são acessados via Internet.
64
O Anatomical Workbench (Figura 3.8a) suporta uma variedade de recursos para o ensino
da anatomia da mão, incluindo modelo 3D do membro e uma visualização estereoscópica em
360 graus de diferentes fases de dissecação da mão. Os estudantes podem utilizar o AVC
tanto individualmente quanto de modo colaborativo.
O Surgical Workbench (Figura 3.8b) utiliza um modelo tridimensional da região pélvica e
ferramentas cirúrgicas com habilidade para proceder manobras básicas, incluindo corte,
sutura, etc. O ambiente cirúrgico é voltado para residentes e iniciantes em cirurgia para que se
familiarizem com os procedimentos cirúrgicos principais.
FIG. 3.8 (a) Anatomical Workbench. (b) Surgical Workbench. (DEV, 2002)
O próximo capítulo apresenta alguns trabalhos relacionados como referência para o
desenvolvimento desta dissertação de mestrado.
65
4. TRABALHOS RELACIONADOS
Como visto nos capítulos anteriores, a Realidade Virtual tem sido explorada como
tecnologia de apoio ao desenvolvimento de softwares tanto para a educação quanto para o
treinamento à distância, especialmente pelo fato de estimular uma maneira mais intuitiva de
interação com a informação.
Além de uma interface homem-máquina mais atrativa, a necessidade de um aprendizado
distribuído insere o conceito de Colaboração aplicado à ambientes virtuais, de modo que
vários usuários possam interagir entre si, compartilhando o conhecimento e operando ao
mesmo tempo o mesmo ambiente.
Aplicações de Realidade Virtual têm sido desenvolvidas para diversas áreas como Artes,
Treinamento Militar e Aeroespacial, Psicologia e além destas, há alguns anos, ciências como
a Medicina passaram a empregar a tecnologia no auxílio a pesquisas complexas.
Dentre os vários ambientes virtuais desenvolvidos para a área médica, encontramos
(RIVA, 2000): aplicações de cirurgia remota ou tele-presença, cirurgia aumentada ou
melhorada, terapia médica, neuro-psicologia, medicina preventiva e educação do paciente,
educação e treinamento médico e visualização científica de dados médicos complexos.
No desenvolvimento deste trabalho, foram estudados diversos ambientes virtuais, entre
Ambientes Virtuais Colaborativos e especialmente aqueles voltados para Medicina, dos quais,
foram reunidos como referências, os ambientes descritos a seguir:
4.1. COVET (COLLABORATIVE VIRTUAL ENVIRONMENT FOR TRAINING)
COVET (HOSSEINI, 2001) foi um projeto desenvolvido no Multimedia
Communications Research Laboratory, Universidade de Ottawa, Canadá, e trata-se de um
Ambiente Virtual Colaborativo para o Treinamento Industrial.
É uma aplicação de tele-treinamento multi-usuário, em que tais usuários, representados
no ambiente por seus respectivos avatares, poderão treinar procedimentos de reparo de um
switch ATM.
66
FIG. 4.1 Pontos de visão do treinamento do COVET (OLIVEIRA, 2001).
Este ambiente virtual foi desenvolvido com o objetivo de diminuir os custos altos do
treinamento nas indústrias, principalmente em casos em que operários e clientes de algumas
indústrias precisam se familiarizar com equipamentos e aparelhos de difícil manutenção.
O sistema virtual dispõe de vários pontos de visão do treinamento proposto, uma simples
tarefa onde um usuário ensina a outros como efetuar a retirada de forma segura de uma placa
defeituosa de um switch ATM (Figura 4.1).
Os usuários podem manipular o ambiente tridimensional clicando em vários objetos,
visualizando funções relacionadas ao cenário do treinamento. As ações dos usuários são
comunicadas a outros participantes de modo que eles tenham a impressão de estarem
envolvidos no treinamento (HOSSEINI, 2001).
O protótipo de Ottawa foi projetado com o auxílio de tecnologias Java3D e VRML, e
consiste em dois módulos: Interface com Usuário e Comunicação em Rede.
A interface do sistema consiste em uma interface gráfica (GUI), uma interface
tridimensional (Realidade Virtual) e interfaces de mídia (reconhecimento de voz, voice
streaming e head tracking) (OLIVEIRA, 2001), como visto na Figura 4.2.
Segundo OLIVEIRA (2001), a camada de comunicação é responsável pela troca de
informação entre usuários e separa toda a implementação de rede das camadas superiores. É
formada por três componentes: directory server, control communication e media
communication.
As implementações da camada de comunicação estão disponíveis para os protocolos de
comunicação IPv4 e IPv6, sendo que no caso de IPv6 o sistema pode eventualmente se
beneficiar de conceitos de multicasting e Qualidade de Serviço.
67
FIG. 4.2 Tela Principal do COVET (OLIVEIRA, 2001) .
COVET ainda utiliza JNI (Java Native Interface), uma interface nativa do Java que
permite que códigos Java operem aplicações e bibliotecas escritas em outras linguagens de
programação. No desenvolvimento do software foram escritos códigos em C++ para a
programação de head tracking e da camada de comunicação.
O módulo de comunicação do COVET foi inteiramente reaproveitado no
desenvolvimento da comunicação em rede do ACOnTECe, assim como a estrutura de cenário
montada por Java 3D na criação do ambiente tridimensional.
4.2. ADVICE (UM AMBIENTE VIRTUAL COLABORATIVO PARA O ENSINO À
DISTÂNCIA)
O ADVICE (RODRIGUES, 2004) foi o primeiro projeto de um Ambiente Colaborativo
desenvolvido no Departamento de Engenharia de Sistemas, Instituto Militar de Engenharia
(SE9-IME), Rio de Janeiro, e também baseado no COVET.
O protótipo do ADVICE tem por finalidade apoiar o ensino a distância, e propõe uma
sala de aula virtual (Figura 4.3), onde os usuários conectados ao Ambiente Virtual
Colaborativo (AVC) são representados por avatares, podendo interagir entre si e trocar
68
conhecimentos através de um chat. Um assunto é exposto em uma lousa virtual de modo que
os alunos assistam às aulas como se estivessem todos inseridos no mesmo ambiente real.
O ADVICE permite que o aluno possa participar da aula sem a necessidade de se
deslocar fisicamente, o que é conveniente para pessoas hospitalizadas, filhos de militares que
estão em constante mudança, filhos de pessoas que trabalham em embaixadas, etc
(RODRIGUES, 2004).
FIG. 4.3 Sala de aula virtual do ADVICE (RODRIGUES, 2004).
Uma vantagem de um AVC com as características do ADVICE, é que a interface
utilizada no protótipo é amigável ao usuário, uma ferramenta atrativa de aplicação ao ensino,
e que permite aos alunos comunicarem-se sem a interferência na aula em andamento.
O ACOnTECe assemelha-se ao ADVICE pelo fato de ser direcionado também para o
ensino a distância, especificamente para a área de cardiologia. Neste caso, o ACOnTECe
dispõe de um módulo de estudo da anatomia cardíaca humana, onde são apresentados textos
explicativos sobre o sistema cardiovascular.
4.3. SIMULADOR PARA COLETA DE MEDULA ÓSSEA
O Simulador para Coleta de Medula Óssea (MACHADO, 2003), desenvolvido através de
um programa de colaboração científica entre o Laboratório de Sistemas Integráveis da Escola
Politécnica da Universidade de São Paulo e o Departamento de Pediatria do Hospital das
69
Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo, é o projeto de um
simulador de procedimentos médicos invasivos em oncologia pediátrica.
FIG. 4.4 Módulos do simulador de coleta de medula óssea (MACHADO, 2004) .
Relatado como o primeiro sistema de realidade virtual para o treinamento médico
desenvolvido no Brasil e como o primeiro protótipo voltado para a área de pediatria no
mundo, este ambiente virtual semi-imersivo oferece um sistema de treinamento realista,
simulando retorno tátil através de dispositivos hápticos, além da visualização tridimensional
dos objetos.
O Sistema possui três módulos, como mostra a Figura 4.4, equivalentes às etapas que
compõe o treinamento real:
• Módulo de Observação da Anatomia
Neste módulo é possível visualizar a área de interesse, no caso a bacia, em três
dimensões. Movimentos de translação e rotação permitem a exploração detalhada dos
objetos. Este módulo está conectado ao submódulo de observação interna.
• Módulo de Localização
Este módulo permite ao usuário a observação e determinação do local de inserção da
agulha virtual.
• Módulo de Coleta
Este módulo permite a simulação e treinamento do procedimento de coleta de medula
óssea propriamente dito.
Tais módulos comunicam-se com um submódulo de visualização interna, que possui um
modelo de semi-transparência da bacia, sendo possível visualizar as estruturas internas como
o osso e a medula.
70
O fato de simular características físicas diferenciadas para crianças é bastante relevante,
pois, utilizando este critério, tecidos e órgãos possuem propriedades diferentes das de um
adulto, o que acarreta em um treinamento de aplicabilidade de força próprio para cada caso.
Ou seja, dependendo do paciente a ser tratado, o sistema é calibrado com as características
deste, e então é possível ser feito um treinamento intensivo antes do procedimento real.
As funcionalidades do simulador são (MACHADO, 2003):
• O estudo interativo da região de interesse baseada na anatomia humana,
promovendo visualização e identificação das estruturas internas;
• A apalpação prévia da região onde será realizada a coleta, possibilitando a
identificação tátil da estrutura óssea sob a pele, bem como a identificação do local
correto de inserção da agulha;
• Permitir a perfuração do modelo tridimensional, oferecendo sensações táteis
associadas a essa ação para a percepção das estruturas trespassadas durante esse
procedimento, o que permite também a percepção de quando foi alcançado o
interior do osso;
• Oferecer treinamento médico baseado no modo de execução do procedimento
real, contando para isso com o acompanhamento de especialistas no procedimento
tratado (Figura 4.5).
FIG. 4.5 Oncologista operando o simulador (MACHADO, 2004) .
A estruturação em módulos do protótipo do simulador de coleta de medula óssea foi
utilizada como modelo para o desenvolvimento do ACOnTECe. Além das funções de
71
exploração dos objetos tridimensionais, ainda foi adicionada a funcionalidade de estudo
colaborativo da anatomia cardíaca.
4.4. HIP-OP
O Hip-Op (LATTANZI, 2002) é um software comercial para o planejamento pré-
operativo da cirurgia de substituição total do joelho, desenvolvido pelo Biocomputing
Coference Centre e utilizado por departamentos de radiologia de diversos hospitais.
A ferramenta proposta substitui de modo eficaz as técnicas de planejamento cirúrgico
tradicionais, baseadas em radiografias, e que geralmente utilizam superposição de moldes 2D
transparentes das formas de implantes sobre filmes de raio-X do paciente.
No Hip-Op, a anatomia tridimensional do órgão é gerada através de imagens de
Tomografia Computadorizada (TC) de um paciente específico, sendo que, de posse do
modelo tridimensional, cirurgiões ortopédicos podem visualizar e analisar qual a prótese de
joelho, dentre os modelos tridimensionais de prótese disponíveis no banco de dados do Hip-
Op, melhor se adequa ao paciente em estudo, ocasionando em uma considerável diminuição
dos riscos da cirurgia e rápida recuperação do paciente.
FIG. 4.6 Interface multimodal do Hip-Op (LATTANZI, 2002) .
72
A interface gráfica do sistema utiliza um paradigma de visualização Multimodal,
simulando quatro diferentes modalidades de imagens médicas familiares aos cirurgiões,
começando por uma representação tridimensional completa dos dados. Cada modelo 3D é
visualizado em uma das janelas integradas à interface gráfica. As duas principais janelas,
carregadas assim que o programa é executado, mostram modelos tridimensionais obtidos de
imagens de Raio-X e de TC (Figura 4.6).
Assim como o Hip-Op, o ACOnTECe foi desenvolvido para rodar em plataforma
desktop, tendo também a finalidade de planejamento pré-operativo e posteriormente será
estudada a geração de objetos tridimensionais a partir de imagens de TC.
4.5. AMBIENTE VIRTUAL E MODELO DO OLHO PARA SIMULAÇÃO
CIRÚRGICA
O simulador projetado neste trabalho é parte de um sistema robótico tele-operativo para
micro-cirurgia do globo ocular (SAGAR, 1994), e tem por objetivo promover o treinamento
pré-operativo e a assistência durante a cirurgia, onde os médicos operam o robô exatamente
da mesma maneira que eles procederiam caso estivessem fisicamente na sala de cirurgia.
O sistema possibilita que o procedimento cirúrgico seja gravado para posteriormente ser
visualizado e estudado pelos próprios cirurgiões, ou mesmo, enviado para outros colegas, para
uma possível análise e discussão do procedimento entre os médicos.
FIG. 4.7 Cirurgia Virtual do Olho.
(a) Vista Frontal (SAGAR, 1994). (b) Vista Lateral (SAGAR, 1994).
73
Na criação do Ambiente Virtual foram utilizadas técnicas de modelagem gráfica e
eficientes recursos computacionais para a representação de detalhes da anatomia da córnea,
bem como a teoria de elementos finitos para a simulação das propriedades mecânicas do olho.
O ambiente virtual cirúrgico inclui micro-ferramentas e um guia de informações
sobreposto ao cenário para orientar o médico com dados adicionais, como as coordenadas das
ferramentas, durante o procedimento. Na Figura 4.7a, a linha tracejada ao redor da córnea
representa um planejamento de corte.
4.6. CARDIOOP-HEART
O CardioOP-Heart (KLAS, 2002) é um storyboard multimídia online, desenvolvido por
pesquisadores da Alemanha e Áustria, que aplica Realidade Virtual e Visualização 3D de
objetos para auxiliar no aprendizado de técnicas cirúrgicas complexas apresentadas em vídeos
digitais pelo sistema.
O projeto é baseado em um sistema de banco de dados dirigido por gerência do
conhecimento, de modo que a idéia principal é que objetos multimídia (Figura 4.8b), como
modelos de objetos tridimensionais, sejam usados de maneira flexível por diferentes grupos e
níveis de usuários em diversas propostas educacionais, adicionando um caráter didático ao
treinamento de médicos e estudantes da área.
FIG. 4.8 CardioOP-Heart. (a) Visualização Interna (KLAS, 2002).
(b) Mídias agregadas a interface gráfica (KLAS, 2002).
74
Neste ambiente, um modelo virtual do coração é manipulado pelo usuário de maneira
interativa, sendo possível sua exploração durante o ciclo cardíaco, a visualização do
movimento das válvulas e do fluxo sangüíneo, simultaneamente (Figura 4.8a).
Animações 3D feitas em MPEG-1 são utilizadas para simular técnicas anastomóticas para
o tratamento virtual de uma possível estenose (obstrução) da artéria coronária, assim como o
princípio da técnica de tromboendarterectomia coronária em que, após um pequeno corte
longitudinal, é possível visualizar a causa da arteriosclerose (Figura 4.9).
FIG. 4.9 Etapas de uma tromboendarterectomia coronária (KLAS, 2002) .
Além de simular um infarto do Miocárdio e dos efeitos de um implante de Artéria
Mamária Interna, o protótipo do CardioOP-Heart ainda dispõe do treinamento virtual da
cirurgia de enxerto de ponte (bypass) aortocoronária.
4.7. VISÃO GERAL DOS AMBIENTES VIRTUAIS
Os Ambientes Virtuais descritos nas seções anteriores possuem características similares.
Todos são executados em plataforma desktop, ou seja, em sua maioria, são aplicações
acessíveis a qualquer usuário que disponha de somente um computador e uma placa de vídeo
com configurações necessárias para carregar os tipos de mídia citados (vídeo, áudio,
animações, ambientes tridimensionais, etc.). Alguns deles, como o caso dos Ambientes
Colaborativos, necessitam estar conectados a rede, para a distribuição da informação a todos
os usuários.
As seções 4.1 (COVET) e 4.2 (ADVICE) apresentaram Ambientes Virtuais
Colaborativos, os quais objetivam um aprendizado efetivo dos assuntos propostos através de
colaboração entre vários usuários conectados simultaneamente ao ambiente virtual.
75
Aplicações de ambientes virtuais multi-usuário têm grande potencial nas áreas de
educação e treinamento. Este tipo de sistema tem permitido que usuários geograficamente
dispersos atuem em mundos virtuais compartilhados, usando a rede para melhorar o
desempenho coletivo através da troca de informações (KIRNER, 1996).
As seções 4.3 (Simulador para Coleta de Medula Óssea), 4.4 (Hip-Op), 4.5 (Ambiente
Virtual e Modelo do Olho para Simulação Cirúrgica) e 4.6 (CardioOP-Heart) descreveram
ambientes virtuais voltados para a área de Medicina, com a finalidade de planejamento pré-
operativo ou treinamento cirúrgico. Todos objetivam apresentar dados médicos numéricos ou
imagens bidimensionais em formatos tridimensionais, possibilitando um melhor diagnóstico
de doenças, e escolha de tratamento e/ou cirurgia adequados.
Fatores como custo de treinamento, disponibilidade de materiais e segurança do paciente,
aliados ao realismo são algumas das vantagens relacionadas ao uso de aplicações virtuais para
a área médica (MACHADO, 2004).
Agregando algumas características inerentes aos tipos de aplicações vistas neste capítulo,
foi desenvolvido um ambiente colaborativo para o estudo da anatomia cardíaca e treinamento
da cirurgia de transplante de coração. O capítulo seguinte descreve o projeto do ACOnTECe.
76
5. ESPECIFICAÇÃO DO SISTEMA ACONTECE
O segundo capítulo relatou o considerável avanço da Realidade Virtual, a qual vem
tornando-se uma tecnologia interdisciplinar e consolidando-se mais recentemente também no
apoio à Medicina. Ademais, na própria ciência médica, algumas áreas prosperaram
significativamente, em especial a área de cirurgia cardíaca.
Desde as primeiras cirurgias realizadas na parte externa do coração por volta de 1940,
passando pelas operações intracardíacas, quando da volta de médicos que trabalharam na
frente de batalha da Segunda Guerra Mundial, até a atualidade, as técnicas cirúrgicas foram
aprimoradas ou completamente substituídas. Neste meio tempo, em meados de 1954,
dispositivos auxiliares de circulação extracorpórea possibilitaram a realização de operações
intracardíacas com coração e pulmões parados, ou seja, eximidos de suas funções na
circulação sanguínea (BRAILE, 1996).
Hoje em dia, a Realidade Virtual permite que sejam realizadas algumas intervenções
cirúrgicas com a utilização de robôs. O cirurgião senta-se em frente de um console
tridimensional e, como num jogo eletrônico, dirige os movimentos que o robô executa para
corrigir os defeitos que possam existir no coração. Este tipo de simulação é denominado Tele-
Operação (Subseção 2.5.5).
Outros campos de aplicação da RV para a Medicina são o treinamento e planejamento
cirúrgicos, como citado na subseção 2.7.4. O treinamento prévio e a discussão de
procedimentos cirúrgicos invasivos são de grande valia, pois por mais que cercados de
fundamentos teóricos, os médicos capacitam-se cirurgiões através da prática exaustiva.
Atualmente, a prática cirúrgica é feita em animais, cadáveres, voluntários e pacientes.
Todavia, animais não possuem a mesma anatomia de um humano, cadáveres não respondem
fisiologicamente da mesma maneira que uma pessoa viva, e existem riscos aos voluntários
enquanto estudantes estão em treinamento (LIU, 2003). Já a simulação cirúrgica baseada em
Realidade Virtual utiliza modelos virtuais de pacientes e pode gerar respostas fisiológicas tal
qual acontece nas cirurgias reais.
Segundo LIU (2003), a simulação cirúrgica para educação médica está sendo considerada
um recurso adicional aos métodos tradicionais de ensino, promovendo a experiência de
77
construção do aprendizado pelos alunos, assim como a possibilidade de conhecimento e
análise de patologias raras.
A construção de um simulador cirúrgico está diretamente ligada à maneira que se deseja
abordar o procedimento de uma operação. Isto é, a simulação de uma cirurgia pode ser tratada
de várias formas como, por exemplo, expondo superficialmente todas as etapas da cirurgia
e/ou aprofundando-se em um definido procedimento da operação, como é o caso do simulador
háptico para prática de sutura, apresentado em (WEBSTER, 2001).
SATAVA (1996) faz uma análise dos simuladores cirúrgicos e classifica-os em três
gerações, de acordo com a característica priorizada em cada grupo. A primeira geração trata
especificamente de aspectos geométricos. Os conceitos introduzidos e usados para a
aprendizagem e o planejamento pré-operativo são a navegação e imersão em bancos de dados
de anatomia tridimensional.
A segunda geração prioriza a simulação de deformação das malhas, ou seja, como a
malha de um modelo tridimensional irá deformar em resposta a uma interação com outro
objeto do cenário ou com o próprio usuário. No caso da terceira geração, o objetivo é simular
as funcionalidades de tecidos e órgãos, como fluxo sanguíneo, sinais elétricos, etc.
Segundo MOSEGAARD (2004), as três gerações definidas por SATAVA (1996)
representam diferentes perspectivas de “o que” aprender e não uma hierarquia de ferramentas
melhores ou piores para o aprendizado e informação. Uma das vantagens da simulação é
focalizar as partes da operação julgadas importantes, e simplificar ou abandonar as outras
partes.
Particularmente, a maneira como um sistema virtual para simulação cirúrgica é
implementado é conseqüência, além do foco do aprendizado, também da plataforma, seja
convencional ou sofisticada, em que o protótipo será executado. Dependendo dos dispositivos
de interação utilizados, o simulador pode oferecer os componentes citados em (LIU, 2003)
como detecção de colisão, modelos deformáveis (tratamento da colisão), retorno visual e tátil,
performance e treinamento, etc.
Mediante estas considerações, o protótipo inicialmente implementado como proposta da
dissertação de mestrado, denominado ACOnTECe (um Ambiente Virtual Colaborativo para
Treinamento Cirúrgico), consiste em um simulador cirúrgico voltado para a área de
cardiologia, com a finalidade de transplante de coração. A escolha da cirurgia justifica-se pelo
fato do Brasil possuir grandes centros de excelência em pesquisas médicas nesta área, como o
Hospital da Beneficência Portuguesa, o INCOR (Instituto do Coração), ambos em São Paulo,
78
e a Fundação Zerbini, criada para o desenvolvimento da Bioengenharia como suporte técnico
ao INCOR (LACAZ, 1994).
Além disso, conforme as diretrizes da Sociedade Brasileira de Cardiologia para
transplante cardíaco, a rigorosidade na escolha da equipe médica exige a experiência
comprovada da mesma em cirurgia cardíaca, de maneira que os cirurgiões estejam
familiarizados com as diferentes técnicas de transplante (BRANCO, 1999).
Atualmente, o ACOnTECe caracteriza-se como um ambiente virtual distribuído, em
desktop, não-imersivo, que propicia aos usuários do ambiente o estudo da anatomia cardíaca e
o conhecimento das etapas que envolvem a técnica operatória de substituição de um coração
deficiente por outro saudável. Médicos e alunos podem treinar inúmeras vezes os passos da
cirurgia, de modo colaborativo através do ambiente.
Quanto à participação dos usuários, o simulador utiliza dispositivos de entrada e saída
convencionais para receber comandos dos mesmos e comunicá-los as mudanças no ambiente
em resposta às suas ações. Portanto, o sistema põe em prática os conceitos básicos de
envolvimento, interação e imersão, nos quais a Realidade Virtual está fundamentada, da
maneira mais realista levando-se em conta a plataforma de execução utilizada.
A necessidade de um ambiente de simulação distribuído colaborativo é influenciada pelo
fato do tipo de procedimento cirúrgico sugerido ser um trabalho realizado em equipe, que
neste caso é formada pelos vários participantes do ambiente. Além do que, o Ambiente
Colaborativo também permite ensino e treinamento dirigidos a distância por professores e
especialistas.
Como mencionado no início deste capítulo, aplicações de Realidade Virtual são em geral
multidisciplinares. No caso do sistema proposto, as áreas envolvidas são Ciência da
Computação e Medicina. Nas próximas seções deste capítulo abordaremos a anatomia do
coração como órgão alvo da simulação, e o estudo de caso de transplante cardíaco, como
também descreveremos as técnicas de Computação utilizadas na arquitetura e implementação
do sistema.
79
5.1. DOMÍNIO DO PROBLEMA
Para a construção do protótipo, algumas bibliografias foram utilizadas como referências
para o entendimento da anatomia e função do coração no sistema cardiovascular, e o estudo
de alguns tipos de procedimentos cirúrgicos.
As operações analisadas para a implementação do treinamento cirúrgico foram:
Revascularização do Miocárdio, a qual pudemos acompanhar junto à equipe de cirurgia
cardíaca do Hospital Universitário Pedro Ernesto, da UERJ (Universidade Estadual do Rio de
Janeiro); Substituição de Válvula Mitral (SUNDT, 2004) e Transplante de Coração ((NOVA
Online, 2005) e (DINKHUYSEN, 2003)), sendo esta última a opção mais adequada aos
recursos disponíveis para o desenvolvimento do protótipo, portanto a cirurgia escolhida. Os
outros procedimentos serão abordados oportunamente.
5.1.1. ANATOMIA DO CORAÇÃO
FIG. 5.1 Anatomia interna do coração (THI, 2005).
O coração é um músculo envolvido por uma membrana fina chamada pericárdio, e está
localizado entre os pulmões, dentro da cavidade torácica, e posicionado por detrás e
ligeiramente à esquerda do osso mediano do tórax, denominado esterno. Divide-se em quatro
80
câmaras: átrio direito, ventrículo direito, átrio esquerdo e ventrículo esquerdo; além de possuir
outras estruturas como mostra a Figura 5.1.
O coração é o órgão responsável pelo funcionamento do sistema circulatório, bombeando
sangue para todas as outras partes do corpo. Mais detalhadamente, a atividade cardíaca
funciona da seguinte forma:
• O átrio direito recebe através das veias cavas o sangue venoso (pobre de oxigênio)
das partes superiores e inferiores do corpo, ao mesmo tempo em que o ventrículo
direito envia o sangue através do tronco pulmonar aos pulmões para que eles
façam a oxigenação do sangue.
• Feita a “purificação” do sangue, os pulmões o enviam através das veias
pulmonares para o átrio esquerdo e simultaneamente o ventrículo esquerdo
bombeia o sangue arterial (rico em oxigênio) para todo o corpo através da artéria
aorta.
A passagem de sangue dos átrios para os ventrículos, e dos ventrículos para os outros
órgãos do corpo, através das válvulas, ocorre por processos denominados sístole (contração
dos músculos cardíacos) e diástole (relaxamento dos músculos cardíacos). Enquanto os átrios
estão em sístole, os ventrículos estão em diástole, e vice-versa.
Segundo NIGRO (1993), o sistema circulatório funciona em conjunto com os sistemas
digestivo e respiratório, transportando energias vitais como oxigênio e nutrientes para as
células. A insuficiência cardíaca é a incapacidade do coração de executar suas funções
adequadamente, provocando o mau funcionamento do sistema circulatório.
Desta forma, é necessário um tratamento clínico ou cirúrgico para o reparo do coração, e
caso o tratamento não seja possível, a solução é submeter o paciente ao transplante cardíaco,
procedimento cirúrgico descrito na seção a seguir.
5.1.2. CIRURGIA DE TRANSPLANTE CARDÍACO
A cirurgia de transplante cardíaco é uma das cirurgias cardiovasculares mais complexas
tendo tornado-se freqüente no mundo, ainda que a doação de órgãos seja insuficiente para
atender a todos os pacientes portadores de alguma doença grave do coração. Segundo
81
DINKHUYSEN (2005), cerca de 2.300 americanos, em mais de 150 centros especializados,
recebem transplante cardíaco a cada ano. No Brasil, existem 24 centros e aproximadamente
100 pacientes ao ano são transplantados.
O Transplante de Coração é um procedimento cirúrgico em que um coração saudável é
utilizado na substituição ou auxílio de um coração doente. Existem dois tipos de transplante,
os quais são o transplante ortotópico, em que o coração do paciente é retirado e em seu lugar é
implantado um coração recebido de um doador; e o transplante heterotópico, em que o
coração do doador é implantado para ajudar o coração nativo no bombeamento do sangue.
O primeiro tipo de transplante ortotópico foi sugerido por SHUMWAY (1966) e
posteriormente surgiram outras variantes como é o caso do transplante ortotópico
bicaval/bipulmonar descrito em (DINKHUYSEN, 2003).
FIG. 5.2 NOVA Electric Heart (NOVA Online, 2005).
Em síntese, na técnica convencional de Shumway, o lado direito do coração é retirado
deixando apenas a parede posterior do átrio direito. Após a aorta e o tronco pulmonar serem
seccionados, o lado esquerdo do coração é retirado deixando a parede posterior do átrio
esquerdo. O coração do doador, sem as paredes posteriores dos átrios, é suturado às partes do
coração nativo que restaram no corpo, e as artérias e veias coronárias são ligadas ao novo
coração. Uma simulação por animação 2D da técnica ortotópica convencional é apresentada
em 19 etapas pelo website da NOVA (NOVA Online, 2005), cujo passo inicial é demonstrado
pela Figura 5.2.
82
FIG. 5.3 Transplante ortotópico bicaval/bipulmonar (DINKHUYSEN, 2003).
(a) e (b) Secção das veias pulmonares, aorta e tronco pulmonar. (c) Retirada do coração doente. (d), (e) e
(f) Sutura do coração do doador com as estruturas do coração nativo. (g) Coração do doador
transplantado.
O transplante ortotópico bicaval/bipulmonar (Figura 5.3) é uma técnica similar à
convencional, salvo pela preservação das estruturas dos átrios direito e esquerdo. Neste
sentido, a aorta é cortada e em seguida o tronco pulmonar é seccionado na mesma posição da
aorta. As veias cavas superior e inferior são cortadas às proximidades de suas junções com o
coração. De maneira similar, as veias pulmonares são separadas do coração, permanecendo
junto a elas os segmentos respectivos do átrio esquerdo. O coração do doador é suturado à
aorta, ao tronco pulmonar e às veias que restaram no corpo do receptor.
No ACOnTECe, o transplante simulado inicialmente é o ortotópico bicaval/bipulmonar.
A opção de transplante ortotópico deve-se ao fato desta intervenção ser a mais comumente
executada; e quanto à técnica bicaval/bipulmonar, segundo (NESRALLA, 1999), suas
83
vantagens sobre a técnica convencional são: preservar a geometria dos átrios, diminuir a
incidência de arritmias atriais no período pós-operatório e da insuficiência tricúspide.
5.2. PROPOSTA DO SISTEMA
No projeto do ACOnTECe, os aspectos de Realidade Virtual foram respeitados para que
o ambiente fosse o mais intuitivo e realista possível. Na representação do ambiente
tridimensional, foram utilizadas técnicas de modelagem gráfica para a definição de atributos
do objeto como dimensão, cor, textura, etc. Também foram estudados os comportamentos dos
objetos em resposta a interação entre eles e com o próprio ambiente.
A utilização de um Ambiente Virtual Colaborativo determinou a necessidade de
implementação tanto de formas de interação ativa do usuário no mundo sintético, quanto de
um modelo de distribuição em rede das mudanças executadas no cenário tridimensional. A
transmissão dos pacotes de dados pela rede é feita via multicasting, sendo que se um usuário
modificar o ambiente virtual local, tais modificações devem ser distribuídas para todos os
participantes conectados ao grupo multicasting.
O ambiente virtual para a área de cardiologia foi desenvolvido em módulos de
Treinamento, para a simulação do transplante de coração, e de Anatomia, dada a necessidade
de estudo das estruturas cardíacas e de planejamento anterior ao treinamento.
As linguagens utilizadas para a construção do ambiente foram VRML e Java, juntamente
com API Java 3D, já que estas linguagens permitem a criação de aplicações interativas
independentes de plataforma.
Além da colaboração através do ambiente, os usuários devem comunicar-se de alguma
maneira para a discussão do procedimento cirúrgico enquanto operam o avatar, uma
representação do paciente no mundo sintético. A solução encontrada foi a utilização de
conferência de áudio via Skype (SKYPE, 2005), um software de VoIP (Voz sobre IP),
disponível gratuitamente para download na web.
84
5.3. TECNOLOGIAS DE IMPLEMENTAÇÃO
As tecnologias componentes do sistema ACOnTECe, apresentadas na Figura 5.4, são a
linguagem Java, para o desenvolvimento do Ambiente Virtual Colaborativo, e a linguagem
VRML, para a criação dos objetos tridimensionais manipulados no AVC.
A utilização da linguagem Java facilitou a implementação do mundo virtual devido à
abstração fornecida pelo paradigma de orientação a objeto. A comunicação entre os objetos
(instâncias de classes) se dá através da troca de mensagens.
A interface gráfica 2D para a entrada de comandos do usuário foi desenvolvida em Java
Swing. Java Swing dá suporte a criação de componentes GUI (Grafical User Interface) como
botões, menus, tabelas, e vários outros, proporcionando uma interface mais amigável e de
fácil controle do ambiente tridimensional, desenvolvido em Java3D.
FIG. 5.4 Tecnologias de implementação do ACOnTECe.
5.3.1. JAVA 3D
A API Java 3D é uma interface de suporte à escrita de programas Java para a
apresentação e manipulação de gráficos e imagens tridimensionais. Todo ambiente criado em
Java3D é parcialmente composto por objetos da hierarquia de classes da API gráfica. Esta
coleção de objetos, que são instâncias das principais classes Java 3D, descreve o universo
virtual que será montado.
85
A renderização dos objetos do cenário pode ser feita em paralelo, através do recurso de
threads que a linguagem Java proporciona. Java 3D também oferece um sistema de
renderização de sons.
Java 3D utiliza bibliotecas gráficas de mais baixo nível como OpenGL ou Direct3D, as
quais são de fato responsáveis pelo processo de renderização. No desenvolvimento do
ACOnTECe, a versão da API foi executada em cima da biblioteca OpenGL, mas o uso de
Direct3D também é possível.
Java 3D permite a construção abstrata (em alto nível) de mundos virtuais, com definição
de pontos de visualização, gráficos tridimensionais interativos, animações e dimensão de
cenários, de modo que seja possível a modelagem de uma variedade de mundos virtuais,
abrangendo de mundos astronômicos a subatômicos (BOUVIER, 1999).
A Figura 5.5 mostra o grafo do cenário virtual estruturado por Java 3D em forma de
árvore. O nó principal do grafo é o VirtualUniverse. Este nó principal se conecta aos
subgrafos que compõem o cenário através de um nó do tipo Locale. Um nó VirtualUniverse
pode ter um ou mais nós Locale, cuja finalidade é fornecer um sistema de coordenadas ao
mundo virtual. O nó raiz de um subgrafo ligado a Locale é sempre um objeto BranchGroup.
Os subgrafos são classificados em duas categorias: de conteúdo e de visão. Os de
conteúdo (na Figura 5.5, são o ramo da esquerda do nó Locale) descrevem os objetos que
serão renderizados, isto é, especificam a geometria, textura, som, objetos de interação, luz,
como estes objetos serão localizados no espaço, etc. Os de visão (na Figura 5.5, são o ramo da
direita do nó Locale) especificam as atividades e os parâmetros relacionados com o controle
da vista da cena, tais como orientação e localização do usuário (BICHO, 2002).
Os nós Leaf são os nós folha, os quais determinam a forma, o som, e comportamento dos
objetos visíveis num universo virtual. Eles não possuem filhos mas podem referenciar
NodeComponents, que são instâncias de classes que respondem por exemplo pela aparência e
geometria dos objetos.
Como mencionado anteriormente, Java 3D tem a capacidade de criar os objetos virtuais.
Um objeto 3D é uma instância da classe Shape3D, representado no grafo de cena por um nó
do tipo Leaf. A maneira de definir o conteúdo geométrico do objeto 3D é através das
primitivas geométricas de Java 3D, tais como Box, Sphere, Cylinder e Cone, cuja composição
determina a forma do objeto desejado.
86
FIG. 5.5 Grafo de Cenário em Java 3D (BICHO, 2002).
Entretanto, a criação de objetos com geometria irregular, por meio das classes de Java
3D, é uma tarefa não tão simples como a criação de uma esfera, e despende de muita
programação. Uma alternativa é utilizar objetos criados por softwares de modelagem e
exportados para linguagens como VRML, e importá-los no Java 3D com o auxílio de loaders,
que são bibliotecas de classes cuja finalidade é transformar tais objetos em objetos visuais do
cenário Java 3D.
5.3.2. VRML
A linguagem VRML pode ser utilizada em diversas áreas de aplicações tais como
engenharia, visualização científica, apresentações multimídia, mundos virtuais distribuídos e
simuladores cirúrgicos tal qual demonstra o projeto Real-Time Surgery Simulator (BLAS,
2003), desenvolvido no Departamento de Ciência da Computação, Universidade de Glasgow,
Escócia.
87
A criação dos objetos tridimensionais utilizados no ambiente proposto, foi feita por
arquivos “.wrl”, extensão da linguagem VRML. Estes objetos foram gerados pelo software de
modelagem 3D Studio MAX™ (AUTODESK, 2005) e então exportados para arquivos
VRML.
FIG. 5.6 Coração gerado por linguagem VRML.
A vantagem da modelagem com 3D Studio MAX™ é a criação de objetos 3D de formas
complexas, como é o caso do coração utilizado na simulação do transplante. A linguagem
VRML, por sua vez, tem a capacidade de representar objetos 3D animados ou estáticos e
objetos multimídia com hiperlinks para outras mídias como texto, sons, filmes e imagens. Um
arquivo “.wrl” obrigatoriamente necessita do cabeçalho composto pela instrução “#VRML
V2.0 utf8” (Figura 5.6), caso contrário, o arquivo não é reconhecido como sendo VRML.
Em VRML, a concepção do mundo tridimensional baseia-se na estruturação do cenário
em forma de um grafo acíclico, contendo diferentes tipos de nós, que variam de primitivas
88
geométricas a sons. Este diversidade de nós é uma das qualidades características da
linguagem.
VRML também permite o reuso de nós no cenário, de forma que, atribuindo um nome a
um nó através da tag DEF, pode-se futuramente referenciá-lo por esse nome. Por exemplo,
denominando um nó pela instrução “DEF SuperficieExterna01” (Figura 5.6), é possível
reutilizar este nó pelo comando “USE SuperficieExterna01”.
No protótipo do ACOnTECe, a nomeação dos nós contribuiu efetivamente no
desenvolvimento em Java 3D de uma forma de tratamento dos objetos VRML. As classes
implementadas para a melhor utilização dos objetos 3D serão descritas na subseção 5.4.1.2.
Uma desvantagem da linguagem VRML é a suspensão do desenvolvimento da tecnologia
desde 1997. Deste modo, algumas falhas deixaram de ser corrigidas para a melhoria do acesso
ao conteúdo dos arquivos “.wrl” por outras linguagens de programação. O padrão X3D é uma
proposta para a nova versão do VRML, compatível com VRML97, e que está sendo analisada
para a substituição de VRML em uma versão futura do ACONTECe.
5.3.3. INTERAÇÃO JAVA 3D/VRML
No mapeamento dos arquivos “.wrl” feito pelo código do simulador escrito em Java 3D,
foi utilizado o VRML97 Loader, um conjunto de classes (vrml97.jar) responsável por
carregar os objetos 3D descritos no arquivo texto dentro de um grafo de cena de Java 3D.
VRML é um arquivo formato texto, portanto há a necessidade de “traduzir” este texto de
forma que ele possa ser apresentado graficamente pela ferramenta que o utiliza.
A Figura 5.7 mostra o código Java 3D que carrega os objetos VRML no mundo virtual do
ACOnTECe. A classe createVRML (pacote br.lncc.acontece) importa as classes VrmlLoader e
VrmlScene (pacote vrml97.jar) para a criação de suas respectivas instâncias que representam
graficamente o objeto descrito no arquivo “.wrl”, o qual é passado como o parâmetro arg0
para o método load do objeto loader. Assim que o objeto VRML é criado, ele é adicionado
como filho de um BranchGroup ao grafo de cena Java 3D.
89
FIG. 5.7 Código da classe createVRML.
Assim como as classes para tratamento dos objetos VRML, outras características do
desenvolvimento do ambiente como implementação e funcionalidades do software, serão
apresentadas nas próximas seções.
5.4. VISÃO GERAL DO SISTEMA
Segundo o paradigma de orientação a objeto, uma forma de simplificar o
desenvolvimento de sistemas de média e grande complexidade é a decomposição deste em
subsistemas.
FIG. 5.8 Camadas lógicas do sistema ACONTECE.
O protótipo do ACOnTECe está implementado em duas camadas lógicas (Figura 5.8): a
Camada de Interface e a Camada de Comunicação. A função da Camada de Interface é a
apresentação gráfica tanto bidimensional (Java Swing) quanto tridimensional (Java 3D) do
ambiente ao usuário. O modelo da Camada de Comunicação foi reutilizado do software
90
COVET (OLIVEIRA, 2001) e é responsável por toda troca de informações entre os
participantes do AVC.
Na Camada de Comunicação também estão implementadas as regras de negócio, isto é, a
maneira como o ambiente 3D é modificado mediante as ações do usuário.
5.4.1. CAMADA DE INTERFACE
Esta seção apresenta detalhes da construção das Interfaces bidimensional e tridimensional
gerenciadas pela Camada de Interface.
5.4.1.1. INTERFACE GRÁFICA 2D
FIG. 5.9 Intertace 2D (Java Swing) e Interace 3D (Java 3D).
Como mostra a Figura 5.9, a interface gráfica 2D do ambiente foi projetada em Java
Swing, para receber os comandos de entrada no ambiente através dos componentes gráficos,
91
conhecidos como widgets, dentre os quais foram utilizados: janelas, para os vários pontos de
visão do ambiente tridimensional; menus, para as funcionalidades de sistema, botões, para a
inserção de objetos no ambiente tridimensional, etc.
As interfaces gráficas são orientadas a eventos, isto é, geram eventos quando um usuário
interage com seus componentes. As interações podem ser clicar o mouse, arrastar o mouse,
clicar um botão, etc. A cada interação um evento é gerado e enviado ao programa.
No sistema proposto, a classe Acontece (pacote br.lncc.acontece) implementa as
interfaces ActionListener e MouseMotionListener do Java Swing, as quais respectivamente
observam eventos de widgets e do mouse, gerados pelo usuário. No caso dos componentes
gráficos (widgets), é necessário registrar através da chamada ao método addActionListener,
que eles devem ser observados. Para o mouse não se faz necessário o registro.
O método implementado da interface ActionListener é o actionPerformed, e da interface
MouseMotionListener é o mouseDragged. É através destes métodos que a Camada de
Interface interage com a Camada de Comunicação.
Na classe Acontece é criada uma instância da classe cSharing, principal classe da
Camada de Comunicação, cuja função é compartilhar o ambiente entre vários participantes. O
método sendmainviewcommand, da classe cSharing, é invocado pelos métodos
actionPerformed e mouseDragged, e recebe como parâmetro o comando (objeto “msg” –
instância de String) que representa a ação que a Camada de Comunicação deve repercutir para
todas as réplicas do AVC.
O método actionPerformed requisita à Camada de Comunicação a distribuição das
mudanças sofridas pelo ambiente como inserção de ferramentas cirúrgicas no cenário, seleção
de módulo do sistema (Anatomia ou Treinamento), visualização das estruturas do coração,
etc.
O método mouseDragged requisita à Camada de Comunicação a replicação de mudanças
provocadas pela manipulação dos objetos no AVC, isto é, movimentos de translação, rotação
e zooming dos objetos. Neste caso, além do comando a ser executado, o objeto “msg” ainda
carrega a matriz de transformação que deve ser aplicada ao objeto alvo da manipulação.
Essencialmente, a função dos métodos actionPerformed e mouseDragged é comunicar o
comando de requisição do usuário para a Camada de Comunicação. Ou seja, eles fazem a
92
comunicação entre as camadas do sistema no sentido: Camada de Interface→Camada de
Comunicação. As responsabilidades da Camada de Comunicação serão vistas na seção 5.4.2.
5.4.1.2. INTERFACE GRÁFICA 3D
A interface 3D diz respeito a tudo que está associado ao ambiente virtual tridimensional,
sejam objetos 3D, os comportamentos dos objetos (behaviors), os pontos de visão do
ambiente, etc. As classes referentes à implementação da interface gráfica 3D são
createSceneGraph e createSceneView (pacote br.lncc.acontece).
Na classe createSceneGraph o ambiente virtual é estruturado de acordo com o grafo de
cenário Java 3D visto na Figura 5.5. Nesta classe, os modelos virtuais do coração, pulmões e
tórax são instanciados pela chamada ao método Obj da classe createVRML (Figura 5.7), assim
que o ambiente virtual é criado.
No caso das ferramentas cirúrgicas, como bisturi, agulha, tesoura, etc., estas são criadas à
medida que são requisitadas pelos usuários. Tais objetos (instâncias das subclasses de
Ferramenta) são utilizados no Módulo de Treinamento, para a simulação da cirurgia (Figura
5.10).
Na classe createSceneView são criados os vários pontos de visão do ambiente gerado pela
classe createSceneGraph. Na criação do ambiente, a visão frontal é carregada na janela
principal do Java Swing. Outras visões secundárias são geradas em janelas menores, como
mostra a Interface 3D da Figura 5.9.
Quanto à atuação direta do usuário no cenário 3D, o mouse foi o periférico de entrada
utilizado para a manipulação dos objetos do mundo sintético. Para tal, a API Java 3D possui
classes de definição de comportamentos do mouse no ambiente. Estas classes foram
modificadas para a adaptação ao sistema AConTECe, de maneira que elas permitissem ao
método mouseDragged identificar o objeto manipulado na Interface 3D, bem como a matriz
de transformação deste objeto.
As classes resultantes, reunidas no pacote br.lncc.behaviors, são: actPickRotateBehavior
(rotação), actPickTranslateBehavior (translação) e actPickZoomBehavior (zooming).
93
O comportamento de detecção de colisão foi implementado no sistema por meio da classe
CollisionDetector, cujas instâncias são associadas às ferramentas cirúrgicas.
FIG. 5.10 Diagrama de classes para a simulação da cirurgia.
O mecanismo de detecção de colisão implementado por Java 3D não identifica o par de
objetos envolvidos em uma colisão, um dado importante no tratamento da colisão. Por
exemplo, na simulação da cirurgia, para o par de objetos coração e bisturi, o tratamento é a
incisão; para o par de objetos coração e agulha, o tratamento é a sutura.
A identificação do par de objetos em colisão, assim como o tratamento da colisão, foi
projetado conforme o diagrama de simulação da cirurgia apresentado na Figura 5.10.
No diagrama de classes (Figura 5.10), as classes Coração, Tórax e Pulmões são
subclasses de Órgão. Um objeto de Órgão tem um ou mais objetos Comportamento
associados a ele.
As classes Tesoura, Serra, Agulha e Bisturi são subclasses de Ferramenta. Toda
Ferramenta possui um objeto CollisionDetector associado à mesma. Caso o objeto
CollisionDetector de uma Ferramenta reconheça a colisão com algum objeto Órgão, ele
dispara um Comportamento de um Órgão respectivo à Ferramenta que provocou a colisão.
Como citado anteriormente na seção 5.3.3, quando um objeto VRML é importado por
Java 3D, ele é inserido como filho de um nó BranchGroup no cenário tridimensional. Para a
visualização das estruturas cardíacas separadas (Módulo de Anatomia) e a simulação da
cirurgia (Módulo de Treinamento), foram criadas classes para o tratamento dos objetos
VRML.
94
Um típico modelo anatômico do corpo humano é formado por várias partes como órgãos,
músculos, ossos e outros componentes. Da mesma forma, estas partes podem dividir-se em
estruturas, como, por exemplo, o coração visto na Figura 5.1, que possui válvulas, ventrículos,
átrios, etc.
FIG. 5.11 Partes do VRML reestruturadas em BranchGroups (BGs).
Para um ambiente virtual mais realista, as classes BranchgroupofVrml e PieceofVrml
permitiram a separação das partes de um VRML composto em vários BranchGroups (Figura
5.11), preservando as características de dimensão e posicionamento das partes no AVC e
conseqüentemente sendo transparente (imperceptível) ao usuário.
A decomposição do objeto VRML em várias partes facilitou a manipulação das mesmas,
como a remoção de uma parte do objeto e a visualização das partes internas do coração.
5.4.2. CAMADA DE COMUNICAÇÃO
No ACOnTECe, a Camada de Comunicação utiliza multicasting para a distribuição de
dados pela rede, possibilitando maior escalabilidade ao sistema multi-usuário proposto. Cada
usuário possui uma réplica do AVC em sua máquina, e toda alteração feita em uma cópia do
95
ambiente é transmitida pela rede para todos os participantes que utilizam o mesmo IP
Musticast (Figura 5.12).
FIG. 5.12 Modelo de transmissão Multicast.
Diferente do tráfego de dados unicasting mais comum na Internet, que requer conexões
separadas para cada par origem-destino, IP Multicast permite que cada pacote seja distribuído
ao mesmo tempo para todos os membros do grupo, conseqüentemente possibilitando uma
economia de largura de banda.
O desempenho em rede do ambiente colaborativo é correspondente ao desempenho do
sistema COVET, já que o modelo de controle de comunicação é o mesmo. Em uma versão
futura do sistema, será implementado um novo protocolo de transmissão de pacotes para os
participantes do AVC.
Em aplicações para a área médica, a latência é um requisito bastante relevante, pois há a
necessidade de que ações feitas no ambiente sejam refletidas em tempo real aos outros
participantes. As modificações feitas no ambiente serão transmitidas em pacotes de dados
pequenos, porém freqüentes, correspondentes apenas a estas mudanças, o que possibilita um
tráfego de dados mais rápido na rede e conseqüentemente, confere menor latência e maior
confiabilidade ao sistema. A nova arquitetura de comunicação deve garantir retardo máximo,
mas foge ao escopo deste trabalho.
Como mostra a Figura 5.8, a Camada de Comunicação controla a comunicação entre os
AVCs conectados em rede e contém as regras de negócio do sistema.
A classe cSharing, classe principal da Camada de Comunicação, é uma thread que
“escuta” a rede, dirigindo as modificações feitas no ambiente virtual. cSharing cria uma
instância da classe nativa MulticastSocket, cuja função é tanto o envio quanto o recebimento
96
de um Datagrama UDP contendo informações do pacote de dados, o tamanho do pacote, o
grupo Multicast e a porta.
As ações de um participante do AVC, que devam ser compartilhadas pelo grupo
musticast, fazem uma chamada ao método sendmainviewcommand (da classe cSharing), o
qual recebe o comando da Camada de Interface e monta o Datagrama UDP que será enviado
para o grupo Multicast.
A thread é ativada em cada réplica do AVC e então o método run é executado. O método
run recebe e decompõe o Datagrama UDP para interpretar o comando que deve ser executado.
O método run também contém as regras de negócio do AVC, as quais determinam as
modificações a serem feitas no cenário Java 3D para cada comando recebido. Sendo assim, o
método run é responsável pela comunicação entre as camadas do sistema no sentido: Camada
de Comunicação→Camada de Interface.
FIG. 5.13 Formato do pacote de controle.
O pacote de dados é representado por um array de bytes (Figura 5.13), cujos campos de 2
em diante significam o comando a ser executado por cSharing. O campo 0 representa o
usuário que provocou a mudança e o campo 1 representa o tamanho do comando.
5.5. FUNCIONALIDADES DO SISTEMA
O primeiro protótipo do ACOnTECe trata-se de um sistema não-imersivo executado em
plataforma desktop com dispositivos convencionais de interação, cujas funcionalidades são o
aprendizado de anatomia do coração e o treinamento das etapas da cirurgia de transplante
cardíaco.
O desenvolvimento do Módulo de Anatomia é tecnicamente menos complicado que o
desenvolvimento do Módulo de Treinamento. A simulação da cirurgia através de dispositivos
97
convencionais restringe-se a mostrar as etapas da cirurgia e ensinar quais partes da mesma são
críticas.
Uma vez que é possível interagir de maneira mais realista no ambiente, a implementação
das etapas da cirurgia também deve ser aprimorada para atender a características de
tratamento de força aplicada aos objetos, deformação de malhas, etc.
Os Módulos de Anatomia e Treinamento são apresentados nas subseções a seguir.
5.5.1. MÓDULO DE ANATOMIA
O módulo de anatomia consiste em uma ferramenta de ensino da anatomia cardíaca, onde
o coração é visualizado em três dimensões, por vários ângulos. As estruturas do sistema
cardiovascular como válvulas, veias pulmonares, aorta, ventrículos e átrios dentre outras
estruturas, podem ser estudadas separadamente pelos participantes conectados ao Ambiente
Virtual Colaborativo, através do uso de transparência dos demais componentes (Figura 5.14).
FIG. 5.14 Visão da anatomia do Ventrículo Esquerdo.
Além da tela principal do ambiente, outras três visões, lateral, superior e posterior, são
carregadas na interface gráfica em escalas menores. Sendo assim, ao manipular o objeto, o
usuário pode simultaneamente visualizar o objeto em quatro ângulos, um na tela principal e
outros três nas telas secundárias.
98
FIG. 5.15 Ventrículo esquerdo e válvulas aórtica e pulmonar, com dicionário explicativo.
Caso o usuário deseje, é possível ter uma visualização parcialmente transparente das
estruturas. Além da visão mais realista do coração, o AConTECe dispõe de um dicionário
(Figura 5.15), formado por arquivos de texto, para tais estruturas cardíacas, explicando
características físicas e funcionalidades referentes a cada uma. Para a elaboração dos textos
foram utilizados como referências os Atlas de Anatomia Humana (SOBOTTA e BECHER,
1995).
A entrada para visualização do dicionário de determinada estrutura pode ser feita tanto
através de um componente JComboBox da interface GUI (Java Swing), quanto pelo ambiente
tridimensional, clicando em cima da estrutura.
5.5.2. MÓDULO DE TREINAMENTO
O Módulo de treinamento constitui-se de um simulador para cirurgia cardíaca. O estudo
de caso utilizado na implementação deste módulo é o transplante de coração. Neste módulo
são propostos dois tipos de treinamento, externo e interno.
No AVC não-imersivo, são inicialmente carregados modelos tridimensionais do tórax,
pulmões, coração. Cada participante do sistema colabora no procedimento virtual exercendo
determinada função.
99
FIG. 5.16 Ferramentas cirúrgicas.
Clicando em botões da interface gráfica, o usuário escolhe uma ferramenta cirúrgica para
inserir e utilizar no ambiente, como por exemplo, bisturi, tesoura (Figura 5.16), e toda
simulação é visualizada pelos participantes como se eles estivessem fisicamente em uma sala
cirúrgica real.
Basicamente os passos simulados são o corte e a abertura do esterno (Figura 5.17), a
inserção dos tubos da máquina de circulação extracorpórea, a retirada do coração debilitado e
a inserção e sutura do coração do doador.
FIG. 5.17 Parte da simulação do corte do esterno.
Na opção “Treinamento Interno”, são utilizados modelos com transparência
de 50 % dos pulmões e da superfície externa do coração. Desta forma, no momento da
operação virtual, é possível ver as ferramentas cirúrgicas transpassando o órgão e em que
local elas irão atingir o coração internamente (Figura 5.18).
100
FIG. 5.18 Módulo de Treinamento - Visão Interna.
Para a análise posterior a simulação das etapas do treinamento no ACOnTECe, é possível
ainda que sejam salvos screenshots referentes aos procedimentos executados no sistema
virtual.
Um vídeo de demonstração da utilização tanto do Módulo de Treinamento, quanto do
Módulo de Anatomia, permite um melhor entendimento do funcionamento do sistema e está
disponível no website do Laboratório ACiMA (Ambientes Colaborativos e Multimídia
Aplicada), http://acima.lncc.br.
101
6. CONCLUSÃO
No desenvolvimento deste trabalho, foram avaliadas as possibilidades de aplicação da
Realidade Virtual na criação do simulador cirúrgico, e como conseqüência foram feitas as
considerações relacionadas aos recursos de hardware e software disponíveis para a criação do
sistema virtual, ao tipo de ambiente virtual para a simulação, assim como a maneira que o
problema proposto pelo sistema deveria ser simulado.
Baseando-se nestas questões foi definido um ambiente virtual:
• Multi-usuário, distribuído, cuja maneira escolhida para a interação entre
participantes é a colaboração;
• Não-imersivo, executável em plataforma desktop, na qual a interação dos usuários
com o ambiente é feita por meio de mouse.
• Independente de plataforma, podendo ser carregado em diferentes sistemas
operacionais.
Desta maneira, o ambiente virtual caracteriza-se como um sistema disponível para
utilização em computadores pessoais (PCs), com placa de vídeo com aceleração 3D, como a
maioria existente atualmente no mercado.
A linguagem Java foi escolhida para a implementação do ambiente, e os objetos
tridimensionais foram construídos utilizando-se linguagem VRML. O fato das duas
linguagens serem multi-plataforma e o sistema desenvolvido poder ser executado em
hardware convencional permitiu a criação de um sistema democrático.
A dificuldade encontrada no desenvolvimento do protótipo foi a implementação de uma
melhor forma de interação entre as linguagens Java e VRML por meio da API Java 3D, de
modo que foi necessária a criação de classes Java que possibilitassem o tratamento de objetos
VRML antes de sua inserção no grafo de cenário Java 3D.
O tratamento dos objetos tridimensionais repercutiu na manipulação mais realista dos
objetos no mundo virtual, assim como no processo de implementação dos módulos de
Anatomia e de Treinamento.
102
Ambientes Virtuais Colaborativos voltados para a área médica necessitam de um
tratamento diferenciado para a transmissão de dados pela rede, de modo que a latência da
transmissão seja a mínima possível, influenciando positivamente na escalabilidade do sistema
e colaboração efetiva entre os usuários. Neste trabalho foi utilizado multicasting para o
controle do fluxo de dados pela rede, sendo que uma nova arquitetura de distribuição de dados
está sendo projetada.
O trabalho desenvolvido apresenta como principal contribuição o desenvolvimento de
uma ferramenta atrativa de ensino e treinamento para médicos e estudantes da área de
cardiologia, no caso da simulação, especificamente para o transplante cardíaco.
A utilização de um Ambiente Virtual Colaborativo sobre a Internet implica em um
aprendizado dinâmico e espontâneo, estimulando a participação e possibilitando a
colaboração simultânea entre usuários espalhados remotamente pelo mundo.
Durante o desenvolvimento do trabalho foram elaborados dois artigos científicos sobre o
protótipo. O protótipo sugerido em (ALBERIO E OLIVEIRA, 2004) foi apresentado no
WorkShop de Teses e Dissertações do Symposium on Virtual Reality 2004, e propunha um
ambiente para o treinamento de cirurgia de substituição de válvula mitral.
Em relação aos trabalhos futuros, outras funcionalidades serão adicionadas a uma versão
avançada do sistema. O protótipo utilizará um PHANToM, dispositivo de hardware
apresentado na seção 2.3.1, cuja finalidade é a simulação háptica no ambiente, ou seja, o
retorno de toque e de posição dos movimentos de instrumentos, tais como bisturi, utilizados
pelo usuário.
Outras sugestões para novos trabalhos baseados no ACOnTECe incluem:
• A aplicação de Tutores Inteligentes ao simulador. Tutores Inteligentes fazem uso
de sistemas de agentes inteligentes na Educação a Distância. A tecnologia de
agentes inteligentes é um campo abrangente dentro da Inteligência Artificial, e a
Inteligência Artificial Distribuída (IAD) é o ramo da inteligência artificial que
está relacionado com a solução cooperativa de problemas em um certo ambiente
através de agentes distribuídos.
• A simulação de cirurgias em outras áreas médicas.
• Criação de modelos tridimensionais dos órgãos a partir de imagens de
Tomografia Computadorizada, o que direciona o estudo para um paciente
103
específico e como conseqüência possibilita, por exemplo, análise de casos de
anomalia congênita, defeitos estruturais presentes ao nascimento (malformações
primárias, secundárias e deformações).
• Um protótipo de Tele-Cirurgia, onde os movimentos executados no ambiente
virtual manipulam o robô que opera o paciente remotamente.
104
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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