( PDF ) Desenvolvimento de uma arquitetura de distribuição de realidade virtual e aumentada aplicada em ambientes educacionais

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA

FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA

PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

Desenvolvimento de uma arquitetura de distribuição de realidade virtual e aumentada

aplicada em ambientes educacionais

Dissertação apresentada à Universidade Federal de Uberlândia por

KEILA DE FÁTIMA CHAGAS NOGUEIRA

Como parte dos requisitos para obtenção do título de

Mestre em Ciências no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica

Edgard A. Lamounier Junior, PhD – Orientador

Alexandre Cardoso, Dr – Coorientador

UBERLÂNDIA, AGOSTO DE 2010

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KEILA DE FÁTIMA CHAGAS NOGUEIRA

Desenvolvimento de uma arquitetura de distribuição de realidade virtual e aumentada

aplicada em ambientes educacionais

Dissertação apresentada por Keila de Fátima

Chagas Nogueira, à Universidade Federal de

Uberlândia (UFU), Faculdade de Engenharia

Elétrica, para obtenção do título de Mestre em

Ciências.

Área de Concentração

Processamento da Informação

Banca Examinadora:

Edgard A. Lamounier, PhD – Orientador

Alexandre Cardoso, Dr – Coorientador

Claúdio Kirner, PhD

Keiji Yamanaka,PhD

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iii

Desenvolvimento de uma arquitetura de distribuição de realidade virtual e aumentada

aplicada em ambientes educacionais

Keila de Fátima Chagas Nogueira

Dissertação apresentada à Universidade Federal de Uberlândia como parte

dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Ciências.

_______________________________ ____________________________

Prof.Dr. Alexandre Cardoso Prof.PhD.Edgard Lamounier Júnior

Coordenador de Pós-Graduação Orientador

À aos meus pais Elias e Fátima e

principalmente para meu amado Kenedy

Lopes Nogueira.

Agradecimentos

9 A Deus, por estar a cada dia me ensinando uma nova maneira de viver e

enxergar a vida.

9 Ao Professor Edgard Lamounier pelas orientações, apoio, compreensão e

dedicação;

9 Ao Professor Alexandre Cardoso, pelo apoio e orientação.

9 À Coordenação do Curso de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica pela

oportunidade de realização deste trabalho;

9 Aos professores do curso de pós-graduação pelos conhecimentos que adquiri

durante a fase dos créditos;

9 Aos colegas de pesquisa pelo apoio e motivação para vencer os desafios

(Kenedy Lopes, Elvio Prado, Luciano Silva, Ezequiel Zorzal, Webert Vieira,

Eduardo Souza, Marlus Dias, Daniel Stefany) enfim a todos do laboratório de

Computação Gráfica que me apoiaram durante este trabalho.

9 Um agradecimento muito especial a meu amor Kenedy Lopes Nogueira, uma

pessoa que está do meu lado sempre apoiando em cada etapa da minha vida.

Essa conquista também é sua.

9 Agradecimento especial aos meus pais, Elias e Fátima. O apoio para mim foi

muito importante nesta jornada. Obrigada pai e mãe pelo que sou hoje e por

terem me auxiliado na conclusão de mais esta etapa em minha vida.

9 A meus sogros Oswaldo e Eliani, a meus irmãos Oswaldo Filho e Selma e todos

da minha família que se sempre me apoiaram.

9 A minha amiga Roberta Kelly, pelo apoio de sempre.

9 A meus pequenos afilhados João Lucas e Carlos Eduardo, anjinhos de Deus na

minha vida.

9 Enfim a todos que de alguma maneira colaboraram para a realização desta

dissertação.

vii

RESUMO

NOGUEIRA, Keila F C. Desenvolvimento de uma arquitetura de distribuição de Realidade

Virtual e Aumentada aplicada em Ambientes Educacionais, 2010. 92 P. Dissertação

(Mestrado em Ciências) Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, UFU, 2010.

Palavras-Chave: Realidade Virtual, Realidade Aumentada, Sistemas Distribuídos,

Aprendizado.

Atualmente, o acesso à informação esta cada dia mais fácil, devido ao avanço da

Tecnologia da Informação e Comunicação (TIC), reflexo da popularização do

computador e da Internet, tanto nas escolas quanto nas residências.

No mesmo contexto pesquisas e projetos, estão sendo desenvolvidos voltados

para novas metodologias de ensino. Esses projetos facilitam novos métodos

educacionais quando comparado com métodos tradicionais. Hoje é possível que vários

laboratórios (física, química, matemática) possam ser simulados por meio de um único

laboratório de informática.

Existem várias tecnologias de suporte à criação destes sistemas, podendo

destacar Realidade Virtual que permite criar modelos e ambientes e simulá-los como se

fossem reais. Outra tecnologia é a Realidade Aumentada, onde é possível inserir

elementos de aprendizagem virtuais em ambientes reais, o que possibilita o aumento de

alternativas de ferramentas educacionais.

Contudo, os sistemas distribuídos de Realidade Virtual e Realidade Aumentada

desenvolvidos atualmente estão limitados na quantidade de objetos virtuais pertencentes

ao ambiente utilizado, outra questão é que nestes sistemas ora utilizam Realidade

Virtual ou Aumentada para resolver seus problemas de forma independente, não com

completando as duas tecnologias.

Assim, essa dissertação tem a proposta de apresentar uma arquitetura de

distribuição de Realidade Virtual e Aumentada, onde qualquer modelo ou ambiente

virtual poderá ser distribuído em ambas, o que permite maior flexibilidade da arquitetura

proposta.

viii

ABSTRACT

NOGUEIRA, Keila F C. Desenvolvimento de uma arquitetura de distribuição de Realidade

Virtual e Aumentada aplicada em Ambientes Educacionais, 2010. 92P. Dissertação

(Mestrado em Ciências) Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, UFU, 2010.

Key-words: Virtual Reality, Augmented Reality, Distributed Systems, Learning

Currently, access to information is increasingly easy because of the advancement

of Information and Communication Technology (TIC), reflecting the popularization of

computers and the Internet, both in schools as at home.

In the same context research projects are being developed toward new teaching

methodologies. These projects facilitate new educational methods compared with

traditional methods. Today is possible to simulate several laboratories (physics,

chemistry, mathematics) by a single computer lab.

There are several technologies that support the creation of these systems,

included Virtual Reality that lets you create Virtual models and environments and

simulate them as if they were real. Another technology is Augmented Reality, where you

can insert elements of virtual learning in real environments, which increases the number

of alternative educational tools.

However distributed systems Virtual Reality and Augmented Reality developed

today are limited in the amount of virtual objects belonging to the environment used,

another issue is that these systems use either Virtual or Augmented Reality to solve their

problems independently, not completing the two technologies.

Thus, this dissertation came with the proposal to develop a distribution

architecture for Virtual and Augmented Reality, where any model or virtual environment

may be distributed, which allows greater flexibility of the proposed architecture

Lista de Publicações

A seguir são apresentadas as publicações no período de realização deste trabalho:

CHAGAS, K. F.; Nogueira, K.L; Lamounier, E. ; Cardoso, A.; Proposta de uma

arquitetura de distribuição de Realidade Virtual e Aumentada em Ambientes

Educacionais. In: Symposium on Virtual and Augmented Reality, 2010, Natal.

Prêmio de Melhor Short Paper da Conferência.

CHAGAS, K. F.; Nogueira, K.L; Cardoso, A.; Lamounier, E. . UMA

ARQUITETURA PARA A DISTRIBUIÇÃO DE REALIDADE VIRTUAL E

AUMENTADA APLICADA NA EDUCAÇÃO. In: Simpósio Brasileiro de Informática

na Educação, 2009, Florianópolis. Uma Arquitetura para a Distribuição de

Realidade Virtual e Aumentada aplicada na Educação, 2009.

CHAGAS, K. F.; Nogueira, K.L; Lamounier, E. ; Cardoso, A.. ARQUITETURA DE

DISTRIBUIÇÃO DE REALIDADE VIRTUAL E AUMENTADA. In: WRVA - 6º

Workshop de Realidade Virtual e Aumentada, 2009, Santos. ARQUITETURA DE

DISTRIBUIÇÃO DE REALIDADE VIRTUAL E AUMENTADA, 2009.

CHAGAS, K. F.; Cardoso, A.; Lamounier, E. ; Nogueira, K.L. UM SISTEMA DE

COMUNICAÇÃO SÍNCRONA COM SUPORTE A REALIDADE VIRTUAL E

AUMENTADA. In: CEEL- Conferência em Estudos de Engenharia Elétrica, 2007,

Uberlândia. UM SISTEMA DE COMUNICAÇÃO SÍNCRONA COM SUPORTE A

REALIDADE VIRTUAL E AUMENTADA, 2007.

SUMÁRIO



CAPÍTULO 1..........................................................................................................................17



1 INTRODUÇÃO...............................................................................................................17

1.1 MOTIVAÇÃO....................................................................................................................18

1.2 OBJETIVOS......................................................................................................................20

1.3 ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO.................................................................................21

CAPÍTULO 2..........................................................................................................................22

2 FUNDAMENTOS TECNOLÓGICOS SISTEMAS DISTRIBUÍDOS...........................22

2.1 INTRODUÇÃO..................................................................................................................22

2.2 MODELOS DE COMPUTAÇÃO DISTRIBUÍDA...................................................................24

2.2.1 Cliente- Servidor......................................................................................................24

2.2.2 Peer-to-peer..............................................................................................................26

2.3 ARQUITETURA TCP/IP...................................................................................................27

2.4 PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO TCP E UDP............................................................29

2.5 TECNOLOGIAS DE DISTRIBUIÇÃO..................................................................................30

2.5.1 Socket........................................................................................................................30

2.5.2 RMI e RPC................................................................................................................30

2.5.3 Comparações entre as tecnologias abordadas...................................................31

2.6 CONSIDERAÇÕES FINAIS...............................................................................................32

CAPÍTULO 3..........................................................................................................................33

3 FUNDAMENTOS TECNOLÓGICOS DE REALIDADE VIRTUAL E AUMENTADA 33

3.1 INTRODUÇÃO..................................................................................................................33

3.2 REALIDADE VIRTUAL......................................................................................................33

3.3 REALIDADE AUMENTADA................................................................................................34

3.3.1 ARToolKit..................................................................................................................36

3.4 AMBIENTES VIRTUAIS DISTRIBUÍDOS............................................................................38

3.4.1 Sistema de Ambiente Virtual Multiusuário Centralizado....................................38

3.4.2 Sistema de Ambientes Virtuais Multiusuários Distribuídos...............................39

3.5 CONSIDERAÇÕES FINAIS...............................................................................................41

CAPÍTULO 4..........................................................................................................................42

4 TRABALHOS RELACIONADOS.................................................................................42

4.1 INTRODUÇÃO..................................................................................................................42

4.2 SISTEMAS DE REALIDADE VIRTUAL DISTRIBUÍDO........................................................43

4.2.1 DIVE...........................................................................................................................43

4.2.2 Arquitetura para Distribuição de AV Multidisciplinares de Ensino...................43

4.2.3 Ambientes distribuídos em Realidade Virtual com suporte a Aprendizagem

Cooperativa para a Resolução de Problemas..............................................................................44



4.3 SISTEMAS DE REALIDADE AUMENTADA DISTRIBUÍDOS................................................45

4.3.1 Arquitetura para Distribuição e Colaboração em Ambientes Virtuais de

Realidade Aumentada.......................................................................................................................45



4.3.2 NetArtoolkit...............................................................................................................46

4.3.3 SACRA......................................................................................................................47

4.4 CONSIDERAÇÕES FINAIS...............................................................................................48

CAPÍTULO 5..........................................................................................................................51

5 ESPECIFICAÇÃO DO SISTEMA.................................................................................51

5.1 INTRODUÇÃO..................................................................................................................51

5.2 ARQUITETURA DO SISTEMA...........................................................................................51

5.3 INTERFACE GRÁFICA COM USUÁRIO – GRAPHICAL USER INTERFACE (GUI).............54

5.3.1 Recursos...................................................................................................................55

5.4 CONSIDERAÇÕES FINAIS...............................................................................................60

CAPÍTULO 6..........................................................................................................................61

6 DETALHES DE IMPLEMENTAÇÃO...........................................................................61

6.1 INTRODUÇÃO..................................................................................................................61

6.2 ESTÁGIOS DESENVOLVIDOS..........................................................................................62

6.2.1 Protocolo de envio de dados..................................................................................62

6.2.2 Servidor.....................................................................................................................63

6.2.3 Solicitando a abertura de objetos existentes – Cliente......................................66

6.2.4 Novo objeto - Cliente...............................................................................................67

6.2.5 Mensagem de texto- Cliente..................................................................................68

6.2.6 Distribuidor de Eventos...........................................................................................69

6.3 ESTUDOS DE CASO........................................................................................................69

xii

6.3.1 Coração Virtual.........................................................................................................69

6.3.2 Motor Virtual.............................................................................................................71

6.4 CONSIDERAÇÕES FINAIS...............................................................................................72

CAPÍTULO 7..........................................................................................................................73

7 AVALIAÇÕES E RESULTADOS.................................................................................73

7.1 INTRODUÇÃO..................................................................................................................73

7.2 VERIFICAÇÃO E VALIDAÇÃO DO SOFTWARE.................................................................73

7.3 AMBIENTE EXPERIMENTAL.............................................................................................74

7.4 RESULTADOS DA ANÁLISE OBTIDA................................................................................74

7.4.1 Latência de Comunicação......................................................................................74

7.4.2 Escalabilidade..........................................................................................................76

7.5 AVALIAÇÃO DO SISTEMA................................................................................................76

7.5.1 Funcionalidade.........................................................................................................77

7.5.2 Usabilidade...............................................................................................................78

7.5.3 Confiabilidade...........................................................................................................79

7.5.4 Eficiência...................................................................................................................80

7.5.5 Portabilidade.............................................................................................................81

7.6 CONSIDERAÇÕES FINAIS SOBRE O PROTÓTIPO RVANET............................................82

CAPÍTULO 8..........................................................................................................................84

8 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS..............................................................84

8.1 CONCLUSÕES.................................................................................................................84

8.2 TRABALHOS FUTUROS...................................................................................................85

8.3 CONSIDERAÇÕES FINAIS...............................................................................................86

ANEXO I.................................................................................................................................93

xiii

ÍNDICE TABELAS

Tabela 2.1 - Comparação Socket, RMI e RMC ....................................................................... 31

Tabela 4.1- Comparação dos trabalhos relacionados ao projeto ......................................... 49

Tabela 6.1 - Sintaxe do protocolo de envio .............................................................................. 62

Tabela 8.1- Comparativa das características relevantes as a pesquisa ............................. 84

xiv

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2.1- Processos Cliente Servidor .................................................................................... 25

Figura 2.2- Cliente Servidor ........................................................................................................ 25

Figura 2.3- Modelo Peer-to-Peer ............................................................................................... 26

Figura 2.4 - Arquitetura TCP/IP .................................................................................................. 27

Figura 2.5 - Portas de Comunicação ......................................................................................... 28

Figura 3.1- (a) Usuário em laboratório usando capacete HMD (b) Ambiente virtual no

qual o usuário está imerso .................................................................................................. 33

Figura 3.2 - (a) colocando um marcador em um sistema e (b) visualizando a malha de

elementos finitos para o estudo particular de análises de temperatura (Weidlich. et.

al. 2008). ................................................................................................................................ 34

Figura 3.3 - Diagrama de Realidade/Virtualidade Continua (Milgram, ET al., 1994). ....... 35

Figura 3.4 –(a) Imagem Real (Input Vídeo) e (b) Imagem Binária Capturada .................. 36

Figura 3.5 - Objetos Virtuais sobre o marcador ....................................................................... 37

Figura 3.6 - Diagrama de funcionamento do ARToolkit adaptada de (Kato, 2000) ........... 37

Figura 3.7 - Modelos de Sistema de AV Multiusuário Centralizado (Kirner, 1996). .......... 39

Figura 3.8 - Modelos de Sistema de AV Multiusuário Distribuído (Kirner, 1996) ............... 39

Figura 3.9 - Acesso ao ambiente virtual replicado (Kirner, 1996) ........................................ 40

Figura 3.10 - Acesso ao ambiente virtual particionado (Kirner, 1996) ................................. 40

Figura 4.1- Áreas Relacionadas – Adaptada de (Silva, 2008) ......................................... 42

Figura 4.2 - Sistema de RV (Dive, 2008) .................................................................................. 43

Figura 4.3 - Ambiente Virtual de Biologia e Química (Ribeiro, 2006) .................................. 44

Figura 4.4 - Sistema LVD Silva (2008)...................................................................................... 45

Figura 4.5 - RA Distribuído (Silva, 2008) .................................................................................. 46

Figura 4.6 - Objeto Virtual após o envio do comando set_rotation (Oliveira, 2008) .......... 47

Figura 4.7 - Exemplo dos marcadores de ações e referência (Santin, 2008) .................... 48

Figura 5.1 - Arquitetura do Sistema ........................................................................................... 51

Figura 5.2 – Módulo Cliente ........................................................................................................ 52

Figura 5.3 - Fluxo da Informação ............................................................................................... 53

Figura 5.4 - Arquitetura Cliente/Servidor .................................................................................. 54

Figura 5.5 - Inicializar Servidor ................................................................................................... 55

Figura 5.6 - Interface Cliente ...................................................................................................... 56

Figura 5.7 - Editor VRML ............................................................................................................. 57

Figura 5.8 - Interface RA ............................................................................................................. 58

Figura 5.9 - Download Modelos VRML ..................................................................................... 58

Figura 5.10 - Novo Objeto ........................................................................................................... 59

Figura 5.11 - Novo Objeto Biblioteca ........................................................................................ 59

Figura 6.1 - Código Identificador de eventos 1 ........................................................................ 63

Figura 6.2 - Código Identificador de eventos 2 ........................................................................ 64

Figura 6.3 - Código Identificador de eventos 3 ........................................................................ 65

Figura 6.4 - Código enviar objeto existente.............................................................................. 66

Figura 6.5 - Atualização de objeto existente ............................................................................ 67

Figura 6.6 - Código Novo objeto ................................................................................................ 68

Figura 6.7 - Código Mensagem de Texto ................................................................................. 68

Figura 6.8 - Código Distribuidor de Eventos ............................................................................ 69

Figura 6.9 - Coração em RV ....................................................................................................... 70

Figura 6.10 - Coração em RV e RA ........................................................................................... 70

Figura 6.11 - Motor em RV .......................................................................................................... 71

Figura 6.12 - Motor em RA .......................................................................................................... 72

Figura 7.1 - Latência de Comunicação ..................................................................................... 75

Figura 7.2 - Escalabilidade ......................................................................................................... 76

Figura 7.3 – Funcionalidade ....................................................................................................... 77

Figura 7.4 – Usabilidade .............................................................................................................. 78

Figura 7.5 - Confiabilidade .......................................................................................................... 79

Figura 7.6 - Eficiência .................................................................................................................. 80

Figura 7.7 – Portabilidade ........................................................................................................... 81

Figura 7.8 - Dados Gerais Norma ISO 9126 ............................................................................ 82

Figura 7.9 - Avaliações Finais .................................................................................................... 83

xvi

LISTA DE ABREVIATURAS

AV- Ambientes Virtuais

AVD - Ambientes Virtuais Distribuidos

API - Application Programming Interface

ARToolKit - Augmented Reality Tool Kit

CORBA- Commom Object Broker Architeture

IDL - Interface Definition Language

OpenGL - Open Graphics Library

ORB - Object Request Broker

ProInfo - Programa Nacional de Informática na Educação

RA - Realidade Aumentada

RNA - Redes Neurais Artificiais

RV - Realidade Virtual

RMI - Remote Method Invocation

RMC - Remote Procedure Call

SD – Sistemas Distribuídos

SEED- Secretaria de Educação a Distância

SL – Second Life

TICs- Tecnologias de Informática e Comunicações

USP - Universidade de São Paulo

UEL - Universidade Estadual de Londrina

UFU - Universidade Federal de Uberlândia

UNESCO - United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization

VRML - Virtual Reality Modeling Language

Capítulo 1

1 Introdução

Anualmente, a UNESCO lança um relatório de Monitoramento de Educação,

Ciência e Cultura (UNESCO). A qualidade da educação no Brasil, segundo este relatório

é baixa, principalmente no ensino básico. O relatório lançando dia 19 de Janeiro de 2010

aponta que, apesar da melhora apresentada entre 1999 e 2007, o índice de repetência no

ensino fundamental brasileiro (18,7%) é o mais elevado na América Latina e fica

expressivamente acima da média mundial (2,9%). O alto índice de abandono nos

primeiros anos de educação também alimenta a fragilidade do sistema educacional do

Brasil. Cerca de 13,8% dos brasileiros largam os estudos já no primeiro ano no ensino

básico. Neste quesito, o País só fica à frente da Nicarágua (26,2%) na América Latina e,

mais uma vez, bem acima da média mundial (2,2%) (UNESCO, 2010).

Na avaliação da UNESCO, o Brasil poderia se encontrar em uma situação melhor

se não fosse à baixa qualidade do seu ensino. Das quatro metas quantificáveis usadas

pela organização, o País registra altos índices em três (atendimento universal, igualdade

de gênero e analfabetismo), mas um indicador muito baixo no porcentual de crianças que

ultrapassa o 5º ano. Problemas que a educação brasileira ainda enfrenta: a estrutura

física precária das escolas e o número baixo de horas em sala de aula são apontados

pelos técnicos da UNESCO como fatores determinantes para a avaliação da qualidade do

ensino (UNESCO, 2010).

Para tentar resolver os problemas citados acima, o Ministério da Educação

implantou o ProInfo (Programa Nacional de Informática na Educação). O ProInfo é

desenvolvido pela Secretaria de Educação a Distância (SEED), por meio do

Departamento de Infra-Estrutura Tecnológica (DITEC), em parceria com as Secretarias de

Educação Estaduais e Municipais.

O ProInfo é um programa educacional criado para promover o uso pedagógico das

tecnologias de informática e comunicações (TICs) na rede pública de ensino fundamental

e médio apoiando ao processo de ensino-aprendizagem (ProInfo, 2010).

1.1 Motivação

Através do ProInfo poucos são os centros educacionais do país que não possuem

recursos computacionais. As tecnologias computacionais aplicáveis à educação são

normalmente enquadradas em quatro categorias (Fernando, 2008), apresentadas abaixo

com os respectivos exemplos:

9 tutorial: ensinam através de demonstrações e simulações em seqüências

predefinidas pelo sistema, cujos exemplos mais comuns são: sistemas

multimídia em CD-ROM;

9 exploratório: facilitam a aprendizagem ao fornecerem informações,

demonstrações ou simulações quando requeridas pelo estudante. Exemplos

relevantes são: web, enciclopédias multimídia em CD-ROM;

9 aplicativos: usados para edição de texto e figuras, e análise de dados. Os

exemplos mais comuns são: processadores de texto, planilhas,

gerenciadores de bancos de dados e sistemas de gravação/edição de vídeo;

9 comunicação: conjuntos de software e hardware usados para

intercomunicação em redes locais, acesso à Internet e seus serviços, correio

eletrônico, chats, etc.

Uma quinta categoria que se pode destacar é o uso de Ambientes Virtuais.

Pantelidis (Shulman, 1999), co-diretora do Virtual Reality and Education Laboratory da

East Carolina University em Greenville, North Carolina, e editora da VR in the Schools,

descreve algumas situações em que a RV pode ser muito útil na sala de aula. Primeiro, a

RV deveria ser usada para ensinar assuntos nos quais a forma tradicional pode ser

perigosa (estudar a estrutura de uma tempestade), prejudicial ao ambiente (simular um

desastre químico em um rio) ou cara (um mergulho subaquático). Segundo, as aplicações

de RV fazem sentido por permitirem que os estudantes aprendam em ambientes que não

podem ser experimentados. Como visitar Marte, viajar dentro do corpo humano, ou

mover-se entre as moléculas de um composto químico. Pantelidis afirma, por fim, que os

projetistas devem enfocar as aplicações de RV para a visualização de um conjunto de

informações ou conceitos para que eles possam ser mais facilmente compreendidos.

Segundo Rodello et.al (2002), apesar da teoria sobre RV não ser muito nova,

somente nos últimos anos esta vem apresentando uma grande evolução, onde suas

implementações tecnológicas já estão sendo utilizadas por diversas áreas do

conhecimento, como por exemplo: medicina, arquitetura, educação, astronomia,

simulação, entre outros.

Ambientes Virtuais Distribuídos (AVDs) vêm crescendo e apresentando um elevado

potencial de aplicação (Kirner, 2004). Eles são caracterizados por cenários

tridimensionais com alto índice de interação onde usuários, dispersos geograficamente,

podem cooperar e compartilhar dados e informações em tempo real. Para tal, é

necessário o suporte de rede de computadores, visando à melhoria do desempenho

coletivo (Benford, 1994). São encontradas algumas limitações nos sistemas atuais:

9 Distribuição somente em rede locais: ambientes virtuais distribuídos em rede

local implica na utilização somente de computadores agrupados em um

limitado espaço como, por exemplo, um laboratório. Isto limita o uso de

recursos de ensino, via internet, com maior alcance populacional.

9 Distribuição simultânea de RV e RA: não contemplando as duas tecnologias

ao mesmo tempo (Silva, 2008). A vantagem de utilizar as duas tecnologias é

o melhor aproveitamento ou entendimento de um modelo virtual, como por

exemplo, em modelos atômicos deixam de ser apenas descritos ou

ilustrados pelos professores através da lousa. A interatividade efetiva das

técnicas de RV e RA propiciam ao estudante acesso, facilitando a

compreensão em nível teórico. Em outras palavras, um sistema de RV e RA

permite uma melhor representação (visualização) dos conceitos científicos

(teorias, modelos atômicos) e, dessa forma, propicia melhores condições de

aprendizagem. (ROGADO, 2008)

Este trabalho propõe uma arquitetura flexível, tanto para o uso de ambientes RV e

RA distribuídos e promover a distribuição não só em Redes Locais (LAN), como também

na Internet, a fim de contribuir para o aumento do uso desta tecnologia.

Uma das motivações para o desenvolvimento de ambientes virtuais de RV e RA

distribuídos na Web está na possibilidade de transformar o mesmo em um lugar social

onde uma comunidade de usuários possa compartilhar e interagir com essa informação

(Kirner, 2004). Sendo que a Educação deve ser um processo de construção de

conhecimento ao qual ocorrem em condição de complementaridade: de um lado, os

alunos e professores e, do outro, os problemas sociais atuais e o conhecimento já

construído (Becker, 2002). Tem-se, como exemplo, o uso do software Second Life, que é

um ambiente distribuído capaz de suportar comunidades virtuais.

O fundamento dos ambientes está em incentivar cada usuário, conhecido como um

avatar, a encontrar um meio de sobreviver, aprendendo e desenvolvendo atividades

lucrativas, as quais irão refletir diretamente em seu poder aquisitivo dentro do jogo.

Vários filmes mostram a tendência científica dos avatares em ambientes virtuais,

como por exemplo, os filmes: Avatar, Os Substitutos e Game (Cine Pop, 2010) e (Cine

Menu, 2010).

Entretanto, se comparado com sistemas de jogos distribuído os sistemas de RV e

RA hoje estão muito aquém, pois os jogos possuem uma escabilidade de usuários bem

superior a estes, além de interface gráfica rica em detalhes, não comprometendo a

performace em tempo real. Pode-se citar, por exemplo, o jogo World of Warcraft que

possui mais de 11 milhões de usuários (World of Warcrafff, 2010). Contudo, estes jogos

não têm a flexibilidade de permitir que o usuário altere as regras e o ambiente do jogo e

também não permite inserir elementos externos, como um novo objeto virtual ou o uso de

RA, o que possibilitaria uma faixa de aplicação e investigação muito mais ampla do

sistema.

1.2 Objetivos

Nesse sentido, o objetivo desse projeto é investigar uma arquitetura que suporte

simultaneamente a distribuição de RV e RA, com isso acredita-se que haja uma melhor

entendimento de um modelo virtual. Ainda poderá inserir novos modelos virtuais na

biblioteca comum e alterar uma quantidade maior de parâmetros do modelo virtual. Neste

sentido, justifica-se uma proposta de uma interface de RV e RA que possua um nível

favorável de interação. As contribuições deste trabalho encontram-se mediante a

interseção das quatro áreas de pesquisa e conhecimento: Realidade Virtual e Realidade

Aumentada, Sistemas Distribuídos e Aprendizagem.

1.3 Organização da Dissertação

A presente dissertação consiste de 8 capítulos, dentre os quais a introdução,

descritos a seguir.

O Capítulo 1 apresenta a motivação os objetivos e a estrutura do trabalho. O

Capítulo 2 e 3 apresentam uma visão geral sobre conceitos de Sistemas Distribuídos,

Modelos de Computação Distribuída, Tecnologias de Distribuição, Realidade Virtual e

Realidade Aumentada. O Capítulo 4 apresenta o estado da arte e mostra alguns sistemas

distribuídos de Realidade Virtual e Realidade Aumentada, suas estruturas, suas

abrangências, potencialidades e limitações.

A descrição do funcionamento do sistema concebido e sua respectiva arquitetura

são apresentadas no capítulo 5. O Capítulo 6 apresenta os detalhes de implementação

dos algoritmos utilizados. As avaliações e os resultados do sistema são apresentados no

capítulo 7. O Capítulo 8 apresenta as considerações finais, conclusões e as sugestões

para trabalhos futuros.

Capítulo 2

2 Fundamentos Tecnológicos Sistemas Distribuídos

2.1 Introdução

Este capítulo aborda os conceitos fundamentais de Sistemas Distribuídos,

destacando, principalmente, modelos de computação distribuída e tecnologias de

distribuição.

De acordo com Tanembaum (2003), um sistema distribuído é uma coleção de

processadores acoplados e interconectados por uma rede de comunicação que se

apresenta ao usuário como um sistema único e consistente. Para Coulouris (2001), um

sistema distribuído é uma coleção de computadores autônomos interligados através de

uma rede de computadores e equipados com software que permita o compartilhamento

dos recursos do sistema: hardware, software e dados.

Umas das principais características que um sistema distribuído deve ter é a

heterogeneidade, que consiste na capacidade do sistema operar nas diferentes

variedades de redes, sistemas operacionais, hardware e linguagens de programação

(Coulouris, 2001). Isso é um grande desafio, mas diversos outros são encontrados:

9 Heterogeneidade: Sistemas distribuídos devem permitir acesso a um conjunto

heterogêneo de computadores e rede, se aplica a: Redes, Hardware, Sistemas

Operacionais e Linguagens de programação.

9 Segurança: Consiste em proteger de forma adequada os recursos compartilhados

e manter em segredo as informações que são transmitidas em mensagens pela

rede. A segurança é baseada em três componentes: confidencialidade, integridade

e disponibilidade.

9 Escalabilidade: Um sistema é dito escalável se permanecer eficiente, quando há

um aumento significativo de usuários ou de recursos. A Internet é um exemplo

claro de um sistema distribuído, com alto índice de escabilidade, pois possui um

número significativo de computadores e um crescente aumento dos recursos.

9 Latência: Do ponto de vista do ambiente virtual distribuído, é a latência que

controla a natureza interativa e dinâmica do sistema. Determina se o sistema pode

ser estendido e re-implementado em várias formas, considerando grandes desafios

impostos na integração de diferentes componentes e existentes nos diversos tipos

de hardware e software.

9 Tratamento de falhas: possibilita que o sistema tenha capacidade de operar

mesmo na presença de falhas. Para isso, cada componente do sistema precisa

reconhecer possíveis falhas e suas conseqüências, para atuarem de forma

apropriada. O tratamento de falhas deve ser parcial, ou seja, alguns componentes

falham e outros continuam funcionando.

9 Concorrência: consiste na capacidade do sistema atender a requisições de

diversos usuários, procurando acessar recursos compartilhados ao mesmo tempo.

Para isso, cada recurso deve ser projetado para operar de modo seguro em um

ambiente concorrente.

9 Transparência: consiste no fator que possibilita obter a imagem de um único

sistema, escondendo toda a distribuição do usuário, até mesmo de alguns

programas. O conceito de transparência pode ser aplicado para vários aspectos de

um sistema distribuído.

• Localização: o usuário desconhece a localização dos recursos.

• Migração: os recursos podem mover-se sem modificar seus nomes.

• Replicação: os usuários desconhecem a quantidade de cópias existentes.

• Concorrência: múltiplos usuários podem compartilhar recursos

automaticamente.

• Paralelismo: atividades que podem ocorrer em paralelo, sem o

conhecimento do usuário.

Os desenvolvedores de sistemas distribuídos devem estar atentos a essas

propriedades durante o desenvolvimento do projeto.

Vale ressaltar que toda e qualquer função disponível em um computador desktop é

funcional em uma rede distribuída. Tais funções incluem transferência de arquivos,

conexão, correio, navegação Web e chamadas de procedimentos remotos.

Segundo Silberschatz (2004) a vantagem de um sistema distribuído é que essas

funções podem ser executadas sobre grandes distâncias. Computadores distantes

geograficamente podem colaborar em uma rede utilizando as mais diversas operações.

Com isso, as redes de sistemas distribuídos têm ampla tendência, pois o tamanho dos

computadores pode ser reduzido tendo em vista que mainframes podem ser substituídos

por estações de trabalho ou computadores pessoais, que têm melhor relação custo-

benefício, com interfaces melhores para os usuários e fácil manutenção.

2.2 Modelos de Computação Distribuída

Um aspecto relevante no projeto do sistema distribuído é o modelo arquitetural a

ser adotado, pois é a estrutura desse modelo, que poderá garantir o seu funcionamento

perante as exigências requisitadas tanto no presente, quanto as que serão demandadas

no futuro.

O modelo arquitetural define a maneira que os componentes dos sistemas

interagem entre si, além da forma como são mapeados em uma rede de computadores.

As maiores preocupações da estrutura da arquitetura de um sistema consistem em torná-

lo confiável, gerenciável, adaptável e a custos efetivos. A seguir, serão apresentados dois

modelos arquiteturais de Sistemas Distribuídos (Coulouris, 2001): o modelo cliente-

servidor e o peer-to-peer.

2.2.1 Cliente- Servidor

O modelo cliente-servidor é uma tecnologia computacional que separa clientes e

servidores, sendo interligados entre si utilizando uma rede de computadores (Coulouris,

2001).

Servidores são programas que respondem as solicitações por serviços

compartilhados; ele é um processo reativo, disparado pela chegada de pedidos de seus

clientes. Geralmente, o processo servidor roda o tempo todo, oferecendo serviços a

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de Hipertexto): 80. Já para qualquer aplicação utiliza porta efêmeras de 1024 até 65535,

desde que estejam livres.

A camada “Aplicação” reúne os protocolos que fornecem serviços de comunicação

ao sistema ou ao usuário.

2.4 Protocolos de Comunicação TCP e UDP

A troca de mensagens entre processos de sistemas distribuídos é gerenciada por

protocolos de comunicação, oferecendo um conjunto de regras e formatos para a

comunicação entre diferentes processos.

Existem diversos protocolos, sendo os mais conhecidos o Transmission Control

Protocol (TCP) e o User Datagram Protocol (UDP), que são protocolos do nível de

transporte. O TCP consiste num protocolo confiável, pois oferece garantia de entrega das

mensagens. Já o UDP consiste num protocolo não confiável, visto que não garante a

entrega de mensagens, não ordena mensagens de entrada e não fornece informações

para o controle da velocidade com que as informações são transmitidas entre as

máquinas (Coulouris, 2001) e (Commer, 1998).

Um ponto importante, na comparação desses protocolos, consiste na possibilidade

de aplicações, que utilizam o protocolo confiável, o TCP, executarem dez vezes mais

lento que aplicações, utilizando o UDP (Gossweiler, 1994).

A única vantagem da utilização do UDP é a velocidade, porém ele não garante a

seqüência de dados enviadas, por isso foi escolhido o protocolo TCP para

desenvolvimento do protótipo.

Os protocolos TCP e UDP suportam comunicação interprocessos, podendo ser

realizada através da passagem de mensagens via Socket. Esta tecnologia é explanada na

próxima seção.

SSH: um programa de computador e um protocolo de rede que permite a conexão com outro computador na

rede, de forma a executar comandos de uma unidade remota. Possui as mesmas funcionalidades do TELNET, com a

vantagem da conexão entre o cliente e o servidor ser criptografada.

SMTP: é o protocolo padrão para envio de e-mails através da Internet.

5 POP3: é um protocolo utilizado no acesso remoto a uma caixa de correio eletrônico

2.5 Tecnologias de Distribuição

Para justificar a escolha de uma tecnologia de distribuição serão abordadas

algumas destas, ressaltando testes comparativos entre as mesmas e resultados.

2.5.1 Socket

No contexto de redes de computadores Socket quer dizer um “ponto” de

comunicação entre dois programas executados na rede Silberschatz (2000). Esse ponto

tanto envia quanto recebe dado, possui um porta e um número, para cada camada de

protocolo saiba para qual aplicação entregar os dados recebidos. Segundo Silberschatz

(2000), um Socket é definido como a extremidade da comunicação entre dois processos.

Dessa forma, para um processo enviar uma mensagem, o seu Socket deve referenciar a

porta e o endereço Internet do computador de destino (Coulouris, 2001).

Os Sockets viabilizam uma forma de comunicação comum, robusta e eficiente

entre processos, mas considerada de baixo nível. Um dos motivos dessa classificação

consiste no fato da troca de mensagens, via Socket, ser um fluxo não estruturado de

bytes entre processos. Dessa maneira, a estrutura de dados é definida pela aplicação.

Assim, um dos cuidados a serem tomados na sua implementação consiste em possíveis

problemas relacionados à heterogeneidade dos sistemas computacionais (Silberschatz,

2000) e (Matthiesen, 2006).

2.5.2 RMI e RPC

Devido aos possíveis problemas encontrados em técnicas de comunicação de

baixo nível, foram desenvolvidas técnicas que viabilizam a transmissão de representações

das estruturas de dados ou valores primitivos. Essas técnicas são utilizadas para realizar

invocações de métodos remotos (Remote Method Invocation, RMI), ou chamadas de

procedimentos remotos (Remote Procedure Call, RPC) (Coulouris, 2001).

O RMI permite a um objeto invocar um método contido em outro objeto num

processo remoto. Dois exemplos de sistemas que possibilitam a invocação de métodos

remotos são o Commom Object Broker Architeture (CORBA) e Java RMI. Esses sistemas

permitem instanciar e acessar objetos, através de uma interface orientada a objetos bem

definida. O CORBA, por exemplo, fornece a Interface Definition Language (IDL), que

possibilita implementar interfaces em independentes linguagens de programação,

permitindo a comunicação de aplicações escritas em diferentes linguagens. A invocação

de métodos remotos em CORBA é realizada, através do Object Request Broker (ORB),

responsável em localizar o objeto remoto no sistema distribuído (Coulouris, 2005)

(Silverschatz, 2000) (Yang, 1996).

O RPC possui características muito similares ao RMI, visto que um programa

cliente chama um procedimento em outro programa, em execução no servidor. Porém, ao

contrário do RMI, o RPC não realiza a comunicação entre objetos distribuídos. Oferece a

programação procedimental possibilitando apenas as chamadas remotas de funções ou

procedimentos. Um exemplo de sistema que possibilita chamadas de procedimentos é o

Sun RPC (Coulouris, 2005) (Silverschatz, 2000).

O RPC e RMI permitem estabelecer a comunicação de processos distribuídos em

alto nível. Dessa maneira, aplicações que implementam essas tecnologias podem

oferecer serviços avançados, como a interoperabilidade entre aplicações escritas em

diferentes linguagens.

2.5.3 Comparações entre as tecnologias abordadas

Os benefícios obtidos com as abstrações dessas tecnologias acabam, entretanto,

acarretando custos no desempenho. Um estudo realizado em (Tilley, 1999) comparou o

desempenho na transmissão de callbacks entre uma GUI cliente e uma aplicação

servidora, utilizando Socket em C++, Socket em Java, RMI do Java e RMI do CORBA. Os

resultados dos testes comprovaram que a transmissão de mensagens utilizando Socket

em C++ foi cerca de quatro vezes mais rápida, em relação ao RMI do Java e do CORBA,

e cerca de duas vezes mais rápida do que o Socket em Java.

Outro estudo comparativo feito por Tramontina (2002) mostrou que Socket foi mais

rápido comparado com as outras tecnologias em relação ao tempo; os dados transmitidos

foram os mesmos, como pode ser visto na Tabela 2.1.

Tabela 2.1 - Comparação Socket, RMI e RMC

Tecnologia

Socket RMI RMC

Tempo gasto

0,0027 ms 0,37 ms 1,5 ms

O procedimento era iniciar o servidor, iniciar o cliente e fazer com que este último

requisitasse ao primeiro à realização de 100.000 operações.

Em um mecanismo muito simples, usando chamadas diretas do sistema

operacional, o Socket saiu melhor em tempo de execução.

2.6 Considerações Finais

Neste capítulo, foram apresentadas tecnologias de distribuição de ambientes

virtuais, destacando-se os conceitos relevantes à pesquisa, à tecnologia de distribuição

usando Sockets.

No próximo capítulo, serão mostrados conceitos sobre Realidade Virtual e

Aumentada fundamentais para o entendimento do projeto.

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a 3.6.

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enadas

as, o ob

(

Kato, 2000

)

o real d

lação a

a câmer

eto virtua

)

3.4 Ambientes Virtuais Distribuídos

As aplicações de Realidade Virtual e Aumentada podem ser vistas sob um aspecto

bastante amplo, variando de uma única pessoa, usando um único computador e até

muitos usuários, usando um sistema distribuído (Rinaldi et al., 2006).

De acordo com Rinaldi et al. (2006) em AVD’s os usuários podem compartilhar um

mesmo espaço tridimensional virtual de trabalho (workspace), onde poderão se auxiliar na

execução de uma determinada tarefa, baseando-se nos princípios de trabalho cooperativo

baseado em computador (CSCW - Computer Supported Cooperative Work).

A Realidade Virtual pode empregar técnica para reproduzir o ambiente real e

imaginário e possibilitar a manipulação e visualização de informações no computador

como se fosse o ambiente real (Ribeiro, 2006). Assim, entende-se que a complexidade

desses ambientes virtuais aumenta na medida em que essas informações tornam-se

comuns a uma série de usuário, ou seja, esses ambientes são distribuídos (Ribeiro,

2006).

Rinaldi et. al. (2006) destaca que este espaço compartilhado representa um local

comum, podendo ser real ou fictício. O local compartilhado deve apresentar as mesmas

características a todos os participantes.

Resumidamente, um AVD (Ambiente Virtual Distribuído) pode ser definido de forma

simplificada como um sistema que permite vários usuários interagirem tanto com o

ambiente, quanto entre “eles” em tempo real, mesmo que estes estejam em diferentes

localidades geográficas (Ribeiro, 2006).

3.4.1 Sistema de Ambiente Virtual Multiusuário Centralizado

Um sistema de ambiente virtual multiusuário pode ser centralizado ou distribuído

(Goussweiler, 1994). Na Figura 3.7 pode-se visualizar um sistema multiusuário

centralizado.

compartil

3.4.2 Si

distribuíd

Figura 3.7

mo pod

am o am

tema de

Sistema

através

Figura 3.8

Modelos d

ser ob

iente virt

mbiente

de AV

e uma re

- Modelos

Sistema

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Virtuais

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e, como

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ura 3.9 - A

a 3.10 - Ac

do, o am

a 3.9 ou

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esso ao a

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iente virt

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4) como

biente virt

iente virtu

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al replicad

l particion

er replic

ambiente

igura 3.9.

(Kirner, 1

do (Kirner,

do (para

virtuais

96)

1996)

mbiente

e grand

Em um sistema replicado com n usuários, quando um usuário fizer qualquer

alteração no ambiente virtual, isto deverá ser comunicado para todas as (n-1) versões do

ambiente virtual, onde estão os outros usuários, constituindo a difusão (broadcast

)

(Kirner, 1996).

Já em sistemas particionados com n usuários, a situação é mais complexa, uma

vez que o ambiente virtual é dividido em várias partes e cada máquina ficará encarregada

de uma delas. Como o usuário pode navegar no ambiente virtual, ele poderá penetrar em

outras regiões, de forma que sua máquina ou servidor deverá receber uma réplica da

região, onde ele se encontra. Assim cada máquina estará cuidando de uma região fora da

sua parcela. Se existirem vários usuários em uma mesma região do ambiente virtual, esse

grupo de usuários receberá uma cópia dessa região. Qualquer alteração no ambiente

virtual, feita por um membro do grupo, será retransmitida para o restante do grupo,

constituindo a retransmissão por grupo (multicast

)(Kirner, 1996).

3.5 Considerações Finais

Neste capítulo, foi abordado conceitos de Realidade Virtual e Aumentada

destacando conceitos relevantes de tecnologias de distribuição de ambientes virtuais.

No protótipo a ser desenvolvido utilizará a tecnologia de distribuição de Ambientes

Multiusuários Distribuído, onde o ambiente virtual é acessado e distribuído através de

uma rede, caracterizando um sistema onde existe um tutor (professor/aluno) que gerencia

o conteúdo e os clientes (alunos) que interagem com o ambiente. Este modelo foi

escolhido, pois possibilita que todos os usuários compartilham o mesmo ambiente virtual.

No próximo capítulo, serão demonstrados trabalhos relacionados com o objetivo de

mostrar as tecnologias utilizadas e destacar a contribuição desta dissertação.

Sistema de envio de mensagem, onde a mensagem é enviada para todos os computadores conectados a uma

rede

É um método ou técnica de transmissão de um pacote de dados para múltiplos destinos ao mesmo tempo.

Durante uma transmissão Multicast, o transmissor envia os pacotes de dados somente uma vez, ficando a cargo dos

receptores captarem esta transmissão e reproduzi-la.

4 Tra

4.1 Intr

estudo d

umenta

tecnologi

apresent

encamin

Est

literatura,

foram div

de Reali

alhos R

dução

omissora

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capítulo

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na criaç

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4.1.

lizado u

Virtual

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4.2 Sist

4.2.1 DI

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usuários

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da qual o

4.2.2 Ar

virtuais

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Figura 4

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al com

o 3D e h

a cliente

ma cópi

s na red

mbiente

gem co

s tendo

ientes n

ções. Fo

em rede

Figura 4.3 - Ambiente Virtual de Biologia e Química (Ribeiro, 2006)

4.2.3 Ambientes distribuídos em Realidade Virtual com suporte a Aprendizagem

Cooperativa para a Resolução de Problemas.

Silva (2008) desenvolveu um sistema LVD que viabiliza o uso de RV para oferecer

suporte à resolução de problemas por meio de aprendizagem cooperativa. Foram

considerados os fundamentos da aprendizagem por experimentação e a efetividade de

teorias e princípios pedagógicos construtivista. Como estudo de casos, optou-se por

desenvolver o projeto no âmbito da Física.

O trabalho contribui para as áreas multidisciplinares envolvidas no desenvolvimento

deste projeto, Computação, Física e Educação. A Figura 4.4 ilustra o sistema.

limitando

inserção

4.3 Sist

4.3.1 Ar

Sil

ambiente

computa

mbiente

entre vári

projeto L

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e novos

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igura 4.4 -

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o sistem

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4.3.2 N

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biologia,

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08)

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s pré-defi

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corpora

ificament

o model

mentada,

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4.3.3 S

aumenta

realidade

interação

virtuais,

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Figura 4.6 -

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aumenta

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4.4 Co

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, usuário

o assíncr

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Figura

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.7 - Exempl

s Finais

lustra as

itações.

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ição pel

istribuiçã

á ligada

um único estudo de caso, ou seja, se o usuário quiser inserir um novo modelo no

ambiente ele não conseguirá.

Visualização simultânea de modelos de RV e RA – nenhuns dos sistemas

analisados possuem este recurso.

Analisando as características de cada sistema na Tabela 4.1 observa-se que cada

projeto não contempla os itens abaixo, isto conduz a necessidade de se projetar um

protótipo que:

9 Possibilite a distribuição na Rede Local e na Internet, possibilitando uma

interação não só num mesmo local físico, mas também em locais diferentes.

Isso contribuirá para o ensino de Educação à Distância.

9 Distribuição de um novo modelo virtual que não pertence à biblioteca

comum. Este modelo pode ser distribuído por qualquer usuário, sendo que

posteriormente será inserido na biblioteca compartilhada. Isto permite a

flexibilidade do sistema tornando aplicável em qualquer área do

conhecimento.

9 Visualização de modelos em RV e RA, facilitando assim o entendimento do

aluno. Acredita-se que a utilização da Realidade Aumentada conduzirá a

uma melhor compreensão, como por exemplo, ver um a projeção de um

coração virtual no tamanho real. Além da visualização, o usuário poderá

modificar o código do modelo virtual através de um editor VRML que será

desenvolvido. Essa alteração poderá ser repassada para todos os usuários

conectados ao sistema.

O próximo capítulo aborda a especificação do protótipo proposto.

5 Esp

5.1 Intr

arquitetu

condiçõe

meio de

comum e

5.2 Arq

mbiente

que perm

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Realidade

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Figura 5.1 -

s Capítul

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ipulação

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Virtual e

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bibliotec

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interfac

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A arquitetura proposta nesta dissertação é composta pelos seguintes módulos:

Interface Gráfica com o usuário (GUI): possui o módulo de conexão do sistema, e a

interface de visualização RV e RA.

Servidor: recebe/envia pacotes dos clientes e distribui na rede as informações sobre os

objetos.

Cliente: neste módulo encontra-se a seguinte subdivisão como pode ser vista na Figura

5.2.

Figura 5.2 – Módulo Cliente

O módulo Cliente possui os seguintes sub-módulos:

Biblioteca comum: possui objetos virtuais comuns a todos os usuários, faz parte do

pacote de instalação.

Novo Objeto: um objeto por ser inserido por qualquer usuário a qualquer momento.

Mensagem de Texto: comunicação via chat.

Edição: neste módulo, os objetos da biblioteca comum e os novos objetos podem ser

editados. O usuário deve possuir conhecimento em VRML para estar criando e editando o

modelo.

Distribui

RV são c

no ambi

demais c

fluxo de i

RV: poss

possibilit

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Gerenci

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letados

nte virtu

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igura 5.3

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compara

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Figura 5.3

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ções mul

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- Fluxo da

muns em

e a ediçã

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o sistem

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or VRML.

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Gerenci

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cada tipo

5.3 Inte

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5.4.

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conectad

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nterface d

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Figura 5.

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unicação

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via texto

(

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ode ser

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A, e aind

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5.7.

5.7 - Edito

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o usuário

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ponsável

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comum

do objet

todos o

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o módul

3- N

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eto para t

usuário o

stra a Fig

: Ao clic

dos esta

poderá

ra 5.9.

Figur

r no botã

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igura 5.9 -

5.8 - Interf

novo o

rtilhando.

de algu

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ce RA

suário p

Este obje

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odelos VR

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o pode es

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r enviand

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Neste ex

clicou no

á na Fig

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mplo, o

botão No

Figura 5.

ra 5.11 a

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o, como

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baixo, ap

egundos.

o downl

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Figura

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5.10 - Nov

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Novo Obj

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Objeto

lioteca co

bjeto ela

to Bibliote

lvou na

mum pos

possui 6

ua máqui

ui apenas

bjetos. O

a, depoi

5 objetos,

tempo d

5.4 Considerações Finais

Neste Capítulo, foi apresentada a arquitetura do protótipo proposto mostrando a

funcionalidade de cada módulo. Dentre os módulos apresentados, destaca-se o

Gerenciador de Informações que é o módulo responsável pelo envio de pacotes do

Servidor para os Clientes, e também o Gerenciador de Eventos que tem a finalidade de

classificar os dados e direcionar para os módulos correspondentes.

Os detalhes de desenvolvimento do protótipo serão apresentados no próximo

capítulo.

Capítulo 6

6 Detalhes de Implementação

6.1 Introdução

A partir da Arquitetura de Realidade Virtual e Aumentada distribuída proposta, foi

desenvolvido um protótipo o qual recebeu o nome de RVAnet.

RVAnet foi desenvolvido para desktop, utilizando a plataforma Windows. Essa

seção apresenta as tecnologias de apoio e ainda são abordados os detalhes de

desenvolvimento do protótipo RVAnet.

9 VRML (Virtual Reality Modeling Language) é uma linguagem de modelagem que

possibilita a criação de ambientes virtuais tridimensionais, com alta qualidade, aplicáveis

a Internet, utilizando apenas um browser e um plug-in para realizar a visualização.

VRML permite a descrição de um espaço tridimensional, tornando possível construir

ambientes correspondentes a uma dada realidade ou completamente imaginários.

Fundamentalmente, o browser gera em tempo real a representação visual equivalente à

descrição textual da cena.

9 ARToolkit: Como já referenciado no Capítulo 2 desta dissertação, Kirner (2007)

destaca que o ARToolKit é um sistema que viabiliza o desenvolvimento de interfaces de

Realidade Aumentada. Disponível gratuitamente no site do laboratório HITL da

Universidade de Washington, o ARToolKit emprega métodos de visão computacional para

detectar marcadores na imagem capturada por uma câmera. O rastreamento óptico do

marcador permite o ajuste de posição e orientação para realizar a renderização do objeto

virtual, de modo que esse objeto pareça estar “atrelado” ao marcador (Kirner, 2007).

9 Cliente-Servidor: É importante ressaltar que os modelos de computação

distribuída (Cliente-Servidor e P2P) citadas no Capítulo 2 não são tecnologias

concorrentes e nem que uma surgiu para substituir à outra, pois cada uma foi projetada

com um foco de aplicação, portanto elas são necessárias em soluções específicas

(Coulouris, 2001).

Enquanto que a tecnologia Cliente-Servidor prioriza seus esforços na garantia de uma

melhor gerência de seus serviços e recursos através da centralização dos mesmos, a

tecnologia P2P focaliza seus esforços na garantia de uma melhor distribuição destes

serviços e recursos (ocasionando uma maior dificuldade de controle e gerenciamento)

(Coulouris, 2001).

Em ambientes educacionais normalmente existe a pessoa do tutor que supervisiona e

controla as atividades educacionais logo pode se notar a necessidade de um módulo

servidor (tutor/professor), que controla e administra os clientes (alunos) na rede.

9 Sockets: Após comparações realizadas no Capítulo 2, foi definida a utilização de

Sockets, que é um método utilizado em aplicações distribuídas, por isso compõe a parte

de distribuição dessa arquitetura proposta na dissertação.

6.2 Estágios Desenvolvidos.

O protótipo possui alguns estágios relevantes que serão expostos os códigos

abaixo, tanto para o Servidor e para o Cliente.

6.2.1 Protocolo de envio de dados

Para o envio de dados, foi desenvolvido um protocolo, composto de um

identificador e conteúdo. Para cada evento existe um código especial descrito abaixo na

Tabela 6.1.

Tabela 6.1 - Sintaxe do protocolo de envio

Comando Código Descrição

Abre objeto da biblioteca @(Número) Abre um objeto que já existe

Atualiza objeto da biblioteca #(Número) Se um objeto é editado

Acrescenta novo objeto a

biblioteca

Um novo objeto é

compartilhado

Fluxo de texto

Se nenhum dos

outros

Mensagem de texto é enviada

aos clientes

O código correspondente a cada comando ocupa a primeira posição do vetor do

protocolo enviado. Cada evento descrito acima será detalhado nos tópicos a seguir.

6.2.2 S

novo dad

todos os

rvidor

ervidor

o seja re

lientes in

onitora a

ebido, es

lusive ao

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rede e re

e o salva

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6.1 - Códi

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enviou o

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l associa

como o

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istente na

Figur

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recebim

inserido

biblioteca

6.2 - Códi

caminhad

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e també

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servidor (

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para um

inda se o

adicionad

Figura 6.3

cliente,

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ovo objet

identifica

o ao final

Figur

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da biblio

6.3 - Códi

odem se

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al “#” o d

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enviado

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6.2.3 S

o objeto j

mesmo p

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ódigo da

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bjeto.

a abertur

Figura 6.4

arregado

o, somen

Fig

de obje

serve pa

na bibliot

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6.2.4 N

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ódigo pa

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vo objet

ódigo pa

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é editad

idor que

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o, o códi

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6.6. Se h

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omum.

contara

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uver a n

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igura 6.5

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6.2.5 M

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novo obj

nsagem

ódigo pa

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e texto-

a enviar

pção do

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Figura 6.

lient

ensagem

suário é

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ura 6.7 - C

- Código N

de texto

trabalhar

e o conte

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do receb

gem de T

os client

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xto

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de texto

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a isso u

e não u

6.2.6 Di

para o Id

identifica

6.3 Est

de caso

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6.3.1 C

Dr.Eduar

que oscil

tribuido

istribuido

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Figura 6.1

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6.3.2 M

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6.11 - Moto

ncional

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6.4 Co

Est

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6.12 - Moto

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protótip

para

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s obtido

Capítulo 7

7 Avaliações e Resultados

7.1 Introdução

A finalidade deste capítulo é mostrar uma análise do protótipo descrito nos

Capítulos 5 e 6. Esta análise teve como objetivo demonstrar a viabilidade, a eficácia e

eficiência do protótipo. Assim, para tal são abordadas questões sobre avaliação do

protótipo, por meio de testes básicos sobre usabilidade. A análise realizada abrange,

sobretudo, os seguintes aspectos:

a) A obtenção de um melhor entendimento de um modelo virtual utilizando

distribuição em interface de Realidade Virtual e Aumentada.

b) Distribuição de objetos de uma biblioteca comum.

c) Distribuição de novos objetos que não pertençam à biblioteca comum.

d) Alteração de parâmetros dos objetos através de um editor VRML.

e) Verificar os aspectos educacionais do protótipo proposto.

Desta forma, para realizar esta análise foi necessário a construção de uma

metodologia específica baseada nos preceitos da ISONORM (ISO, 2002) para fazer tal

verificação.

A análise abrange também questões de escalabilidade e latência da rede de

computadores em relação a uma quantidade mínima de clientes funcionando.

7.2 Verificação e Validação do Software

A verificação de software tem o objetivo de avaliar se o planejado realmente foi

realizado. Já a validação é realizada pelo usuário, onde ele analisa se o que foi entregue

atende as expectativas.

Normas como a ISO 9126-1 (ISO, 2002) facilitam a validação de software, pois ela

esclarece os benefícios de medir a usabilidade em termos de desempenho e satisfação

do usuário.

Com base na ISONORM 9126-1, elaborou-se um questionário de forma de um

checklist onde os usuários puderam informar suas opiniões.

7.3 Ambiente Experimental

O experimento foi realizado numa rede local Ethernet com velocidade de 100 Mbits,

composta por 30 microcomputadores com configuração heterogênea, tanto de Hardware

e Sistema Operacional. Um computador foi escolhido para ser o Servidor e os outros

Clientes.

7.4 Resultados da Análise Obtida

Antes de detalhar os resultados, é válido destacar que testes de latência,

extensibilidade e de escalabilidade da aplicação não são o foco desta dissertação.

Wang e Keshay (1999) destacam que existem vários fatores que influenciam ou

alteram resultados de avaliações em redes Ethernet, dependo do momento e das

configurações. Por isso, o mapeamento e os testes devem ser feitos várias vezes para

cada número de clientes (nós) na rede.

Nesta aplicação desenvolvida, toda iteração acontece no cliente. O resultado final

foi baseado na média dos valores obtidos.

7.4.1 Latência de Comunicação

Segundo Coulouris (2001), latência é o tempo decorrido após uma operação de

envio ser executada a antes que os dados comecem a chegar a seu destino.

Se o ambiente distribuído existe para emular o mundo real, deve operar em termos

da percepção humana (RIBEIRO, 2005). Este desafio torna-se maior em sistemas que

utilizam redes a longa distância.

A latência na comunicação não será o parâmetro principal de análise de

desempenho do modelo proposto neste estudo. A latência será o suporte para analisar a

escalabilidade (capacidade de aumento na quantidade de usuários). A realização dessa

análise foi realizada em três etapas, primeiramente utilizando somente 1 cliente e o

servidor. Neste teste a finalidade foi medir o tempo de envio do pacote de dados (texto,

objetos) de 60 bytes do cliente para o servidor, comparado com Ribeiro (2006) foi utilizado

um pacote bem maior, já que nos seus testes ele utilizou um pacote de somente 4 bytes.

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1) Distribuição: Nem todos os projetos avaliados permitem a distribuição pela

Internet. E a distribuição dos ambientes ora é RV ou RA, não contemplando as

duas tecnologias. Além disso, a distribuição só ocorre num mesmo ambiente. O

protótipo RVAnet permite a distribuição tanto em Rede Local e Internet. Pode-se

distribuir ambientes de RV e RA comuns e ainda aceita distribuir um novo

modelo virtual. Com isso pode-se o protótipo pode ser utilizado em diversas

áreas educacionais, tanto presencial ou à distância.

2) Visualização: O protótipo RVAnet permite a visualização do modelo tanto em

RV e RA. Alguns modelos serão melhores visualizados utilizando RV, outros em

RA. Com a possibilidade de visualizar os modelos em RV e/ou RA, permite o

melhor entendimento do modelo.

8.2 Trabalhos Futuros

Apesar de ter atingido os objetivos propostos a esta pesquisa, diversas melhorias

podem ser contempladas, como por exemplo.

9 Desenvolver algumas bibliotecas comuns específicas voltadas a um único

estudo de caso, isto facilitara que usuários que não tenham conhecimento

com VRML, utilizem o protótipo somente na questão de distribuição;

9 A distribuição de objetos com um cliente específico, isso facilita a

comunicação do servidor com um único cliente. No protótipo desenvolvido, a

distribuição ocorre para todos os clientes (broadcast).

9 O uso de Java ao invés de C++, para ter acesso a recursos de manipulação

do ambiente que em C++ são pagos.

9 A utilização da biblioteca FLARToolKit para permitir o uso da Realidade

Aumentada pela Internet através de um browser independente do Sistema

Operacional utilizado. O protótipo trabalha somente em ambiente Windows

devido à linguagem escolhida para seu desenvolvimento ser em C++ que é

bastante robusto na comunicação via sockets e também faz ótima

integração com o ARToolKit.

9 Utilizar novos modelos virtuais que não sejam em VRML, já que a biblioteca

FLARToolKit não é compatível com VRML.

8.3 Considerações Finais

Este trabalho objetivava apresentar um protótipo para distribuição de RV e RA,

neste sentido pode-se dizer que foram cumpridas as metas.

A dissertação apresenta uma arquitetura que suporta o funcionamento de um

Ambiente de Realidade Virtual e Aumentada Distribuída. Ainda permite a visualização de

modelos virtuais RV e RA e a inserção de novos modelos virtuais na biblioteca comum e

alteração parâmetros dos objetos virtuais.

Além da teoria apresentada, este trabalho contribuiu com um desenvolvimento de

um protótipo que pode ser considerado um embrião para auxiliar no aprendizado tanto

presencial e para a Educação à Distância.

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Acessado em Janeiro 2010.

Anexo I

Avaliação do Sistema de Distribuição de RV e RA

Avaliador: Data Avaliação:

( ) professor ( ) aluno Escolaridade: ( ) Ensino Médio ( ) Ensino Superior

Assinale, por favor, a opção que melhor traduz a sua opinião.

1. FUNCIONALIDADE- Evidência que o conjunto de funções atende às

necessidades explícitas e implícitas para a finalidade que se destina o

produto

Muito Satisfeito

Satisfeito

Insatisfeito

1.1. O protótipo auxilia no processo de aprendizagem na finalidade proposta

1.2. Como avalia globalmente a funcionalidade do protótipo.

2. USABILIDADE- Evidência a facilidade de utilização de protótipo

Muito Satisfeito

Satisfeito

Insatisfeito

2.1. Em relação à facilidade de entender com funciona o protótipo

2.2. Quanto à manipulação dos objetos da biblioteca compartilhada (facilidade

de uso)

2.3. Quanto à distribuição dos novos objetos (facilidade de uso).

2.4. Quanto à comunicação via chat.

2.5. Como avalia globalmente a usabilidade do protótipo.

3. CONFIABILIDADE- Evidência que o desempenho se mantém ao

longo do tempo em condições estabelecidas.

Muito Satisfeito

Satisfeito

Insatisfeito

3.1. Capacidade de continuar a funcionar corretamente, após erros do próprio protótipo

ou erros de manipulação de dados.

3.2. Capacidade de o protótipo enviar mensagens de erro caso caia a conexão.

3.3. Como avalia globalmente a confiabilidade do protótipo.

4. EFICIÊNCIA- Evidência que os recursos e os tempos envolvidos são

compatíveis com o tempo de desempenho requerido para o produto.

Muito Satisfeito

Satisfeito

Insatisfeito

4.1. Tempo de distribuição dos objetos da biblioteca compartilhada.

4.2. Tempo de distribuição envio de novos objetos.

4.3. Como avalia em termos globais a Eficiência do protótipo.

5. Portabilidade- A capacidade do produto de software para ser

transferido de um ambiente para o outro

Muito Satisfeito

Satisfeito

Insatisfeito

5.1. Facilidade de instalação em diferentes ambientes (Windows XP/ Windows Vista/

Windows 7).

5.2. Como avalia em termos globais a Portabilidade do protótipo.

6. Sobre o protótipo RVAnet

Muito Satisfeito

Satisfeito

Insatisfeito

6.1. Importância que atribui o protótipo para o aprendizado em geral.

6.2. A importância de distribuição de modelos em Realidade Virtual.

6.3. A importância de distribuição de modelos em Realidade Aumentada.

6.4. Quando se utiliza RV e RA, a visualização e o entendimento do modelo virtual é

melhor

Comentários/ Observações:

Este questionário foi elaborado com base na ISONORM 9126-1 e também considerou alguns

aspectos de software educacional descritos por Campo e Campos (2001).

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