4. REALIDADE VIRTUAL - RV

A seguir, serão revisados os aspectos principais, atributos e características relativas a tecnologia da RV.

4.1. Definição

Dos novos ramos da informática, a RV é uma das mais desconhecidas. Seu nome sugere uma grande variedade de interpretações, as mesmas que se prestam a especulações e fantasias. Existem diversos termos que se referem ao mesmo conceito, como o caso de "Realidade Sintética" e "Ciberespaço".

A RV é descrita por Larijani (1994) como: "um ambiente tridimensional sintetizado por computador no qual a pluralidade dos participantes humanos, com interfaces apropriadas, podem estabelecer contato ou interatuar com representações de outros humanos do passado, presente, da ficção e/ou criaturas inventadas". O objetivo da RV é fazer uso da multimídia para gerar a percepção de ambientes reais, permitindo experiências interativas e facilitando a avaliação de diferentes cenários com limitadas despesas e esforço (Shukla, Vazques, Chen, 1996, p. 80).

Outra definição refere-se à RV como modelo matemático, que descreve um espaço tridimensional, onde estão contidos objetos que podem representar qualquer coisa, desde uma simples entidade geométrica, por exemplo um cubo ou uma esfera, até uma forma extremamente complexa, tal como um projeto de desenvolvimento arquitetônico, um novo estado físico da matéria ou o modelo de uma estrutura de DNA. Realidade Virtual pode ser, ainda, uma forma mediante a qual os humanos visualizam, manipulam e interagem com o computador e com dados extremamente complexos (Perez, 1995).

Para muitos, a RV é uma simulação interativa, quando se usa um mouse, joystick ou um simples teclado para voar sobre um modelo, como por exemplo um simulador de vôo que faz uso da realidade virtual interativa. Mas para outros, esta definição não basta e afirmam que uma RV é um ambiente de rede onde várias pessoas compartilham suas realidades, como é o caso das comunidades virtuais (BBS) e os esquemas MUD (Multi User Dungeon). Alguns limitam o conceito de RV ao uso de equipamento sofisticado como o HMD (Head Mount Devices), que permite ao usuário submergir ainda mais nos novos mundos artificiais, ou realidades sintéticas tridimensionais dotadas com interfaces homem-máquina e com métodos de interação específicos. Pode-se dizer, então, que a RV é um método específico de interface com uma realidade artificial tridimensional. Para outros pesquisadores, é mediante à RV que se permite aos usuários experimentar modelos tangíveis de lugares e coisas, donde se entende que o modelo pode ser percebido diretamente pelos sentidos - não como se faz mediante a linguagem ou o uso de modelos matemáticos - mas através da visão, olfato, tato, paladar e da audição.

A RV é conhecida também como o próximo passo lógico na evolução da mídia. A diferença com a outra mídia é que a ilusão individual do usuário é colocada dentro da aplicação. E existindo uma rede, é possível que participantes localizados em diferentes lugares façam sua "entrada" nesse espaço virtual, para ter interação social com cada um dos outros. A RV pode mudar a forma de comunicação e interação social e a forma de aprendizagem. Os ambientes de RV imersiva podem fortalecer a mídia de comunicação visual no futuro (Odegard, 1993, p. 7).

O termo RV é contraditório a si mesmo; pode alguma coisa ser real e virtual ao mesmo tempo? Possivelmente, RV pode ser o melhor termo, por que é o que a tecnologia tem fornecido, desde que Alexander Graham Bell introduziu os fios de conversação de duas vias. Não ocorre compartilhamento de mundos virtuais nas conversações telefônicas entre pessoas? Elas existem nas cabeças dos participantes, e as tecnologias de comunicação ajudam a fazer um mundo virtual. Na perspectiva histórica, RV é o topo da pirâmide das tecnologias de comunicação, onde a tecnologia substitui e suporta muitos aspectos da comunicação presencial (Odegard, 1995, p. 1).

Segundo Lévy (1996, p. 15), a palavra virtual vem do latim medieval virtualis, derivado por sua vez de virtus, força, potência. Na filosofia escolástica, é virtual o que existe em potência e não em ato. O virtual tende a atualizar-se sem ter passado, no entanto, à concretização efetiva ou formal. A árvore está virtualmente presente na semente. Em termos rigorosamente filosóficos, o virtual não se opõe ao real mas ao atual: virtualidade e atualidade são apenas duas maneiras de ser diferentes.

Na ausência de um consenso, fica muito difícil definir as fronteiras entre o que é e não é RV. Não obstante, todos os autores concordam em que, mediante à RV, leva-se a cabo a união homem-máquina de uma maneira mais estreita. A RV é um passo além do que seria a simulação computadorizada, tratando-se da simulação interativa, dinâmica e em tempo real de um sistema.

4.2. Características e elementos da RV

As características de um sistema de Realidade Virtual, que o distinguem de outros sistemas informáticos, são (Rios, 1994, p. 2):

• a imersão: o usuário tem a sensação de encontrar-se dentro de um mundo tridimensional;
• a existência de um ponto de observação ou referência: permite determinar a situação e a posição de observação do usuário dentro de um mundo artificial ou virtual;
• a navegação: que permite ao usuário trocar sua posição de observação;
• a manipulação: característica que possibilita a interação e a transformação do meio ambiente virtual;

• Interação: permite o controle da exploração deste sistema; a inexistência de interação faz com que o sistema torne-se uma simples película. Para a interação existem diversas interfaces, que vão desde teclados até luvas ou trajes sensores.

• A percepção: vem a ser o fator mais importante. Alguns sistemas de RV serão dirigidos, principalmente, aos sentidos (visual, auditivo, tato), outros tentarão chegar diretamente ao cérebro, evitando assim as interfaces sensoriais externas, e outros, os mais humildes, percorrerão a força da imaginação do ser humano para permitir a vivência da experiência de participar de um ambiente de RV.

• Simulação: os mundos simulados não devem necessariamente adaptar-se às leis físicas naturais. É por esta característica que a RV se presta a ser aplicada em qualquer campo da atividade humana, se bem é certo, algumas aplicações são muito mais apropriadas que outras. A RV é algo mais que uma simples simulação , já que ao oferecer a possibilidade de interação com o modelo, fornece uma "presença" nele mesmo. Mediante esta faceta poderiam se realizar tarefas dentro de um mundo real remoto, ou em um mundo gerado por computador, ou ainda na combinação de ambos.

Segundo Robinnett (apud Perez, 1995), os modelos a serem usados nos sistemas de RV podem ser agrupados nas seguintes categorias:

• Modelos capturados por Scanners, digitalizados, transferidos do mundo real; os sistemas de telepresença utilizam câmaras de vídeo (uma por cada olho) para explorar o mundo real em um lugar remoto, e gravações de som que registram um modelo de áudio de um mundo real à distância.

• Modelos calculados, que são realizados matematicamente e posteriormente construídos-visualizados-manipulados, geralmente utilizados em modelos complexos ou demasiado abstratos, por exemplo, o modelado dos fluxos de ar em uma turbina ou dos fluxos de lava de um vulcão por um vale.

• Modelos construídos por artistas que são poligonais, geralmente gerados em sistemas CAD. Criados com estruturas coordenadas completas, estes modelos podem se basear em espaços reais ou fictícios , como por exemplo, uma cozinha do futuro ou uma paisagem espacial.

• Modelos editados a partir de uma combinação de conteúdos capturados por SCANNER, calculados ou criados por artistas.

4.3. Classificação da RV

Holland e Mort (1994) mencionam diferentes formas nas quais os ambientes virtuais podem ser experimentados:

• No tipo de ambiente "imersivo em primeira pessoa" (em inglês "first person immersive"), o usuário veste o capacete ou a unidade HMD, a qual atua para a exibição e como dispositivo de tracking, permitindo ao usuário a manipulação física dos ambientes, tais como seu campo de vista, geralmente em conjunção com outros dispositivos de tracking.

• Na técnica "Janela no mundo" (em inglês " Window on the World") o monitor atua como uma janela, meio para navegar e interatuar no ambiente virtual.

• "Cabina de simulação" (em inglês "Cab simulator") usa a simulação física de um ambiente e provê o meio de interação através de controles reais e imagens virtuais na janela. Ex. simuladores de vôo.

• "CAVE" foi o sistema projetado pela Universidade de Illinois, no qual o usuário veste dispositivos de tracking e óculos fechados para perceber a imagem virtual projetada nas paredes e piso de uma sala fechada.

• Sistemas DESKTROP de RV: Englobam aquelas aplicações que mostram uma imagem 2D ou 3D em um vídeo de computador, em lugar de projetá-la em um Head Mounted Device (HMD). Posto que representam mundos de 3 dimensões, os exploradores podem viajar em qualquer direção dentro deles. Os exemplos característicos destes ambientes são os simuladores de vôo para computador. Em resumo, os sistemas de RV DESKTROP mostram mundos tridimensionais através de monitores de 2D. Alguns incorporam interfaces sofisticadas, como luvas, comandos de controle, cabinas, mas todas terão em comum a característica antes mencionada (3D em 2D).

 
• Sistemas de imersão: são aqueles que submergem ou introduzem o explorador no mundo virtual, mediante a utilização de sistemas visuais do tipo HMD, equipamentos seguidores de gestos e movimentos, assim como elementos processadores de som, dando, ao participante, a impressão de estar estreitamente relacionado com o ambiente virtual e isolado, até certo ponto, do mundo "real".

A remoção das interfaces entre o computador e o usuário é uma condição necessária para a imersão em RV. O participante "veste o computador"; está dentro dos dados. Como resultado, os participantes podem interagir com o mundo virtual, podem viver uma simulação de alguns aspectos do mundo real, uma instanciação de alguma abstração, que de outra maneira só é acessível como dado numérico, ou como a criação da fantasia ou imaginação, assim como naturalmente eles fazem com o mundo real. São grandes as vantagens das interações naturais que ocorrem quando a interface desaparece (Winn, 1993, p. 2).

Existem mundos de imersão em 3 dimensões, onde mediante o envio de imagens ligeiramente diferentes a cada olho, se fornece a sensação de profundidade, perspectiva e dimensão. O que cada participante vê e experimenta precisa ser re-computado (para cada olho) em cada movimento que se detecte, para mostrar as visões e sons apropriados para a nova posição.

Os sistemas de imersão em RV permitem ao explorador ir a qualquer parte dentro da estrutura, atravessar paredes, boiar e elevar-se em direção ao céu, ou ainda penetrar nas entranhas da terra.

• RV em segunda pessoa: A diferença da imersão nos sistemas em segunda pessoa (ou unencumbered systems) envolvem percepções e respostas no tempo real das ações dos participantes envolvidos na experiência, aos que estão liberados e não restritos ao uso de capacetes, luvas, HMD's, fios condutores ou qualquer outro tipo de interface que atrapalhe sua performance (Casas, Bridi, Fialho, 1996, p. 37).

4.4. Interfaces da RV

Exploram-se, a seguir, os componentes dos sistemas da RV atual em termos dos fatores humanos.

4.4.1. Aspectos visuais da RV

A pretensão das ajudas visuais é criar uma visão estereoscópica, gerando duas imagens ligeiramente distintas, uma para cada olho; o método usado para misturar tais imagens é muito variado e compreende desde o uso de filtros polarizados, passando por sistemas de filtros Anaglyph ( 3d monocromático), até sistemas para forçar a vista do usuário. O capacete estereoscópico é usado para projetar seqüências estereoscópicas para a determinação da posição e do movimento da cabeça do usuário e para transmitir som ambiental.

A principal preocupação nesta área é o ponto de equilíbrio versus a performance da velocidade de recuperação, é a visão monoscópica versus a estereoscópica. Em muitas aplicações da realidade virtual, o feedback visual é requerido. De fato, as sugestões visuais são provavelmente o mais importante feddback requerido na realidade virtual. Para completar a realidade, os desenhos enviados à exibição devem ser feitos evitando a descontinuidade. Portanto, o ponto de equilíbrio entre o tempo de resposta e a resolução gráfica para gráficos de cenas de duas e três dimensões é pesquisado sob as perspectivas de software e hardware.

Os tipos de dispositivos visuais caracterizados são (Smith, Smith, Yang, 1995, p. 2):

• LCD Flicker Lens : Os óculos de flutuação LCD (monitor de vídeo de cristal líquido) têm a aparência de um par de óculos. Um foto-sensor é montado nas lentes do LCD com o único propósito de ler os sinais do computador. Estes sinais indicam às lentes do LCD se a luz passará através da lente direita ou esquerda. Quando se permite deixar passar a luz através da lente esquerda, o monitor de vídeo do computador mostra a cena ao olho esquerdo, que corresponde à cena que o usuário verá deste olho. Quando a luz passa através das lentes direitas A cena no monitor de vídeo é uma versão ligeiramente compensada da cena do olho esquerdo. Segundo Blanchard e Tsuneto, os óculos trocam as sinais entre as duas lentes a 60 Hertz, o que causa no usuário a percepção contínua de visão de 3D, via mecanismo de parallax.

 
• Head Mount Display - HMD : Coloca o monitor de vídeo na frente de cada olho do espectador durante todo o tempo. A visão do segmento do ambiente virtual gerado e exibido é controlada pela orientação de sensores montados no "capacete". Os movimentos são reconhecidos pelo computador e uma nova perspectiva da cena é gerada. Em muitos casos, um conjunto de luas óticas e espelhos são usados para ampliá-la e ocupar todo o campo de vista e para dirigir a cena aos olhos. São caracterizados os seguintes tipos de dispositivos:

• LCD display HMD : Este tipo de HMD usa tecnologia LCD para exibir a cena. Quando os pixels de cristal líquido são ativados, bloqueiam a passagem de luz. Milhares desses pixels são localizados em duas matrizes para cada exibição. Depois que o cristal líquido bloqueia a passagem de luz para exibir a cena, a luz deve ser refletida da matriz LCD para os olhos, provendo brilho para a cena.

• Project HMD :Este tipo de HMD usa cabos de fibra ótica para transmitir as cenas até o monitor de vídeo, que é similar ao de raios catódicos (CRT), excetuando a iluminação, por que neste caso o fósforo é iluminado pela luz transmitida através de cabos de fibra ótica. Cada fibra pode, idealmente, conter um pixel, exceto quando devido à limitação do custo de manufatura, cada fibra controla uma seção hexagonal de pixels.
• Small CRT HMD : Este tipo de HMD usa dois Monitores de Raios Catódicos (CRT) que são posicionados a um lado do HMD. Refletores de imagens são usados para dirigir a cena para o olho do usuário. De maneira diferente à projeção do HMD, onde o fósforo é iluminado pelos cabos de fibra ótica, aqui o fósforo é usualmente iluminado por um canhão de elétrons (Lane, 1993).
• Single Column LED HMD : Este tipo de HMD usa uma coluna de 280 LEDs. Um refletor oposto aos LEDs oscila rapidamente, refletindo a imagem para o olho do usuário. Os LEDs são atualizados 720 vezes por oscilação do refletor. Como a coluna LED atualiza para cada coluna do monitor de vídeo virtual, o refletor redireciona a luz para os olhos do observador, uma coluna de cada vez, para formar a imagem da janela virtual inteira (Aukstakalnis, Blatner, 1992).

• Binocullar Omni Orientation Monitor - BOOM : Segundo Aukstakalnis e Blatner (1992), a binocullar é montada pela união de uma armadura mecânica com sensores de tracking localizados nas junções. Um contrabalanço é usado para estabilizar o monitor; por isso é que quando o usuário libera o monitor, este dispositivo permanece no seu lugar. Para ver o ambiente virtual, o usuário pode pegar o monitor com segurança e pôr seu rosto acima deste. O computador pode gerar uma cena apropriada, baseada na orientação e posição da união do braço mecânico.

4.4.2. Técnicas gráficas

• Depth Cueing : sugestão de profundidade é uma técnica que fornece uma perspectiva de 3-D de uma cena, que adiciona profundidade a uma figura de 2-D. Estas são as formas de adicionar tais perspectivas (Smith, Smith, Yang, 1995, p. 7):

• O primeiro método consiste na troca de cor dos pixels. Por exemplo, a fonte de luz localizada mais à distância tem um aspecto mais escuro que uma localizada perto do observador. Quando a cena é gerada em cores vermelho, verde e azul, a intensidade da fonte de luz localizada mais à distância do observador pode ser reduzida pela mesma equivalência que representa essa distância.

• O segundo método consiste na adição de cor na cena. Por exemplo, na luminosidade que deve existir entre a fonte de luz e o ponto de visão. O valor da cor que corresponde a essa fonte de luz, é a luminosidade acumulada no o ponto de visão. A sensação de profundidade é dada tanto pela intensidade da luz, como pelos efeitos de claro-escuro. Desta maneira, o usuário pode julgar a profundidade de uma cena e navegar através do mundo virtual com menos esforço.

 
• Lighting Models : A Iluminação é essencial na criação de uma imagem realística em 3-D. Em uma atmosfera escura, uma esfera tem um aspecto similar a um disco. Em outras palavras, uma cena de 3-D começa com uma cena de 2-D. Quando a luz brilha na esfera, alguma parte da luz é refletida difusamente e isso causa uma indicação de três-dimensões. A outra luz refletida permite ao observador acreditar que está vendo escura, e fornecendo, adicionalmente, informação espacial. Devido à complexidade da fórmula de iluminação, a computação da intensidade de luz para cada pixel reduz a taxa de atualização da janela. Quando a taxa de atualização baixa muito, as flutuações são perceptíveis e podem causar náuseas pelo movimento visual induzido. A sensação de tontura ocorre sempre que o corpo recebe informação incompatível entre os olhos e a mente (Foley apud Smith, Smith, Yang, 1995, p. 8).

 
• Shading: O sombreado é usado em conjunto com a iluminação. Enquanto o modelo de iluminação é computado, a intensidade da luz, em cada vértice do polígono, é calculada. Dois tipos de sombreado podem ser usados para interpretar a cena. O primeiro é o flat shading, onde o polígono inteiro é sombreado com base no valor de um dos vértices. O segundo é Gouraud shading, onde os pixels de cor, dentro dos polígonos, são linearmente interpolados, partindo da cor em direção a cada um dos vértices, para criar uma variação suave da sombra. Segundo Foley (1992), o método da interpolação linear, que requer reduzido poder computacional, é usado freqüentemente para simular cenas realísticas com boa performance.

 
• Radiosity : É mais freqüentemente usado para imagens estáticas. Esta técnica pré-calcula a interação da luz entre os objetos dos ambientes de 3-D. O cálculo da interação da luz para ambientes complexos toma um longo tempo. Contudo, após a conclusão do cálculo, o usuário pode ver, no vôo, seu meio ambiente, de qualquer ângulo, sem nenhuma outra computação exaustiva (Foley,1992).

 
• Ray Casting : É uma técnica de apresentação de cenas em tempo real. Traça-se um raio que parte do ponto de vista, através de um pixel do monitor de vídeo. Para realizar a interseção de um objeto definido no espaço virtual, a cor de um objeto fechado intersectado é registrada por aquele pixel do monitor de vídeo. Se o objeto é movido, a técnica ray casting pode traçar a nova posição do objeto, criando desta maneira uma cena dinâmica (Foley apud Smith, Smith, Yang, 1996, p. 9).

4.4.3. Áudio em três dimensões

O objetivo da pesquisa na área de áudio é a simulação da origem do som. Segundo Aukstakalnis e Blater (1992) já foi demonstrado que usando o som para fornecer informação suplementar ou alternativa para o usuário do computador, pode-se incrementar grandemente a quantidade de informação que este pode assimilar. Isto não é menos verdadeiro no mundo virtual. Embora o ambiente virtual forneça uma variedade de estímulos visuais, a pessoa não pode ver o que está atrás dela. Contudo, alguns podem escutar o que está atrás e isto deve ser assim no mundo virtual (Smith, Smith, Yang, 1995, p. 11). O principal problema na produção de som é a impossibilidade de sua repetição, quando previamente gravado, de forma que se mova de trás ou para frente do ouvinte, como quando este gira a cabeça. Crystal River Engineering tem desenvolvido um processo para produzir som, tal que pareça que está vindo de uma direção particular. Já que este som é computado e produzido em tempo real, não haverá problemas com sua repetição. Com técnicas básicas de gravação e técnicas de execução, tais como a maior parte das usadas no som estéreo, qualquer sensação de localização de som é restringida: diretamente para a esquerda, diretamente para a direita e para algum lugar no meio. Este "algum lugar no meio" pode ser percebido como um som vindo de todo o redor; contudo, quando se discute a localização do som tridimensional, aí está a pequena diferença entre o aparecimento do som que está à frente da cabeça e o som que aparece como vindo de todas as partes (Aukstakalnis, Blatner, 1992, p. 1).

O artificio para criar um verdadeiro som espacial interativo de três dimensões é, de fato, usar computadores para gerar sons em tempo real ao invés de contar com sons que são pré-gravados (Austakalnis, Blatner, 1992, p. 3). Na RV, o usuário pode ser capaz de mover-se em qualquer parte de um ambiente e manter a sensação de que o som está vindo de um lugar específico. O computador pode usar a combinação de tracking de posição/orientação com cálculos matemáticos.

Pesquisadores tais como Genuit e Gierlich (apud Aukstakalnis, Blatner, 1992, p. 3), Wrightman e Kistler (apud ibid.), têm criado modelos matemáticos que representam as várias modificações de sons que podem ser ouvidos em 3D. Esses modelos, compreendidos como áudio de "impressão no ouvido", são chamados de Head Related Transfer Function (HRTFs). Os pesquisadores podem fornecer esses HRTFs, que são desenvolvidos através de técnicas similares a do 144-speaker¹.

O convoltrom é um sinal de áudio digital (DSP) extremamente poderosa, que muda (envolve) uma fonte de som analógico usando HRTF para criar os efeitos de som tridimensional(Aukstakalnis, Blatner,1992, p. 3). O som sintetizado por computador pode ser filtrado através do Convoltrom e localizado em um espaço ao redor do ouvinte.

O Virtual Audio Processing System (VAPS) mistura os mundos de gravação binaural não interativa e Convoltrom, como sinal de processamento para gerar sons vivos e campos de sons tridimensionais gravados . A literatura especifica que a "VAPS é usada para gravação de música, efeitos de som ou diálogo para formato stereo, tais como discos compactos, fitas VCR, discos de vídeo ou na radiodifusão" (Aukstakalnis, Blatner, 1992, p. 4).

O desenvolvimento de som tridimensional interativo está mais adiantado que sua contrapartida visual, por que tem a habilidade para criar som real (ou hyper real), alcançando-se assim as expectativas esperadas, conseguindo-se sua inclusão na tecnologia comum. Os fabricantes dos computadores pessoais reconheceram a importância do som e estão começando a incorporá-lo nos sistemas operacionais. Conforme o tempo passa, não se duvida de que o som gerado por computador possa tornar-se parte integrante da tecnologia do computador, assim como a voz e a música tornaram-se parte da tecnologia cinematográfica, aproximadamente 75 anos atrás.

4.4.4. Feedback tátil e de força

Uma das maiores reclamações a respeito das limitações dos pacotes de ambientes virtuais é a "falta de tangibilidade". Embora a área de feedback tátil seja recente, tem produzido alguns resultados impressionantes. Não existem ainda, atualmente, interfaces construídas que possam simular as interações de forma, textura, temperatura, consistência e força (Simth, Smith, Yang, 1995, p. 15). Ter a capacidade de produzir interfaces realistas significa ter que produzir feedback de força tátil que corresponda aos objetos no mundo virtual (Brooks, 1995).

A área de tato tem se dividido em duas, diferentes entre si. O feedback de força trata de como o ambiente virtual afeta o usuário. O feedback tátil trata de como o objeto virtual é sentido.

• Feedback de força : Existem os sete tipos de dispositivos caracterizados por Smith, Smith e Yang (1995), que permitem ao usuário "sentir" certos aspectos do ambiente virtual;

 
• Plataformas de moção: A plataforma de moção foi originalmente desenhada para uso em simuladores de vôo, com os quais se treina os pilotos. A plataforma é arremessada por um conjunto de elevadores de braços hidráulicos. Como o movimento da exibição visual muda, a plataforma se balança e se movimenta em uma trajetória sincrônica para dar ao usuário uma "sensação" de que nesse momento está voando. Se os estímulos visuais mostram que o avião está descendo, os dispositivos hidráulicos não podem simular a descida. Contudo, ele dá sensações no ouvido médio que correspondem à cena visual, fazendo a simulação mais realista.

• Luvas. Para a interação com pequenos objetos em um mundo virtual, o usuário pode usar uma ou várias luvas desenhadas para dar feedback sobre as características do objeto. Isto pode ser feito com um pistão pneumático montado na palma da luva (Gomez, Burden, Lagrana, 1995). Quando um objeto virtual é localizado na mão virtual, a mão do usuário pode fechar-se ao redor do objeto. Quando os dedos encontram a resistência de um objeto na realidade, a pressão no pistão é incrementada, dando a sensação de resistência do objeto virtual.

• Exoskeletons. São também empregados para simular a resistência de objetos num mundo virtual. Um exoskeleton é basicamente um braço robótico que prende a pessoa.

• Butlers. É basicamente um "robot" que fica no meio do caminho toda vez que o usuário tenta mover-se através de um objeto . Se o usuário estende sua mão para fora para tocar um muro, uma escrivaninha, ou qualquer outro objeto virtual, o "robot" buttler pode pôr um objeto real na suposta localização desse objeto virtual.

 
• Tactile Feedback. Os robot butlers, em desenvolvimento, podem dar ao objeto, impressão de dureza e viscosidade, não apresentando a informação necessária para que os humanos o reconheçam, da mesma forma como ocorre com um objeto característico do mundo real. A textura e a temperatura são totalmente desconhecidas pelo usuário. Entretanto, é possível mostrar a temperatura por fios resistentes ao calor, semeados na superfície da luva.

 
• Textura. A textura de uma superfície é provavelmente uma característica difícil de simular. O sistema Sandaper, desenvolvido por um grupo de pesquisa que inclui pesquisadores do MIT e UNC, pode simular, exatamente, diferentes graus de lixa (Aukstakalnis, Blatner, 1992). Outros sistemas como o Teletact Commander, usam bexigas cheias de ar que são implantadas nas luvas ou transdutores elétricos capazes de prover a sensação de pressão ou vibração. Esses sistemas tiveram problemas com a falta de segurança dos compressores e a interferência entre os campos dos transdutores electromagnéticos usados pelo sistema (Stone, 1993).

4.4.5. Dispositivos de navegação

Os Tracking Devices são usados para dar a sensação de estar caminhando e navegando. Usa-se, neste caso, um computador com grande capacidade de processamento numérico para simular os processos associados com um sistema de realidade virtual. O propósito de um dispositivo de tracking é determinar a posição x, y, e z, e a orientação (yaw, pitch, e roll) de algumas partes do corpo do usuário em referência a um ponto fixo. Muitos tipos de dispositivos de interação de realidade virtual podem ter um tracker sobre ele.

Os HMDs precisam de um tracker, de maneira que a observação possa ser atualizada pela orientação da cabeça do usuário, em tempo real. Os Datagloves e os Joystick de vôo também possuem trackers, de maneira que aquele ícone virtual de "mão" possa seguir as mudanças de posição e orientação das mãos do usuário real. O vestuário para todo o corpo pode ter muitos trackers sobre si, assim como também o pé virtual, a cintura, as mãos e a cabeça, que são todos escravas do usuário humano.

Segundo Baratoff e Blansteen (apud Smith, Smith, Yang, op. cit.), quando se desenham ou avaliam sistemas de RV que precisam receber informação de tracking, é importante pôr atenção no atraso (latency), na taxa de atualização, na resolução e exatidão do sistema de tracking. Latência é o "atraso entre a mudança da posição e orientação do objetivo que será rastreado e o resultado de cálculo de mudança no computador". Se a latência é maior que 50 milisegundos, este pode ser percebida pelo usuário e pode causar igualmente náusea ou vertigem. A taxa de atualização é a taxa na qual o tracker reporta dados para o computador, sendo a freqüência típica entre 30 e 60 atualizações por segundo.

A resolução pode depender do tipo de tracker usado e a exatidão deve, usualmente, decrescer quando o usuário se afasta do ponto fixo de referência. Os dispositivos de tracking de seis-graus-de-liberdade chegam em vários tipos de tecnologia, que são devidamente caracterizados por Smith, Smith e Yang (1995, p. 19) e descritos a seguir:

• Mechanical trackers: Os trackers mecânicos são similares a um braço de "robot" e consistem em estruturas unidas com ligações rígidas, como um suporte de base e um "fim ativo" que é ligado à parte do corpo associada (Sowizral, 1995), freqüentemente, à mão.

• Eletromagnetic trackers : Um tracker electromagnético permite que várias partes do corpo sejam rastreados simultaneamente e podem funcionar corretamente se os objetos surgem entre a fonte e o detector. Neste tipo de tracker, a fonte produz três campos electromagnéticos, cada um dos quais perpendicular aos outros. O detector no corpo do usuário mede a atenuação (a resistência e a direção do campo electromagnético) e envia esta informação de volta para o computador. O computador triangula a distância e a orientação dos três eixos perpendiculares no detector relativo para os três campos electromagnéticos produzidos pela fonte.

• Ultrasonic Trackers: consistem em três emissores de ondas de sons de alta freqüência em formação rígida, de maneira que a fonte para esses três receptores estão também em uma disposição rígida para o usuário. Existem duas formas para calcular a posição e orientação usando trackers acústicos. A primeira é chamada "phase coherence". A posição e a orientação são detectadas pela computação da diferença entre os períodos de ondas de som que alcançam o receptor do emissor, comparadas com as ondas de som produzidas pelo receptor. O segundo método é o "tempo de vôo"; mede o tempo que o som emitido pelos transmissores leva, em um momento conhecido, até alcançar os sensores. Somente um transmissor é necessário para calcular a posição, mas o cálculo de orientação requer a busca das diferenças entre os três sensores (Baratoff e Blanksteen Apud Smith, Simith, Yang, 1995, p. 22).

• Infrared Trackers são dispositivos ópticos que utilizam vários emissores fixos numa posição, enquanto as câmaras ou "quad cells" recebem a luz infra vermelha. Para fixar a posição do tracker, um computador pode triangular a posição, baseada nos dados das câmeras. Este tipo de tracker, segundo Baratoff e Blanksteen, não é afetado por uma grande quantidade de metal, tem uma alta taxa de atualização e baixa latência. Contudo, o emissor tem que ser dirigido na linha de mira das câmaras ou celas quadrangulares. Adicionalmente, qualquer outra fonte de luz infravermelha, luz de alta intensidade, ou outro brilho ofuscante podem afetar a correção das medições.

 
• Inertial Trackers; finalmente, existem vários tipos de dispositivos de tracking inerciais que permitem ao usuário mover-se em um área relativamente grande, por que não existem hardware ou cabos entre o computador e o tracker. Segundo Baratoff e Blanksteen (apud ibid.), os trackers inerciais aplicam o princípio de conservação do momento angular. Giroscópios em miniatura podem ser associados aos HMDs, mas eles cuidam da direção (aproximadamente a 10 graus por minuto) e são sensíveis à vibração. Yaw, pitch e roll são calculados por medição da resistência do giroscópio para mudar a orientação. Se o tracking de posição é desejado, um tipo adicional de tracker pode ser usado.

4.4.6. Dispositivos de interação

A RV e os ambientes virtuais foram além das interfaces típicas do realismo da metáfora visual. Apontar e "clicar" com o mouse é maravilhoso em algumas situações, mas não o suficientemente próximo para um ambiente imersivo. Deste modo, em vez de keyboard e mouse, os pesquisadores têm desenvolvido luvas, mouse de 3D, joystick flotante e reconhecedores de voz.

Luvas. Para sentir a flexão dos dedos, três tipos de tecnologias de luvas têm surgido: sensores de fibras óticas, medição mecânica e medição de força.

A Dataglove (desenvolvido pela VLP Research) é uma luva fabricada de neoprene com dois laços em cada dedo. Cada laço é dedicado a uma fibra ótica para cada nó, e isto pode ser um problema se o usuário tem uma mão muito grande; o laço pode não corresponder muito bem à posição atual do nó e o usuário pode não ser capaz de produzir gestos precisos. No final de cada laço está situado um LED e no outro extremo está um fotosensor. O cabo de fibra ótica tem pequenos cortes ao longo de sua longitude. Quando o usuário curva o dedo, luzes escapam do cabo de fibra ótica através desses cortes. A quantidade de luz que passa pelo fotosensor é medido e convertido em medição de quanto esse dedo é curvado (Aukstakalnis, Blatner, 1992). O Dataglove requer recalibração para cada usuário (Hsu apud Smith, Smith, Yang, 1995, p. 25). "As implicações do uso desses dispositivos por longo tempo - efeitos de fadiga, recalibração durante a sessão - ainda não foram pesquisados" (Wilson, Conway, apud ibid.).

O Powerglove é menos exato que o Dataglove e também precisa de recalibração para cada usuário, mas é mais áspero que o Dataglove. O Powerglove usa medidor de tensão para a flexão de cada dedo.

Uma pequena tira de plástico mylar revestida com uma tinta condutora de eletricidade é colocada ao longo de cada dedo. Quando o dedo está reto, uma pequena corrente elétrica passa através da tinta que fica estável. Quando o dedo está curvado, o computador pode medir a mudança da resistência elétrica na tinta (Aukstakalnis, Blatner, 1992).

O Dexterous hand Master (DHM) não é exatamente uma luva, mas uma armadura que junta os dedos com uma correia de material de nylon denominado velcro. Um sensor mecânico mede a flexão do dedo. De maneira diferente da Dataglove e Powerglove, o DHM é capaz de detectar e medir de lado-a-lado o movimento de um dedo. A outra luva só mede a flexão do dedo. O DHM é mais exato que outras luvas e menos sensível quanto ao tamanho da mão do usuário, mas pode ser mais complicado de trabalhar.

Para Wilson e Conway (1991), a principal qualidade dos diferentes tipos de luvas é que elas provêm um dispositivo de interação mais interativo que um mouse ou um joystick. Isto por que as luvas permitem que o computador leia e represente gestos de mãos; objetos no ambiente podem ser "apanhados" e manipulados, o usuário pode apontar na direção do movimento desejado, as janelas podem ser dispensadas, etc.

Segundo Dennehy (apud Smith, Smith, Yang, 1995, p.17), " os gestos podem ser naturais e intuitivos em um ambiente virtual particular. Ações podem ser representadas visualmente e ser incrementais, imediatas e reversíveis para dar à pessoa a impressão de atuar diretamente em um ambiente". Wilsom e Conway(1991) dizem que um conjunto básico de comandos gestuais para luvas foram desenvolvidos, mas um trabalho maior é necessário para expandir o conjunto além do simples mapeamento corrente. Outra área a ser melhorada é o feddback para ajudar o usuário na coordenação mão-olho e para permitir ao usuário perceber quando um objeto foi apanhado com sucesso.

3-D mice: existem disponíveis em várias marcas, todas elas basicamente na mesma tecnologia: um mouse ou trackball foi modificado para incluir o tracker de posição e alguma espécie de orientação (Aukstakalnis, Blatner,1992). Este mouse modificado é razoavelmente intuitivo e familiar para os usuários - precisa-se de um simples empurrão do mouse na direção em que o usuário precisa se mover -. Contudo, segundo Hsu (apud Smith, Smith, Yang, 1995, p. 27), esse mice não é muito usado para outras interações que não sejam a navegação e a seleção de objetos.

Joysticks: a categoria final do dispositivo de interação é o bastão ou joystick flotante. Este dispositivo trabalha, basicamente, como um joystick convencional, mas não está fixado a uma base que geralmente é assentada no topo da mesa. Em vez disso, o joystick é equipado com um tracker de orientação para que o usuário simplesmente segure-o na mão e o balance. Segundo Hsu (apud Smith, Smith, Yang, 1995, p. 28), a maior parte de joysticks volantes também tem muitos botões no bastão, de forma semelhante a um mouse para "clicar" ou selecionar.

4.5. Realidade virtual e construção de conhecimento (continua)