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Modelagem de objetos 3D em VRML:
Uma implementação multiplataforma orientada ao ensino
André Tavares da Silva
†
Fernando Santos Osório
‡
†
INFORMAÇÃO – Acessoria em Informática Ltda.
Caixa Postal 82 – 95.840-000 – Triunfo – RS – Brazil
‡
UNISINOS – Universidade do Vale do Rio dos Sinos
Curso de Informática / Mestrado em Computação Aplicada
Av. Unisinos, 950 – 93.022-000 – São Leopoldo – RS – Brazil
[email protected], [email protected]
Abstract. VRML (Virtual Reality Modeling Language) is a language oriented
to the Internet and it is a powerful tool for the creation of new applications on
Virtual Reality. The objective of this work is the integration of modeling
techniques and the VRML through a software we developed. In order to do
that, the sweep modeling technique was chosen. The modeling system
developed in this work, written in Java programming language, can be used
either as an executable program or as an applet in an Internet browser
together with a VRML viewer. This software is distributed freely for
educational use.
This modeling system, with simple user interface and straightforward
operation, does not require an advanced knowledge of modeling techniques as
the commercial systems usually do. Also, it is a platform independent program
and can be used through the Internet, since it was written in Java. Thus, it is
also a tool with a didactic appeal that allows the students to examine the
sweep modeling technique in a simple system, and it can be used to introduce
some concepts about Virtual Reality.
1. Introdução
Um dos sentidos humanos mais ricos e diversificados é a visão, cuja capacidade de
percepção nos faz interagir com o mundo real, onde podemos gerar novas ações que irão
modificá-lo. Atualmente, quando a proliferação da computação atinge praticamente
todos os setores da sociedade, a tendência metafórica é justamente atingir o máximo de
proximidade e interação com a “máquina humana”. Temos exemplos da área de
inteligência artificial, que procura imitar o cérebro, e por outro lado, ainda mais atraente,
a computação gráfica que procura desenvolver a habilidade de representação visual das
máquinas. O forte apelo das imagens seduz o ser humano mais do que as palavras, e
quanto mais próximo da realidade for o apelo visual, mais confortável e próximo da sua
própria realidade o homem se sentirá.
Cada vez mais, a computação gráfica tem sido utilizada para a criação de
imagens que representam modelos do mundo real [Foley 1996, Hermida 1994]. Neste
sentido, através da realidade virtual [Adams 1994, Cadoz 1997], tenta-se criar um
ambiente no qual a pessoa possa sentir-se imersa total ou parcialmente em um mundo
virtual, onde objetos imaginários podem ser sentidos e manipulados.
A realidade virtual é uma tecnologia que permite uma melhor interface homem-
máquina, e, junto com a Internet através da VRML [Web 1999], se torna uma
ferramenta muito poderosa para permitir a criação de novas formas de resolução de
problemas. É portanto, um novo meio de comunicação, na qual pode-se manipular a
informação através de uma “ experiência em 1ª pessoa ”.
Este trabalho tem por objetivo apresentar a integração de técnicas de modelagem
interativa, juntamente com a VRML, através da implementação prática de um software.
A técnica de modelagem escolhida para fazer esta integração foi a técnica de
modelagem por sweep , por ser uma maneira prática e fácil de se modelar uma grande
variedade de objetos do mundo real [Casacurta 1991]. A interface do sistema de
modelagem desenvolvido junto a este trabalho é bastante simples de usar, podendo o
software ser usado não só como aplicativo para permitir a gravação dos objetos gerados
(descrição geométrica poligonal), mas também ser executado através da Internet,
juntamente com um visualizador VRML, já que a VRML está voltada principalmente
para a Internet. Para isto ser possível, a linguagem usada para o desenvolvimento do
software foi a linguagem Java [Javasoft 1999].
Vamos portanto descrever neste trabalho o sistema “ ATSWorlds ”, inteiramente
desenvolvido na Unisinos [Silva 1999], com a finalidade de criar objetos e mundos em
VRML, modelados através de diferentes tipos de sweep. Este sistema já se encontra
operacional, sendo usado em estudos sobre a modelagem de objetos sólidos de
revolução ( sweep ) e em estudos práticos sobre a linguagem VRML. Este software é
distribuído livremente, podendo também ser acessado através da Internet no seguinte
endereço: http://www.inf.unisinos.br/~osorio/ATSWorlds.html
2. Modelagem Geométrica
Um sistema de realidade virtual deve ter a capacidade de criar um “mundo virtual”,
inserindo objetos neste mundo, e assim determinando: forma, posição, transparências,
reflexões e texturas dos objetos, entre outros aspectos. Para isto, é necessário
inicialmente modelar os objetos como sólidos geométricos, e posteriormente atribuir a
estes objetos propriedades físicas como: transparência, reflexão, textura, etc.
A necessidade de modelar objetos como sólidos levou ao desenvolvimento de
uma grande variedade de representações. A área de modelagem geométrica [Gomes
1998, Foley 1996, Diegues 1989, Mortenson 1985] trata deste problema da criação,
manipulação e topologia dos objetos gráficos no computador. Nesta seção daremos uma
breve introdução a algumas das principais técnicas usadas para representar objetos em
sistemas de computação gráfica.
2.1. Instanciamento de Primitivas
Em geral, as primitivas geométricas são objetos simples de descrever e representar,
constituindo os blocos básicos da construção de modelos (e.g. esferas, cubos,
pirâmides). Estas primitivas podem sofrer algumas transformações: translação, rotação,
mudança de escala, e deformações. Tais transformações são utilizadas tanto para
posicionar as primitivas no espaço quanto modificar a geometria destas. No
posicionamento das primitivas são utilizados os movimentos de rotação e translação.
Para modificar a geometria, uma transformação bastante utilizada é a mudança de
escala, que permite uma mudança das dimensões da primitiva. Usando uma mudança de
escala linear em apenas um dos eixos, pode-se transformar um cubo em um
paralelepípedo qualquer. Usando transformações projetivas, pode-se obter figuras das
mais variadas através de um simples cubo. O uso de primitivas básicas adicionadas as
transformações para modificar a geometria destas permite reduzir a complexidade final
do modelo resultante deste tipo de processo de modelagem.
2.2. Representação de Limites
O modelo por representação de limites define um sólido indiretamente através da
representação das suas superfícies limitantes. Computacionalmente é conveniente
dividir uma superfície do modelo em faces, sendo que cada face é limitada por um
conjunto de vértices e arestas. Os limites de um objeto podem ser divididos em faces,
vértices e arestas de forma ilimitada, ou seja, não existe uma forma única de representar
os limites de um objeto.
Do ponto de vista prático, muitos destes sólidos gerados por sweep exigiriam um grande
número de operações para serem modelados por outras técnicas, e além disto, muitos
processos de fabricação de peças e objetos na indústria utilizam-se de conceitos
similares aos empregados na modelagem por sweep (e.g. tornos e extrusores). Por isto,
esta técnica será o tema do próximo seção, onde também serão descritos seus principais
tipos. Também serão descritos alguns dos algoritmos implementados e a descrição da
construção do sistema de modelagem desenvolvido junto a este trabalho.
3. Implementação
Este trabalho tem por objetivo a integração de técnicas de modelagem com a VRML,
através da implementação da técnica de sweep. Optamos pela criação de um sistema de
modelagem com uma interface simples de usar, onde o usuário desenha seus próprios
polígonos para gerar os objetos pela técnica de modelagem por sweep , com a
possibilidade de ler e gravar arquivos contendo as descrições de polígonos.
A linguagem de programação escolhida para realizar a implementação de um
sistema de modelagem por sweep que gere objetos VRML 2.0 [Web 1999, Duarte
1998], foi a linguagem Java da Sun Microsystems [Javasoft 1999]. Como a VRML está
voltada principalmente para a Internet, o ideal para realizar esta integração seria um
sistema que funcionasse também pela Internet, podendo ser transmitido junto com as
páginas Web e sendo independente de plataforma. Nossa opção pela linguagem Java
permite que este sistema seja aplicado em diferentes ambientes e facilitando o seu uso
no junto ao ensino de conceitos de modelagem de peças (e.g. mecânica), computação
gráfica e realidade virtual.
Existem atualmente vários visualizadores para VRML [Web 1999]. Grande parte
destas ferramentas são de uso livre e estão disponíveis através da Internet, como os
plug-ins usados para testar os modelos gerados pelo sistema de modelagem
desenvolvido junto a este trabalho (Cosmo Player da SGI, Microsoft VRML Viewer,
WorldView da Intervista e Viscape VRML da Superscape).
Resolveu-se então que o ideal para este sistema era que ele funcionasse no
browser (Netscape / Microsoft Internet Explorer) juntamente com um visualizador
VRML. Assim, não seria necessário ao usuário utilizar dois sistemas independentes: um
para gerar os modelos e outro para visualizá-los, pois ambos poderiam ser integrados em
uma mesma ferramenta. Mas, para que fosse possível gravar os objetos gerados, dadas
as características da linguagem Java, também era necessário que se pudesse executar o
sistema de modelagem como aplicação independente, já que pelo browser não é
possível, por questões de segurança, realizar o acesso ao disco para a escrita de dados.
Assim, decidiu-se realizar a criação de uma ferramenta que seja tanto uma
aplicação independente quanto uma aplicação que possa ser executada a partir do
browser. Com a linguagem Java, isto é possível de se fazer, sendo também por este
motivo a melhor linguagem para implementação do sistema de modelagem. Quando o
sistema é executado pelo browser , é denominado de applet. Quando é executado por um
interpretador Java fora do browser , é chamado de aplicação. Após ser decidida a forma
de como o sistema iria gerar os modelos, o ambiente e a linguagem, o passo seguinte foi
a definição da interface, que será objeto de estudo dos próximos itens.
O sistema de modelagem implementado junto a este trabalho recebeu o nome de
ATSWorlds [Silva 1999]. A seguir são descritas e mostradas as duas interfaces deste
sistema: executado independentemente (aplicação) e em um browser ( applet ). Depois, é
feito uma descrição da integração do sistema de modelagem com a VRML. E, por
último, são detalhados os tipos de modelagem por sweep implementados neste trabalho.
3.1 As Interfaces
O sistema implementado junto a este trabalho gera objetos VRML a partir da técnica de
modelagem por sweep. Como foi visto anteriormente, este sistema de modelagem pode
ser usado tanto através de uma aplicação independente quanto via um applet.
3.1.1 Aplicação
Para que se possa salvar os objetos que são gerados pelo sistema de modelagem, é
necessário utilizar o ATSWorlds como aplicação. Neste modo, também é possível
importar e exportar em arquivos os polígonos geradores do sweep em um formato
próprio. A figura 1 mostra a interface do programa sendo utilizado como aplicação.
É interessante salientar que os arquivos com a descrição dos objetos poligonais e
dos objetos em VRML, criados pela aplicação ATSWorlds, estão em formato texto, o
que possibilita a sua análise posterior. Esta facilidade de se analisar o conteúdo dos
arquivos gerados tem um papel bastante importante no ensino de linguagens como a
VRML, e por conseqüência auxiliando a realização de estudos sobre a construção de
mundos virtuais.
(a) Interface da aplicação (b) Exemplo de um objeto gerado pela aplicação
Figura 1. ATSWorlds como aplicação.
A área em branco é o local onde são desenhados os polígonos (2D) que gerarão
os objetos pela técnica de sweep. Para desenhar um polígono, basta clicar com o mouse
em pontos desta área, marcando os pontos que definem os vértices deste. A função de
Undo também foi implementada permitindo desfazer o último ponto, caso isto seja
desejado.
Se for escolhido o tipo de sweep translacional cônico, será apresentado na área
de desenho um ponto representado por uma pequena cruz vermelha, indicando as
coordenadas do ponto de fuga. Este ponto pode ser movido da mesma maneira que os
outros pontos, clicando nele e arrastando-o até a posição desejada.
Se forem escolhidos sweeps do tipo rotacional completo, rotacional parcial ou
helicoidal, na parte direita da área de desenho será exibida uma linha vermelha que
representa o eixo ao redor do qual será feita a rotação destes tipos de sweep.
A parte inferior da aplicação é denominada barra de status. Também é usada
para dar mensagens de erro ou para mostrar as coordenadas do ponto que está sendo
movido. As opções logo abaixo da área de desenho, dependem do tipo de sweep que se
quer realizar, portanto são variáveis. Estas opções serão estudadas no item em que serão
definidos os algoritmos de cada tipo de modelagem por sweep implementados neste
trabalho.
Para iniciar um novo polígono, descartando o polígono existente na área
desenho, deve ser pressionado o botão Novo. Pressionando-se o botão Exportar Pontos
será gravado o estado desta área de desenho, ou seja, os pontos formadores do polígono
e a localização do ponto de fuga. Para ler um estado gravado anteriormente, ou ler
pontos gerados por outra aplicação, deve ser usado o botão Importar Pontos ,
com que a construção dos objetos seja feita de forma muito semelhante ao item anterior.
A diferença básica é que no lugar do botão “Salvar”, na applet existe o botão Atualizar.
Este botão faz com que o objeto VRML seja gerado e atualizado no visualizador do
browser , em vez de salvar o objeto em disco. No applet não há os botões para importar
e exportar o polígono.
Além do sistema de modelagem e do visualizador VRML, a página também
contém uma parte contendo um texto explicativo sobre o sistema de modelagem, de
como utilizar o ATSWorlds, e sobre alguns requisitos necessários à execução da página.
Este texto poderia ser substituído por um roteiro de uma aula prática a ser realizada com
o uso deste sistema.
A figura 2 mostra a interface do sistema de modelagem sendo executado como
applet em uma página HTML. O ATSWorlds ocupa a parte esquerda da página, o
visualizador na parte superior direita e na parte inferior direita o texto explicativo (neste
exemplo foi usado o visualizador Cosmo Player da SGI e o browser Netscape).
Depois de desenhado o polígono, escolhido o tipo de sweep e ajustados os
parâmetros necessários, basta clicar no botão Atualizar para que o ATSWorlds atualize
o objeto na parte superior direita da página. Este botão deve ser usado toda vez que for
alterado o polígono gerador, o tipo de sweep , ou os parâmetros e se queira visualizar o
objeto a partir das mudanças feitas. Neste modo não é preciso ficar alternando entre
programas, onde a alteração dos dados e a visualização dos resultados é feita de modo
automático.
3.2 Técnica de Modelagem por Sweep
Os tipos de modelagem por sweep [Casacurta 1991] implementados no sistema
ATSWorlds foram: Translacional Simples, Translacional Cônico, Rotacional Completo,
Rotacional Parcial e Helicoidal. Com exceção do sweep Helicoidal, em que o polígono
gerador deve ser fechado, em todos os outros tipos de sweep os polígonos geradores
podem ser abertos ou fechados, permitindo uma maior flexibilidade em termos do
objeto final obtido.
3.2.1 Sweep Translacional Simples
O tipo mais simples é o sweep translacional, no qual cada aresta desenhada é deslocada
por uma trajetória normal ao plano em que estão as arestas (similar ao processo de
extrusão). O sistema de modelagem foi elaborado de forma que, neste tipo de sweep , a
origem do objeto gerado fique exatamente no centro da área de desenho. Esta área
representa o plano XZ do sistema de coordenadas da VRML. Portanto, o deslocamento
é feito no eixo Y (na vertical). Assim, se o desenho do objeto for realizado de forma
centralizada na área de desenho, a origem ficará no centro geométrico do objeto
formado. Tanto a base quanto o topo do objeto formado serão definidos pelo próprio
polígono desenhado pelo usuário. A altura deste objeto é atribuída através do parâmetro
“Altura” do ATSWorlds, informado no respectivo campo de entrada de dados da
interface.
O algoritmo usado para a geração deste tipo de sweep é bastante simples. Para
formar a lista de pontos do polígono, converte-se cada ponto do polígono desenhado
pelo usuário para dois pontos no espaço da VRML. Ou seja, cada ponto formará um
vértice da base e um vértice do topo do objeto. O eixo X do objeto VRML é
representado pelo eixo horizontal da tela, o eixo Y é dado pelo parâmetro Altura, e o
eixo Z do objeto é representado pelo eixo vertical da tela. As faces são feitas pela união
destes pontos. As faces laterais são formadas pela junção dos pontos que formam cada
aresta do polígono gerador. Como as arestas da base e do topo são paralelas, cada face
lateral terá um formato retangular. As faces superior (topo) e inferior (base) são
formadas pela união dos próprios pontos que as formam. O ATSWorlds também
permite que seja feito o sweep translacional de um polígono aberto, para dar maior
liberdade ao usuário, onde neste caso, serão gerados apenas as faces laterais, não
fechando a poligonal definidora do topo e da base do objeto.
3.2.2 Sweep Translacional Cônico
Este tipo de sweep é uma extensão do translacional simples. Neste caso, somente uma
das faces é igual ao polígono gerador desenhado pelo usuário. Os vértices da outra face,
ao serem transladados, convergem para um ponto denominado de “ponto de fuga”. Esta
face, portanto, sofre uma alteração de escala enquanto é deslocada. O ponto de fuga não
necessita ficar no centro do polígono gerador. Isto faz com que este deslocamento possa
também ser não perpendicular ao plano da base do objeto gerado.
A base do objeto formado será o próprio polígono desenhado pelo usuário. A
altura do objeto é atribuída através do parâmetro “Altura”. O ponto de fuga é
representado por uma pequena cruz vermelha na área de desenho e pelo parâmetro
“Altura PF”. Isto facilita ao usuário visualizar a forma que terá o objeto. Se a altura do
ponto de fuga for negativa, o sweep será do tipo translacional cônico divergente. E a
parte menor, neste caso, será voltada para baixo. O sistema de modelagem também
permite a criação de um objeto pela técnica de sweep translacional cônico de polígono
aberto, gerando somente as faces laterais.
3.2.3 Sweep Rotacional Completo de Polígono Fechado
O sweep rotacional, faz uma superfície ser rotacionada sobre um eixo do mesmo plano
desta superfície. Este eixo, no sistema de modelagem ATSWorlds, é representado por
uma linha vermelha localizada na parte direita da área de desenho (ver figuras 2 e 3). O
parâmetro “Fatias” representa o número de setores que terá o objeto. Quanto maior o
número de fatias, mais suave será o contorno do objeto e maior o tamanho do arquivo
gerado.
O eixo Y do objeto é o eixo vertical da tela. Os valores de X e Z dos pontos do
objeto gerado são calculados pela distância entre o ponto e o eixo de rotação. As faces
são formadas pela união de pontos vizinhos e os pontos vizinhos da próxima fatia. Por
isso, as faces serão sempre formadas por quadriláteros.
3.2.4 Sweep Rotacional Completo de Polígono Aberto
Como no sweep rotacional completo de polígono fechado, o sweep é realizado pela
rotação do polígono sobre um eixo representado pela linha vermelha da área de desenho.
O sistema de modelagem foi desenvolvido de forma que o início e o fim do polígono
gerador não necessite estar sobre o eixo de rotação. O próprio sistema se encarrega de
fechar o objeto.
3.2.5 Sweep Rotacional Parcial de Polígono Fechado
Esse tipo de sweep é semelhante ao rotacional completo de polígono fechado, mas difere
dele pelo fato deste não fazer uma volta completa em torno do eixo de rotação. Para
realizar este tipo de sweep , além do eixo de rotação e do parâmetro “Fatias”, existe
também o parâmetro “Angulo”. Este representa qual o ângulo total de revolução que a
superfície realizará.
O valor do ângulo deverá estar entre zero e 360 graus, excluindo estes. Para
obter um ângulo igual a 360 graus deve-se realizar um sweep rotacional completo.
Ângulos menores que zero não são necessários, já que todos os ângulos de valores
negativos formarão objetos semelhantes aos formados por ângulos positivos.
3.2.6 Sweep Rotacional Parcial de Polígono Aberto
Este tipo de sweep é semelhante ao sweep rotacional completo de polígono aberto. O
início e o final do polígono gerador não necessitam estar sobre o eixo de rotação e o
ângulo deve ficar entre zero e 360 graus. A figura a seguir mostra o sistema de
modelagens ATSWorlds com um polígono para gerar um objeto pela técnica de sweep
rotacional parcial de polígono fechado e o objeto gerado a partir deste polígono (vide
figura 3).
de uma formação anterior específica sobre o assunto: tanto em relação aos conceitos de
modelagem em computação gráfica, quanto em relação ao uso da aplicação em questão,
cuja interface é simples e intuitiva.
O software desenvolvido é distribuído livremente e foi implementado em Java,
permitindo o seu uso em diferentes plataformas de hardware e software. Portanto, as
facilidades de uso da sua interface, a simplicidade com que podemos criar objetos
simples ou complexos em VRML, e a possibilidade de seu uso em praticamente
qualquer ambiente, configuram esta aplicação como uma excelente ferramenta didática
para o ensino de computação gráfica, geometria (sólidos de revolução) e modelagem de
sólidos (torneamento e extrusão), e para a construção de mundos virtuais com o uso de
ferramentas de realidade virtual. A possibilidade de analisar os modelos gerados
(arquivos texto com código VRML – WRL) torna ainda mais interessantes as
possibilidades de aplicação do ATSWorlds no ensino.
Apesar deste sistema ser capaz de construir uma grande variedade de objetos,
existem ainda algumas melhorias que deverão ser incorporadas ao sistema futuramente,
visando aperfeiçoar os trabalhos desenvolvidos até o presente. Algumas destas
melhorias são:
- Construção de objetos por outros tipos de sweep, como o Sweep
Translacional com Torção e o Sweep Geral, e até mesmo poderão ser
adicionadas outras técnicas de modelagem neste sistema, como CSG, por
exemplo;
- Definição e integração de atributos de cor, transparência, reflexão e textura
nos objetos gerados, melhorando a qualidade visual dos mesmos;
- Definição de transformações de translação, rotação e escala sobre o objeto
final, permitindo que o mesmo seja posicionado e inserido em qualquer
posição de um mundo virtual. Isto permitirá que se faça a união de vários
objetos para formar um outro objeto qualquer, ou para compor uma mesma
cena complexa.
- Fazer o editor gráfico de polígonos 2D com janela virtual, possibilitando
zoom e panning;
- Importar e exportar os polígonos geradores para outros formatos de
arquivos, como por exemplo o formato DXF do AutoCAD;
A ferramenta descrita neste artigo apresenta-se disponível de forma completa e
funcional no site http://www.inf.unisinos.br/~osorio/ATSWorlds.html, sendo que
estudos visando a implementação dos itens citados acima estão sendo estudados.
Bibliografia
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Cadoz, Claude. “Realidade Virtual”. São Paulo: Ática, 1997.
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Alegre: UFRGS, 1991. Dissertação de Mestrado, 169 p.
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Mortenson, M. E. “Geometric Modeling”. Jonh Wiley & Sons, NY, 1985.
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