Realidade Aumentada para Design em Arquitetura

FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Realidade Aumentada para Design em Arquitetura Mariana Gonçalves Lopes Mestrado Integrado em Engenharia Informática e Computação Orientador: Jorge Alves da Silva Coorientador: Miguel Sales Dias Julho de 2014 © Mariana Gonçalves Lopes, 2014 Realidade Aumentada para Design em Arquitetura Mariana Gonçalves Lopes Mestrado Integrado em Engenharia Informática e Computação Aprovado em provas públicas pelo Júri: Presidente: José Manuel de Magalhães Cruz (Professor auxiliar da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto) Vogal Externo: Teresa Romão (Professora auxiliar da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa) Orientador: Jorge Alves da Silva (Professor auxiliar da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto) ____________________________________________________ 10 de Julho de 2014 Resumo Na área de arquitetura, as maquetes, quer para estudo e análise inicial do projeto, quer para exposição, onde um modelo mais definitivo é usado para apresentar as caraterísticas do projeto final, desempenham um papel fundamental como instrumento no processo criativo do arquiteto e para planeamento, conceção e comunicação dos projetos. No entanto, existem sempre algumas dificuldades associadas à utilização das mesmas, como por exemplo o tempo gasto e os custos envolvidos na sua produção e alteração sempre que é necessário prever o resultado de modificações no projeto, ou a visualização de pormenores do interior da maquete, a qual pode ser inviável. Com o objetivo de auxiliar os arquitetos a ultrapassar as dificuldades encontradas no processo atual de conceção em arquitetura, o Microsoft Language Development Center, em colaboração com o Departamento de Arquitetura e Urbanismo do Instituto Universitário de Lisboa (ISCTE-IUL), lançaram uma hipótese para resolução do problema, consistindo no uso da tecnologia da visualização e interação em realidade aumentada com o modelo virtual 3D do projeto de arquitetura, na mesma escala da maquete de estudo, através de um dispositivo do tipo tablet. A verificação da hipótese passou pela criação de um protótipo que permita a visualização de informação virtual, ou seja, de modelos virtuais 3D de edifícios e sua envolvente exterior, usando realidade aumentada. Este sistema permite que esses modelos sejam visualizados através de um tablet utilizando técnicas de visão baseadas em texture tracking, que necessita de uma marca visual plana (uma imagem) de referência, a qual funciona como plano para registo e posicionamento do modelo. O sistema permite ainda diversas funcionalidades que facilitarão, quer a modificação do modelo 3D quer a interação com este, como por exemplo a oclusão de objetos e o suporte de planos de corte interativos para pormenores interiores, muito utilizados em arquitetura. Para o enriquecimento da experiência de visualização e interação com a o modelo 3D, o sistema utilizará uma plataforma computacional móvel com ecrã tátil, permitindo uma interação baseada em toque. Abstract In architecture, physical scale models, either for study and initial analysis of the project or for exhibition, where a more definitive model is used to present the characteristics of the final project, play a key role as a tool in the creative process of the planning and design of architectural projects. However there are always some difficulties associated with such approach, such as the time spent and the costs involved in their production and modification, whenever it is necessary to predict the outcome of changes in the project, or when trying to view details of the interior of the model, which may not be feasible. Aiming to assist the architects to overcome these difficulties, the Microsoft Language Development Center in collaboration with the Department of Architecture and Urban Planning of Instituto Universitário de Lisboa (ISCTE-IUL), proposed an hypothesis for solving such problems. This hypothesis points to the use of visualization and interaction technology in augmented reality, with a 3D virtual model of the architecture project, on the same scale of the physical study model, through a tablet-type device. The hypothesis verification went by creating a prototype allowing the display of 3D virtual models of buildings and their surrounding environment using augmented reality and study its usability with a panel of students and architects. This system allows these models to be viewed in Augmented Reality through a tablet, using texture tracking based on vision, which needs a planar visual marker (a regular image) that works as a plane for the registration of the model. The system also allows several features that facilitate either the modification of the 3D model, or the interaction with it, such as occlusion of objects and the support of interactive cutting planes for interior detail viewing, widely used in architecture. To enrich the viewing and interaction experience with the 3D model, the system uses a mobile computing platform with touch screen, allowing for touchbased interaction. Agradecimentos Gostaria de agradecer a todos o que me ajudaram e contribuíram para a elaboração desta dissertação. Gostaria de agradecer aos meus orientadores Professor Jorge Alves da Silva da FEUP e ao Professor Miguel Sales Dias do MLDC (Microsoft) e ISCTE-IUL pela valiosa orientação e acompanhamento dado durante todo este percurso e pela oportunidade que me foi dada com este projeto. Ao Ricardo Miguel, Nuno Mendonça e Professora Sara Eloy do ISCTE-IUL pela colaboração prestada a todos os níveis, tanto na minha integração com a área de arquitetura como nos requisitos da aplicação e na realização da avaliação da usabilidade. Ao Filipe Gaspar e Nelson Carvalho da ADETTI-IUL por todo o apoio técnico prestado durante todo o desenvolvimento. A todos os participantes da avaliação da usabilidade, alunos e professores do ISCTE-IUL, pela sua participação, pois sem eles não seria possível realizar um estudo tão elaborado sobre o tema. A todos os meus colegas da Microsoft que me ajudaram durante a minha estadia no MLDC Porto. À minha família que sempre me apoiou e fez com que tudo isto fosse possível. Ao meu namorado que me apoiou e ajudou ao longo de todo este percurso e me aturou até nos tempos mais difíceis. Muito obrigada a todos! Mariana Gonçalves Lopes xvii Abreviaturas e Símbolos 2D Two-dimensional 3D Three-dimensional API Application Programming Interface BIM Building Information Modeling CAAD Computer-aided architectural design CAD Computer-Aided Design DAG Directed Acyclic Graph FIRST Fast Invariant to Rotation and Scale Transform HMD Head Mounted Display HUD Head-Up Display NCC Normalized Cross Correlation OSG OpenSceneGraph OST Optical See-Through SDK Software Development Kit SIFT Scale-Invariant Feature Transform SURF Speeded-up robust features TIC Tecnologias de informação e comunicação VST Video See-Through Capítulo 1 Introdução A realidade aumentada permite ao utilizador ver e interagir em tempo real com o mundo real onde pode observar objetos virtuais sobrepostos e alinhados (registados) com este. Esta tecnologia tem a capacidade de alterar o modo como as pessoas interagem com o mundo à sua volta e a sua experiência [1]. O avanço tecnológico da realidade aumentada tem sido significativo e tem chegado a muitas áreas, como a medicina, o design e a manutenção industrial, o entretenimento ou a arquitetura, entre outras [2]. Na área de arquitetura, especificamente, as técnicas de realidade aumentada têm sido usadas maioritariamente para auxílio na visualização de informação do projeto de arquitetura, adicionando interação com utilizador [3]. Essa informação pode vir representada fisicamente, por meio de uma maquete, onde se regista um modelo virtual realizado com ferramentas apropriadas de CAAD. 1.1 Contexto e Motivação Na área de arquitetura, a maquete desempenha um papel fundamental como instrumento no processo criativo do arquiteto e para o planeamento e conceção de projetos, pois é necessário para o arquiteto expressar as suas ideias a outros, como por exemplo ao cliente ou a outros profissionais que interagem com ele (sejam eles de engenharia de estruturas, arquitetura de exteriores, águas e esgotos, energia, iluminação e ar condicionado, ou outras), tornando real, ainda que numa escala menor, a idealização do projeto final a desenvolver. Existem dois tipos de maquetes usadas em momentos diferentes do processo. A maquete de estudo, usada pelos arquitetos para estudo e análise inicial do projeto, é uma das ferramentas mais importantes no seu trabalho pois é nela que testa diversas soluções e estuda novas ideias. Este tipo de maquete é feito de materiais que podem ser trabalhados mais facilmente, sem Introdução 2 grande apresentação, pois tem maior probabilidade de variar ao longo do estudo feito pelo arquiteto. Já a maquete de exposição é um modelo mais definitivo usado para apresentar as caraterísticas do projeto final aos clientes ou a outros interlocutores envolvidos. Por representar uma fase final do projeto, esta tem um maior nível de pormenor e demora mais tempo a ser executada. Apesar do uso de maquetes ser comum para o planeamento em arquitetura, existem sempre algumas dificuldades associadas à utilização das mesmas. O desenvolvimento de uma maquete implica gastos de tempo para a sua construção em vários materiais, como por exemplo madeira ou papel. Mas é necessário ter um esboço físico em que seja percetível o objetivo do projeto a ser realizado por qualquer pessoa, mesmo esta não tendo conhecimentos na área. Se o projeto necessitar de sofrer alguma alteração, esta também será refletida na maquete, implicando a necessidade de utilizar mais tempo para modificar ou reconstruir a mesma. A visualização de pormenores dos interiores da maquete, apenas seria possível se esta fosse construída de uma forma mais pormenorizada, permitindo retirar peças, tais como o telhado, ou ser divisível com corte vertical, mas, este tipo de construção de maquetes iria requerer mais tempo de confeção, podendo não compensar o trabalho despendido. Para colmatar algumas destas dificuldades, pode-se recorrer ao uso de modelos ou objetos virtuais onde é possível explorar e alterar a visualização de detalhes, que seria impossível numa maquete física [3]. Esta prática é cada vez mais utilizada pelos arquitetos e introduzida nos programas de ensino em Arquitetura. Por outro lado, as maquetes físicas continuam a ter vantagens sobre os modelos virtuais em demonstrações públicas e na facilidade de manipulação, permitindo uma maior interação do utilizador com os modelos [3]. 1.2 Problema O problema estudado neste trabalho prende-se com a utilização da maquete como artefacto físico fundamental no processo criativo de conceção em arquitetura, nomeadamente, da maquete de estudo, usada pelos arquitetos para estudo e análise inicial do projeto (ver Figura 1 que ilustra o uso da maquete e do modelo 3D para o mesmo projeto). Os problemas identificados neste contexto podem ser enumerados da seguinte forma:  Custos de tempo e financeiros muito elevados, incorridos com a elaboração do artefacto.  Dificuldades na alteração da maquete, sempre que o projeto concetual evolui (o que é muito frequente), o que pode necessitar de destruição e reconstrução parciais da maquete.  Dificuldades na visualização de pormenores dos interiores da maquete, o que apenas se torna possível se esta fosse construída de forma muito pormenorizada e com peças que se encaixam e desencaixam, o que não é trivial, em virtude das escalas de trabalho. Introdução 3 Com o objetivo de auxiliar os arquitetos a ultrapassar as dificuldades atrás enunciadas no processo atual de conceção em arquitetura, o Microsoft Language Development Center, em colaboração com o Departamento de Arquitetura e Urbanismo do Instituto Universitário de Lisboa (ISCTE-IUL), realizaram uma proposta para resolução das dificuldades encontradas no processo de conceção em arquitetura que utiliza maquetes de estudo, que se apresenta nesta tese e que aponta para uma solução tecnológica alternativa à maquete de estudo. De facto, a hipótese de resolução do problema consiste no uso da tecnologia da visualização e interação em realidade aumentada com o modelo virtual 3D do projeto de arquitetura, na mesma escala da maquete de estudo, neste caso, através de um dispositivo do tipo tablet. Dado que esta hipótese carece de validação, na secção seguinte enunciamos mais formalmente a hipótese da tese e os objetivos específicos que poderão levar à sua demonstração. Figura 1: Projeto de arquitetura representado de forma virtual (imagem da esquerda) e real (imagem da direita, em maquete de estudo) 1.3 Hipótese, Objetivos e Metodologia de Investigação A hipótese que se pretende demonstrar pode ser enunciada da seguinte forma: “A visualização e interação com modelos virtuais de projetos de arquitetura à escala das maquetes de estudo, utilizando tecnologia de realidade aumentada consumida num dispositivo do tipo tablet, são benéficas para o processo de conceção em arquitetura, do ponto de vista de análise iterativa de conceitos e ideias e da compreensão do projeto de arquitetura”. Sendo o objetivo principal da tese a demonstração da hipótese, definimos os seguintes objetivos secundários para atingir esse fim: Introdução 4 O1: Levantar os requisitos e desenvolver e testar um protótipo demonstrável de um sistema que permita a visualização de informação virtual, ou seja, de modelos virtuais 3D de projetos de arquitetura incluindo edifícios e envolvente exterior, usando realidade aumentada consumida num dispositivo do tipo tablet. A solução técnica para este protótipo, aponta para as seguintes funcionalidades a serem suportadas:  Plataforma computacional móvel com ecrã tátil, permitindo uma interação baseada em toque.  Visualização da realidade aumentada no tablet utilizando técnicas de visão baseadas em texture tracking que necessitam de uma marca visual plana (uma imagem) de referência, funcionando como plano para registo e posicionamento do modelo.  Suporte à visualização, modificação e interação com o modelo 3D, como por exemplo a oclusão de objetos e o suporte de planos de corte interativos para pormenores interiores, muito utilizados em arquitetura. O2: Desenvolver um estudo de avaliação da usabilidade do protótipo desenvolvido, analisar os respetivos resultados e demonstrar a hipótese, nomeadamente, que o protótipo beneficia de facto os arquitetos no seu processo atual de conceção, através da visualização e manipulação interativa de modelos virtuais de projetos à escala das maquetes de estudo. Pretende-se seguir uma metodologia de investigação que compreende uma fase de levantamentos de requisitos junto de alguns colaboradores, professores e alunos, da área de Arquitetura no ISCTE-IUL, seguida da priorização dos mesmos. Segue-se uma fase planeamento pormenorizado do desenvolvimento de funcionalidades, com aprovação do cumprimento dos requisitos pelos colaboradores iniciais (estudantes de arquitetura e Professora Sara Eloy), que culmina com a realização e análise de um estudo de avaliação da usabilidade do protótipo desenvolvido, este último, com a adoção de uma metodologia baseada em tarefas, com medição do tempo de cada utilizador e de erros cometidos e com observação e entrevista dos participantes. A escolha da realidade aumentada para a resolução do problema, deriva da necessidade de aproveitar algumas vantagens do uso de maquetes e do uso de modelos 3D, ou seja, a interação e facilidade de demonstração que o modelo físico possui, com os objetos e modelos virtuais, estes permitindo rápidas alterações e testes ao longo do projeto, transportando assim o modelo 3D de um ecrã de computador para a sua visualização sobre uma mesa de trabalho de um arquiteto. Além dessas alterações, também deve ser possível acrescentar informações extra, como realizar cortes que permitam ver o interior ou adicionar texturas ao modelo 3D, tirando partido da sua flexibilidade. Introdução 5 1.4 Contribuições A principal contribuição desta tese é um protótipo funcional de um sistema de realidade aumentada que permite a visualização de informação virtual de modelos 3D, com interface adaptada ao toque para funcionar num tablet e cuja aplicação no processo de conceção de arquitetura comporta diversos benefícios. Estes são demonstráveis pelos resultados da respetiva avaliação da usabilidade, realizada por utilizadores na área de Arquitetura para validar as propostas apresentadas. Tendo em vista a divulgação do trabalho realizado no âmbito desta dissertação está em preparação um artigo a submeter no EPCG 2014 – Encontro Português de Computação Gráfica. 1.5 Estrutura da Dissertação Para além da introdução, esta dissertação contém mais 5 capítulos. No capítulo 2 é apresentado o estado da arte, tanto ao nível de trabalhos relacionados com a realidade aumentada na arquitetura, como de tecnologias existentes para criação de aplicações desse género. No capítulo 3 é apresentado o planeamento do trabalho realizado durante a dissertação ao nível dos requisitos, arquitetura e tecnologias a serem usadas. No capítulo 4 são descritos todos os pormenores da implementação do protótipo. No capítulo 5 são apresentados e analisados os resultados da avaliação da usabilidade realizada com o protótipo desenvolvido. No capítulo 6 são apresentadas as conclusões da tese e notas finais sobre o trabalho desenvolvido. Também é discutido o trabalho futuro que ainda poderá ser realizado para dar continuidade a este projeto. Capítulo 2 Revisão Bibliográfica Para a criação do protótipo definido nos objetivos (secção 1.3), foi necessário algum estudo da tecnologia de realidade aumentada, descrito brevemente na secção 2.1. O funcionamento de um sistema deste tipo, bem como o hardware e software disponível, também foram investigados, sendo apresentados na secção 2.2. Dentro da área específica desta dissertação, também foi realizada uma recolha de sistemas de realidade aumentada em arquitetura, na secção 2.3, focando as aplicações para interiores. 2.1 Realidade Aumentada A realidade aumentada permite ao utilizador ver o mundo real com objetos virtuais sobrepostos e alinhados (registados) com este, dando uma sensação de fusão entre os dois mundos. Segundo Azuma [4] um sistema de realidade aumentada deve possuir três caraterísticas essenciais: combinar o real com o virtual, ser interativo em tempo real e alinhar os objetos reais e virtuais em 3D, como é visível na Figura 2. De modo a criar um sistema de realidade aumentada, são necessários vários componentes: subsistemas de seguimento e alinhamento, de aquisição e interpretação das imagens vídeo, de rendering e de interação. Os principais desafios encontram-se no alinhamento do mundo real com o virtual, pois a maior parte aplicações requerem um alinhamento preciso, e no seguimento da posição da câmara. Para que esse alinhamento seja possível é necessário que o rendering dos objetos virtuais seja feito com uma câmara virtual com os mesmos parâmetros intrínsecos e extrínsecos da câmara real usada para adquirir as imagens. Os parâmetros intrínsecos referem-se a distâncias focais e coordenadas do centro da imagem, que podem ser determinados previamente, exceto se Revisão Bibliográfica 8 utilizar uma lente com zoom que altere a distância focal durante a aquisição de imagem. Os parâmetros extrínsecos determinam a posição e orientação da câmara em relação a um referencial conhecido. Figura 2: Conceito de realidade aumentada (Figura adaptada de [5]) Na secção 2.2, é apresentado o funcionamento sistema de realidade baseado em visão, onde são apresentadas soluções para a resolução destes desafios. A realidade aumentada tem sido uma tecnologia adaptada para várias áreas, como, por exemplo, a medicina, robótica, militar, arquitetura, entre outras. Na secção 2.3 são descritos alguns dos sistemas de realidade aumentada que têm sido desenvolvidos para a área de arquitetura. 2.2 Funcionamento de um sistema de Realidade Aumentada Os sistemas de realidade baseados em visão podem ser de dois tipos, baseados em caraterísticas ou baseados em modelos. Os sistemas de realidade aumentada baseados em características procuram encontrar uma correspondência entre uma imagem 2D e a cena 3D visível. O estabelecimento de correspondências podem ser marker-based ou markerless, ou seja, com recurso a marcas fiduciais ou sem marcas, respetivamente. No caso de serem utilizadas marcas fiduciais, que são padrões planos pré-definidos, a deteção e o seguimento é facilitada pela geometria já conhecida e pelo grande contraste dos elementos constituintes do padrão, mas é necessária a introdução da marca artificial na cena para adicionar os elementos virtuais. Em contrapartida a realidade aumentada sem marcas permite a utilização de marcas naturais da cena, como pontos, linhas, cantos ou padrões caraterísticos, eliminando a necessidade de alteração da mesma. Em algumas cenas, essas marcas naturais podem ser difíceis de identificar. Revisão Bibliográfica 15 2.3 Sistemas de realidade aumentada para arquitetura Apesar de existirem também sistemas de realidade aumentada para arquitetura no exterior, a pesquisa efetuada cingiu-se a sistemas de realidade aumentada no interior, utilizados na fase de conceção do projeto. 2.3.1 Arthur Desenvolvido por Broll et al. [27], Arthur é um sistema de realidade aumentada aplicada para planeamento e tomadas de decisões dos arquitetos. Neste sistema, os utilizadores recorrem a um HMD para visualizar uma mesa aumentada com informação virtual (Figura 8). A interação com o utilizador é feita por meio de marcadores, apontadores e gestos, permitindo executar ações, como desenhar uma linha no espaço, navegar em menus ou selecionar e manipular objetos virtuais. Figura 8: Exemplo de utilização do sistema ARTHUR (Figura adaptada de [27]) 2.3.2 ARUDesigner O Augmented Reality-based Urban Design System (ARUDesigner), desenvolvido por Wang em 2007 [28], foi criado para reduzir a possibilidade de mal interpretações entre os membros da equipa, fornecendo uma informação visual mais detalhada e encorajando à colaboração e comunicação entre os mesmos. O sistema do ARUDesigner (Figura 9) consiste num capacete HMD para visualização do ambiente aumentado, numa câmara de vídeo para captação de imagem da cena e marcas fiduciais para reconhecimento e seguimento de pontos Revisão Bibliográfica 16 caraterísticos usados para alinhar as imagens virtuais de edifícios ou outros elementos, para facilitar o planeamento urbano. Um dos exemplos de utilização deste sistema é o planeamento de uma nova área residencial permitindo a alteração das posições dos novos edifícios (marcas fiduciais) sobre a mesa de trabalho, para visualizar a harmonia com edifícios vizinhos já existentes [28]. Figura 9: Utilização do sistema ARUDesigner (Figura adaptada de [28]) 2.3.3 ARchitectureView Apresentado por Belcher e Johnson [29], este sistema permite a visualização de modelos arquitetónicos de edifícios, especificamente modelos BIM, ou seja, conjuntos de informações que são geradas e guardadas desde a idealização de um projeto até ao seu fim de vida, em 3D, usando realidade aumentada com recurso a interface tangível e a interação através do conceito de Magic Lens. Este conceito é definido por elementos da interface, como, por exemplo, uma marca fiducial, que aplicam transformações a conteúdos que estão sob eles [30]. Neste caso a lente é usada para simular a sensação de uma lupa real ou filtro de informação, como é mostrado na Figura 10(a), e é controlada por meio de um dispositivo reconhecido e rastreado pelo sistema [31]. O ARchitectureView utiliza HMD equipado com uma webcam, para a visualização pelo utilizador das imagens captadas, e marcas fiduciais para visualizar os novos edifícios ou componentes (Figura 10(b)). Revisão Bibliográfica 17 (a) Vista em primeira pessoa com utilização (b) Vista do sistema por um utilizador externo de Magic Lens Figura 10: Exemplo de utilização do sistema ARchitectureView (Figura adaptada de [29]) 2.3.4 MxR MxR é um sistema de realidade aumentada para suportar a colaboração durante as fases iniciais do desenvolvimento na área de arquitetura, apresentado por Belcher e Johnson [32]. Este sistema consiste na sobreposição do modelo 3D virtual (Figura 11(c)) sobre o físico, ou seja, uma maquete (Figura 11(d)), como é visível na Figura 12, permitindo que os vários intervenientes no projeto possam discutir e testar diversas hipóteses e visualizar os resultados. Para conseguir esta sobreposição são utilizadas marcas fiduciais formando uma plataforma (Figura 11(e)) onde são colocadas e alinhadas as maquetes, HMD (Figura 11(f)) equipado com uma webcam (Figura 11(a)) para visualizar o resultado da maquete aumentada e um computador (Figura 11(b)) para fazer o processamento da imagem com recurso ao software ARToolKit. A interação com o utilizador pode ser feita com recurso a um dispositivo (Figura 11(g)), identificado pelo software por uma marca fiducial, que simula uma lupa e interage com a maquete aumentada. Este dispositivo pode também ser utilizado como ferramenta de seleção de recursos existentes no catálogo (Figura 11(i)). Também é possível simular e alternar entre as diferentes alturas do dia utilizando a rotação da marca fiducial (Figura 11(j)) em relação à marca padrão. Revisão Bibliográfica 18 Figura 11: Arquitetura do sistema MxR (Figura adaptada de [32]) Figura 12: Vista em primeira pessoa do sistema MxR (Figura adaptada de [32]) Revisão Bibliográfica 19 2.3.5 AR-media Player AR-media Player [33] permite ao utilizador visualizar os ficheiros de realidade aumentada criados pelos plugins desenvolvidos pela AR-media. Este funciona como um sistema normal de realidade aumentada com recurso a marcas fiduciais, tipo ARToolkit (ver seção 2.2.4.1), permitindo o corte de objetos 3D, gestão de camadas, sombras em tempo real e também a ligação entre duas ou mais marcas fiduciais. Para a área de arquitetura, a AR-media possui plugins para 3ds Max, SketchUp, Vectorworks, entre outros, que permitem a exportação de modelos 3D criados nesses softwares para um formato reconhecido pelo AR-media Player, para depois serem visualizado sobre a marca fiducial [34], como mostra a Figura 13. Figura 13: Modelo 3D visualizado através de realidade aumentada com o AR-media Player (Figura adaptada de [35]) 2.4 Conclusão A tecnologia em geral tem evoluído rapidamente nos últimos anos, e a realidade aumentada também tem acompanhado essa evolução, chegando a muitas áreas, como é o caso da arquitetura. A realidade aumentada já evoluiu de estática a móvel, de análise de marcas simples a análise da cena em profundidade, aumentando cada vez mais a sua interação com o utilizador. Na área de arquitetura, já existem algumas aplicações de realidade aumentada para planeamento urbanístico, discussão entre os intervenientes no projeto ou apenas para ver as informações virtuais dos projetos, ainda que com marcas mais simples. Revisão Bibliográfica 20 Com os dispositivos móveis a tornarem-se baratos e de fácil acesso ao utilizador comum, surgiram novos alvos para a expansão da realidade aumentada, substituindo a utilização de HMD. Em conclusão, a realidade aumentada aplicada à arquitetura é uma área que já foi um pouco explorada na fase inicial da tecnologia, mas o seu crescente avanço permite a sua evolução contínua, dando novas opções de interações aos utilizadores. Capítulo 3 Especificação do protótipo Tendo em conta os objetivos e a metodologia desta dissertação, apresentados na secção 1.3, foram especificados os requisitos e a arquitetura do protótipo a ser implementado, baseados em funcionalidades recolhidas nas reuniões com os colaboradores interessados. 3.1 Requisitos do sistema 3.1.1 Requisitos funcionais Das sessões de levantamento de requisitos realizadas, resultou a informação da Tabela 8, que pode ser consultada em versão mais detalhada no Anexo A, onde se listam todas as funcionalidades necessárias do protótipo e a sua prioridade. Desses requisitos resultaram os casos de uso apresentados nesta secção. Os requisitos levantados, foram agrupados em 3 módulos: “Apresentação”, “Corte” e “Seleção”, como é apresentado na Figura 14. O módulo de Apresentação (Figura 15) consiste no conjunto de funcionalidades que não são prioritárias, mas podem melhorar o ambiente virtual visualizado pelo utilizador. Este módulo deve permitir controlar animações pré-elaboradas, como, por exemplo, do movimento de pessoas ou carros na rua e gerir luzes interiores ou exteriores que sejam carregados no sistema e simulem diferentes períodos do ano ou do dia. Especificação do protótipo 22 Figura 14: Módulos principais do protótipo Utilizador Adicionar animaçãoControlar animações <<extend>> Ligar/desligar luzes Carregar conjuntos de luzes <<extend>> Figura 15: Casos de uso do sistema para o módulo de Apresentação No módulo de Cortes (Figura 16), incluiu-se todas as funcionalidades ligadas à realização de um corte horizontal ou vertical. Os cortes verticais são executados sobre a planta, ou projeção horizontal do edifício, e permitem cortar o modelo num plano perpendicular ao solo, enquanto os cortes horizontais são executados sobre o alçado, ou projeção vertical do edifício, e permitem cortar o modelo num plano paralelo ao solo. Este módulo deve permitir criar um corte numa posição do modelo com uma determinada orientação (horizontal ou vertical), podendo depois alterar a sua posição. Para melhorar a visualização da posição do corte deve possuir um plano visível ao utilizador, que possa ficar invisível quando for necessário. No módulo de Seleção (Figura 17), incluiu-se todas as funcionalidades ligadas à interação com objetos do modelo, como, por exemplo, oclusão e seleção de objetos e modificação de cor e textura dos mesmos. Deve permitir a aplicação das funcionalidades anteriores a objetos simples, como, por exemplo, uma parede ou uma porta, a grupos de objetos, como, por exemplo, todas as paredes do modelo, e a objetos intermédios, como, por exemplo, paredes de uma divisão. Especificação do protótipo 23 Utilizador Adicionar animaçãoControlar animações <<extend>> Ligar/desligar luzes Carregar conjuntos de luzes <<extend>> Figura 16: Casos de uso do sistema para o módulo de Cortes Utilizador Realçar grupo de objetos Ocultar objeto Ocular grupo de objetos Selecionar objeto <<extend>> Modificar cor <<extend>> Modificar textura Reiniciar <<extend>> Reiniciar modelo Selecionar grupo de objetosSelecionar Ocultar Ocultar objeto intermédio <<extend>> Selecionar objeto intermédio <<extend>> Figura 17: Casos de uso do sistema para o módulo de Seleção 3.1.2 Requisitos não-funcionais O sistema deve permitir a visualização do modelo através de um tablet na versão final, mas, numa abordagem inicial, vai ser utilizado um computador portátil para desenvolvimento e teste das funcionalidades implementadas. Especificação do protótipo 24 Este deve usar a API NUTTS para extração e seguimento de pontos caraterísticos e o OpenSceneGraph (OSG) para rendering de gráficos 2D e 3D, conforme a arquitetura da aplicação fornecida para realidade aumentada da ADETTI-IUL [36], Centro de Investigação em SI e TI Avançados do Instituto Universitário de Lisboa, que vai ser utilizada como ponto de partida para o desenvolvimento do protótipo. Em termos de interface, esta deve ser adaptada ao toque, com a utilização de botões suficientemente grandes para o utilizador os conseguir selecionar. Também deve ter texto simples com letras legíveis ao utilizador e poucos botões e menus espalhados pelo ecrã, mantendo acessíveis apenas os principais. 3.2 Arquitetura 3.2.1 Arquitetura lógica A proposta de arquitetura para o protótipo, apresentada na Figura 18, consiste numa aplicação, que liga várias informações disponíveis num único sistema, ou seja, a imagem real com a informação virtual alinhada e visível ao utilizador. Esta aplicação recebe as imagens captadas pela câmara e os modelos virtuais 3D, faz o alinhamento dos modelos virtuais com as imagens captadas, e gera uma imagem 2D em que os objetos virtuais aparecem alinhados com os objetos do mundo real. Também processa as entradas do utilizador quando este pretende interagir com o sistema para executar as operações referidas na secção 3.1.1. Figura 18: Arquitetura geral do sistema Aplicação Imagem 2D Informação 3D (Modelos virtuais) Interação do utilizador Imagem 2D com informação virtual alinhada Desenvolvimento do Protótipo 31 e orientação da câmara real, usada na aquisição. A informação sobre a câmara real, retornada pelo NUTTS, é utilizada pelo OSG para a criação de uma câmara virtual igual à primeira. Usando uma câmara virtual com os mesmos parâmetros da câmara real para fazer o rendering dos objetos virtuais, estes aparecerão alinhados com os objetos do mundo real. Se houvesse uma alteração da posição da câmara real ou da marca, a posição é recalculada e passada ao OSG para actualizar também a câmara virtual. Numa primeira fase, o protótipo foi desenvolvido para correr num computador portátil, e a maior parte das funcionalidades eram realizadas através do teclado e do rato, servindo como interface entre o utilizador e a aplicação. A primeira funcionalidade a ser implementada foi a criação de um corte no modelo, que se procurou realizar, inicialmente, com a utilização de uma câmara virtual auxiliar, criada pelo OSG. Cada câmara possui uma área que contém todos os objetos visíveis no ecrã, chamada de Viewing Frustum. Essa área é limitada pela pirâmide do campo de visão e plano de corte anterior e posterior (Figura 24). Com a alteração da posição da câmara secundária e dos planos de limite do Viewing Frustum, poderia ser possível a utilização destes para o corte do modelo. Figura 24: Representação do Viewing Frustum (Figura adaptada de [41]) No entanto verificou-se que existia, em alternativa, a classe ClipNode [42] para criar um plano adicional (ClipPlane) aos 6 planos da área de visão, permitindo cortar as geometrias da cena. Com este plano e uma função para o controlar através do teclado foi possível realizar vários cortes no modelo 3D, sem a necessidade de criação de outra câmara. Com intuito de auxiliar a perceção do deslocamento do plano de corte na fase anterior ao desenvolvimento da interface, foi criada uma superfície plana colorida (Figura 25) sobre este para que fosse visível ao utilizador. Esta funcionalidade podia ser ligada e desligada, mostrando ou ocultando a superfície da cena. Desenvolvimento do Protótipo 32 Figura 25: Corte vertical com plano auxiliar para visualização da posição Como é visível na Figura 25, o interior dos objetos cortados permanece com uma cor mais escura que os restantes elementos do plano, dando essa sensação de corte, devido à remoção do backface culling, ou seja, deixando o utilizador ver a face interior do objeto, ainda que sem cor. Esta funcionalidade é extremamente importante em arquitetura, dando uma expressão de espaço e uma melhor interpretação do modelo. Nas funcionalidades do módulo de Seleção, como ocultar os objetos, pintá-los ou mudar a sua textura (Figura 26), utilizou-se as caraterísticas dos nós do grafo de cena, “máscara”, “material” e “textura” do nó, respetivamente, para realizar essas alterações. A própria estrutura do grafo de cena, ao passar essas alterações para os nós filhos, permitiu implementar rapidamente funcionalidades de ocultar ou realçar grupos de objetos, como paredes, estruturas, infraestruturas ou outros objetos. Figura 26: Alterações (pintar e aplicar textura) aplicadas a objetos Desenvolvimento do Protótipo 33 De maneira a auxiliar a interação através do teclado com todas as possibilidades das alterações referidas a objetos ou grupos de objetos, criou-se três modos, modo de “ocultar”, “pintar” e “aplicar textura”. Estes modos, apenas utilizados na versão inicial, aplicam a funcionalidade do modo ativa naquele momento ao grupo de objeto ou objeto selecionado, pela seleção da tecla correspondente ou por picking, respetivamente. O picking consiste na seleção de um objeto através do toque sobre o mesmo. O requisito de realçar estruturas, infraestruturas, paredes e outros elementos, ou seja, grupos de objetos (Figura 27), foi alcançado alterando a cor do nó correspondente ao grupo e a transparência do material dos restantes, permitindo que apenas um grupo de objetos fosse identificado. c Figura 27: Realce das estruturas do edifício Outras funcionalidades necessárias mas de menor relevo foram desenvolvidas, como a função de reiniciar um objeto ou todo o modelo e a seleção ou oclusão de objetos intermédios. Nesta última utilizou-se o grafo de cena e as funções de interação sobre ele que OSG possui, para percorrer o grafo desde os objetos mais simples (nós folha) até à cena na totalidade (nó raiz). Os requisitos do módulo de apresentação, por terem uma prioridade inferior à dos restantes requisitos e por falta de luzes ou animações para teste, foram suspensos, apesar de ter sido incluído código na aplicação para implementação destas funcionalidades. Desenvolvimento do Protótipo 34 4.3 Interface Para implementar uma interface adequada para dispositivos móveis, procurou-se utilizar interação baseada em toque e gestos, procurando possíveis API que facilitassem esse desenvolvimento. Devido à aplicação ser desenvolvida em C++ e não existir grande facilidade em encontrar uma API gráfica que utilizasse essa linguagem, optou-se por construir uma interface gráfica com recurso à ferramenta de rendering, OSG, que também permite construir cenas 2D. Assim as imagens colocadas no ecrã em 2D sobre a cena 3D funcionavam como botões para a interface, simulando um HUD, como visível na Figura 28. Figura 28: Interface do Modo de Apresentação Essas imagens, fornecidas pelos estudantes de arquitetura do ISCTE-IUL, foram aplicadas hierarquicamente na cena, criando um novo ramo no grafo de cena específico para a interface. Esta abordagem facilitou a oclusão ou alteração de grupos de botões, referentes a um determinado modo, quando existe uma ação do utilizador para ocultar o menu ou mudar de modo. Como especificado na secção 3.3, o protótipo teria de utilizar na totalidade o ecrã do tablet, dando uma maior sensação de imersão ao utilizador. A aplicação utilizada como ponto de partida captava uma imagem da câmara com uma resolução de 320x240 ou 640x480, que era utilizada tanto no tracking como no ecrã para o utilizador visualizar, mas em ecrã total perdia muita qualidade. Para a visualização, tentou-se captar uma imagem com a resolução máxima permitida pela câmara que, no caso do tablet e computador portátil utilizado, é 1280x720, mas a imagem transmitida ao NUTTS teria de ter a mesma resolução da calibração, que, neste caso, é 320x240. Para resolver o problema foi feito um escalamento da imagem captada para a Desenvolvimento do Protótipo 35 resolução de tracking e essa imagem escalada foi utilizada internamente para o NUTTS. Mas, devido às proporções das imagens serem diferentes, pois a imagem visualizada era de 16:9 e a imagem para tracking de 4:3, foi necessário encontrar uma resolução para o vídeo inferior à resolução máxima mas com proporção de 4:3. Depois de alguns testes para saber qual a resolução a ser utilizada, utilizou-se uma resolução de 320x240 no tracking e 640x480 na visualização. Estas resoluções podem ser alteradas no ficheiro de configurações utilizado pelo protótipo, mantendo a proporção das duas resoluções. A interface para alterar a posição do corte através de botões na interface, planeada nos modelos, não teve o resultado esperado de interação, por isso nas funcionalidades de alterar a posição de corte e alterar a interface consoante o modo ativo resolveu-se utilizar gestos, como arrastar o dedo no ecrã, utilizando algumas funções da API do Windows (WinAPI). Foi utilizada esta API pois mostrou resultados positivos na captação de um gesto simples. No caso do toque no ecrã, foi utilizado o OSG para toque normal e toque longo, pois a API possui funções que auxiliam na seleção de objetos da cena pelo toque no ecrã. Assim, a alteração entre o Modo de Apresentação, o Modo de Cortes e o Modo de Seleção foi realizada pelo movimento de arrastar do dedo do utilizador para a esquerda ou para a direita. Para a funcionalidade de alteração de corte, que utiliza o mesmo movimento, foi necessário tornar inequívoca a ação do utilizador. Desta maneira, criou-se um botão com o formato de cadeado no Modo de Cortes (ver Figura 29), com a funcionalidade de bloquear a alteração de modo a permitir a alteração da posição do plano. Figura 29: Realização de um corte no edifício, recorrendo a interface tátil Desenvolvimento do Protótipo 36 Como mostra a Figura 29, a posição do plano de corte é indicada, no menu lateral, pela linha sobre a planta ou o alçado do edifício a ser visualizado, facilitando a perceção da posição pelo utilizador. Também pela Figura 30, é facilmente percetível a ação ativa no menu, em cada momento, neste caso, a oclusão, devido à alteração do estado dos botões, permitindo que apenas um entre o grupo fique selecionado (cor escura). Esta funcionalidade foi desenvolvida com recurso a duas imagens de cada botão do grupo, ou seja, botão ligado e desligado, que são trocadas na interface de cada vez que existe mudança da ação selecionada. Figura 30: Oclusão de um objeto no modelo Outras imagens da interface que mostram as funcionalidades implementadas podem ser visualizadas no anexo B.2. Algumas funcionalidades, como a aplicação de texturas alteração de cores ou ação envolvendo objetos intermédios, desenvolvidas no protótipo, não puderam ser mapeadas para a nova interface por necessitarem de menus mais complexos que não foi possível desenvolver em tempo útil. 4.4 Conclusão Neste capítulo foi apresentada a implementação do protótipo, tendo em conta os requisitos especificados no capítulo 3. As principais funcionalidades foram implementadas com sucesso, ficando apenas alguns requisitos com menor grau de prioridade que foram desenvolvidos mas não foram incluídos na Desenvolvimento do Protótipo 37 interface ou que não foram desenvolvidos por causa de alguns problemas encontrados. Se tivesse havido mais algum tempo disponível para o desenvolvimento todas essas funcionalidades poderiam ter sido incluídas. Capítulo 5 Avaliação da usabilidade Usando o protótipo desenvolvido descrito nos capítulos anteriores, foi realizado um estudo com utilizadores ligados à área de arquitetura com a finalidade de avaliar a sua usabilidade. Este estudo realizou-se nas instalações do ISCTE-IUL, durante uma semana em Maio, e contou com estudantes e professores dessa instituição como participantes. Neste capítulo são apresentados a metodologia, os resultados e as conclusões retiradas este estudo. No Anexo C são apresentados, com maior detalhe, os dados recolhidos durante os testes de usabilidade. 5.1 Metodologia A avaliação da usabilidade efetuada serviu para avaliar a execução de simples tarefas descritas na secção 5.4. No início de cada sessão individual, os participantes foram informados do contexto e objetivo da avaliação e foi-lhes pedido que respondessem a um inquérito preliminar, usado para recolha de dados do participante. Para dar início à sessão, foi feita uma apresentação do protótipo aos participantes, que permitiu demonstrar o seu funcionamento. Durante a sessão, foi pedido aos participantes para executar as tarefas estabelecidas, na presença de um observador, que tirou notas sobre as ajudas pedidas, resultado de cada tarefa e factos que o observador considerou relevante. Sempre que quisessem, os participantes poderiam falar com o observador, fazendo observações ou comentários sobre o protótipo ou o teste, sem que este pudesse interferir na sessão, a menos que solicitado. No fim da execução de todas as tarefas, foram recolhidas algumas opiniões expressas pelos participantes. Cada sessão foi Avaliação da usabilidade 40 realizada individualmente, num ambiente controlado e com recurso ao mesmo hardware e software. No final da sessão de avaliação, foi pedido a cada utilizador para responder a dois pequenos inquéritos, um em relação à utilidade do protótipo e outro focando a usabilidade da interface do protótipo. 5.2 Hardware Para testar o protótipo foi usado um tablet Samsung XE700T1C-H01PT com as seguintes caraterísticas:  Processador: Intel Core i5-3317U a 1.70GHz  Memória: 4 GB RAM  Placa gráfica: Intel HD Graphics 4000  Sistema Operativo: Windows 8.1 Enterprise 64-bit 5.3 Participantes Para este estudo recrutámos 16 estudantes do Mestrado Integrado em Arquitetura e convidou-se 4 docentes do curso para participarem no estudo como peritos, com o objetivo de validar os resultados obtidos. Inicialmente foram realizados inquéritos preliminares aos participantes, consoante a sua categoria de estudante ou perito, que podem ser consultados nas seções C.2 e C.3 do Anexo C, respetivamente. Os estudantes, do segundo ao quinto ano do curso, tinham idades entre os 20 e os 51 anos e possuíam em média boa experiência em TIC e uma utilização diária de dispositivos móveis, como tablets e smarthphones. Os peritos tinham uma média de 20 anos (mediana de 18 anos) de atividade profissional na área de Arquitetura e, apesar de utilizarem o computador diariamente, a sua relação com as TIC era, em média, apenas razoável, e um deles destacava-se por não ter nenhuma experiência de utilização de dispositivos móveis. 5.4 Tarefas As tarefas escolhidas para a sessão de avaliação foram elaboradas a partir das principais funcionalidades do protótipo, como a realização de um corte, o realce de um grupo de objetos e a oclusão de um único objeto. Na Tabela 1 estão apresentadas as tarefas que os participantes tiveram que realizar e as respetivas sub-tarefas. A tarefa de inicialização de visualização do Avaliação da usabilidade 47 Figura 37: Resultados da pergunta 1 à 7 (Tabela 4) do Inquérito de Satisfação (ver C.5) realizado aos peritos Média Mediana 1. Esta solução facilita a visualização e interação com modelos 3D em arquitetura. 4 (Concordo) 4 (Concordo) 2. Esta solução promove o teste de novas ideias na fase de conceção 3,8 (Concordo) 4 (Concordo) 3. A utilização da aplicação acrescenta informação ao processo de conceção. 3,8 (Concordo) 4 (Concordo) 4. A utilização da aplicação dá-me uma maior controlo sobre o projeto 3,8 (Concordo) 3,5 (Concordo) 5. A utilização da aplicação torna mais compreensível o projeto durante o processo de conceção 3,8 (Concordo) 4 (Concordo) 6. Na generalidade, considero útil a aplicação no processo de conceção em arquitetura 3,8 (Concordo) 3,5 (Concordo) 7. Sinto-me disposto a aprender a utilizar estas tecnologias /dispositivos? 4,3 (Concordo) 4 (Concordo) Tabela 4: Análise dos resultados da pergunta 1 à 7 do Inquérito de Satisfação (ver C.5) realizado aos peritos Analisando a resposta à pergunta 8 do Inquérito de Satisfação, sobre o grau de confiança depositado na tecnologia, os participantes, no geral, mostraram um grau médio alto (Figura 38). Analisando as respostas à pergunta 9, sobre as caraterísticas que os estudantes mais e menos valorizaram na aplicação, apresentadas na Figura 39, as três principais caraterísticas que estes mais valorizaram são a facilidade de demonstração de projetos, a facilidade de utilização e de visualizar novas ideias. Em relação às caraterísticas que os estudantes menos valorizaram, as três principais são o design, ser divertido e o seu uso ser intuitivo. 0 1 2 3 4 Perg. 1 Perg. 2 Perg. 3 Perg. 4 Perg. 5 Perg. 6 Perg. 7 Resultados Peritos Concordo Totalmente Concordo Indiferente Discordo Discordo Totalmente Avaliação da usabilidade 48 Figura 38: Grau de confiança na tecnologia do protótipo dos (a) estudantes e (b) peritos Figura 39: Caraterísticas (ver Tabela 5) mais e menos valorizadas pelos estudantes Caraterísticas a O design b A facilidade de utilização c O facilitar a visualização de novas ideias d O seu uso ser intuitivo e A interatividade f Ser divertido 0 2 4 6 8 10 12 (a) Grau de confiança na tecnologia (Estudantes) 0 1 2 3 (b) Grau de confiança na tecnologia (Peritos) 0 2 4 6 8 10 12 14 a b c d e f g h Caraterísticas (Estudantes) Mais valor Menos valor Avaliação da usabilidade 49 g O facilitar a demonstração projetos h Nenhuma das anteriores Tabela 5: Legendas das caraterísticas No caso das respostas dos peritos à pergunta 9 (Figura 40), as principais caraterísticas que estes mais valorizaram são a facilidade de demonstração de projetos, a facilidade de utilização e ser divertido. Em relação às caraterísticas que os peritos menos valorizaram, as principais são o design e a facilidade de visualização de novas ideias. Figura 40: Caraterísticas (ver Tabela 5) mais e menos valorizadas pelos peritos Por último vão ser apresentados os resultados e análises do inquérito sobre a usabilidade do protótipo (C.6). Na Tabela 6 encontra-se a análise dos resultados desse inquérito, filtrados por participantes estudantes, elaborada a partir dos dados apresentados na Figura 41. Os estudantes classificam a aplicação positivamente (Tabela 6), realçando a facilidade de aprendizagem e o tamanho dos botões apresentados. Apesar dos resultados serem todos positivos, os estudantes classificaram o grau de satisfação com a sua utilização e a resposta da aplicação às ações com valores mais baixos. Já os peritos classificam a aplicação como muito boa (Tabela 7), realçando o entendimento dos textos apresentados, o tamanho dos botões apresentados e à facilidade de utilização. As classificações mais baixas, apresentadas pelos peritos, foram as mesmas apresentadas pelos estudantes. 0 1 2 3 4 5 a b c d e f g h Caraterísticas (Peritos) Mais valor Menos valor Avaliação da usabilidade 50 Figura 41: Resultados do inquérito de usabilidade (ver C.6) realizado aos estudantes Classificação da aplicação quanto: Média Mediana 1. À facilidade de utilização 4,9 (Boa) 5 (Boa) 2. Ao grau de satisfação com a sua utilização 4,7 (Boa) 5 (Boa) 3. À facilidade de aprendizagem 5,2 (Boa) 5,5 (Muito Boa) 4. À obtenção dos resultados esperados (como por exemplo, queria fazer um corte e consegui) 5,3 (Boa) 5 (Boa) 5. À semelhança da forma de funcionamento nas diferentes tarefas (como por exemplo aceder a diferentes opções) 5,0 (Boa) 5 (Boa) 6. À possibilidade de interagir pelo toque 5,0 (Boa) 5 (Boa) 7. Ao entendimento dos textos apresentados 4,9 (Boa) 5 (Boa) 8. Ao tamanho dos botões apresentados 5,4 (Boa) 5,5 (Muito Boa) 9. Às respostas da aplicação às suas ações 4,7 (Boa) 5 (Boa) 10. Ao saber o que estava a acontecer na aplicação durante a sua utilização 5,0 (Boa) 5 (Boa) 11. Grau de satisfação global com a aplicação 5,3 (Boa) 5 (Boa) Tabela 6: Análise do inquérito de usabilidade (ver C.6) realizado aos estudantes 0 2 4 6 8 10 12 14 Perg. 1 Perg. 2 Perg. 3 Perg. 4 Perg. 5 Perg. 6 Perg. 7 Perg. 8 Perg. 9 Perg. 10 Perg. 11 Usabilidade (Estudantes) Muito Boa Boa Razoável Insuficiente Má Muito Má Avaliação da usabilidade 51 Figura 42: Resultados do inquérito de usabilidade (ver C.6) realizado aos peritos Classificação da aplicação quanto: Média Mediana 1. À facilidade de utilização 5,3 (Boa) 5,5 (Muito Boa) 2. Ao grau de satisfação com a sua utilização 4,8 (Boa) 4,5 (Boa) 3. À facilidade de aprendizagem 5,3 (Boa) 5 (Boa) 4. À obtenção dos resultados esperados (como por exemplo, queria fazer um corte e consegui) 5,3 (Boa) 5,5 (Muito Boa) 5. À semelhança da forma de funcionamento nas diferentes tarefas (como por exemplo aceder a diferentes opções) 5,0 (Boa) 5 (Boa) 6. À possibilidade de interagir pelo toque 4,8 (Boa) 5 (Boa) 7. Ao entendimento dos textos apresentados 5,5 (Muito Boa) 5,5 (Muito Boa) 8. Ao tamanho dos botões apresentados 5,5 (Muito Boa) 5,5 (Muito Boa) 9. Às respostas da aplicação às suas ações 4,8 (Boa) 4,5 (Boa) 10. Ao saber o que estava a acontecer na aplicação durante a sua utilização 5,0 (Boa) 5 (Boa) 11. Grau de satisfação global com a aplicação 5,5 (Muito Boa) 5,5 (Muito Boa) Tabela 7: Análise do inquérito de usabilidade (ver C.6) realizado aos peritos 0 1 2 3 4 Perg. 1 Perg. 2 Perg. 3 Perg. 4 Perg. 5 Perg. 6 Perg. 7 Perg. 8 Perg. 9 Perg. 10 Perg. 11 Usabilidade (Peritos) Muito Boa Boa Razoável Insuficiente Má Muito Má Avaliação da usabilidade 52 5.7 Conclusão Os resultados apresentados neste capítulo indicam que os participantes gostaram da aplicação e acharam fácil de usar, apesar desta ainda se encontrar uma versão inicial. Os resultados da sessão de avaliação foram satisfatórios, tendo todos os participantes concluído as tarefas pedidas. A usabilidade da aplicação, analisada pelos participantes em média, é boa, apesar de o design ser uma das caraterísticas que menos valorizaram. Os participantes concordam que a aplicação facilita a interação com modelos 3D e promove o teste de novas ideias. Também dá um maior controlo sobre o projeto, acrescentando informação ao processo de conceção em arquitetura e tornando-o mais compreensível. Finalmente estes afirmam que consideram útil a aplicação no processo de conceção em arquitetura, estando dispostos a aprender a usar a tecnologia. Apesar de todos os bons resultados apresentados, foram sugeridas pelos participantes algumas melhorias, como, por exemplo, sinalização da mudança de modo por meio de setas e uma melhoria ao nível do design da interface da aplicação. Capítulo 6 Conclusões e Trabalho Futuro Para o design em arquitetura são necessários métodos de representação das informações existentes sobre o projeto. Essas representações podem ser físicas, utilizando maquetes, ou virtuais, utilizando modelos 3D desenvolvidos em ferramentas CAAD. Apesar de a maquete ainda desempenhar um papel fundamental como instrumento no processo criativo do arquiteto e para o planeamento e conceção de projetos, existem algumas dificuldades associadas à sua utilização que podem ser ultrapassadas com o uso de modelos ou objetos virtuais, onde é possível explorar e alterar a visualização de detalhes, que seria impossível ou teria um custo demasiado elevado numa maquete física. Com o objetivo de auxiliar os arquitetos a ultrapassar as dificuldades atrás enunciadas no processo atual de conceção em arquitetura, o Microsoft Language Development Center, em colaboração com o Departamento de Arquitetura e Urbanismo do Instituto Universitário de Lisboa (ISCTE-IUL), realizaram uma proposta para resolução do problema. A hipótese colocada consistia no uso da tecnologia da visualização e interação em realidade aumentada com o modelo virtual 3D do projeto de arquitetura, na mesma escala da maquete de estudo, neste caso, através de um dispositivo do tipo tablet. Durante a revisão bibliográfica efetuada, foram apresentadas algumas aplicações de realidade aumentada na área de arquitetura, provando que a aplicação da tecnologia era possível. Também se investigaram as tecnologias para o uso da realidade aumentada, como bibliotecas e dispositivos, viáveis de serem usados no projeto. Seguindo uma metodologia de investigação, no capítulo 3, foram apresentados os requisitos, elaborados a partir de sessões com colaboradores na área de arquitetura, e a arquitetura do protótipo a desenvolver que resultaram na implementação de uma aplicação de realidade aumentada para visualização e interação com modelos 3D. De maneira a atingir o principal objetivo da dissertação, que era demonstrar a hipótese, foi realizada uma avaliação da usabilidade ao protótipo desenvolvido. Nesta avaliação, os Conclusões e Trabalho Futuro 54 participantes tiveram de executar algumas tarefas simples, como realizar um corte, realçar um grupo e ocultar um objeto, pedidas pelo observador, que tomava nota do cumprimento ou não das tarefas e de algumas observações durante as sessões. Também era pedido aos participantes que preenchessem dois pequenos inquéritos finais, um em relação à utilidade do protótipo e outro focando a usabilidade da interface do protótipo. Os resultados da sessão de avaliação foram satisfatórios, com todos os participantes a concluírem as tarefas pedidas. Os participantes concordam que a aplicação facilita a interação com modelos 3D e promove o teste de novas ideias. Também dá um maior controlo sobre o projeto, acrescentando informação ao processo e tornando-o mais compreensível. Finalmente, estes afirmam que consideram útil a aplicação no processo de conceção em arquitetura, estando dispostos a aprender a usar a tecnologia. 6.1 Satisfação dos Objetivos A hipótese levantada nesta dissertação enunciava que: “A visualização e interação com modelos virtuais de projetos de arquitetura à escala das maquetes de estudo, utilizando tecnologia de realidade aumentada consumida num dispositivo do tipo tablet, são benéficas para o processo de conceção em arquitetura, do ponto de vista de análise iterativa de conceitos e ideias e da compreensão do projeto de arquitetura”. A partir desta hipótese e do objetivo de a demonstrar, foram definidos dois objetivos secundários: O1: Levantar os requisitos e desenvolver e testar um protótipo demonstrável de um sistema que permita a visualização de informação virtual, ou seja, de modelos virtuais 3D de projetos de arquitetura incluindo edifícios e envolvente exterior, usando realidade aumentada consumida num dispositivo do tipo tablet. O2: Desenvolver um estudo de avaliação da usabilidade do protótipo desenvolvido, analisar os respetivos resultados e demonstrar a hipótese, nomeadamente, que o protótipo beneficia de facto os arquitetos no seu processo atual de conceção, através da visualização e manipulação interativa de modelos virtuais de projetos à escala das maquetes de estudo. Com o cumprimento do O1, ou seja, desenvolvimento do protótipo, realizou-se o estudo de avaliação da sua usabilidade e analisaram-se os resultados obtidos. Esses resultados, apresentados em pormenor na secção 5.6, indicaram que, na generalidade, os participantes consideraram a aplicação útil no processo de conceção em arquitetura. Conclusões e Trabalho Futuro 55 Considerando as caraterísticas enunciadas pelos participantes, então esta solução é benéfica para o processo de conceção em arquitetura, do ponto de vista de análise iterativa de conceitos e ideias e da compreensão do projeto. Conclui-se assim que a hipótese apresentada foi demonstrada, cumpridos todos os objetivos pretendidos nesta dissertação com bons resultados. 6.2 Trabalho Futuro Apesar de todos os bons resultados apresentados na avaliação da usabilidade, foram sugeridas pelos participantes algumas melhorias, como, por exemplo, sinalização por meio de setas a mudança de modo e uma melhoria ao nível do design da aplicação. Estas sugestões poderiam ser desenvolvidas no futuro, de forma a utilizar as opiniões recolhida para melhorar o protótipo. Alguns requisitos de prioridade mais baixa, que levantaram problemas no seu desenvolvimento e foram deixados para trás, poderiam ser retomados e resolvidos, se existisse mais tempo de desenvolvimento. Também algumas funcionalidades, como a aplicação de texturas alteração de cores ou ação envolvendo objetos intermédios, desenvolvidas no protótipo, não conseguiram ser mapeadas para a nova interface por necessitarem de menus mais complexos que não foram possíveis de serem desenvolvidos em tempo útil. Outra possibilidade de trabalho futuro é a substituição do módulo de tracking, que utiliza o NUTTS, para um módulo onde o seguimento e alinhamento utilize informação 3D. Com este tipo de tracking seria possível substituir a marca utilizada no NUTTS pela própria maquete, unificando o uso de maquetes e o uso de modelos 3D num novo conceito para conceção em arquitetura. Este tipo de alinhamento seria possível utilizando a API KinectFusion que, com o Kinect, conseguia reconstruir a maquete em 3D e reconhecê-la na cena. Requisitos funcionais 63 F23 Carregar diferentes conjuntos de luzes Permite ao utilizador disponibilizar diferentes conjuntos de luzes para o mesmo modelo, que sejam carregados no sistema e simulem diferentes alturas do ano ou do dia. P4 F24 Alterar posição do corte na planta/alçado Manter sincronizada a indicação da posição do corte sobre a planta/alçado em relação à sua posição real P3 F25 Interface de corte Criar uma interface que permita o utilizador selecionar as funcionalidades de corte no tablet P1 F26 Interface de seleção Criar uma interface que permita o utilizador selecionar as funcionalidades de interação com o modelo no tablet P1 F27 Interface de apresentação Criar uma interface que permita o utilizador selecionar as funcionalidades de apresentação no tablet P2 Tabela 8: Tabela de requisitos funcionais Anexo B Protótipo da Aplicação B.1. Modelos da Interface De seguida são apresentados os modelos criados para a especificação e planeamento da interface a ser desenvolvida Figura 43: Modelo da interface de entrada da aplicação (menu fechado) Protótipo da Aplicação 65 Figura 44: Modelo da interface no Modo de Apresentação Figura 45: Modelo da interface no Modo de Cortes Protótipo da Aplicação 66 Figura 46: Modelo da interface no Modo de Seleção Figura 47: Modelo do menu de seleção de cor Protótipo da Aplicação 67 Figura 48: Modelo do menu de seleção de materiais B.2. Capturas do Protótipo Nesta seção são apresentadas a capturas efetuadas ao protótipo desenvolvido, mostrando a interface final e algumas das funcionalidades implementadas. Figura 49: Ecrã inicial do protótipo Protótipo da Aplicação 68 Figura 50: Modo de Apresentação Figura 51: Modo de Seleção Protótipo da Aplicação 69 Figura 52: Modo de Cortes Figura 53: Realização de um corte horizontal no edifício Protótipo da Aplicação 70 Figura 54: Realização de um corte vertical no edifício Figura 55: Oclusão de um objeto no modelo Protótipo da Aplicação 71 Figura 56: Realce da estrutura do edifício Anexo C Avaliação da Usabilidade Este anexo contém todos os documentos elaborados para a realização da avaliação da usabilidade, ou seja, o termo de consentimento, o inquérito preliminar, a sessão de avaliação e os inquéritos finais. Também contém todos os dados recolhidos dos participantes, utilizados na análise da avaliação. C.1. Termo de consentimento livre e informado (DOC.01/06) Título da pesquisa: Avaliação da usabilidade na aplicação de realidade aumentada para Arquitetura Observador Responsável: __________________________________________________ Foi convidado(a) a participar, como voluntário(a), numa pesquisa, no âmbito de um projeto de investigação, a decorrer no ISCTE-IUL. A sua participação representa um importante contributo, não só para o projeto em curso, mas também para o desenvolvimento do conhecimento na área da realidade aumentada na arquitetura. É importante que leia a informação seguinte, antes de concordar em participar nesta pesquisa. Este texto descreve, de forma sucinta, a pesquisa, os seus objetivos gerais e o que se espera da sua participação, incluindo a identificação dos procedimentos experimentais e a confidencialidade dos dados. Caso aceite fazer parte deste estudo, deverá assinar as duas vias deste documento, sendo que, uma delas ficará na sua posse e outra com o investigador responsável. Avaliação da Usabilidade 79 12 1 13 1 14 1 15 2 16 1 17 2 18 1 19 1 20 1 21 1 C.3. Inquérito preliminar – Peritos Participante 1. Idade 2. Sexo 3. Nível de escolaridade 4. Atividades profissionais 5. Anos de atividade 1 40 Feminino Doutoramento Docente 13 7 53 Feminino Doutoramento Docente/Colaborador 30 10 - Feminino Doutoramento Docente 14 11 43 Feminino Doutoramento Docente/Possui atelier 22 6. Utiliza computador? 1. Sim 2. Não (se não, saltar para a questão 6) Participante Resposta 1 1 7 1 10 1 11 1 6.1. Se sim, com que frequência? 1. Menos que 1 vez por mês Avaliação da Usabilidade 80 2. Pelo menos 1 vez por mês 3. Todas as semanas 4. Todos os dias Participante Resposta 1 4 7 4 10 4 11 4 7. Utiliza dispositivos móveis táteis (assinale as que se aplicam)? 1. Tablet 2. Smartphone 3. Outro (Qual?) 4. Não (se não, saltar para a questão 7) Participante Resposta 1 1, 2 7 4 10 1 11 1, 2 7.1. Se sim, com que frequência? 1. Menos que 1 vez por mês 2. Pelo menos 1 vez por mês 3. Todas as semanas 4. Todos os dias Participante Resposta 1 4 7 N/A 10 4 11 4 Avaliação da Usabilidade 81 8. Como avalia a sua relação com as TIC (Tecnologias de informação e comunicação? 1. Muito Má 2. Má 3. Insuficiente 4. Razoável 5. Boa 6. Muito boa Participante Resposta 1 6 7 2 10 4 11 5 9. No contexto da sua atividade profissional, com que frequência utiliza TIC (computador, smartphone, tablet, etc): 1. Nunca 2. Menos que 1 vez por mês 3. Pelo menos 1 vez por mês 4. Todas as semanas 5. Todos os dias Participante Resposta 1 5 7 5 10 5 11 5 10. Neste momento sinto-me... (assinale as que se aplicam) 1. Motivado(a) para interagir com as tecnologias que me serão apresentadas 2. Apreensivo(a) 3. Outro (por favor especifique) Avaliação da Usabilidade 82 Participante Resposta 1 1 7 2 10 1 11 1 C.4. Sessão de avaliação (DOC. 04/06) 1. Tempo de execução das tarefas: Participante Início Fim Tempo 1 10:45 10:50 00:05 2 11:10 11:13 00:03 3 11:18 11:20 00:02 4 11:30 11:33 00:03 5 11:40 11:43 00:03 7 12:21 12:25 00:04 8 12:44 12:52 00:08 9 13:06 13:08 00:02 10 13:27 13:30 00:03 11 13:31 13:38 00:07 12 13:40 13:45 00:05 13 13:46 13:51 00:05 14 14:09 14:12 00:03 15 14:14 14:17 00:03 16 14:35 14:37 00:02 17 14:40 14:44 00:04 18 14:57 15:02 00:05 19 15:20 15:23 00:03 20 15:31 15:35 00:04 Avaliação da Usabilidade 83 21 15:37 15:40 00:03 2. Tarefas: Tarefa Sub-tarefa Inicialização 1. Dirigir câmara para a marca 2. Visualizar/Explorar o modelo 3D Realizar corte 3. Mudar para Modo de Cortes 4. Alterar posição do corte Ocultar 5. Mudar para Modo de Seleção 6. Abrir o menu 7. Selecionar a opção ocultar 8. Selecionar um objeto Realçar 9. Realçar um grupo 1.1. Dirigir câmara para a marca 1. Cumpriu com facilidade 2. Cumpriu 3. Cumpriu com dificuldade 4. Não cumpriu Participante Resultado Nº de pedidos de ajuda 1 1 0 2 3 1 3 1 0 4 1 0 5 1 0 7 1 0 8 1 0 9 1 0 10 1 0 11 1 0 Avaliação da Usabilidade 84 12 1 0 13 1 0 14 1 0 15 1 0 16 1 0 17 1 0 18 1 0 19 1 0 20 1 0 21 1 0 1.2. Visualizar/Explorar o modelo 3D 1. Cumpriu com facilidade 2. Cumpriu 3. Cumpriu com dificuldade 4. Não cumpriu Participante Resultado Nº de pedidos de ajuda 1 1 0 2 2 0 3 1 0 4 1 0 5 1 0 7 1 0 8 1 0 9 1 0 10 1 0 11 1 0 12 1 0 13 1 0 Avaliação da Usabilidade 85 14 1 0 15 1 0 16 1 0 17 1 0 18 1 0 19 1 0 20 1 0 21 1 0 1.3. Mudar para Modo de Cortes 1. Cumpriu com facilidade 2. Cumpriu 3. Cumpriu com dificuldade 4. Não cumpriu Participante Resultado Nº de pedidos de ajuda 1 3 0 2 2 0 3 3 1 4 3 1 5 1 0 7 3 1 8 1 0 9 1 0 10 1 0 11 1 0 12 1 0 13 2 1 14 1 0 15 1 0 Avaliação da Usabilidade 86 16 1 0 17 1 0 18 1 0 19 1 0 20 1 0 21 1 0 1.4. Alterar a posição do corte 1. Cumpriu com facilidade 2. Cumpriu 3. Cumpriu com dificuldade 4. Não cumpriu Participante Resultado Nº de pedidos de ajuda 1 1 0 2 2 1 3 1 0 4 3 1 5 1 0 7 3 1 8 1 0 9 1 0 10 2 1 11 3 2 12 1 0 13 2 0 14 1 0 15 3 1 16 1 0 17 1 0 Avaliação da Usabilidade 87 18 2 1 19 1 0 20 2 0 21 1 0 1.5. Mudar para Modo de Seleção 1. Cumpriu com facilidade 2. Cumpriu 3. Cumpriu com dificuldade 4. Não cumpriu Participante Resultado Nº de pedidos de ajuda 1 1 0 2 2 0 3 1 0 4 1 0 5 1 0 7 1 0 8 1 0 9 1 0 10 1 0 11 2 1 12 1 0 13 2 1 14 1 0 15 1 0 16 1 0 17 1 0 18 1 0 19 1 0 Avaliação da Usabilidade 88 20 1 0 21 1 0 1.6. Abrir o menu 1. Cumpriu com facilidade 2. Cumpriu 3. Cumpriu com dificuldade 4. Não cumpriu Participante Resultado Nº de pedidos de ajuda 1 1 0 2 2 0 3 1 0 4 2 0 5 1 0 7 1 0 8 1 0 9 1 0 10 1 0 11 1 0 12 1 0 13 1 0 14 1 0 15 1 0 16 1 0 17 1 0 18 1 0 19 1 0 20 1 0 21 1 0 Avaliação da Usabilidade 95 1. Esta solução facilita a visualização e interação com modelos 3D em arquitetura. 1. Discordo totalmente 2. Discordo 3. Indiferente 4. Concordo 5. Concordo Totalmente 6. Não se aplica Participante Resposta 1 5 2 4 3 4 4 5 5 4 7 3 8 5 9 5 10 4 11 4 12 5 13 5 14 5 15 4 16 5 17 4 18 4 19 5 20 4 21 5 Avaliação da Usabilidade 96 2. Esta solução promove o teste de novas ideias na fase de conceção. 1. Discordo totalmente 2. Discordo 3. Indiferente 4. Concordo 5. Concordo Totalmente 6. Não se aplica Participante Resposta 1 4 2 5 3 3 4 4 5 4 7 4 8 4 9 4 10 4 11 3 12 5 13 5 14 4 15 4 16 5 17 2 18 4 19 4 20 5 21 5 Avaliação da Usabilidade 97 Avaliação da Utilidade da aplicação no processo de conceção em arquitetura 3. A utilização da aplicação acrescenta informação ao processo de conceção. 1. Discordo totalmente 2. Discordo 3. Indiferente 4. Concordo 5. Concordo Totalmente 6. Não se aplica Participante Resposta 1 5 2 3 3 3 4 4 5 4 7 4 8 4 9 4 10 2 11 4 12 4 13 4 14 4 15 4 16 5 17 4 18 4 19 4 20 4 21 4 Avaliação da Usabilidade 98 4. A utilização da aplicação dá-me uma maior controlo sobre o projeto 1. Discordo totalmente 2. Discordo 3. Indiferente 4. Concordo 5. Concordo Totalmente 6. Não se aplica Participante Resposta 1 5 2 3 3 3 4 4 5 5 7 3 8 4 9 4 10 4 11 3 12 4 13 4 14 3 15 5 16 5 17 3 18 4 19 3 20 3 21 3 Avaliação da Usabilidade 99 5. A utilização da aplicação torna mais compreensível o projeto durante o processo de conceção 1. Discordo totalmente 2. Discordo 3. Indiferente 4. Concordo 5. Concordo Totalmente 6. Não se aplica Participante Resposta 1 4 2 5 3 3 4 4 5 4 7 3 8 5 9 4 10 4 11 4 12 5 13 4 14 4 15 5 16 5 17 3 18 4 19 4 20 4 21 4 Avaliação da Usabilidade 100 6. Na generalidade, considero útil a aplicação no processo de conceção em arquitetura 1. Discordo totalmente 2. Discordo 3. Indiferente 4. Concordo 5. Concordo Totalmente 6. Não se aplica Participante Resposta 1 5 2 3 3 3 4 5 5 5 7 3 8 5 9 4 10 4 11 3 12 4 13 4 14 5 15 4 16 5 17 4 18 4 19 4 20 4 21 4 Avaliação da Usabilidade 101 Quanto à perceção dos principais benefícios da aplicação 7. Sinto-me disposto a aprender a utilizar estas tecnologias /dispositivos? 1. Discordo totalmente 2. Discordo 3. Indiferente 4. Concordo 5. Concordo Totalmente 6. Não se aplica Participante Resposta 1 5 2 5 3 4 4 4 5 5 7 4 8 5 9 5 10 4 11 4 12 5 13 5 14 5 15 3 16 5 17 3 18 2 19 5 20 - 21 5 Avaliação da Usabilidade 102 8. Qual o grau de confiança que deposita nesta tecnologia? 1. Nenhum 2. Baixo 3. Médio baixo 4. Médio alto 5. Elevado 6. Total Participante Resposta 1 5 2 4 3 4 4 4 5 4 7 4 8 4 9 4 10 4 11 3 12 4 13 5 14 5 15 3 16 4 17 3 18 2 19 4 20 - 21 4 Avaliação da Usabilidade 103 9. Identifique as 3 principais caraterísticas que MAIS e MENOS valorizou na aplicação experimentada: a. Design b. A facilidade de utilização c. O facilitar a visualização de novas ideias d. O seu uso ser intuitivo e. A interatividade f. Ser divertido g. O facilitar a demonstração projetos h. Nenhuma das anteriores Mais valor Menos valor Participante Opção 1 Opção 2 Opção 3 Opção 1 Opção 2 Opção 3 1 b e g c f h 2 a c e b g h 3 b d e a c g 4 b c g a d f 5 b c g a d f 7 b d g a c e 8 b c g a e f 9 c e g a b d 10 b f g a h - 11 b f g a - - 12 b c e a f h 13 b d g a c f 14 e f g b c - 15 c e g a d f 16 c e g a b d 17 a c g b d f 18 b d g a e f 19 b d g a c e 20 - - - - - - 21 b e g a d f C.6. Escala de Usabilidade (DOC. 06/06) Como classificaria a aplicação quanto: Avaliação da Usabilidade 104 10. À facilidade de utilização 11. Ao grau de satisfação com a sua utilização 12. À facilidade de aprendizagem 13. À obtenção dos resultados esperados (como por exemplo, queria fazer um corte e consegui) 14. À semelhança da forma de funcionamento nas diferentes tarefas (como por exemplo aceder a diferentes opções) 15. À possibilidade de interagir pelo toque 16. Ao entendimento dos textos apresentados 17. Ao tamanho dos botões apresentados 18. Às respostas da aplicação às suas ações 19. Ao saber o que estava a acontecer na aplicação durantes a sua utilização 20. Grau de satisfação global com a aplicação 1. Muito Má 2. Má 3. Insuficiente 4. Razoável 5. Boa 6. Muito Boa Partic. R. 1 R. 2 R. 3 R. 4 R. 5 R. 6 R. 7 R. 8 R. 9 R. 10 R. 11 1 6 5 5 6 5 6 6 6 4 5 6 2 4 5 6 5 5 4 6 6 5 5 5 3 4 5 5 5 6 5 6 6 - 5 5 4 5 5 6 6 5 5 5 5 5 6 6 5 6 6 6 6 5 6 5 6 5 5 6 7 4 4 5 4 4 3 5 5 5 4 5 8 6 5 6 6 5 6 6 6 4 6 5 9 5 5 6 6 6 6 4 6 5 5 5 10 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 11 5 4 5 5 5 4 5 5 4 5 5 12 5 5 4 5 6 5 4 4 5 5 5 13 6 5 5 5 5 4 5 5 5 5 5