Os dispositivos para Realidade Virtual tem como função básica gerar a sensação de imersão do usuário em um ambiente virtual. Para tanto estes dispositivos atuam de duas formas:

• lendo os movimentos realizados pelo usuário (e pelas várias partes de seu corpo);
• impressionando seus sentidos a fim de simular sensações.

No que tange à leitura, temos duas categorias:

• leitura da posição de um ponto no corpo do usuário (rastreamento);
• leitura do ângulo de flexão ou rotação de um membro ou parte do corpo do usuário.

Quanto a impressionar os sentidos, a Realidade Virtual atua em geral sobre a visão, a audição e o tato.

6.1 Visão Estereoscópica ou Visão Espacial

Como a maioria das pessoas tem dois olhos, associamos muito a percepção de profundidade à visão estereoscópica[21, 82]. Na visão estereoscópica, cada olho registra uma imagem diferente e o cérebro usa o pequeno deslocamento lateral destas imagens para medir a profundidade (figura 6.1).

A percepção de profundidade pode ocorrer, entretanto, com dois olhos ou com apenas um. Quando apenas um olho é usado a profundidade é percebida baseada em características inerentes à imagem como perspectiva linear, sombras, oclusões (objetos mais distantes são bloqueados por objetos mais próximos), texturas e detalhes do objeto. Importante também na visão mono-ocular é a chamada "motion paralax" através da qual, quando se move a cabeça, objetos mais próximos movem-se mais depressa que objetos mais distantes.

Além disto, são usadas informações sobre a rotação de cada olho ou da chamada "convergência" para determinar a real posição de um objeto.

O ângulo de visão de uma pessoa, chamado "campo de visão", é de aproximadamente 180º na horizontal e 150º na vertical. Como podemos girar os olhos para a esquerda ou para a direita, até um ângulo de 45º, temos a chamada visão lateral que amplia o campo que se pode ver para algo em torno de 270º ao redor da cabeça(figura 6.2)

6.1.1 Stereo Glasses ou Shutter Glasses

Útil em aplicações como visualização científica ou cirurgias nas quais várias pessoas precisam observar a mesma imagem estéreo, estes dispositivos buscam gerar estas imagens a partir de uma tela de computador como as que estamos acostumados a usar.

A idéia é colocar no usuário um par de óculos com lentes de cristal líquido capazes de bloquear sua visão quando necessário. Para o funcionamento do sistema, deve haver um controle da seguinte forma:

Exibe-se na tela a imagem correspondente a do olho esquerdo e bloqueia-se a visão do olho direito a seguir faz-se o contrário, ou seja, exibe-se a imagem do olho direito e bloqueia-se a visão do esquerdo.

Nestes sistemas, a dificuldade é a garantia do sincronismo no processo de exibição e bloqueio de forma a não permitir que o usuário perceba que isto está ocorrendo.

A empresa StereoGraphics produz o "CrystalEyes" ao custo de U$ 985,00. Este Shutter Glasses funciona em PC e em Silicon Graphics.

Uma fonte de informação interessante sobre Shutter Glasses, inclusive com projetos para a montagem deste equipamento, é o livro Step into Virtual Reality - John Iovine - Ed. WindCrest/McGraw-Hill - ISBN:007911906-9.

6.1.1 Head Mounted Displays

A idéia dos HMDs ou VPC (Visores Presos a Cabeça) é exibir em duas pequenas telas (uma para cada olho) imagens de uma cena virtual.

Os HMDs são construídos, normalmente, usando dois tipos de monitores: os CRTs ou monitores de TV e os monitores de cristal líquido, os LCDs.

Os monitores de TV, em função da avançada tecnologia disponível nesta área, podem exibir imagens de alta resolução com uma qualidade de cor excelente, mesmo em pequenas dimensões. Entretanto, são relativamente pesados, volumosos e colocam altas voltagens muito próximas à cabeça do usuário.

Os LCDs, por sua vez, são leves e podem ser usados com pequenas voltagens. Entretanto, a resolução em monitores pequenos ainda é baixa.

Acoplados aos HMDs, em geral existem sistemas de rastreamento da posição da cabeça a fim de permitir que se atualize as imagens do mundo virtual de acordo com a direção para onde o usuário está olhando.

6.1.1 BOOMs - Binocular Omni-Orientation Monitor

Em algumas aplicações de Realidade Virtual a qualidade da imagem é essencial. Nestas, torna-se mandatório o uso de óculos baseados em CRTs. Para evitar, então, problemas com as altas voltagens necessárias e com o peso inerente a estes dispositivos, foram criados os BOOMs. Tratam-se de pequenos monitores colocados em uma caixa dentro da qual o usuário pode olhar. Esta caixa fica suspensa por um braço mecânico, que leva a corrente elétrica necessária até os monitores. O braço mecânico é, em geral, articulado permitindo que o usuário, segurando a caixa, possa girá-lo em qualquer direção. Se for colocado nas juntas deste braço mecânico um conjunto de sensores, este pode servir também como rastreador da posição da cabeça. A empresa FakeSpace[37] fabrica um BOOM de alta resolução (1280x1024) capaz de exibir imagens de 16 milhoes de cores, por U$ 74,000.

6.1.3 Displays de Retina

O HITL(Human Interface Tecnology Lab) [54] está desenvolvendo um tipo de monitor inovador, batizado de Retinal Display. Trata-se de um laser que exibe as imagens diretamente na retina do usuário.

As vantagens são que o sistema não requer equipamentos pesados, pode gerar imagens coloridas de alta resolução e ainda é capaz de captar o movimento dos olhos do usuário[53].

6.2 Dispositivos de Rastreamento

Chamados de "tracking devices" estes dispositivos tem por objetivo principal determinar a posição ou a orientação de uma parte do corpo do usuário. Existem 6 tipos básicos de rastreadores[39, 55]:

• mecânicos;
• ultrassônicos;
• magnéticos;
• por extração de imagens;
• óticos;
• sem referencial

6.2.1 Rastreadores Mecânicos

Os rastreadores mecânicos são usados quando são necessárias alta velocidade e precisão no rastreamento. Quando se trata de rastrear o movimento da cabeça (ou do corpo como um todo) em geral o usuário veste um capacete ao qual é preso um braço mecânico articulado. A desvantagem desta forma de rastreamento é a pouca mobilidade que ela dá ao usuário. Atualmente, empresas como FakeSpace[37], LEEP Systems e Exo Systems Inc[36], produzem este tipo de rastreador.

6.2.2 Rastreadores Ultrassônicos

Os rastreadores ultrassônicos determinam uma posição pela emissão de um som que é captado por um conjunto de receptores. A idéia é que um mesmo controlador comanda a emissão de um som e "percebe" sua recepção nos captadores. O tempo decorrido desde a emissão até a recepção em cada captador, permite o cálculo da posição.

A vantagem deste tipo de rastreador é seu baixo custo e o fato de que no corpo do usuário é preciso apenas colocar pequenos emissores de ultrassom.

A empresa americana Kantech, por exemplo, criou o RINGMOUSE, um pequeno anel para rastreamento da mão [86]. A desvantagem, por outro lado, é pouca precisão destes rastreadores, e a necessidade de que não haja obstáculos entre o emissor e o receptor de ultrassom.

6.2.3 Rastreadores Magnéticos

Os rastreadores magnéticos usam conjuntos de bobinas para produzir campos magnéticos e sensores para determinar o tamanho e a direção destes campos. O problema deste tipo de rastreador é o tempo que se leva para calcular a posição do usuário e as interferências causadas por objetos de ferro e outras fontes de campos magnéticos. Mesmo assim, com o avanço da tecnologia, este tem sido o tipo preferido de rastreador para projetos que exigem precisão na leitura da posição do usuário.

Atualmente, empresas como a Polhemus[78] e AscensionTechnology Corp[5], estão comercializando rastreadores deste tipo.

6.2.4 Rastreadores por Extração de Imagens

A idéia destes rastreadores é colocar pequenas luzes (led’s) nas partes do corpo que devem ser rastreadas e, com uma câmera, filmar estas luzes. As imagens filmadas são então processadas e, em função da posição das luzes, calcula-se a posição do usuário.

Pelo reduzido tamanho dos leds, esta é a forma de rastreamento mais confortável de ser usada, entretanto, é a que mais consome tempo de CPU para ser processada.

6.2.5 Rastreadores Óticos

Criados pelos pesquisadores Henry Fucks e Gary Bishop da UNC   [104], os rastreadoes óticos são como uma inversão dos sistemas de extração de imagens: algumas mini-câmeras sao colocadas sobre a cabeça do usuário, filmam o teto que é composto de uma matriz de leds estáticos.

A idéia é fazer os leds pisarem seguindo algum padrão enquanto o usuário caminha pela sala. Quando uma câmera capta um dos leds, o sistema registra qual está acesso e assim pode saber a posição do usuário. Para permitir a leitura da rotação do corpo ao redor do eixo vertical, são colocadas 4 câmeras sobre a cabeça do usuário.

6.2.6 Rastreadores sem Referencial

O grande problema de todos os tipos de sistemas de rastreamento vistos até agora é a pouca mobilidade que eles proporcionam ao usuário que, em geral, tem que ficar "amarrado" ao computador por um conjunto de fios ou restrito a uma área onde os sensores podem captar seu movimento.

Pensando nisto, vem surgindo nos últimos anos, uma linha de pesquisa na área de Sourceless Trackers ou rastreadores sem fontes ou sem referencial [52]. Estes rastreadores dividem-se em algumas categorias, em geral medindo inclinações ou giros, a partir de uma posição inicial. As principais categorias são: os Inclinômetros, as Chaves de Inclinação e os Sensores Piezoelétricos de pressão e torção.

Os Inclinômetros (ou tilt sensors) são pêndulos que medem a inclinação de um objeto (ou de parte de um corpo) a partir de uma posição anterior onde o pêndulo estava parado.

As Chaves de Inclinação (ou tilt switches) também medem inclinações como os inclinômetros, mas de uma maneira digital. O funcionamento é o seguinte: imagine uma estrutura plana com pequenos parafusos, ao redor dos quais são colocados arruelas ou anéis sem que estes se toquem (figura 6.3).

Se colocarmos contatos elétricos ligados a cada um dos pares (figura 6.4) e ligarmos em série com eles, mediadores de corrente, poderemos saber quando ocorre o fechamento ou a abertura do circuito.

O fechamento ou a abertura dos contatos se dá colocando-se uma pequena quantidade de mercúrio (Hg) sobre a superfície. Quando a base estiver na horizontal, todas as chaves estarão em curto, quando houver uma inclinação, algumas delas se abrirão. Este processo de ‘abrir e fechar’ chaves, permitirá então, determinar a inclinação da base, que poderá ser por exemplo, colocado sobre a cabeça de um usuário, ou na base de um joystick.

Os Sensores Piezoelétricos são materiais capazes de gerar uma corrente elétrica ou mudar sua resistência quando sofrem mudança em sua forma. Equipamentos como este podem ser usados, por exemplo, para medir a flexão dos dedos da mão ou de juntas como cotovelos e joelhos.

6.3 Luvas Eletrônicas

As luvas eletrônicas[101], buscam capturar os movimentos das mãos (e dos dedos) e usá-los como forma de interação com o usuário. Nesta seçao apresentaremos as principais características de construção destas luvas baseados em exemplos de dispositivos comerciais.

6.3.1 Luvas com Mediadores de Luminosidade

Sistema usado pela empresa VPL na construção de sua famosa Data Glove, baseia-se no fato de que uma fibra ótica altera suas propriedades de transmissão de luz quando é flexionada. A idéia foi colocar sobre cada dedo (pelo lado externo da mão) um par de fibras óticas. Uma das fibras serve para medir a flexão dos dedos na junção com a palma da mão e a outra para medir a flexão no meio dos dedos.

Numa das extremidades de cada uma das fibras é colocado um emissor de luz com intensidade constante, no outro uma foto-célula(figura 6.5). Posteriormente, é feita uma leitura das foto-células para então calcular o grau de flexão dos dedos.

Atualmente a empresa General Reality  [39] usa este sistema na luva "5th Glove 95". Seu preço é U$500,00, aproximadamente.

Na Universidade de Illinois (Chicago) os pesquisadores Thomas De Fonti e Donel Sandin criaram o "Sayre Glove" que no lugar das fibras óticas usavam apenas tubos com uma luz em uma extremidade e uma foto-célula em outra.

6.3.2 Luvas com Esqueletos Externos

Introduzida em 1990 pela EXOS Inc  [36], a "Dextrous Hand Master" lançou a idéia de usar uma espécie de armadura externa presa à mão para ler seus movimentos. Esta estrutura permite uma leitura rápida e precisa de todos os dedos através de colocação de um sensor em cada junta (figura 6.6). O custo de uma "Dextrous Hand Master", gira ao redor dos U$ 15.000,00 dólares.

6.3.4 Luvas com Tinta Condutiva

A mais famosa de todas as luvas de uso doméstico, a "Power Glove" [47](figura 6.7), criada pela empresa Mattel para a Nintendo, é uma luva que usa tinta condutiva para aferir o movimento dos dedos.

A idéia foi colocar um medidor de resistência elétrica nos extremos de uma tira pintada com tinta condutora sobre um substrato flexível.

Quando este substrato é então colocado sobre o dorso da mão (dentro de uma luva de lycra) pode-se realizar a leitura dos movimentos dos dedos. Devido ao seu baixo preço(aproximadamente U$ 50,00) muitas pessoas interessaram-se em usá-la no ligado a um PC.

Em 1990 a revista Byte publicou um artigo apresentando as alterações necessárias para ligá-la à porta paralela de um PC [31]. Outra adaptação foi feita em 1993 para ligá-la à porta serial através da "PGSI - Power Glove Serial Interface" [80] o que permitiu seu uso em Mac e Amiga, além de PCs.

Atualmente se pode comprar uma Power Glove, já modificada para o uso em PC, através da INTERNET em endereços como [73], por aproximadamente U$100,00.

Atualmente a luva "CyberGlove" da empresa Virtual Technologies  [106], também usa este sistema.

6.4 Dispositivos Geradores de Som 3D

O conceito de audio virtual, [21] definido por Currell no artigo "Virtual audio: new uses for 3-D sounds", é de grande importância em Realidade Virtual para dar ao usuário a real sensação de imersão.

A adição de sons, em qualquer processo de exibição de imagens que pretende ser de alguma forma interativo, torna a experiência muito mais realista.

Quando em uma tela, aparece no centro, uma bola picando, a agregação de um som mono ou estéreo, com a simples reprodução do som real, sincronizado com o movimento da bola, dá uma sensação de realismo muito grande para quem observa.

Em Realidade Virtual, entretanto, há algo mais a fazer. Quando colocamos um HMD em um usuário os sons do mundo virtual além de terem um timbre, devem ter um dado adicional: sua posição. Ou seja, deve ser possível identificar de onde vem este som, dentro do ambiente virtual.

O primeiro problema que ocorre no caso do som 3D é que a geração do som para cada ouvido deve mudar a cada movimento do corpo ou da cabeça do usuário, bem como da fonte sonora.

Na área de som 3D um dos trabalhos mais importantes já realizados está sendo conduzido pela Ames Research Center da NASA, em colaboração com Scott Foster do Cristal River Engeneering [25] de Groenland, CA. A empresa produz um equipamento chamada Convolvotron que custa aproximadamente U$ 15.000,00 e opera PCs, permitindo até 4 canais de entrada. Há também sistemas mais baratos(entre U$ 500,00 e U$ 1,500) que trabalham com 2 canais.

Nestes sistemas, algumas caixas de som são colocadas em uma sala e dispostas em forma de círculo. O usuário, colocado no centro do círculo, tem a ilusão de que o som anda dentro da sala. Entretanto, na versão atual, ele ainda não pode mover-se[111].

6.5 Dispositivos Geradores de Sensação de Tato e de Força

Também chamados de haptic interfaces os sistemas que produzem sensação de tato (touch feedback) ou de força (force feedback) são usados em ambientes de Realidade Virtual para aumentar a sensação de imersão[50] .

Por exemplo, pegar uma bola de tênis virtual com a mão e jogá-la para cima pode ser uma experiência muito mais rica se você sentir a textura e o peso bolinha. Manipular o braço de um robô para transportar um objeto, pode ser muito mais rápido se você tiver a sensação de que está tocando o objeto e de que ele tem um certo peso.

6.5.1 Diferença entre as Sensações de Tato e de Força

Considere uma mão tocando levemente uma mesa. Neste caso, os sensores que respondem são os sensores de tato. Se a mão começar a apertar a mesa, mais e mais forte, então os músculos da mão e do braço começarão a se contrair. O nível de força aplicado é então sentido pelos ligamentos, nos músculos e nos ossos.

A sensação de tato provê informações sobre a geometria da superfície, sua textura e sua temperatura. Por outro lado, a sensação de força fornece informações sobre o peso do objeto e sua maciez ou dureza.

6.5.2 Dispositivos Geradores de Tato

Um dos mais antigos geradores de tato são as bolsas de ar colocadas dentro de luvas. Este sistema, criado pela empresa inglesa Advanced Robotics Research Center, enche e esvazia rapidamente as bolsas de ar para gerar pressão sobre os dedos do usuário.

A empresa Virtual Technologies  [106] produz a luva CyberTouch, que com atuadores que vibram dentro da luva, produzem sensação de tato nas pontas dos dedos e na palma da mão. O custo desta luva é de US$ 14.800,00.

Outro sistema trata-se de uma matriz de pinos(semelhantes a agulhas) que, colocados dentro de solenóides, movem-se contra a pele do usuário, fornecendo a sensasão de textura.

6.5.3 Dispositivos Geradores de Força

Os joysticks com force feedback provavelmente são os dispositivos mais comuns nesta área. Criados para atuar em video-games, eles podem, por exemplo, em jogos como o DOOM, gerar a vibração do manete quando se bate em uma parede. Mais sofisticados, os braços geradores de força, são braços mecânicos semelhantes a robôs, nos quais o usuário pega o manipulador e move-o pelo espaço. O programa de controle do robô, por sua vez, pode, gerar forças contrárias ao movimento da mão do usuário, dependendo da necessidade.

Nestes dois últimos exemplos, os dispositivos apresentados geram a sensação de força sobre toda a estrutura do braço. Para criar esta sensação apenas sobre os dedos, são usados esqueletos externos (seção 6.3.2) e os dedais virtuais. Os esqueletos externos além de registrarem a posição dos dedos podem gerar forças contrárias a seus movimentos.

Já os dedais virtuais criados no MIT são usados para prover uma sensação mais realista do gesto de pinçar (com o polegar e com o indicador) um objeto virtual [9,91]. Batizado de PHATHOM(Personal haptic interface mechanism) o sistema, que custa U$ 20.000,00, é composto de um par de dedais presos a braços mecânicos que impedem o movimento livre dos dedos.O equipamento é hoje comercializado pela empresa SensAble Devices Company.

Uma fonte de informação interessante sobre este assunto é o livro, Force and Touch Feedback for Virtual Reality - Grigore Burdea - Ed. John Wiley & Sons - ISBN:047102141-5.