Um Estudo de Caso sobre a Construção e a Integração de Dispositivos Hápticos com Aplicações Interativas

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  Um Estudo de Caso sobre a Construção e a Integração de Dispositivos Hápticos com Aplicações Interativas
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  Um Estudo de Caso sobre a Constru ção e a Integração de Dispositivos H ápticos com Aplicações Interativas   Thiago Farias Daliton Silva Guilherme Moura Jo ão Marcelo Teixeira  Luiz Henrique Costa* Guilherme Dias Veronica Teichrieb Judith Kelner Universidade Federal de Pernambuco, Centro de Inform ática, Brasil   Figura 1: O dispositivo h ápt ico HapticCycle: a) alguns componentes eletr ônicos usados na construção do controle háptico; b) vers ão final do dispositivo; c) aplicação desenvolvida para validação do dispositivo. Resumo Este artigo apresenta o HapticCycle, um dispositivo de intera ção há ptico constru ído e integrado com um jogo 3D que fornece retorno de for ça para o usuário. O HapticCycle é uma bicicleta adaptada que funciona como um  joystick   USB com vibra ção. O retorno h áptico fornecido pela aplicação ocorre pela simulação de resist ência de acordo com o relevo de um terreno, percebida no ato de pedalar a bicicleta. A integra ção do dispositivo com a aplica ção foi implementada usando a plataforma de abstra ção CIDA, que permite a comunica ção em tempo real entre dispositivo de controle e jogo. Comprovou-se atrav és de uma avalia ção que a interação com dispositivos hápticos aumenta o n ível de imersão do usuário na aplicação. O HapticCycle, o jogo e sua integra ção, bem como a avalia ção, são detalhadamente descritos.   Palavras-chave : intera ção, disp ositivos h ápticos,  jogos, CIDA, HapticCycle. Contato dos autores : {tsmcf, ds2, gsm, jmxnt, gds, vt, jk}@cin.ufpe.br *lhcostap@gprt.ufpe.br 1. Introdu ção   Cada vez mais, aplica ções de Realidade Virtual (RV) utilizam dispositivos de intera ção com o intuito de melhorar a imers ão nos ambientes criados. Merecem destaque exemplos em diferentes áreas, como na medicina, manuten ção preventiva, educação, entretenimento, entre outras [Rizzo et al. 2005; Borro et al. 2004; Richard et al. 1997; K ühnapfel et al. 2004].  Os dispositivos h ápticos, detalhados na Seção  4, surgem como uma alternativa para simplificar a intera ção do usuário com as aplicações e aumentar a sensa ção de realismo através do seu uso, fornecendo resposta t átil, restrição de movimentos ou aplicação de for ça s em v ários graus de liberdade [Burdea 2000; Burdea e Coiffet 2003]. Artefatos como o DreamEye (Figura 2a) [EyeToy 2006] e o controle do Nintendo Wii (Figura 2b) [Nintendo Wii 2006], capazes de capturar gestos do usu ário e simular objetos virtuais, respect ivamente, est ão sendo inseridos de forma gradual no contexto dos  jogos. Dessa maneira, equipamentos capazes de aprimorar a intera ção com o ambiente entram pela primeira vez no cotidiano das pessoas. Figura 2: Dispositivos de intera ção para consoles: a) DreamEye; b) Wii control . Todavia, dois principais fatores ainda inibem o uso de dispositivos h ápticos nessa área. O primeiro é a falta de popularidade, conseq üência direta do seu alto custo. O segundo é a falta de padronização de a cesso aos mesmos, que nem sempre funcionam como  joysticks  comuns. Geralmente o acesso a esses dispositivos n ão -convencionais é realizado através de uma interface de comunica ção com o DirectInput (a plataforma padrão  para aquisi ção de entradas em jogos), im plementada pelos seus respectivos drivers . Este artigo tem como objetivo demonstrar o processo de constru ção de um dispositivo háptico, denominado HapticCycle, e sua integra ção com uma aplica ção interativa. A aplicação escolhida representa um jogo de corrida de triciclos e o controle é realizado atrav és de uma bicicleta adaptada, que fornece informa ções de velocidade e controle para o jogo, além de retornar para o usu ário a sensação de resistência, de acordo com o relevo de um terreno. Uma das vantagens do novo controle desenvolvido é seu baixo valor agregado, uma vez que utiliza apenas materiais de baixo custo. Por exemplo, um  joypad   com vibra ção foi usado como base do controle. Dessa forma, obteve-se como resultado final um dispositivo USB que é reconhecid o automaticamente pelo sistema operacional como um controlador de jogo. Na Se ção  2 s ão apresentados alguns pontos acerca da forma como as pessoas vivenciam experi ências f  ísicas e algumas teorias sobre como amplificar estas experi ências, de forma a potencia lizar a realiza ção de tarefas em ambientes virtuais. Na Se ção  3 s ão apresentados alguns trabalhos relacionados ao proposto neste artigo. Na Se ção  4, os conceitos relacionados com dispositivos h ápticos são abordados mais profundamente. A integra ção entre di spositivos h ápticos e aplicações é explicada na Seção  5, enfatizando a comunica ção entre hardware  e software . A Se ção  6 fornece um detalhamento acerca do dispositivo de intera ção construído, o HapticCycle. Na Se ção  7, todo o processo de constru ção, adaptação e testes do estudo de caso escolhido é detalhado. Por fim, na Se ção  8, t êm -se a conclus ão do trabalho desenvolvido e alguns trabalhos futuros s ão propostos.   2. Experi ências Amplificadas   Figura 3: Contexto de intera ção com um disp ositivo. Nos últimos anos, o estudo da relação Homem -m áquina tem lançado novas luzes sobre a forma como diferentes usu ários compreendem e vivenciam de forma distinta as mesmas situa ções. Estudos recentes indicam quais s ão os fatores que definem os níveis d e imers ão e aceitação por parte dos usuários na realiza ção de tarefas em seus cotidianos. Na Figura 3 é mostrado um quadro de organiza ção do contexto de intera ção com um dispositivo. O esquema apresentado foi adaptado de J ääskö [2 003] por Buccini e Padovani [2006]. O conceito de experi ência do usuário ainda está sendo moldado por v ários pesquisadores em diversas áreas do conhecimento. O termo experiência é utilizado como sin ônimo de prazer ou de emoção. Ou, ainda, pode ser utilizado para descrever o resultado da usabilidade de um produto, sem considerar fatores emocionais. Schmitt [2000] define experi ência como sendo “ acontecimentos individuais que ocorrem como resposta a algum est ímulo ” . Estes acontecimentos ocorrem, em geral, como conseq üência da observação ou participa ção em acontecimentos reais, imaginários ou virtuais. As experi ências não são fenômenos espont âneos, mas induzidos. Possuem referencial (partem de algum lugar) e intencionalidade (objetivam algo). S ão basicamente tod os os aspectos encontrados na intera ção do sujeito com o objeto.  Estas defini ções são ideais para nortear o estudo de caso realizado neste trabalho (ver Se ção  7), uma vez que a utiliza ção de dispositivos hápticos amplia o n úmero de estímulos aos quais o us u ário estará sujeito, aproximando a experi ência em um ambiente virtual a sua equivalente real. Este fato amplia o n ível de imers ão do indivíduo na realização da tarefa e/ou utiliza ção do dispositivo [Lécuyer et al. 2004].  Jordan [2002] prop õe a existência de uma rela ção entre funcionalidade, usabilidade e prazer na hierarquia da necessidade dos consumidores, como pode ser visto na Figura 4, abaixo. prazerusabilidadefuncionalidade N ível de envolvimento do indivíduo   Figura 4: N íveis de hiera rquia da necessidade do usu ário.   Sem o primeiro n ível, a funcionalidade, o produto n ão terá utilidade, pois não realizará as atividades necess árias para desempenhar sua função, perdendo assim, o seu motivo projetual. O segundo n ível, a usabilidade, trata da facilidade com que um produto consegue ser utilizado de maneira satisfat ória. No terceiro n ível, de posse de um equipamento que funcione e seja f  ácil de usar, os usuários procuram atributos de diferencia ção nos produtos. Produtos que se diferenciem por trazer boas lembran ças, satisfação f  ísica ou mental ou que representem status  social ou econ ômico. A customização passa a fazer parte vital na escolha de um produto. Desta forma, os produtos “ não podem ser meras ferramentas, mas ‘ objetos com vida ’    com os quais as pessoas podem se relacionar ”  [Jordan 2002]. Os dispositivos h ápticos ampliam o nível de usabilidade de determinada ferramenta, oferecem uma forma mais eficiente de controle e trazem melhores resultados na realiza ção da atividade, forçando ao usu ário  uma imers ão mais profunda [Lécuyer et al. 2004]. Atrav és do fornecimento de respostas próximas às reais, permitem uma maior precisão e controle das ferramentas, o que traz indica ções diretas de uso como em controles a dist ância ou para testes e simulações  nos campos m édico, automotivo ou de estudos em ambientes hostis. 3. Trabalhos Relacionados Os dispositivos h ápticos têm sido objeto de diversos trabalhos. Burdea [2000] realizou um estudo sobre o uso de dispositivos h ápticos aplicados em RV. A complexidade e os benef  ícios que esse tipo de interface traz s ão ressaltadas, além da necessidade de dispositivos n ão obstrutivos (que não interfiram nas a ções do cotidiano do usuário).  O processo de constru ção de dispositivos é abordado em [Regenbrecht et al. 2005; Choi et al. 2004]. No primeiro trabalho, um dispositivo gen érico com caracter ísticas vibratórias é criado baseado em motores de vibra ção de celulares. No segundo, um dispositivo é construído com o objetivo de ser utilizado em jogos com retorno tamb ém vibratór  io. A plataforma VisHap [Ye 2003] busca resolver a necessidade constante do usu ário de estar em contato com o dispositivo que adquire a entrada h áptica para a aplica ção. Através do uso de visão computacional, utilizando t écnicas de rastreamento de dedo, o usu ário apenas recebe o retorno h áptico quando este é necess ário, o que gera uma experiência háptica “  por completo ” .  Bloomfield e Badler [2003] apresentaram um exemplo de uso de arrays  t áteis, de forma a conseguir um retorno mais fiel para colis ões que oco rrem no mundo virtual. Kim et al. [2004] listam uma s érie de fatores que dificultam o desenvolvimento de retorno h áptico colaborativo, para usuários presentes no mesmo mundo virtual e fisicamente distantes. A aplica ção  de dispositivos h ápticos não se limit a aos exemplos citados anteriormente. O uso conjunto desses dispositivos com aplica ções de RV permite que se utilize sensores, atuadores e interfaces em um ambiente simulado para manipular nanoelementos, como usado em [Sharma et al. 2005]. 4. Dispositivos H áp ticos e seu Uso em Jogos O termo haptic   é utilizado para nomear dispositivos que oferecem algum tipo de resposta capaz de sensibilizar o sentido t átil do usuário  [Burdea e Coiffet 2003]. Podem ser citados diferentes tipos de retorno encontrados nesses dispositivos, como por exemplo: retorno de apertar ( grip    feedback  ), retorno de segurar ( grasp    feedback  ), retorno de for ça (  force    feedback  ) e retorno t átil ( tactile    feedback  ). A Figura 5 ilustra exemplos de dispositivos para cada tipo de retorno citado. Figura 5: Exemplos de dispositivos h ápticos de acordo com o retorno fornecido: a) retorno de apertar; b) retorno de segurar; c) retorno de for ça; d) retorno tátil.   Os dispositivos que apresentam retorno de apertar fornecem ao usu ário sensação de pressão ou aperto. Como exemplo, pode ser citado um dispositivo que simula a crescente press ão causada em uma roupa de mergulho, à medida que a profundidade do mergulho aumenta. A caracter ística principal dos dispositivo s que fornecem retorno de segurar é a limitação dos movimentos do usu ário em algum grau de liberdade. Um exemplo bastante conhecido é o exoesqueleto existente em luvas de dados espec íficas, nas quais há simula ção da sensação do agarrar e prensar de objetos . O retorno de for ça, conforme indicado pelo próprio nome, engloba dispositivos capazes de criar for ças direcionais de acordo com as caracter ísticas da aplica ção na qual é utilizado. Como exemplo, podem ser citados os volantes h ápticos, que funcionam como os de autom óveis reais, adicionando resistência ao movimento de rota ção.  Entre os dispositivos com a caracter ística de retorno t átil, encontram -se aqueles capazes de produzir est ímulos em forma de sensação de calor ou contato (toque e vibra ção). Como exemp lo bastante comum, podem ser citados os  joypads  de baixo custo com motores de vibra ção. Esse tipo de resposta (vibração) geralmente é usado em jogos como um alerta cada vez  que o usu ário usa uma de suas armas, quando atingido por um de seus inimigos ou quando o jogo requer sua aten ção.  O retorno produzido por  joysticks  convencionais com retorno de for ça é muito genérico, e conseq üentemente não consegue caracterizar ações espec íficas do jogo, nem funcionar como metáfora a algum evento virtual. Al ém desse tip o de retorno faz-se necess ário aplicar determinadas forças, com o objetivo de aumentar a imers ão do jogador no cenário virtual. Movimentos pr óximos aos correspondentes no mundo real s ão de extrema importância, de forma a tornar a intera ção similar à realid ade. Um dos primeiros jogos de arcade  a utilizar dispositivos com propriedades de retorno de for ça foi o “ Hang -on ”  (mostrado na Figura 6), desenvolvido pela Sega, em 1985. Tratava-se de um jogo de corrida de motocicletas em que o  joystick   foi constru ído de forma similar a uma motocicleta, for çando o usuário a inclinar-se de acordo com o movimento pretendido ao seu avatar, e tamb ém vibrando todas as vezes que o ve ículo saía da pista.   Figura 6: “ Hang -on ” : a ) screenshot   do jogo; b) dispositivo h áptico utilizado.   Com o passar do tempo, estas id éias e tecnologias foram introduzidas de uma forma mais port átil em sistemas de entretenimento dom ésticos, como os  joysticks  de PC e os controles de consoles de jogos. Atualmente, existe um apelo dos usu ários pelo uso de dispositivos com caracter ísticas de retorno de força, principalmente em jogos de corrida e simula ção de v ôo. Neste contexto, pode -se citar os volantes port áteis para PC (Microsoft SideWinder Force Feedback Wheel) e os  joysticks  (Microsoft SideWinder Force Feedback 2). Alguns jogos recentes oferecem suporte para o uso destes perif  éricos (Microsoft Flight Simulator e Need for Speed, por exemplo), aproveitando-se das vantagens desse tipo de intera ção.   5. Integra ção de Dispositivos H ápticos com Jogos   A produtividade é uma das principais preocupações de toda empresa, inclusive as de jogos: como maximizar o n úmero de jogos produzidos em um determinado intervalo de tempo sem perder qualidade nas aplica ções criadas? D evido à crescente rapidez com a qual novos jogos e tecnologias chegam no mercado, deve-se adotar um modelo de desenvolvimento r ápido e eficiente. Para ajudar a atingir esse objetivo, os motores de  jogos ( game engines ) foram criados. Eles s ão respons áveis p or realizar a maior parte do trabalho repetitivo e de mais baixo n ível na programação de  jogos: composi ção de cenário, animação de personagens (usando t écnicas de inteligência artificial), ilumina ção e outros detalhes.  Um problema existente na utiliza ção d estes engines   é que o desenvolvedor limita -se às mesmas formas de intera ção convencionais, não havendo a possibilidade de criar novas, uma vez que n ão existe um suporte gen érico para integração da aplicação com dispositivos com caracter ísticas diferentes, como, por exemplo, os h ápticos.  Tradicionalmente, o acesso a dispositivos de intera ção é realizado através de drivers , que funcionam como um n ível de abstração entre a aplicação e o hardware . A implementa ção do driver   pode ser realizada de diversas maneiras, mas sua principal tarefa é checar o estado do dispositivo correspondente e prover ao sistema operacional uma interface de acesso às funcionalidades do mesmo.  O DirectInput pode ser considerado uma plataforma de abstra ção que oferece acesso a dispositivo s com um n úmero reduzido de funcionalidades. Ele provê alguns recursos muito limitados para o manuseio de dispositivos h ápticos, uma vez que a interface de acesso se restringe a fun ções de retorno de força, e apenas suporta alguns tipos de  joystick  . Conseq üentemente, diferentes alternativas para unificar a interface de acesso dos dispositivos h ápticos vêm sendo estudadas e implementadas, à medida que o seu uso aumenta. O processo de integra ção desses dispositivos com aplica ções de RV e jogos é realizado usa ndo APIs espec íficas (  Application Programming Interfaces ) fornecidas pelos fabricantes dos dispositivos, ou atrav és de um método de acesso direto aos dados de entrada [Zadeh e Khorasani 2004]. Uma grande desvantagem do uso dessas APIs é a restrição imposta   à aplicação sobre a utilização de diferentes dispositivos, que deve ser submetida a um processo de refatora ção do código sempre que se desejar dar suporte a um novo dispositivo. Nesse cen ário, o uso de plataformas de abstração de dispositivos de intera ção  minimizaria a quantidade de c ódigo reescrito, além de trazer algumas outras vantagens inerentes aos conceitos de abstra ção de dispositivos. Essas plataformas s ão capazes de trabalhar com muitos dispositivos simultaneamente, uma vez que conseguem adquirir os dados de entrada de forma ass íncrona.  Comumente, cada dispositivo controlado pela plataforma é gerenciado e acessado por  plugins    espec íficos, os quais são carregados dinamicamente e podem ser adicionados em tempo de execu ção. Tamb ém pode ser encontrada nessas plataformas uma abstra ção de conectividade, permitindo o uso de dispositivos localizados remotamente, distribuindo seu acesso pela rede. As plataformas de abstra ção de dispositivos podem prover acesso aos dispositivos de entrada atrav és de  polling  ou callback  . Dentre as plataformas de abstra ção estudadas, a biblioteca Haptik [Pascale e Prattichizzo 2005], al ém das caracter ísticas de abstração previamente mencionadas, é portável e funciona nos sistemas operacionais Windows e Linux. É implementada completamente em C++, mas tamb ém provê extensões para outras linguagens, dando suporte para Java, MatLab e Simulink. Um diferencial desta plataforma é o fato dela poder gravar as entradas e rea ções dos dispositivos em arquivos de texto para an álise posterior, atrav és do uso de um  plugin  chamado “ Betamax ” . Como desvantagem, Haptik fornece uma lista bastante limitada de funcionalidades suportadas, relacionada às características de alguns poucos dispositivos h ápticos comerciais, como o PHANToM [PHANToM 2006], o Delta [Delta 2006], o Freedom [Freedom 2006] e o Spectre. A plataforma possui  plugins  implementados para essas quatro fam ílias de dispositivos suportados. Com base nessa limita ção, foi desenvolvida pelos autores uma plataforma de abstra ção denominada CIDA [Farias et al. 2006]. CIDA, assim como Haptik, implementa as principais funcionalidades descritas anteriormente e categoriza os dispositivos atrav és do uso de fam ílias. Essas famílias agregam funcionalidades que tornam poss ível a execução de uma busca gen éri ca por um dispositivo (usando sua fam ília como parâmetro) ou buscas específicas (através das funcionalidades, como, por exemplo, n úmero de bot ões, graus de liberdade, características de rastreamento, etc.). CIDA tamb ém implementa a caracter ística de Plug & Play  (PnP) atrav és do uso do  plugin  DeviceIOMonitor. Esse componente notifica a plataforma quando um novo dispositivo é conectado ao sistema. CIDA fornece uma interface de programa ção em C++ e pode reinterpretar funcionalidades atrav és de  plugins  utilizados para mapear dispositivos de uma fam ília em outra (por exemplo, um teclado pode funcionar como dois  joysticks  distintos). Essa funcionalidade é útil quando se deseja transportar aplica ções que fazem uso de dispositivos de interação sofisticados para ambientes menos equipados, como por exemplo, o uso de um computador dom éstico apenas com mouse  e teclado, ao inv és de dispositivos como luvas e trackers . Por se adequar melhor à aplicação escolhida como estudo de caso neste trabalho (apresentada na Se ção  7), foi escolhida a plataforma CIDA. Na implementa ção do m ódulo de interação da aplicação as características de transportabilidade e reinterpreta ção de funcionalidades s ão aproveitadas, de forma que se pode realizar a an álise experiencial com o HapticCycle e um dispositivo de intera ção convencional. CIDA encapsula alguns conceitos que tornam o m ódulo gen érico o suficiente para aceitar um dispositivo constru ído de forma diferente mas que forneça o mesmo tipo de retorno h áptico ao usuário. Além disso, a plataforma torna transparente a aquisi ção dos sinais de entrada, funcionando como entradas de um  joypad   comum. 6. O Dispositivo HapticCycle HapticCycle é um dispositivo de interação háptico, constru ído a partir de uma bicicleta comum adaptada. O dispositivo funciona como um  joystick  , permitindo ao usu ário controlar uma aplicação, e fornece retorno h áptico de força. Essa aplicação deve exigir entradas do tipo de um eixo (indica a rota ção do guidão da bicicleta) e de um bot ão (indica a velocidade do movimento pela pedalada do usu ário). A Figura 1b ilustra o HapticCycle. 6.1 Constru ção do Dispositivo Háptico   Figura 7: O dispositivo h áptico HapticCycle: a) potenci ômetro; b) componentes do  joypad  ; c) sensores magn éticos; d) esq uema de frenagem. O dispositivo é composto por uma bicicleta, apoiada por um suporte constru ído sobre medida, permitindo que a roda traseira gire livremente ao comando do pedal. Os elementos de hardware  necess ários para a intera ção bicicleta -computador encontram-se afixados à estrutura de suporte, conforme ilustrado na Figura 7: uma placa de controle de um  joypad USB com vibra ção ( Figura 7b), adaptada para receber as entradas da bicicleta, assim como um motor de passo (Figura 7d), usado para frear a roda em situa ções específicas. Um potenci ômetro ( Figura 7a), usado para capturar a rota ção do guidão, assim como um sensor magnético (Figura 7c), respons ável por capturar as voltas dadas pela roda traseira, encontram-se afixados ao quadro da bicicleta. A jun ção de todos esses componentes dá srcem a um controle interativo capaz de enviar entradas ao computador e fornecer retorno h áptico  para o usu ário.  
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