Projeto e implementação de um sistema de autoria para animações, simulações e treinamentos em realidade virtual

Esta dissertação apresenta o projeto, desenvolvimento e implementação de um software para criação de animações, simulações e treinamentos de processos e instruções técnicas industriais, destacando também a arquitetura utilizada para sua implementação. O software apresentado permite a geração de animações, textos, sons e interações, fornecendo ferramentas de criação, visualização e supervisão da simulação com o uso de Realidade Virtual em três dimensões. A dissertação trata ainda do uso prático do software através de um estudo de caso com simulações 3D de processos industriais reais de uma usina de geração de energia elétrica. Este estudo também contribui para as áreas de treinamento em realidade virtual e sistemas de autoria 3D ao apresentar conceitos inovadores na área de supervisão automática, mostrando também uma possível estrutura de componentes de software para uso nas áreas citadas. Pode-se destacar ainda a revisão de tecnologias semelhantes à proposta neste trabalho, visando à identificação de influências, melhorias e inovações nas áreas de autoria 3D e treinamento.

SwImax: um simulador em realidade virtual para auxiliar o ensino do padrão WiMAX

O padrão IEEE 802.16, também chamado de WiMAX, é uma tecnologia da rede banda larga sem fio para áreas metropolitanas, utilizado como alternativa para transmissão de sinal de Internet a regiões que não possuem infraestrutura de rede cabeada. Atualmente, o ensino desta tecnologia em sala de aula é meramente teórico, o que dificulta a compreensão dos alunos com relação a determinadas funcionalidades do WiMAX. Nesse sentido, a presente dissertação aborda o projeto de desenvolvimento de um simulador em Realidade Virtual, chamado SwImax, voltado para auxílio do ensino do padrão IEEE 802.16. Assim, o SwImax simula algumas características do funcionamento deste padrão, quais sejam: faixas de frequência de operação, área de cobertura, procedimento de handover, transmissão sem linha de visada, entre outros. A dissertação apresenta os trabalhos correlatos que influenciaram o desenvolvimento do projeto, além de um resumo acerca do padrão IEEE 802.16. O texto apresenta também as ferramentas utilizadas no desenvolvimento do SwImax e a implementação do simulador. Ao final do desenvolvimento, o software foi submetido a uma avaliação dos usuários, de modo que os resultados também são abordados nesta dissertação.

SIMPLARCOM: simulador para planejamento de redes de comunicação sem fio utilizando realidade virtual e modelos de propagação

Este simulador é formado pela junção de técnicas de Realidade Virtual com modelos de propagação, desenvolvidos através dos estudos de rádio enlace, que descrevem a perda que o sinal transmitido sofre ao longo do percurso no ambiente. O simulador possui dois módulos. O primeiro permite a criação do ambiente virtual com o posicionamento, sobre um terreno, de prédios, árvores, carros, antenas e outras primitivas que permitem a construção de um ambiente tridimensional customizável. O segundo módulo permite a configuração dos parâmetros relacionados a propagação de sinal de antenas como a potência, a frequência, o ganho, etc., e também selecionar o modelo de propagação para a execução da simulação. Dentro deste segundo módulo, existe um submódulo responsável pelo estudo do planejamento da área de cobertura composta pelas antenas, em outras palavras, este submódulo simula a distância que cada antena no cenário consegue atingir e gera a respectiva área de cobertura. Para demonstrar a eficiência do simulador foram criados dois ambientes virtuais para testes. Um cenário representando um ambiente urbano onde empregou-se um modelo de propagação clássico, Okumura-Hata para cidades pequenas e médias, e um ambiente tridimensional arborizado utilizando um modelo especifico para simulação de propagação para regiões densamente arborizadas, desenvolvido na Universidade Federal do Pará chamado de Lyra-Castro-UFPA.

Modelagem de objetos tridimensionais para um ambiente interativo de instruções técnicas virtuais

Esta dissertação aborda metodologias de criação de objetos tridimensionais destinados a ambientes virtuais interativos, contextualizando as principais técnicas de implementação computacional envolvidas no processo. Foi utilizado como estudo de caso o Sistema de Instruções Técnicas Virtuais, desenvolvido pelo Laboratório de Realidade Virtual (LaRV) da Universidade Federal do Pará (UFPA) para as Centrais Elétricas do Norte do Brasil S/A (Eletronorte), como recurso de treinamento e simulação de procedimentos de manutenção e operação da Usina Hidrelétrica de Tucuruí.

Navegação, reconhecimento de gestos e controle de interface no sistema ITV utilizando o dispositivo kinect

Esta dissertação apresenta a implementação de navegação no ambiente virtual, reconhecimento de gestos e controle de interface, feitos através do dispositivo Kinect, no Sistema ITV: um sistema de treinamento de operadores e mantenedores de usinas hidrelétricas e subestações elétricas. São mostrados, também, determinados aperfeiçoamentos recentes, como conversão em vídeo, telas de alarmes sonoros e visuais, ambientação sonora em três dimensões e narração do processo. Além da apresentação do Sistema ITV, são expostos o dispositivo Kinect e o algoritmo utilizado na comparação dos padrões de movimento, o DTW. Em seguida, são abordados em detalhes o projeto e a implementação da navegação, do reconhecimento de gestos e do controle de interface. Como estudo de caso, é exibida uma Instrução Técnica Virtual (ITV), elaborada especialmente para testar e avaliar a nova interface proposta. Posteriormente, são apresentados os resultados, considerados satisfatórios, obtidos através da análise de questionários qualitativos aplicados a estudantes da Universidade Federal do Pará. Por fim, são realizadas as considerações referentes a este trabalho e expostas idéias de trabalhos futuros.

Em busca do doador perdido: um jogo educativo como ferramenta de conscientização e informação sobre doação de sangue

Frente às dificuldades para captação de bolsas de sangue pelos hemocentros, são utilizados os mais diversos meios para sensibilizar os doadores e manter abastecidos os bancos de sangue. Este trabalho apresenta a “simulação parcial” dessa realidade, através de um jogo educativo eletrônico que objetiva informar e conscientizar sobre a importância da doação. Trata-se de um mecanismo de esclarecimento de dúvidas comuns e desmitificação de crenças disseminadas pela falta de conhecimento que dificultam a captação. Com o objetivo de informar o jogador e não somente entreter, “Em busca do doador perdido” é a apresentação de um tema comum em formato criativo, motivador e de impacto social. A simulação proporciona ao jogador experimentar as dificuldades de se encontrar doadores e desperta no mesmo o conhecimento sobre questões básicas do processo de doação. A partir de dois experimentos com doadores em potencial foi validada a proposta do jogo, como uma forma de conscientizar os jogadores sobre a importância da doação.

Detecção de potenciais corticais antecipatórios em sinais de eletroencefalografia (EEG) durante a condução de carros

O reconhecimento da intenção do condutor a partir de sinais de eletroencefalografia (EEG) pode ser útil no desenvolvimento de interfaces cérebro computador (BCI) para serem usadas em sinergia com veículos inteligentes. Isso pode ser benéfico para melhorar a qualidade de interação entre o motorista e o carro, por exemplo, fornecendo uma resposta do carro inteligente alinhada com a intenção do motorista. Neste estudo, considera-se a antecipação como sendo o estado cognitivo que leva a ações especificas durante a condução de um automóvel. Portanto, propomos investigar a presença de padrões antecipatórios em sinais EEG durante a condução de veículos para determinar duas ações especifícas (1) virar à esquerda e (2) virar à direita, alguns milissegundos antes que tais ações aconteçam. Um protocolo experimental foi proposto para gravar sinais EEG de 5 indivíduos enquanto eles operam um simulador de realidade virtual não invasiva - que foi projetado para tal experimento - que simula a condução de um carro virtual. O protocolo experimental é uma variante do paradigma da variação negativa contingente (CNV) com condições Go e No-go no sistema de condução de realidade virtual. Os resultados apresentados neste estudo indicam a presença de padrões antecipatórios em potenciais corticais lentos observados no domínio do tempo (medias dos sinais EEG) e da frequência (Power Spectra e coerência de fase). Isso abre um leque de possibilidades no desenvolvimento de sistemas BCI - baseados em sinais antecipatórios - que conectem o motorista ao veiculo inteligente favorecendo uma tomada de decisão que analise as intenções dos condutores podendo eventualmente evitar acidentes durante a condução.

Estudo comparativo das técnicas de elementos finitos e equação integral na modelagem eletromagnética bidimensional

Os métodos numéricos de Elementos Finitos e Equação Integral são comumente utilizados para investigações eletromagnéticas na Geofísica, e, para essas modelagens é importante saber qual algoritmo é mais rápido num certo modelo geofísico. Neste trabalho são feitas comparações nos resultados de tempo computacional desses dois métodos em modelos bidimensionais com heterogeneidades condutivas num semiespaço resistivo energizados por uma linha infinita de corrente (com 1000Hz de freqüência) e situada na superfície paralelamente ao "strike" das heterogeneidades. Após a validação e otimização dos programas analisamos o comportamento dos tempos de processamento nos modelos de corpos retangulares variandose o tamanho, o número e a inclinação dos corpos. Além disso, investigamos nesses métodos as etapas que demandam maior custo computacional. Em nossos modelos, o método de Elementos Finitos foi mais vantajoso que o de Equação Integral, com exceção na situação de corpos com baixa condutividade ou com geometria inclinada.

Modelagem direta bidimensional do método magnetotelúrico com o método dos elementos finitos de arestas

Fizemos a modelagem direta 2D do método magnetotelúrico (MT) com o método dos elementos finitos (MEF) de arestas em termos dos campos primários e secundários. Para usarmos modelos de maior complexidade e diminuirmos o custo computacional utilizamos malhas não estruturadas. Nas malhas utilizadas, introduzimos quatro nós em torno de cada estação MT, constituindo um quadrado alinhado nas direções dos eixos cartesianos

Estimação da porcentagem de flúor em alumina fluoretada proveniente de uma planta de tratamento de gases por meio de um sensor virtual neural

As indústrias têm buscado constantemente reduzir gastos operacionais, visando o aumento do lucro e da competitividade. Para alcançar essa meta, são necessários, dentre outros fatores, o projeto e a implantação de novas ferramentas que permitam o acesso às informações relevantes do processo de forma precisa, eficiente e barata. Os sensores virtuais têm sido aplicados cada vez mais nas indústrias. Por ser flexível, ele pode ser adaptado a qualquer tipo de medição, promovendo uma redução de custos operacionais sem comprometer, e em alguns casos até melhorar, a qualidade da informação gerada. Como estão totalmente baseados em software, não estão sujeitos a danos físicos como os sensores reais, além de permitirem uma melhor adaptação a ambientes hostis e de difícil acesso. A razão do sucesso destes tipos de sensores é a utilização de técnicas de inteligência computacional, as quais têm sido usadas na modelagem de vários processos não lineares altamente complexos. Este trabalho tem como objetivo estimar a qualidade da alumina fluoretada proveniente de uma Planta de Tratamento de Gases (PTG), a qual é resultado da adsorção de gases poluentes em alumina virgem, via sensor virtual. O modelo que emula o comportamento de um sensor de qualidade de alumina foi criado através da técnica de inteligência computacional conhecida como Rede Neural Artificial. As motivações deste trabalho consistem em: realizar simulações virtuais, sem comprometer o funcionamento da PTG; tomar decisões mais precisas e não baseada somente na experiência do operador; diagnosticar potenciais problemas, antes que esses interfiram na qualidade da alumina fluoretada; manter o funcionamento do forno de redução de alumínio dentro da normalidade, pois a produção de alumina de baixa qualidade afeta a reação de quebra da molécula que contém este metal. Os benefícios que este projeto trará consistem em: aumentar a eficiência da PTG, produzindo alumina fluoretada de alta qualidade e emitindo menos gases poluentes na atmosfera, além de aumentar o tempo de vida útil do forno de redução.

Modelagem numérica de dados MCSEM 3D usando computação paralela

Desenvolvemos a modelagem numérica de dados sintéticos Marine Controlled Source Electromagnetic (MCSEM) usada na exploração de hidrocarbonetos para simples modelos tridimensionais usando computação paralela. Os modelos são constituidos de duas camadas estrati cadas: o mar e o sedimentos encaixantes de um delgado reservatório tridimensional, sobrepostas pelo semi-espaço correspondente ao ar. Neste Trabalho apresentamos uma abordagem tridimensional da técnica dos elementos nitos aplicada ao método MCSEM, usando a formulação da decomposição primária e secundária dos potenciais acoplados magnético e elétrico. Num pós-processamento, os campos eletromagnéticos são calculados a partir dos potenciais espalhados via diferenciação numérica. Exploramos o paralelismo dos dados MCSEM 3D em um levantamento multitransmissor, em que para cada posição do transmissor temos o mesmo processo de cálculos com dados diferentes. Para isso, usamos a biblioteca Message Passing Interface (MPI) e o modelo servidor cliente, onde o processador administrador envia os dados de entradas para os processadores clientes computar a modelagem. Os dados de entrada são formados pelos parâmetros da malha de elementos nitos, dos transmissores e do modelo geoelétrico do reservatório. Esse possui geometria prismática que representa lentes de reservatórios de hidrocarbonetos em águas profundas. Observamos que quando a largura e o comprimento horizontais desses reservatório têm a mesma ordem de grandeza, as resposta in-line são muito semelhantes e conseqüentemente o efeito tridimensional não é detectado. Por sua vez, quando a diferença nos tamanhos da largura e do comprimento do reservatório é signi cativa o efeito 3D é facilmente detectado em medidas in-line na maior dimensão horizontal do reservatório. Para medidas na menor dimensão esse efeito não é detectável, pois, nesse caso o modelo 3D se aproxima de um modelo bidimensional. O paralelismo dos dados é de rápida implementação e processamento. O tempo de execução para a modelagem multitransmissor em ambiente paralelo é equivalente ao tempo de processamento da modelagem para um único transmissor em uma máquina seqüêncial, com o acréscimo do tempo de latência na transmissão de dados entre os nós do cluster, o que justi ca o uso desta metodologia na modelagem e interpretação de dados MCSEM. Devido a reduzida memória (2 Gbytes) em cada processador do cluster do departamento de geofísica da UFPA, apenas modelos muito simples foram executados.

Modelagem numérica da influência do eletrojato equatorial em dados magnetotelúricos produzidos por estruturas tridimensionais

A América do Sul apresenta várias peculiaridades geomagnéticas, uma delas, é a presença do Eletrojato Equatorial, o qual se estende de leste para oeste no Brasil ao longo de aproximadamente 3500 km. Considerando-se o fato de que a influência do Eletrojato Equatorial pode ser detectada a grandes distâncias do seu centro, isto suscita o interesse em se estudar os seus efeitos na exploração magnetotelúrica no Brasil. A influência do eletrojato equatorial na prospecção magnetotelúrica tem sido modelada para meios geológicos uni e bidimensionais valendo-se para isto de soluções analíticas fechadas e de técnicas numéricas tais como elementos finitos e diferenças finitas. Em relação aos meios geológicos tridimensionais, eles tem sido modelados na forma de "camadas finas", usando o algoritmo "thin sheet". As fontes indutoras utilizadas para simular o eletrojato equatorial nestes trabalhos, tem sido linhas de corrente, eletrojatos gaussianos e eletrojatos ondulantes. Por outro lado, o objetivo principal da nossa tese foi o modelamento dos efeitos que o eletrojato equatorial provoca em estruturas tridimensionais próprias da geofísica da prospecção. Com tal finalidade, utilizamos o esquema numérico da equação integral, com as fontes indutoras antes mencionadas. De maneira similar aos trabalhos anteriores, os nossos resultados mostram que a influência do eletrojato equatorial somente acontece em frequências menores que 10^-1 Hz. Este efeito decresce com a distância, mantendo-se até uns 3000 km do centro do eletrojato. Assim sendo, a presença de grandes picos nos perfis da resistividade aparente de um semi-espaço homogêneo, indica que a influência do eletrojato é notável neste tipo de meio. Estes picos se mostram com diferente magnitude para cada eletrojato simulado, sendo que a sua localização também muda de um eletrojato para outro. Entretanto, quando se utilizam modelos geo-elétricos unidimensionais mais de acordo com a realidade, tais como os meios estratificados, percebe-se que a resposta dos eletrojatos se amortece significativamente e não mostra muitas diferenças entre os diferentes tipos de eletrojato. Isto acontece por causa da dissipação da energia eletromagnética devido à presença da estratificação e de camadas condutivas. Dentro do intervalo de 3000 km, a resposta eletromagnética tridimensional pode ser deslocada para cima ou para baixo da resposta da onda plana, dependendo da localização do corpo, da frequência, do tipo de eletrojato e do meio geológico. Quando a resposta aparece deslocada para cima, existe um afastamento entre as sondagens uni e tridimensionais devidas ao eletrojato, assim como um alargamento da anomalia dos perfis que registra a presença da heterogeneidade tridimensional. Quando a resposta aparece deslocada para baixo, no entanto, há uma aproximação entre estes dois tipos de sondagens e um estreitamento da anomalia dos perfis. Por outro lado, a fase se mostra geralmente, de uma forma invertida em relação à resistividade aparente. Isto significa que quando uma sobe a outra desce, e vice-versa. Da mesma forma, comumente nas altas frequências as respostas uni e tridimensionais aparecem deslocadas, enquanto que nas baixas frequências se mostram com os mesmos valores, com exceção dos eletrojatos ondulantes com parâmetros de ondulação α = —2 e —3. Nossos resultados também mostram que características geométricas próprias das estruturas tridimensionais, tais como sua orientação em relação à direção do eletrojato e a dimensão da sua direção principal, afetam a resposta devido ao eletrojato em comparação com os resultados da onda plana. Desta forma, quando a estrutura tridimensional é rotacionada de 90°, em relação à direção do eletrojato e em torno do eixo z, existe uma troca de polarizações nas resistividades dos resultados, mas não existem mudanças nos valores da resistividade aparente no centro da estrutura. Ao redor da mesma, porém, se percebe facilmente alterações nos contornos dos mapas de resistividade aparente, ao serem comparadas com os mapas da estrutura na sua posição original. Isto se deve à persistência dos efeitos galvânicos no centro da estrutura e à presença de efeitos indutivos ao redor do corpo tridimensional. Ao alongar a direção principal da estrutura tridimensional, as sondagens magnetotelúricas vão se aproximando das sondagens das estruturas bidimensionais, principalmente na polarização XY. Mesmo assim, as respostas dos modelos testados estão muito longe de se considerar próximas das respostas de estruturas quase-bidimensionais. Porém, os efeitos do eletrojato em estruturas com direção principal alongada, são muito parecidos com aqueles presentes nas estruturas menores, considerando-se as diferenças entre as sondagens de ambos tipos de estruturas. Por outro lado, os mapas de resistividade aparente deste tipo de estrutura alongada, revelam um grande aumento nos extremos da estrutura, tanto para a onda plana como para o eletrojato. Este efeito é causado pelo acanalamento das correntes ao longo da direção principal da estrutura. O modelamento de estruturas geológicas da Bacia de Marajó confirma que os efeitos do eletrojato podem ser detetados em estruturas pequenas do tipo "horst" ou "graben", a grandes distâncias do centro do mesmo. Assim, os efeitos do eletrojato podem ser percebidos tanto nos meios estratificados como tridimensionais, em duas faixas de freqüência (nas proximidades de 10^-1 Hz e para freqüências menores que 10^-3 Hz), possivelmente influenciados pela presença do embasamento cristalino e a crosta inferior, respectivamente. Desta maneira, os resultados utilizando o eletrojato como fonte indutora, mostram que nas baixas freqüências as sondagens magnetotelúricas podem ser fortemente distorcidas, tanto pelos efeitos galvânicos da estrutura tridimensional como pela presença da influência do eletrojato. Conseqüêntemente, interpretações errôneas dos dados de campo podem ser cometidas, se não se corrigirem os efeitos do eletrojato equatorial ou, da mesma forma, não se utilisarem algoritmos tridimensionais para interpretar os dados, no lugar do usual modelo unidimensional de Tikhonov - Cagniard.

Modelagem de dados MT 2D em multicamadas com anisotropia arbitrária

Neste trabalho apresentamos a modelagem direta bidimensional do método Magnetotelúrico (MT) com anisotropia arbitrária na condutividade elétrica para modelos de multicamadas estratificadas horizontalmente, separando a resposta do campo resultante em duas partes, primária e secundária. A parte primária refere-se ao campo 1D do modelo na ausência de heterogeneidades; a secundária, à contribuição no campo resultante gerada pela anomalia. Esta modelagem foi feita via técnica numérica dos Elementos Finitos (EF). Apresentamos também a modelagem direta do caso MT 1D para o mesmo modelo e anisotropia arbitrária, porém, com solução analítica pelo método da matriz de propagação; tal resultado é usado como fonte na formulação 2D. No estudo a respeito do comportamento dos campos 1D em profundidade na presença da anisotropia, verificamos nas componentes horizontais que suas curvas dentro de cada camada se assemelham a de um campo na presença de fontes, pois experimentam um aumento na amplitude; além de verificar o surgimento da componente normal E_z do campo, sem que haja uma densidade de corrente nesta direção. Com arbitrariedade na anisotropia queremos dizer que seus eixos principais podem assumir qualquer orientação em relação ao eixo de referência adotado para o problema; tal orientação é descrita sob três rotações consecutivas, chamadas de strike, dip e slant, que simulam inclinações bastante presentes na geologia dos ambientes terrestres. Verificamos que a anisotropia provoca alterações no comportamento das pseudo-seções de resistividades aparentes, interferindo na interpretação correta dos dados.