II SEMINÁRIO NACIONAL DE DOCUMENTAÇÃO DO PATRIMÔNIO ARQUITETÔNICO COM O USO DE TECNOLOGIAS DIGITAIS
26, 27 e 28 de novembro de 2012 – Belém (PA)
REALIDADE AUMENTADA E PATRIMÔNIO CULTURAL: APRESENTAÇÃO, TECNOLOGIAS E APLICAÇÕES Lorena Claudia de Souza Moreira (a) Universidade Federal da Bahia (UFBA)
Arivaldo Leão de Amorim (b) Universidade Federal da Bahia (UFBA) (a)
[email protected]; (b)
[email protected]
RESUMO O presente trabalho discorre sobre a realidade aumentada (RA) e sua aplicação no patrimônio cultural. Inicialmente traz uma visão geral sobre a realidade aumentada, em seguida trata de sistemas e dispositivos de visualização para a RA, bem como de técnicas de rastreamento e de registro. Na sequência apresenta alguns projetos internacionais envolvendo realidade aumentada e patrimônio cultural, a exemplo do ARCO (Augmented Representation of Cultural Objects) e o Archeoguide que são aplicações de sistemas de gerenciamento de conteúdo digital direcionados ao patrimônio cultural. Também são apresentados os projetos do Museu Allard Pierson, em Amsterdã, e o Digital Yuanmingyuan, na China. Como resultado confirma-se o potencial da realidade aumentada na documentação, publicação e divulgação do patrimônio cultural. Destacam-se as reconstituições digitais e suas possibilidades de visualização e interação corroborando com o conceito de identidade cultural. Palavras chaves: Realidade aumentada. Patrimônio cultural. Documentação. Visualização.
ABSTRACT This paper discusses augmented reality (AR) and its application in cultural heritage. Initially provides an overview on augmented reality, then show systems and display devices for RA, as well as techniques for tracking and registry. Furthermore features some international projects involving augmented reality and cultural heritage, such as ARCO (Augmented Representation of Cultural Objects) and Archeoguide applications that are digital content management systems applied to cultural heritage. It also present projects by Allard Pierson Museum, in Amsterdam and Digital Yuanmingyuan, in China. As a result confirms the potential of augmented reality in documentation, publication and dissemination of cultural heritage. We detach digital reconstructions and their possibilities of visualization and interaction corroborating the concept of cultural identity. Keywords: Augmented reality. Cultural heritage. Documentation. Visualization.
1. INTRODUÇÃO Além das ações depredadoras do homem, da durabilidade dos materiais e de outros fatores, os desastres provenientes das forças da natureza (terremotos, tsunamis, enchentes, incêndios, furacões, etc.) têm devastado construções e sítios de importância histórico-cultural por todo o mundo. Esses aspectos, juntamente com o estado de abandono das edificações, fazem com que a documentação do patrimônio edificado se torne cada vez mais necessária. Para Amorim (2008) a documentação passa a desempenhar um papel fundamental na salvaguarda do
INFORMAÇÕES CADASTRAIS Título: Anais do II Seminário Nacional de Documentação do Patrimônio Arquitetônico com o uso de Tecnologias Digitais Classificação: Nacional País de Publicação: Brasil Idioma de Publicação: Português Meio de Divulgação: Meio Digital ISSN: 2316-719X Natureza do trabalho publicado: Artigo Completo Ano de Publicação: 2012 Volume: I
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patrimônio edificado e na preservação de sua memória, além de constituir um instrumento básico de projetos de conservação e restauro do patrimônio edificado. Com as tecnologias da informação e comunicação surgiram novos processos e formas de interação em diversas áreas. Oliveira (2008) relata que processos mais modernos de documentação como: fotografia digital, fotogrametria, ferramentas computacionais, cinema, vídeo e outros instrumentos adicionam-se aos recursos tradicionais de representação. Como exemplo de tecnologia computacional que pode ser aplicada ao patrimônio material surge a Realidade Aumentada (RA), que apresenta o mundo real acrescido de objetos virtuais. Azuma (1997) define Realidade Aumentada como uma variação da Realidade Virtual (RV) que permite ao usuário ver o mundo real, com objetos virtuais sobrepostos, coexistindo no mesmo espaço, em tempo real. Os objetos virtuais exibem informações que o usuário não pode detectar diretamente com os seus próprios sentidos. A realidade aumentada incorpora vantagens trazidas pelas Tecnologias da Informação e Comunicação (TIC), sendo facilitadoras do registro, da recuperação, da edição e divulgação de informações. O crescimento tecnológico juntamente com a diminuição do custo dos equipamentos, tem propiciado o desenvolvimento do seu uso na área patrimonial (ZUFFO; LOPES, 2008). Este trabalho discute a aplicação da Realidade Aumentada e sua utilização no patrimônio cultural. Neste sentido, aborda inicialmente os conceitos relativos à tecnologia, apresentando em seguida os sistemas e dispositivos de visualização para a RA, bem como técnicas de rastreamento e registro. Na sequência são apresentados alguns projetos envolvendo realidade aumentada e patrimônio cultural, realizados no exterior.
2. REALIDADE AUMENTADA Com o surgimento da Realidade Aumentada (RA) uma nova forma de interação homem computador foi criada. O usuário passa a interagir com os objetos virtuais juntamente com o ambiente do qual ele faz parte. Dessa forma, a RA combina a Realidade Virtual (RV) e o mundo real podendo aumentar a percepção do usuário e sua interação (CARDOSO et al, 2007). Milgram e Kishino (1994) revelam que tanto a Realidade Aumentada quanto a Realidade Virtual, têm que estar relacionadas e fazem parte de um conceito mais abrangente, entendido como Realidade Misturada (mixed reality). Acrescentam o termo virtualidade contínua (realityvirtuality continuum) que é a combinação de objetos apresentados através de algum tipo de dispositivo tecnológico visual, onde o ambiente real e o ambiente virtual se encontram em lados extremos (Figura 1).
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Figura 1: Esquema da realidade-virtualidade contínua Fonte: Milgram e Kishino (1994)
Entre a Realidade Virtual e o mundo real, encontra-se a Virtualidade Aumentada (VA), que é caracterizada pelo ambiente virtual acrescido de elementos reais e a Realidade Aumentada, que apresenta o mundo real acrescido de objetos virtuais, conforme mostra a Figura 2. Todas essas terminologias fazem parte da Realidade Misturada (RM).
Figura 2: Representação da virtualidade contínua Fonte: http://www.intergeo.de/archiv/2007/Paelke.pdf
Por ser uma área de pesquisa interdisciplinar e possuir aplicação em quase todas as áreas são encontradas diversas definições para a realidade aumentada. A RA pode ser considerada como uma aplicação que contém as seguintes características: sistema de visualização e interação baseado em tecnologia de informação, que combina o mundo físico com o virtual e é processado em tempo real. De fato, na RA, o ambiente real não é suprimido, pelo contrário, o ambiente real realiza um papel dominante, pois é a informação sintética que se integra ao mundo físico. Isto leva a um problema fundamental: um ambiente real é muito mais difícil de controlar do que um ambiente completamente sintético (BIMBER; RASKAR, 2005). Cardoso (2007) relata que os sistemas de RA necessitam de hardware para capturar informações do ambiente, software para inserir, em tempo real, elementos virtuais na cena e por último hardware para mapear tais elementos no mundo real. Portanto, um sistema de realidade aumentada necessita de dispositivos que permitam avaliar a posição do usuário (rastreamento e registro) e da criação de elementos virtuais (modelos INFORMAÇÕES CADASTRAIS Título: Anais do II Seminário Nacional de Documentação do Patrimônio Arquitetônico com o uso de Tecnologias Digitais Classificação: Nacional País de Publicação: Brasil Idioma de Publicação: Português Meio de Divulgação: Meio Digital ISSN: 2316-719X Natureza do trabalho publicado: Artigo Completo Ano de Publicação: 2012 Volume: I
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geométricos e outros tipos de informações) para associá-los ao ambiente real por meio de tecnologias de exibição e interação, como mostra esquematicamente a Figura 3.
Figura 3: Esquema básico do sistema de realidade aumentada Fonte: MOREIRA, Lorena; 2012.
2.1 TÉCNICAS DE RASTREAMENTO E REGISTRO Os sistemas de realidade aumentada precisam recuperar a cada quadro a posição e orientação da câmera virtual, num processo chamado rastreamento. As técnicas de rastreamento e registro fazem com que o objeto virtual seja corretamente posicionado sobre a imagem real (BIMBER; RASKAR, 2005). Tais técnicas podem ser enquadradas em dois grupos: com a utilização de marcadores e sem a utilização de marcadores (Markerless Augmented Reality MAR). Na técnica com marcadores, “o objeto a ser rastreado é um padrão artificial que a princípio não faz parte do cenário e possui formas geométricas que facilitam a identificação do mesmo no ambiente” (SILVA et al, 2012). Os usuários podem interagir com os objetos virtuais através dos marcadores, também conhecidos como alvos. Por sua vez, a técnica sem marcadores é mais complexa que a anterior, pois a câmera realiza o rastreamento das informações existentes no ambiente real, sem a inserção de objetos sintéticos. A técnica MAR pode ser classificada em dois tipos: baseada em modelos, e baseada em estruturas de movimento (Structure from Motion - SfM). Na primeira é necessário um conhecimento prévio do ambiente real “que é guardado na forma de um modelo geométrico (3D) utilizado para auxiliar na estimativa da pose da câmera” enquanto que na segunda “o movimento da câmera ao longo da seqüência de quadros é estimado sem nenhum conhecimento prévio da cena, sendo adquirido durante o rastreamento” (SIMÕES et al, 2008). INFORMAÇÕES CADASTRAIS Título: Anais do II Seminário Nacional de Documentação do Patrimônio Arquitetônico com o uso de Tecnologias Digitais Classificação: Nacional País de Publicação: Brasil Idioma de Publicação: Português Meio de Divulgação: Meio Digital ISSN: 2316-719X Natureza do trabalho publicado: Artigo Completo Ano de Publicação: 2012 Volume: I
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Apesar das técnicas de rastreamento e registro serem diferentes, o objetivo é o mesmo: calcular dados de orientação e perspectiva do mundo real através das imagens que são capturadas a fim de identificar a localização da câmera virtual e fazer o correto posicionamento dos objetos virtuais, como mostra a Figura 4 a seguir:
Figura 4: Esquema básico de uma aplicação de Realidade Aumentada, ilustrando a divisão entre algoritmos com marcadores e sem marcadores. Fonte: SILVA, Daliton; et al; 2012.
2.2 DISPOSITIVOS DE VISUALIZAÇÃO Quanto à forma de visualização, os equipamentos de RA são divididos em: dispositivos de cabeça, dispositivos de mão e de projeção (AZUMA et al, 2001). Os dispositivos de cabeça (Head Mounted Displays - HMD) podem ser subdivididos em dois tipos: dispositivos óticos e dispositivos de vídeo. Os dispositivos óticos (optical see-through) possuem lentes que permitem visualizar a cena real de uma forma direta, acrescida dos objetos virtuais, enquanto que os dispositivos de vídeos (video see-through) possuem uma tela onde são combinadas a imagem real com os objetos virtuais (AZUMA et al, 2001), como mostra a Figura 5 a seguir:
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Figura 5: Esquemas: (a) optical see-through HMD; (b) video see-through HMD Fonte: WURSTHORN, Sven; 2010.
Apesar do trabalho de AZUMA et al, ter sido publicado em 2001, desde aquela época esses autores sinalizaram que novos tipos de dispositivos estavam sendo criados e que a evolução do HMD seria algo semelhante a óculos comuns. No início de 2012, a empresa Google divulgou que está desenvolvendo um tipo de óculos para RA em seu “Project Glass”. Já os dispositivos de mão, apesar de possuírem um tamanho reduzido, apresentam como característica principal a mobilidade, onde telas são sensíveis ao toque (touchscreen) e possibilitam a interação com o usuário, além da visualização (tablets, celulares, palmtops). Uma grande quantidade de pesquisas está sendo desenvolvida nessa área, associando aplicações em RA, aos sistemas de posicionamento global por satélites (Global Navigation Satellite Systems GNSS). Com relação aos dispositivos de projeção, a imagem digital é lançada sobre os objetos reais existentes na cena, apesar de não requererem equipamentos auxiliares, necessitam de uma superfície física para receber a imagem projetada. A CAVE (Cave Automatic Virtual Environment) faz parte dessa categoria de dispositivos de visualização. Também é encontrado na literatura os dispositivos de vídeo baseado em monitores (screen-based video see-through displays) e dentro dessa classificação estão os monitores tradicionais. Apesar de necessitarem de outros componentes de hardware (CPU, teclado, etc.) são considerados os equipamentos de menor custo (BIMBER; RASKAR, 2005).
3. PATRIMÔNIO CULTURAL E REALIDADE AUMENTADA: ALGUMAS EXPERIÊNCIAS A Realidade Aumentada poder ser empregada na visualização e interação com o patrimônio cultural, tanto em ambientes internos (museus e exposições) quanto em ambientes externos (sítios históricos), utilizando diversos tipos de dispositivos para exibição e registro, propiciando ao usuário amplos recursos de interação com o objeto de interesse, contribuindo, dentre outras possibilidades, para a preservação e o resgate da memória. Aqui, são apresentados quatro projetos que ilustram essas aplicações. INFORMAÇÕES CADASTRAIS Título: Anais do II Seminário Nacional de Documentação do Patrimônio Arquitetônico com o uso de Tecnologias Digitais Classificação: Nacional País de Publicação: Brasil Idioma de Publicação: Português Meio de Divulgação: Meio Digital ISSN: 2316-719X Natureza do trabalho publicado: Artigo Completo Ano de Publicação: 2012 Volume: I
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3.1 Allard Pierson Museum O museu Allard Pierson, em Amsterdã, traz exposições sobre arqueologia e as antigas civilizações do Egito, da Grécia e do Império Romano. A exposição "Um Futuro para o Passado" marcou o aniversário de 75 anos do museu. Para essa exposição, foi criada uma instalação, apresentando os sítios arqueológicos de “Satricum” e do “Forum Romanum”, localizados na Itália, através de aplicações de Realidade Aumentada. Foram utilizadas cópias ampliadas das fotografias antigas do fórum romano, datadas de 1855, constantes do acervo do museu. Nessas fotografias foram introduzidos vários pontos de interesse (points of interest - POI), possibilitando ao usuário visualizar o modelo do fórum reconstruído digitalmente, juntamente com outros registros arqueológicos como: o templo de Saturno, a via sacra, o coliseu, etc. Com relação ao sítio histórico de Satricum, antiga cidade situada a 60 km ao sul de Roma, foi realizada a reconstrução virtual do seu primeiro templo datado de 540 a.C. e associadas a ele informações sobre sua construção, escavações e artefatos encontrados, entre outros registros (ZÖLLNER et al, 2009). Ambas aplicações puderam ser visualizadas através de um monitor iMac, de 26”, fixado em uma base de alumínio com possibilidade de giro de 360º, e em um dispositivo de mão, vistos na Figura 6. Além da sobreposição de imagens e informações textuais, quando determinados pontos da imagem eram rastreados por esses dispositivos, arquivos de áudio também eram executados de forma sincronizada.
Figura 6: Museu Allard Pierson: (a) dispositivo de visualização e fotografias do “Satricum” e do “Forum Romano”; (b) reconstrução virtual do templo, vista através de dispositivo de mão Fonte: ZÖLLNER, et al; 2009.
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3.2 Digital Yuanmingyuan Yuanmingyuan era um jardim real construído por seis imperadores da dinastia Qing, que já foi conhecido como "o jardim de todos os jardins". Infelizmente, foi destruído na década de 1840, e hoje o sítio físico é um parque de relíquias. Através da realidade aumentada os visitantes podem ver as reconstituições dos edifícios que existiam no jardim, sobrepondo-os às ruínas existentes no local. O bairro de Yuanmingyuan foi escolhido como o primeiro sítio experimental para esse projeto, por ser o local que mais detinha registros das construções originais. Ruínas e pinturas drypoint, feitas pelos missionários que projetaram as edificações também auxiliaram na reconstituição digital. As Figuras 7 e 8 mostram as reconstituições digitais de Dashuifa e Xishuita, através da realidade aumentada. O projeto “Digital Yuanmingyuan” é uma aplicação de RA que utiliza duas câmeras de vídeo que são acopladas na parte posterior dos monitores de LCD, que são usados na visualização das imagens em RA. O conjunto é montado sobre uma base fixa que permite movimentos horizontais e verticais, funcionado de forma semelhante a um vídeo see-through (HMD). Normalmente, este tipo de dispositivo é utilizado para aplicações externas e não utiliza marcadores. O sistema teve grande aceitação pelos visitantes do parque, que faziam fila para observar como as edificações eram no passado (WENG, 2011).
Figura 7: Dashuifa: (a) sítio físico atual; (b) visualização em RA Fonte: WENG, 2011.
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Figura 8: Xishuita: (a) situação atual, ruínas; (b) visualização em RA Fonte: WENG, 2011
3.3 Archeoguide: An Augmented Reality Guide for Archaeological Sites Archeoguide é um sistema que atua na coleta, tratamento, armazenamento e divulgação de dados relacionados aos sítios históricos. Utiliza dispositivos móveis, Realidade Aumentada, visualização 3D, networking e banco de dados. Um protótipo do sistema foi instalado no sítio arqueológico de Olímpia, na Grécia, tendo o local sido escolhido por seu valor histórico e pela grande quantidade de visitantes que as ruínas recebem. Esta importância é decorrente de ter sido onde se realizavam os jogos olímpicos da antiguidade. Para a implementação do sistema foram realizados levantamento de campo, captura de fotografias aéreas, e georreferenciamento do sítio para a construção do modelo digital do terreno (MDT). Este modelo contribuiu para escolha dos monumentos que seriam visualizados em RA e dos melhores ângulos de visualização (viewpoints) do trajeto virtual. Os modelos digitais dos templos foram construídos a partir de dados arqueológicos e desenhos de reconstituição. Os arquivos digitais (fotografias, modelos geométricos, áudio e dados históricos) usados para a viabilização dos roteiros em Realidade Aumentada foram armazenados em um repositório central (sistema de banco de dados multimídia). A partir daí, esses arquivos foram enviados aos dispositivos móveis (tablets, palmtops e notebooks) através de uma rede local (wireless local area network - WLAN) (VLAHAKIS et al., 2002).
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Figura 9: Templo de Hera, em Olímpia: (a) situação atual, ruínas; (b) visualização RA Fonte: VLAHAKIS et al.; 2002.
3.4 Augmented Representation of Cultural Objects - ARCO O sistema ARCO (Augmented Representation of Cultural Objects) oferece métodos para registro, gestão e apresentação de artefatos patrimoniais e exposições virtuais, direcionados a museus. A modelagem geométrica é feita inicialmente a partir de recursos de fotogrametria digital, e posteriormente os modelos são refinados com o 3DS Max, que permite sofisticado acabamento e animações. A manipulação do conteúdo é realizada a partir de um sistema gerenciador de banco de dados multimídia, baseado no Oracle 9i. Esse módulo é o componente central do ARCO, pois armazena, gerencia e organiza todas as mídias digitais. A parte final do sistema ARCO é a visualização de conteúdo que é realizada através da web. Através da interface web o usuário pode fazer um passeio virtual pelas galerias do museu assim como visualizar artefatos em 3D. Outra possibilidade é participar de um jogo de perguntas e respostas, com questões apresentadas na forma de um quiz, por meio da Realidade Aumentada. São utilizados marcadores, para o rastreamento da câmera, e monitores comuns ou HMD para a visualização dos objetos (Figura 10). Um dos objetivos do sistema ARCO é promover a interação dos usuários, especialmente crianças, com os objetos de uma forma envolvente, contribuindo para despertar um maior interesse pelo patrimônio cultural. O sistema permite ainda que os curadores de museus interativos construam cenários de aprendizagem, onde os visitantes possam obter informações (WHITE et al.; 2004).
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Figura 10: Visualização em RA através do sistema ARCO: (a) Quiz; (b) artefatos Fonte: WHITE, Martin; 2004.
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS Os quatro exemplos apresentados ilustram algumas possibilidades de aplicação da Realidade Aumentada ao patrimônio cultural. O Archeoguide e o ARCO constituem sistemas mais complexos, envolvendo não apenas a visualização e interação em RA, como todo o armazenamento e o gerenciamento do conteúdo digital. Com relação às técnicas de rastreamento, os exemplos mostram a utilização dos dois tipos de registro: com marcador (ARCO), e sem marcador (Museu Allard Pierson, Archeoguide e Digital Yuanmingyuan). A partir dos casos apresentados e discutidos, verifica-se o potencial da Realidade Aumentada na documentação, publicação e divulgação do patrimônio cultural. Essa tecnologia permite a visualização e a interação com os objetos de forma abrangente, associando vários tipos de dados, inclusive históricos. As reconstituições digitais representam novas e abrangentes possibilidades de visualização e interação com o passado, contribuindo para um melhor entendimento da história dos povos, e o fortalecimento do conceito de identidade cultural.
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