Seleçao de objetos em ambientes virtuais com mouse 3d

Seleção de Objetos em Ambientes Virtuais com Mouse 3D Rafael Huff1 , Isabel C.S. da Silva1 , Carla M.D.S. Freitas1 , Luciana P. Nedel1 1

Instituto de Informática – Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) Caixa Postal 15.064 – 91.501-970 – Porto Alegre – RS – Brazil {huff,isabels,carla,nedel}@inf.ufrgs.br

Abstract. The usability of virtual environments depends strongly of the interaction techniques employed. Specifically in 3D environments, the success in the use of a determined technique is related with the fact of the user understanding and perceiving the third dimension. The present work investigates selection of objects in 3D environments with the use of a 3D mouse that allows the user to operate with six degrees of freedom. In addition, we propose a solution to improve 3D perception. The user performance for selecting objects with the 3D mouse is evaluated through experiments, in comparison with the conventional mouse. Resumo. A usabilidade de ambientes virtuais interativos depende fortemente das técnicas de interação empregadas. Em ambientes 3D, especificamente, o êxito no uso de uma determinada técnica está intimamente ligado à percepção de profundidade por parte do usuário. Este trabalho investiga a seleção de objetos em ambientes 3D usando mouse 3D, que permite ao usuário a movimentação com seis graus de liberdade. Adicionalmente, é proposta uma solução para melhorar a percepção de profundidade. O desempenho dos usuários na tarefa de seleção de objetos com o mouse 3D foi avaliado através de experimentos, comparativamente ao mouse convencional.

1. Introdução A variedade de aplicações envolvendo ambientes virtuais (AVs) interativos cresce cada vez mais assim como a complexidade na interação com os mesmos. Parte desta complexidade está ligada às técnicas de interação empregadas, as quais podem estar relacionadas tanto à seleção e à manipulação de objetos como à navegação no AV. Em um AV tridimensional (3D), especificamente, o usuário encontra-se imerso em um mundo artificial, completamente gerado por computador, onde a percepção de profundidade é fundamental para que este consiga interagir com os objetos de maneira satisfatória. Segundo Lemoine et al. [Lemoine et al. 2003], o sucesso de aplicações envolvendo AVs depende do grau de imersão, do conforto e da natureza da interação. Três tipos de técnicas de interação em AVs são bastante estudadas e discutidas em função de suas relações diretas com tarefas do mundo real: navegação, seleção e manipulação [Bowman et al. 2001a, Bowman et al. 2001b, Lemoine et al. 2003]. Na navegação, é permitido ao usuário movimentar-se no AV e, neste caso, duas questões são particularmente importantes - o conforto na navegação e o grau de imersão. Já a seleção está ligada diretamente à possibilidade do usuário definir um objeto alvo e, na seqüência, interagir com ele. Uma vez selecionado o objeto, o usuário pode manipulá-lo, alterando o seu estado através de operações como rotação, translação e escala.

A seleção de objetos é uma das técnicas mais empregadas para interação, tanto em interfaces comuns como em AVs, e o modo como a mesma é empregada influencia diretamente a qualidade da interação provida ao usuário [Bowman et al. 2001b]. As técnicas de seleção podem ser classificadas em dois tipos: seleção de objetos através de contato direto do usuário com o objeto ou à distância, através do uso de apontadores virtuais. Na Figura 1, podem ser observados exemplos de ambos os tipos de técnicas de seleção: seleção local, através da metáfora da mão virtual, e seleção à distância, através da técnica de ray casting.

(a)

(b)

Figura 1. Técnicas de seleção: (a) seleção local; (b) seleção à distância. (imagens cortesia de Nedel et al. [Nedel et al. 2003])

Além da técnica de interação, um outro aspecto de grande importância na interação 3D é o dispositivo empregado. Os dispositivos de entrada mais comuns (mouse, mesa digitalizadora, teclado, etc.) operam apenas em um plano. Assim, para a navegação em um AV 3D, é necessário um artifício que mapeie esse espaço bidimensional (2D) para o espaço 3D dos objetos, o que, em geral, não é fácil para o usuário assimilar. Por fim, um último aspecto a ser considerado é a “qualidade” da interação oferecida ao usuário, pois, embora as pessoas vivam em um mundo 3D real, apresentam dificuldade ao interagir com objetos em um AV. Um método bastante empregado na avaliação de interação 3D é o teste com usuários, que baseia-se na generalização de tarefas e ambientes encontrados em aplicações de realidade virtual para a avaliação de uma determinada técnica a partir da proposição de um conjunto de experimentos controlados. O presente trabalho apresenta um estudo da interação em ambientes 3D focando a técnica de seleção de objetos. É avaliada a performance do usuário ao interagir com o AV utilizando mouse convencional (2D) e mouse 3D. De modo que a interação com o AV torne-se mais intuitiva, a técnica de seleção com um cursor tridimensional foi incrementada com aspectos ligados à percepção que o usuário tem da profundidade da cena. Duas hipóteses nortearam os experimentos de avaliação: (1) “usuários preferem realizar a seleção de objetos em um AV utilizando o mouse 3D”, (2) “a interação dos usuários com o AV através do mouse 2D é mais eficiente em função destes já terem familiaridade com tal dispositivo”. O restante do trabalho está organizado como segue. Na seção 2 são discutidos trabalhos relacionados. A seção 3 aborda a técnica de seleção propriamente dita, a aplicação utilizada como base para o estudo e os dispositivos empregados. Na seqüência, a seção 4 descreve o procedimento experimental enquanto a seção 5 apresenta e descute os resultados. Por fim, a seção 6 apresenta as conclusões, incluindo algumas possibilidades de trabalhos futuros.

2. Trabalhos Relacionados A representação virtual de espaços 3D procura criar uma metáfora do mundo real e, para tanto, a interação provida ao usuário deve basear-se no fato de que o sistema visual humano interpreta imagens a partir da percepção do espaço e da profundidade. Liang e Green [Liang and Green 1993] entendem que dispositivos com 6 graus de liberdade (DOFs) têm a vantagem de permitir ao usuário a manipulação direta de objetos no espaço 3D, sem a necessidade de decompor uma tarefa 3D em uma série de outras tarefas 1D ou 2D. Esses autores afirmam, ainda, que quanto mais natural e intuitiva for a tarefa, maior eficiência terá o usuário ao interagir com o AV. Ainda nesta linha, Fröhlich et al. [Fröhlich et al. 2000] destacam que, após poucas instruções, usuários conseguem interagir com o AV usando um dispositivo com 6 DOFs, uma vez que o uso deste em relação ao espaço 3D é mais intuitivo que dispositivos convencionais 2D. Assim como Ware [Ware 1990] já argumentava, Woods et al. [Woods et al. 2003] apontam a relevância do uso de dispositivos que operam em seis graus de liberdade em função destes permitirem operações no espaço 3D iguais aquelas do mundo real. Apesar disso, Bowman et al. [Bowman et al. 2001a] destacam que a interação 3D não é facilmente entendida pelo usuário. Geralmente, usuários têm dificuldade em controlar múltiplos graus de liberdade simultaneamente bem como em entender as relações entre objetos em um espaço 3D virtual sem o auxílio de artifícios que incrementem a percepção espacial. Considerando tais aspectos, Parviainen et al. [Parviainen et al. 2004] propõem a utilização de ferramentas para auxiliar na percepção e interação com objetos numa aplicação de escultura 3D. As ferramentas, denominadas perceiving tools, são planos, envelopes (bounding boxes) e eixos auxiliares, e são utilizadas em conjunto com um mouse 3D e um mouse 2D numa estratégia de interação com as duas mãos simultaneamente. Após os experimentos com usuários, os autores concluíram que a inserção desses recursos visuais permite maior eficiência na interação. Nesse trabalho, entretanto, os autores não avaliaram os dispositivos em si.

3. Selecionando Objetos em 3D Nesta seção é descrita a técnica de seleção assim como o ambiente desenvolvido com o intuito de avaliar a preferência dos usuários em relação à utilização do mouse 2D e 3D. 3.1. Ambiente Virtual e Técnica de Seleção A aplicação desenvolvida apresenta 6 (seis) objetos distribuídos aleatoriamente em um ambiente virtual, sendo que os mesmos são diferenciados pela sua geometria, cor e tamanho. Como o objetivo deste trabalho envolvia a avaliação da seleção de objetos, optou-se pelo uso de um AV bastante limitado (um cubo), de forma que problemas de localização dos objetos ou navegação dentro do ambiente fossem evitados. O usuário se encontra em terceira pessoa, isto é, o ponto de visão do usuário é fixo e a seleção é feita através de um cursor que o usuário movimentava na cena com o auxílio do mouse (2D ou 3D). A Figura 2 ilustra o AV desenvolvido. O desafio principal na geração do AV foi prover a noção de profundidade mais intuitiva possível ao usuário. Primeiramente, procurou-se adicionar sombras à cena, mas

Figura 2. AV para seleção de objetos

isto elevou muito o custo computacional, deixando a interação extremamente lenta, além de provocar sobrecarga cognitiva. O mesmo ocorreu com a geração de reflexões na superfície do chão. Partindo de tais problemas, optou-se por acrescentar à cena, planos semitransparentes que interseccionam os objetos em relação aos eixos X e Y do AV. Entende-se que tais intersecções permitem ao usuário perceber mais facilmente a distribuição dos objetos na cena (Figura 3a). Outro problema comum com relação à profundidade é a oclusão do cursor e dos objetos à medida que o usuário avança em profundidade na cena. Como o ponto de vista do observador é fixo, esta situação poderia ocorrer e o usuário não possuiria uma forma de visualizar cursor e objetos para realizar a seleção. Para contornar esse problema, os objetos que ficam entre o cursor e a câmera tornam-se semitransparentes. Assim, é sempre possível ver tanto o cursor como os objetos que estão à frente dele. A Figura 3b ilustra tal aspecto. Uma última questão a ser tratada foi o feedback visual que provê o usuário uma maior percepção da profundidade e interação 3D. Duas situações geram feedback ao usuário: quando este intercepta, com o cursor, um objeto; e quando tal objeto é selecionado. No primeiro caso, o objeto adquire a cor amarela e é exibida uma mensagem também em amarelo avisando o usuário que o objeto foi interceptado, enquanto no segundo, o objeto torna-se vermelho, assim como a mensagem também é exibida em vermelho (Figura 4). 3.2. Dispositivos e Movimentação do Cursor Os dispositivos utilizados nos experimentos foram um mouse 2D convencional, com scrollbutton, e um mouse 3D, da Magellan (Figura 5). A movimentação do cursor com o

(a)

(b)

Figura 3. (a) Planos interseccionando objetos para aumentar a noção de profundidade. (b) Esferas azul e marrom transparentes por estarem posicionadas antes do cursor.

mouse 3D é realizada utilizando apenas o elemento central, que propicia translações e rotações nos 3 eixos, fornecendo os seis graus de liberdade. A rotação não foi utilizada, nem os demais botões do dispositivo, pois não estão sendo empregadas técnicas de navegação e manipulação no AV. Em relação à movimentação do cursor na cena tridimensional com o mouse 2D, foi necessário utilizar o scrollbutton. O deslocamento do cursor para os lados, para cima e para baixo foi feito movimentando-se o mouse para esquerda, direita, cima e baixo. Já a movimentação do cursor para frente e para trás foi realizada rodando o scrollbutton, respectivamente, para frente e para trás. A Figura 5 ilustra as movimentações consideradas para ambos os dispositivos.

4. Procedimento Experimental 4.1. Hipóteses e Tarefas Duas hipóteses foram avaliadas neste estudo: H1: Os sujeitos preferem realizar a seleção de objetos em um AV utilizando o mouse 3D por este ser mais intuitivo em função da operação nos eixos X, Y e Z. H2: A interação dos sujeitos com o mouse 2D é mais eficiente em função destes já terem familiaridade com tal dispositivo. A preferência (H1) é uma medida subjetiva e foi comparada com a eficiência (H2), medida em termos de tempo despendido na realização de uma série de seleções. Foram planejadas 12 (doze) tarefas de seleção, cada uma consistindo da seleção de um objeto (ver Tabela 1). Os objetos diferem entre si pela geometria, cor, tamanho e posição na cena, de modo a obter variados graus de dificuldade na tarefa de seleção. A Figura 6(a) mostra como a tarefa foi informada ao sujeito. O tempo entre o início da tarefa e o seu cumprimento foi registrado num arquivo de log. Conforme já

(a)

(b)

Figura 4. Feedback visual durante a interação. (a) Torus interceptado pelo cursor. (b) Torus selecionado.

(a)

(b)

Figura 5. Dispositivos utilizados e respectivos movimentos: (a) Mouse 3D; (b) Mouse 2D com scrollbutton.

descrito, o feedback visual na tarefa de seleção foi obtido com a diferenciação das cores dos objetos e com mensagens na tela. As Figuras 6(b) a 6(d) ilustram essas diferentes situações. Assim, quando o cursor intercepta a superfície de um objeto, tal objeto se torna amarelo, e, caso este seja selecionado com um clique do mouse, adquire a cor vermelha. Em ambos os casos, são exibidas mensagens com a indicação do objeto e a ação que estava ocorrendo é informada na tela (as mensagens são exibidas na cor relativa à ação realizada). 4.2. Variáveis Independentes e Dependentes As variáveis independentes correspondem ao AV 3D, ao dispositivo empregado nas tarefas de seleção e às tarefas propriamente ditas. Já as variáveis dependentes são: • o desempenho do sujeito, a partir da contabilização do tempo gasto (em segundos) para a seleção de cada objeto, gravado em arquivo de log; • a facilidade de uso dos dispositivos; • a preferência por um ou outro dispositivo na seleção de objetos em AVs 3D;

Tabela 1. Tarefas solicitadas aos sujeitos durante os experimentos

Tarefas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Descrição Selecionar torus laranja Selecionar cubo magenta Selecionar cubo verde Selecionar esfera azul Selecionar esfera marrom Selecionar teapot vinho Selecionar torus laranja Selecionar cubo magenta Selecionar cubo verde Selecionar esfera azul Selecionar esfera marrom Selecionar teapot vinho

Mouse

2D

3D

• a eficiência de cada dispositivo na realização das tarefas (boa, regular, ruim). As três últimas variáveis foram medidas por meio de respostas dos usuários após os experimentos. 4.3. Sujeitos Participaram do experimento 20 sujeitos com idades entre 21 e 54 anos, sendo em sua grande maioria ligados à área da Ciência da Computação. Dos 20 sujeitos, 2 são canhotos e nenhum possui problema de daltonismo. A Tabela 2 traz os dados referentes ao grau de experiência dos sujeitos (nenhum, fraco, bom e ótimo) em relação aos principais elementos que envolvem o experimento: dispositivos convencionais e 3D, jogos 2D e 3D e aplicativos para visualização de objetos 3D. Nota-se que a grande maioria dos sujeitos tem pouca ou nenhuma experiência no uso de dispositivos de interação 3D. Tabela 2. Dados relativos ao grau de experiência dos sujeitos em relação a diferentes tipos de dispositivos, aplicativos e jogos computacionais.

Aplicativos para visualização de objetos 3D (Ex. CAD, 3D Studio, Blender, etc) Jogos 2D Jogos 3D Mouse comum (2D) Mouse 3D Teclado Capacete (HMD) Óculos (Shutter Glasses) Luva (Data Glove) Rastreadores de posição (FOB)

Ótimo (#)

Bom (#)

Fraco Nenhum (#) (#)

4

6

7

3

10 8 19 0 18 1 1 2 2

6 7 1 2 1 4 1 2 2

4 2 0 10 0 4 5 4 2

0 3 0 8 1 11 13 12 14

(a)

(b)

(a)

(b)

Figura 6. (a) Solicitação de uma tarefa ao sujeito; (b,c,d) Mensagens informando as ações realizadas durante a interação (intersecção, seleção e tarefa cumprida).

4.4. Procedimento A avaliação foi realizada em um computador com processador Pentium IV, 512 MB de memória RAM e sistema operacional Windows XP, com um monitor de 17", resolução de 1280 x 1024 pixels e capacidade de 32 bits por pixel. Inicialmente, para cada sujeito, foram dadas instruções básicas sobre o funcionamento dos dois dispositivos em relação ao AV. Também foi garantido um período de treinamento com os dispositivos em uma cena similar ao AV dos experimentos. Quando o usuário se sentia apto, era iniciado o experimento. Para cada sujeito foi realizada uma única sessão individual de seleção de objetos. A posição dos objetos da cena não foi alterada, de modo que todos os sujeitos realizaram a seleção de objetos sobre cenas idênticas. A ordem de realização das tarefas foi determinada por sorteio. Ao final do experimento, o sujeito completava um questionário onde indicava (1) qual dispositivo achou mais fácil utilizar; (2) qual dispositivo preferiria utilizar para re-

alizar as mesmas tarefas novamente; e (3) qual o grau de eficiência atribuído aos dispositivos no experimento (boa, regular, ruim). Os dados de desempenho em termos de tempo, coletados durante as tarefas, foram analisados através de Análise da Variância (ANOVA).

5. Resultados e Discussão Os dados obtidos do questionário, referentes à facilidade de uso, à preferência por um ou outro dispositivo na interação com o AV e à eficiência de cada dispositivo podem ser observados na Tabela 3. Para cada aspecto avaliado é apresentado o número de sujeitos que o indicou. Tabela 3. Dados relativos à facilidade de uso, à preferência e à eficiência do sujeito ao interagir com o AV utilizando os mouses 2D e 3D.

Experimento Mouse 2D Mouse 3D

Facilidade de uso 17 (85%) 3 (15%)

Preferência na interação 3D 14 (70%) 6 (30%)

Eficiência na realização das tarefas Bom Regular Ruim 14 5 1 12 5 3

Pode-se notar que a maioria dos sujeitos (85%) apontaram o mouse 2D como dispositivo mais fácil de usar em relação ao mouse 3D. Da mesma forma, 70% dos sujeitos também apontaram o mouse 2D como preferido, mesmo na interação 3D, o que contraria a hipótese H1. A partir das opiniões coletadas durante os experimentos, observa-se que os sujeitos têm resistência ao uso do mouse 3D em virtude da maioria destes não possuir familiaridade com tal dispositivo. Como o mesmo apresenta mais graus de liberdade (6 DOFs, embora apenas três graus tenham sido usados neste experimento) em relação a dispositivos convencionais, os sujeitos apresentaram certa dificuldade em interagir com o mesmo, fato este já apontado por Bowman em seus trabalhos [Bowman et al. 2001a, Bowman et al. 2001b]. Por outro lado, alguns sujeitos que nunca haviam tido contato com o mouse 3D, após a sessão de ambientação, conseguiram utilizá-lo mais intuitivamente no AV do que o mouse convencional. Esse fato sugere que, com um tempo maior de ambientação, o mouse 3D pode ser o preferido para realizar tarefas em AVs, tal como argumentado por autores como Ware [Ware 1990], Liang e Green [Liang and Green 1993], Fröhlich et al. [Fröhlich et al. 2000] e Woods et al. [Woods et al. 2003]. Em relação à eficiência no uso dos dispositivos para a realização das tarefas, praticamente a metade dos sujeitos apontam ambos os dispositivos como bons. Esse grau de eficiência é, de certa forma, confirmado pelos resultados quantitativos medidos em termos de tempo de realização das tarefas, os quais confirmam a hipótese H2. A Tabela 4 traz os dados referentes à média aritmética x e desvio padrão σ do tempo gasto pelos usuários para a realização de cada uma das tarefas. Também são apresentadas as médias globais relativas aos dois conjuntos de tarefas com mouse convencional e mouse 3D, respectivamente. A Figura 7 permite a comparação dessas médias. A análise estatística com ANOVA demonstrou que os tempos de realização das tarefas com o mouse convencional são significativamente menores que os tempos com mouse 3D (F= 12,46; p=0,001), confirmando a hipótese H2. Entretanto, analisando cada tarefa, individualmente, apenas nas tarefas de seleção das esferas azul e marrom (ver

Tabela 4. Dados relativos à x e σ do tempo (segundos) gasto pelos usuários para a realização de cada uma das seleções de objetos para mouse convencional e mouse 3D.

Tarefas 1/7: Selecionar torus laranja 2/8: Selecionar cubo magenta 3/9: Selecionar cubo verde 4/10: Selecionar esfera azul 5/11: Selecionar esfera marrom 6/12: Selecionar teapot vinho

x 9,11 12,72 23,06 1,94 9,06 8,33

Mouse 2D σ x, σ 5.1 4.9 13,23 10,7 0,73 ± 3,32 6,81 3,05

x 17,44 17,22 41,22 9,89 38,83 18,39

Mouse 3D σ x, σ 27,59 10,3 42,53 23,8 5,79 ± 15,41 32,13 3,63

Figura 7. Comparação entre as médias das tarefas de seleção usando o mouse convencional e o mouse 3D. As tarefas são identificadas pelos nomes dos objetos (ver Tabelas 1 e 4).

Figura 6) a interação com o mouse convencional é significativamente mais rápida do que com o mouse 3D (F= 33,36; p=1,68x10−6 , para seleção da esfera azul; F= 14,79; p=0,0005, para seleção da esfera marrom). Estes resultados podem ser explicados pela familiaridade dos sujeitos com o mouse convencional em detrimento do mouse 3D (Tabela 3). A questão do posicionamento dos objetos em profundidade não influenciou negativamente a interação dos sujeitos com o AV. A tarefa de seleção do cubo verde, que está distante do observador, não apresentou diferença significativa entre os dois tipos de mouse. Tal fato pode ser explicado pelo fornecimento de feedback visual ao usuário sempre que o dispositivo encontrava-se posicionado sobre o objeto a ser selecionado ou quando o usuário navegava pelo ambiente (uso de planos interseccionando objetos, transparência e cor). Outro aspecto que pode ter auxiliado na percepção de profundidade está ligado ao fato de grande parte dos sujeitos ter ótimo ou bom grau de experiência com jogos 2D e/ou 3D (Tabela 2). Quanto ao tamanho dos objetos, este também não parece ter influenciado no tempo de seleção. A tarefa de seleção do cubo verde, que é o menor objeto na cena, não apresentou diferença significativa entre os dois tipos de mouse. Por outro lado, as esferas azul e marrom, maiores, foram selecionadas de forma significativamente mais rápida com o mouse convencional, o que sugere que a combinação de familiaridade com dispositivo, feedback visual e tamanho dos objetos possa ter influenciado esse resultado.

6. Comentários Finais A técnica de seleção desenvolvida é fortemente baseada no fornecimento de feedback visual, tanto para indicar situações decorrentes da movimentação do cursor (objetos ficam transparentes quando ultrapassados pelo cursor) como para indicar sucesso ou insucesso no apontamento dos objetos. Apesar de outros autores apresentarem resultados indicando que o feedback visual não é fator determinante de melhor desempenho do usuário [Poupyrev et al. 1998, Nedel et al. 2003], uma avaliação preliminar, subjetiva, sugere que, no presente trabalho, o feedback visual tem o mesmo efeito das perceiving tools propostas por Parviainen [Parviainen et al. 2004], contribuindo para o sucesso do mouse convencional. Uma das possibilidades de continuidade do trabalho é a realização de novos experimentos, com a técnica modificada sem feedback visual, a fim de comprovar a conclusão preliminar acima. Os resultados aqui apresentados confirmam outros apresentados na literatura, comparando o mouse convencional com dispositivos de interação 3D. Nedel et al. [Nedel et al. 2003] compararam o uso de mouse convencional com uma data glove em tarefas de seleção e manipulação de objetos num ambiente virtual, encontrando diferença significativa favorecendo o mouse convencional. Entretanto, o sucesso obtido pelo uso do mouse 2D deve-se provavelmente a familiaridade dos usuários com este dispositivo, em detrimento de outros menos convencionais. A realização de experimentos com usuários que nunca tenham utilizado mouse 2D, ou ainda, que possuam uma grande experiência com o mouse 3D pode reverter os resultados obtidos neste trabalho.

Agradecimentos Os autores são gratos aos diversos voluntários que realizaram os experimentos e a Atila Bohlke Vasconcelos que contribuiu na primeira parte de desenvolvimento deste trabalho. Os autores são parcialmente financiados pelo CNPq (projetos 478721/2003-0, 306099/2004-7 e 540414/01-8), CAPES e COFECUB.

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