CAPÍTULO IV: DISPOSITIVOS PARA REALIDADE VIRTUAL

Antes de iniciar uma discussão sobre os dispositivos de RV, é interessante fazer uma rápida análise dos computadores usados em sistemas de RV.

Desde a década de 60, primeiros estudos realizado sobre RV, que é o principal objetivo dos pesquisadores nesta área, tem sido criar dispositivos capazes de proporcionar a sensação completa (imersão, envolvimento e interação) do usuário com o mundo virtual. Para isso, foram desenvolvidos vários dispositivos de entrada (visuais, auditivos e físicos) e de saída de dados (interação e trajetória). Entretanto, os dispositivos de RV envolvem diversas tecnologias, cuja evolução e uso conjugado viabilizam seu desenvolvimento. Além disso, a escala de produção desses dispositivos tem efeito direto no preço e na sua disponibilidade no mercado. Assim, a evolução tecnológica vem provocando um grande impacto tanto nos computadores quanto nos dispositivos de RV, tornando possível um desenvolvimento acelerado da área de RV a nível internacional.

Quanto aos computadores usados nos sistemas de RV, destacam-se os PCs, que embora sejam considerados computadores mais lentos, hoje são potentes estações de trabalho e além disso, com o desenvolvimento do entretenimento com videojogos tridimensionais, a disponibilidade de placas gráficas de alto desempenho (que atingem milhões de polígonos por segundo, devendo chegar em pouco tempo a dezenas de milhões de polígonos por segundo), possuem custo acessível e são uma realidade. Há também, as estações gráficas, que além de ter processamento gráfico de alto desempenho, também apresentam altas taxas de processamento e de transferência interna de dados, porém com custo elevado. Por sua vez, tem-se os supercomputadores e geradores de imagens (são máquinas específicas para a produção de imagens em tempo real, usados principalmente na indústria de simulação), capazes de criar algum tipo de imagem, e que também fazem parte de uma plataforma de RV.

Os supercomputadores, especialmente aqueles da Silicon Graphics, por exemplo, estão entre estas máquinas de capacidade elevada de processamento, de transferência interna de dados e processamento gráfico, alcançando várias dezenas de milhões de polígonos por segundo. Essas máquinas são usadas geralmente em sistemas de projeção panorâmica, bancadas de trabalho e sistemas com múltiplos projetores denominados CAVE.

Retornando aos dispositivos e/ou interfaces de RV, as luvas cibernéticas (datagloves), bastões, passadores de escada (stairsteppers), HMD's, BOOM, CAVE (caverna) e outros dispositivos, é importante esclarecer que ao serem usados, servem como portais em ambientes virtuais, formando uma conexão física entre o usuário e o computador, permitindo-lhe a interação com as imagens visualizadas, na qual o usuário pode sentir-se apanhando objetos, navegando um avião por onde queira, ou juntando duas moléculas de proteína.

O capítulo atual, é voltado a direcionar e enfatizar a sensação de imersão quanto aos equipamentos utilizados, mas não é um catálogo que inclui todos os sistemas disponíveis. É uma referência apenas, incluindo comentários sobre a maioria dos componentes, e sistemas mais conhecidos atualmente.

4.1. DISPOSITIVOS VISUAIS

Dispositivos visuais são os equipamentos que apresentam para os olhos do usuário, um mundo gerado por computador em três dimensões. O grau de imersão dado por um sistema particular de RV, depende enormemente da tela visual usada como a interface.

Telas de RV, são atualmente classificadas em cinco categorias gerais: Visores Desktop, HMD's, AMD's, Visores de Tela Simples e Visores de Tela Circunvizinha.

Sabe-se, que o principal meio de percepção é o sistema visual. Pois, os olhos fornecem a maioria das informações que o cérebro recebe, com os ouvidos apresentando uma porção significativa de dados. Os outros sentidos, ajudam a completar a visão do mundo.

Historicamente, o campo da RV tem sido diretamente definido pelo dispositivo visual, ainda que este ponto de vista da RV esteja sendo modificado devido a recentes desenvolvimentos na tecnologia de dispositivos visuais. Nos estágios iniciais do campo, a RV fora associada com HMD's. Todavia no princípio dos anos noventa, um novo paradigma fora introduzido: tela circunvizinha, que são sistemas de mostradores baseados em projeção. O primeiro destes foi o SYS-2. (BRENDA LAUREL. "A Arte de Projeto de Interface Homem-Computador". ADDISON-WESLEY.1990).

É importante notar que dispositivos visuais não devem ser confundidos com os hardwares gráficos usados para gerar meios virtuais, que podem ser qualquer coisa de um computador pessoal para um supercomputador. Alguns são: o CAVE VIRTUAL REALITY THEATER 4 e o VIRTUAL PORTAL 5, ambos desenvolvidos em 1992. Outros sistemas seguiram-se: o RESPONSIVE WORKBENCH 6 em 1993, o Powerwall 7 em 1994, e mais recentemente o Visionarium 8, ImmersAdesk 9, C2 10 e outros. RV baseada em projeção é agora aceita como uma das mais populares tecnologias para aplicações de RV e um significante número de centros de pesquisa estão adquirindo tais sistemas como ferramentas de pesquisa.

Muitos dos dispositivos visuais são capazes de produzir vistas estereoscópicas de ângulo largo da cena, todavia, em alguns casos, a visão monoscópica é também usada. Geralmente um dispositivo de arranjo de cabeça acoplado com visores, provém a localização e direção do sinal do observador. Isto é usado para computar a correta visão de perspectiva do mundo virtual. Visores Desktop são simplesmente o monitor do computador. Ele representa o mais básico visual paradigma para RV. Visores HMD acoplados, são as mais bem conhecidas interfaces visuais e consistem de um par de pequenos visores, CRT's ou LCD's que cobrem o campo visual do usuário. Visores baseados em projeção de tela simples ou múltiplas, apresentam os mundos virtuais em diferentes arranjos e dimensões de telas de projeção.
Além disso, para as cinco categorias principais, existem outros sistemas, tais como sistemas cab e meios de realidade mirrowed que são atualmente considerados visores de RV. Estes sistemas não são checados em detalhes neste trabalho, uma vez que o nosso foco principal é no observador-centralizado, primeiro para sistemas pessoais.

4.1.1. Visores Desktop

O paradigma desktop tem evoluído a partir dos computadores gráficos tradicionais.
Estações de trabalho gráficas acopladas com acessórios para as mãos e cabeça são comumente conhecidos como "tanque de peixe" ou desktop de meios de RV. As imagens apresentadas na tela respondem aos movimentos dos usuários na frente do monitor, mais comumente os movimentos de mãos e cabeça. A figura mostra um típico levantamento de um sistema de RV desktop.

Diretamente derivado das aplicações gráficas computacionais interativas tradicionais, o paradigma do tanque de peixe mantém o modelo de posicionar o observador externamente ao mundo virtual, usando a tela do monitor como uma janela para o mundo virtual, por conseguinte provendo um sentido muito limitado de imersão.

Visores Desktop oferecem como vantagens:

*Vantagens:

a) Visor de alta-resolução: Sistemas desktop permitem uma alta resolução de uma tela de computador, tipicamente de 1280x1024 pixels totalmente coloridos por vista. Alguns gráficos de hardware suportarão altas resoluções;
b) Interface Familiar: Usuários não são confrontados com um novo dispositivo. Eles ainda verão a tela familiar, o mouse e teclado e alguns dispositivos de controle tais como um mecanismo de seis graus de liberdade a ser atrelado na cabeça ou na mão;
c) Construído para hardware gráfico de computador naturalmente disponível: Nenhum equipamento sofisticado é necessário. Qualquer instalação que tem uma estação de trabalho gráfica pode facilmente construir um sistema de RV "tanque de peixe";
d) Relativamente barato: Se a estação de trabalho gráfica já é disponível, somente o custo de um dispositivo de seis graus de liberdade ou um dispositivo especializado, tal como uma luva cibernética, é necessário;
e) Fácil para construir: Sistemas Desktop não requerem quaisquer condições especiais para operações específicas, tal como um espaço ou iluminação especial;
f) Fácil para compartilhar por diversos usuários: Muitos usuários podem ver o mundo virtual por simples observação no monitor. Todavia, se um observador está sendo rastreado, os outros observadores perceptarão o mundo com uma perspectiva incorreta de sua localização.

* Desvantagens:

a) Baixo grau de imersividade: Neste paradigma, a tela de computador ainda atua como uma barreira entre usuários e mundos virtuais. Portanto, ainda que as percepções dos usuários do mundo virtual sejam aumentadas através do estéreo, eles não têm o sentimento de "estar lá" com os objetos virtuais;
b) Pequeno ângulo de visão: Em um monitor, o ângulo de visão é limitado pela dimensão da tela e a distância do observador para a tela. Não é fácil incorporar óticas adicionais para incrementar o campo de visão (FOV);
c) Nenhuma visão periférica: Devido o monitor estar em uma posição fixada na frente do usuário e devido o tamanho desta tela ser pequena, o usuário não tem visão periférica enquanto estiver observando o monitor;
d) Violação da estrutura estéreo: Objetos que aparecem como sendo "externos" ou na frente da tela da estação de trabalho são sujeitos a violação da estrutura estérea, devido parte deles poderem ser separados da cena, se estão fechados pelas bordas de observação (que usualmente confunde-se com a estrutura do monitor). Neste caso, os usuários têm se confundido com a localização de um objeto. De outro lado, estéreo nos fala que o objeto está na frente da tela. De outro lado, o objeto que está sendo separado pela borda da tela, comunica aos usuários que o objeto deve estar por de trás da tela. Este conflito causa uma sensação de que o estéreo está em colapso;
e) Pequena faixa de movimento: Movimentos de usuários estão restritos na tela da estação de trabalho, devido obviamente, às longas distâncias, que podem não ser capazes de perceber claramente as imagens no monitor.

4.1.2. HMD's (Head Mounted Displays)

HMD's são, provavelmente, o mais amplo visor visual usado em sistemas de RV. Estes dispositivos localizam um par de telas de visualização diretamente na frente dos olhos do usuário. As telas são montadas em um capacete que os observadores põem quando estão no mundo virtual. Atualmente, há duas tecnologias de visores comumente usados para as telas: tubos de raios catódicos (CRT's) e visores de cristal líquido (LCD's).

Os CRT's provém uma alta resolução e uma qualidade de visor melhor que os LCD's, mas têm as desvantagens de serem pesados. LCD's são mais iluminados e compactos que os CRT's, que os fazem mais fáceis de instalar em um capacete. Todavia, eles têm as desvantagens de baixa resolução e pobre qualidade do visor devido a problemas com contraste e brilho. Em HMD's uma imagem estereoscópica do mundo virtual é visualizado de acordo com o ponto de vista do usuário, como ele ou ela explora o ambiente. Isto produz um alto grau de imersão; usuários são completamente envolvidos pelo ambiente virtual, que responde visualmente de uma maneira similar daquela que usamos para enxergar no mundo real. Uma variante de HMD's são vistas através dos visores HMD's. Nestes dispositivos, cada uma das duas telas estão localizadas em cada lado da cabeça do usuário e as imagens projetadas em janelas meio-prateadas localizadas na frente dos olhos do observador. O usuário pode não somente ver os objetos virtuais, mas também o mundo real; os objetos virtuais vêem a fusão com as vizinhanças reais. Todavia, ver através dos HMD's, é ser severamente afetado pela qualidade do sistema de composição usado. Calibração muito precisa e registro é necessário para uma correta combinação dos ambientes real e virtual.

Figura 29 - HMD sendo utilizado para imersão no mundo virtual. Sensores captam os movimentos da cabeça do usuário permitindo que o computador gere a imagem apropriada	Figura 30 - Dispositivo de HMD com quatro sensores óticos	Figura 31 - HMD ( Head Mounted Display) desenvolvido na primeira geração de HMD's da NASA

* Vantagens:

a) Provisão de um bom sentido de imersão: HMD's eliminam a barreira representada pela tela da estação de trabalho pela montagem das telas diretamente de frente dos olhos do usuário e tendo eles a compreensão dos movimentos da cabeça do usuário. Isto cria a sensação de não haver telas como um todo;
b) Grande FOV (Grau de Liberdade): HMD's usam ótica especial na frente dos CRT's ou LCD's para produzir grandes ângulos de visão;
c) Nenhuma violação de estrutura do estéreo: Em HMD's, as telas CRT ou LCD são bem fechadas para os olhos do usuário (25 a 50 mm); todos os objetos visualmente perceptíveis estão por trás da tela, por isso qualquer objeto separado aparecerá para o usuário como sendo externo a seu FOV. Uma simples rotação da cabeça conduzirá o objeto em sinal como se estivesse no mundo real;
d) Usuários podem se mover em um espaço largo: Mesmo a distância, um usuário pode fisicamente caminhar, sendo limitado pela faixa do dispositivo e o comprimento dos cabos atrelado ao capacete, que podem ser superiores a 500 cm;
e) Modelos de baixo-fim são proporcionáveis: Várias marcas de HMD's podem ser conectadas para computadores pessoais domésticos, que tornam possível de ter sistemas de RV preparados em casa;
f) Fácil de Construir: Nenhuma condição especial, tais como espaços volumosos ou luzes, são necessários para usar um HMD.

* Desvantagens:

a) Interface invasiva: Para algumas pessoas, é muito artificial e desconfortável para usar o visor na cabeça;
b) Distorções: Os óticos usaram para criar grandes FOV's que podem causar distorções, especialmente em áreas periféricas de visores;
c) Peso: Ainda que o peso de HMD's tem decrescido dos modelos iniciais, é ainda uma preocupação, especialmente em situações quando usuários são necessários para usá-los por mais que cinco minutos;
d) Isolamento do ambiente real: O observador, ainda que imerso no mundo virtual, é ainda ciente do ambiente real, temendo eventos no mundo real, tais como viajar sobre um cabo ou indo na direção da parede. Este isolamento e conhecimento do mundo real, destrói a experiência imersiva inteira;
e) Modelos gráficos computacionais necessários para objetos de mundo real: Objetos de mundo real que participam na experiência, tal como a mão do usuário, tem sido recriado no modelo computacional, em um custo para a performance de aplicação gráfica;
f) Dificuldade para manipular objetos reais: Manipulação de controles de mundo real é difícil, uma vez que eles não são visíveis para o usuário. Ao contrário, usuários vêem e manipulam modelos computacionais de objetos reais. O registro entre objetos reais e virtuais é muito difícil e é ainda uma área de aproximação de pesquisa em ambientes virtuais;
g) Não é fácil partilhar: Não é possível partilhar a diferença com outros em um HMD, a não ser que cada usuário tenha um HMD e eles tenham trabalhado em toda a rede e unidos para as ações de um usuário.

4.1.3. AMD's (Arm-Mounted Displays)

Uma alternativa para os HMD's, são os AMD's, que se comportam como um par de binóculos montados em um braço articulado. O usuário observa em um meio virtual através de lentes, tendo seus movimentos restringidos pelo comprimento do braço e faixa de movimento. O mais popular dispositivo desta espécie é o Fakespace BOOM, mostrado na figura 32.

* Vantagens:

a) Resolução: AMD's têm alta resolução que os mais comuns HMD's devido o uso de
CRT's;
b) Grande FOV: Como os HMD's, estes visores usam óticas especiais nos CRT's para criar grandes FOV;
c) Entrada e saída rápida e fácil: Devido AMD's serem montados em um braço articulado, a entrada ou saída do mundo virtual, pode ser feito por movimentos simples na direção ou distante da face do usuário;
d) Peso suave: Estes visores são sentidos muito leves pelos usuários, devido o peso ser balanceado no braço articulado do qual ele é suspenso;
e) Nenhum atraso na posição de localização: Mecanismos de localização mecânica são usadas para medir o deslocamento e o ângulo das juntas no braço articulado. A captura destas medidas é muito rápida que qualquer outro sistema de localização, tais como sensores eletromagnéticos;
f) Fácil para montar: AMD's requerem muito pouco espaço, determinado pelo comprimento do braço mecânico e ele não requer quaisquer outras condições especiais na sala.

* Desvantagens:

a) Movimento do usuário limitado: AMD's provém movimento limitado no espaço físico, o qual é limitado pelo comprimento do braço mecânico;
b) Braço montado: Usuários precisam de pelo menos um braço para controlar o movimento do dispositivo, que deixa somente uma mão livre para interagir com o ambiente virtual;
c) Inércia: Muitos destes tipos de visores padecem da inércia. Movimentos rápidos do usuário podem produzir grandes forças inerciais que requerem ao usuário, usar mais força para controlá-lo;
d) Baixo sentimento de imersão: AMD's provém um pequeno sentimento de imersão do que os HMD's. A experiência é tal como observar um ambiente virtual através de binóculos.

4.1.4. Sistemas baseados na Projeção de Tela Simples

Visores de projeção de tela simples foram introduzidos na RV com o Responsive Workbench, no SIGGRAPH 93. A maioria destes visores usam uma metáfora de mesa coberta, no qual objetos virtuais aparecem para posicionar na superfície da mesa. Alguns outros sistemas usam uma metáfora de janela, no qual o visor atua como uma grande janela aberta no espaço virtual. Em geral, sistemas de tela simples são boas opções para aplicações que requerem manipulação de objetos diretamente localizados na frente do observador.

* Vantagens:

a) Fácil de partilhar por diversos usuários: Diversos usuários podem compartilhar o mundo virtual por simples observação na tela. Todavia, se somente um observador está sendo localizado, os outros observadores perceberão o mundo com uma incorreta perspectiva de sua localização;
b) Interface Intuitiva: Para certas aplicações, tais como simulações de cirurgia e revisão de modelos de arquitetura, usuários ajustam muito rapidamente para o paradigma da mesa coberta;
c) Acessibilidade: Usuários podem facilmente entrar e sair destes visores, simplesmente caminhando;
d) Não-Invasivo: Em muitos casos, usuários são necessários para vestir um conjunto de acessórios para a projeção estereoscópica. Estes óculos não são muitos pesados do que um conjunto de óculos de sol.

* Desvantagens:

a) Violação da estrutura estéreo: Como no caso de visores displays, visores de projeção de tela simples sofrem da violação da estrutura. Se os objetos virtuais são maiores do que a dimensão de tela e eles são percebidos como de frente (ou acima) da superfície do visor, ou se um objeto é posicionado para a borda do visor, então o usuário receberá insinuações de profundidade conflitante e portanto a sensação estereoscópica entrará em colapso;
b) Nenhuma visão periférica: Estes visores não cobrem completamente o campo de visão do usuário;
c) Pequena faixa de movimento: Movimentos de usuários são restritos para ocorrer ao redor de uma área do visor;
d) Requerem especiais condições de montagem: Devido ao uso da tecnologia de projeção, visores de tela simples necessitam serem instalados em uma área escura.

4.1.5. Sistemas baseados em Projeção de Tela Múltipla

Visores baseados na projeção de tela múltipla por si mesmos não são novos. Simuladores de vôo têm usado a tecnologia baseada na projeção desde o início de 1970 para prover retorno visual para pilotos. A indústria de entretenimento tem também usado sistemas baseados em projeção, há pelo menos, vinte anos. Os teatros Imax e Omnimax distribuem muitas experiências imersivas. Um observador da FOV é completamente coberto pelas imagens, dando a impressão de estar sendo parte da cena projetada. A Disney's Star Tours e Body Wars Adventures são bons exemplos de sistemas baseados na projeção de entretenimento. Um dos primeiros exemplos de sistemas baseados em projeção para RV é o ambiente de RV CAVE TM, desenvolvido por MICHAEL HEIM como parte de seu P.h.D, dissertação (CRUZ-NEIRA, C. "Realidade Virtual Baseada em Múltiplas Telas de Projeção: O CAVE e suas aplicações para ciência computacional e engenharia". Tese de P.h.D. Universidade de Illinois, Chicago, Maio 1995).

No CAVE, a ilusão da imersão é criada pela projeção estereoscópica de gráficos computacionais em um cubo de 3,0 x 3,0 x 3,0 metros composto de telas visuais que circunvizinham completamente o observador. O observador explora o mundo virtual pelo movimento em volta do lado interno do cubo. O CAVE mistura objetos reais e virtuais naturalmente no mesmo espaço, por isso que objetos individuais tem uma visão não inclusa de seus corpos, enquanto interagem com objetos virtuais.

Outro sistema baseado em projeção foi demonstrado no SIGGRAPH 92 por MICHAEL DEERING, da Sun Micro Sistemas, chamado de Virtual Portal 14. Neste sistema, observadores foram circundados por três paredes de projeção levantadas e seus movimentos no interior da sala foram restritos por um "guard rail". A partir desses dois sistemas pioneiros, sistemas similares tem sido recentemente desenvolvidos, tais como o C2, o CyberStage e o Cove. A maioria dos visores de projeção de tela múltipla fazem uso de telas planas, todavia sistemas mais novos têm sido desenvolvidos para explorar o uso de telas curvadas, tais como o Reality Room e sistemas dome-like.

* Vantagens:

a) Alta Resolução: A resolução de sistemas de projeção é limitado pela resolução dada pela tela da estação de trabalho e pela resolução suportada pelos projetores. Resoluções atuais podem alcançar 1280 x 1024 para cada vista;
b) Grande FOV: Os planos de projeção estão em uma posição fixa nas telas e eles cercam o observador, portanto fornecem grandes FOV's e uma vista panorâmica de mundos virtuais;
c) Visor Não-Invasivo: Usuários somente usam óculos polarizados ou venezianas claras de maneira a convergir imagens estereoscópicas;
d) Fácil de partilhar: Múltiplos participantes podem partilhar a experiência simplesmente colocando um par de óculos, o que lhes permite caminhar no ambiente. Em sistemas atuais, um usuário é o participante ativo que controla o ponto de vista e os outros usuários são observadores passivos. Para participantes passivos, a perspectiva não é correta, devido não ser calculada do ponto de vista deles;
e) Nenhum isolamento do mundo real: Usuários podem ser tanto do mundo real quanto do virtual, todavia eles se sentem mais confortáveis no ambiente e não receiam se mover ao redor;
f) Nenhuma necessidade de recriar objetos reais: Como uma consequência do ponto prévio, objetos do mundo real não precisam ser recriados como modelos gráficos computacionais. Usuários podem enxergar suas mãos e qualquer outro objeto real introduzido no mundo virtual. Objetos reais e virtuais podem ser naturalmente misturados no ambiente;
g) Retribuições mais lentas são possíveis: Técnicas tais como refinamento sucessivo são possíveis em sistemas de projeção, devido o mundo virtual ser projetado sobre telas. Uma rotação da cabeça envolve somente um ajuste para os pares estéreos, então usuários podem tolerar melhor armações mais leves ao contrário de outros sistemas de RV.

* Desvantagens:

a) Requerem grandes espaços para movimentação: As telas e projetores requerem um grande espaço. Para uma área de 360 x 360 cm de atividade, o sistema de entrada precisa de uma área de 900 x 900 cm de área para posicionar os projetores e as telas;
b) Violação da oclusão: A violação da oclusão acontece quando um objeto virtual está entre a mão e os olhos do usuário. A mão aparecerá estando de frente do objeto, embora ela esteja realmente por trás. Isto envia sugestões de percepção de profundidade erradamente ao usuário;
c) Requer ajuste preciso de paredes: É importante que em sistemas de tela múltipla, eles emparelhem e se misturem muito bem nas bordas, caso contrário a ilusão estereoscópica se desmorona nos pontos onde as telas se encontram;
d) Requer calibração precisa dos projetores: Estes sistemas são extremamente sensíveis a pequenas variações entre os projetores, em cor, contraste, brilho, alinhamento e posicionamento. Se qualquer destes fatores não for bem calibrado por todos os projetores, a sensação de imersão é destruída;
e) Requer controles de software e hardware para coordenar todas as telas: Em sistemas de projeção com mais de uma tela, todas as telas têm que ser sincronizadas na mesma armação e imagem estéreo. Normalmente isto tem que ser feito em software que faz programas muito complicados e difíceis de depurar;
f) Requer mais máquinas gráficas: Sistemas de projeção normalmente requerem mais de uma máquina gráfica para fazer a cena em várias telas, das quais podem aumentar consideravelmente o custo total dos hardwares gráficos usados.

4.2. SISTEMAS DE RASTREAMENTO

A trajetória é um componente crítico de qualquer ambiente imersivo. Um convincente mundo virtual deve paracer natural aos participantes e a interação deve ser tanto intuitiva e transparente quanto possível. Localizando os movimentos do usuário com precisão dentro do espaço virtual, permitirá que se alcance estas metas. Localizar um espectador envolve, usualmente, o rastreamento de sua cabeça e mão (ou mãos). As medidas da posição da cabeça do usuário e sua orientação são particularmente importantes, porque permitem computar a perspectiva correta do mundo, do ponto de vista do usuário. Computando uma perspectiva espectador-centralizado, deixa para os usuários explorar ambientes virtuais da mesma maneira que eles explorariam ambientes reais. Por exemplo, para ver o que está atrás de um objeto virtual, usuários podem mover a cabeça deles e/ou delas para qualquer lado, como se eles vissem atrás de um objeto real. Usualmente, uma ou as duas mãos do usuário são rastreadas para prover interação. Sistemas mais sofisticadas podem localizar os dedos do usuário e até mesmo o corpo inteiro. O sistema de rastreamento é a fonte principal de atrasos e erros em uma experiência virtual que afeta seu desempenho e então gera problemas como náusea de movimento. Sistemas de rastreamento podem ser classificadas em seis tecnologias, baseadas na técnica usada para detectar a posição e orientação de um sensor no espaço:

4.2.1. Eletromagnético

Rastreadores eletromagnéticos têm um transmissor ou fonte que emite campos eletromagnéticos ao longo de três eixos ortogonais que são detectados por um ou mais sensores. Informação completa sobre a posição e a orientação de cada sensor com relação a fonte é reportada. O Polhemus Fasttrack TM e o Ascension Flock of Birds TM são os mais populares rastreadores magnéticos.

Figura 35 - MITS Glove, com um rastreador magnético fixado no centro da palma da luva

* Vantagens:

a) Nenhuma necessidade para linha-de-visão clara: Estes sensores não requerem um espaço claro entre os transmissores e os receptores. Os receptores podem ser movidos livremente com uma faixa de volume determinada pelo transmissor, operando até mesmo quando há objetos entre eles e o transmissor, como o corpo do usuário ou parte da engrenagem de cabeça;
b) Pequenos sensores: Os receptores são geralmente pequenos e leves (cerca de 2,5 x 2,5 cm e umas poucas gramas de peso ou até mesmo menores);
c) Pequenas restrições para usuários: Estes rastreadores permitem alcance livre de movimentos aos usuários. Um pequeno cabo é necessário para conectar os sensores para a unidade principal, mas isto não interfere com os movimentos dos usuários;
d) Tecnologia madura: Rastreador eletromagnético tem estado disponível quase que no mesmo período que os sistemas de RV estavam sendo desenvolvidos. Hoje, eles tem a favor a tecnologia de escolha para RV.

* Limitações:

a) Sensibilidade a materiais ferrosos: Rastreadores eletromagnéticos são seriamente afetados pela presença íntima de metais condutivos e radiação eletromagnética. Isto significa que equipamentos encontrados usualmente em laboratórios, tais como monitores CRT, unidades de condicionamento de ar e tubulações, podem interferir com os rastreadores e seus dados reportados tornam-se inacreditáveis e com altos níveis de interferência;
b) Ruídos e Distorções: Rastreadores eletromagnéticos tendem a ter um grande faixa de ruído e os dados reportados como a distância entre o receptor e o transmissor, aumenta. São exigidas calibrações tediosas para corrigir ruídos e distorções;
c) Latência: A maioria destes tipos de rastreadores tem reportado taxas de cerca de 60 Hertz, todavia, há demoras envolvidas na entrega dos dados para a aplicação.

4.2.2. Mecânico

Rastreadores mecânicos são estruturas rígidas com várias juntas. Uma extremidade da estrutura é fixa em um local, enquanto a outra extremidade é atracada ao objeto para ser rastreada (usualmente a cabeça do espectador ou a mão). Os ângulos das juntas são medidos para determinar a posição e a orientação da extremidade do rastreador. O BOOM usa esta técnica para determinar a posição do visor e orientação no espaço. Em geral, este tipo de rastreio, pode ser trabalhado suavemente para aplicações que não requerem súbitas mudanças na posição do usuário.

Figura 36 - Esquema da Dextrous Hand Master

* Vantagens:

a) Baixa Latência: Rastreadores mecânicos têm muito pouca latência, devido aos sensores usados no ajuntamento da estrutura, serem naturalmente "encoders";
b) Precisão: Eles provavelmente são os mais precisos rastreadores disponíveis hoje, com muito baixa distorção dos dados reportados.

* Limitações:

a) Mobilidade Restringida: O movimento de usuário é restringido pelo alcance do movimento mecânico; usuários podem nem sempre mover-se para onde quiserem;
b) Único sensor: Normalmente só uma estrutura articulada pode ser usada. Se uma aplicação precisa rastrear uma cabeça e mão do usuário, uma combinação de rastreador mecânico e outra tecnologia de rastreamento é requerida.

4.2.3. Acústico

Rastreadores acústicos usam som ultrasônico. Nestes dispositivos, uma fonte produz pulsos ultrasônicos que são recebidos por um conjunto de microfones arranjados usualmente em um estilo triangular. A posição e orientação do rastreador é determinado em tempos diferentes aos quais a pulsação alcança cada microfone.

* Vantagens:

a) Nenhuma interferência de metais: Obviamente, sendo baseado pelo som, tais rastreadores não são afetados por quaisquer materiais ferrosos presente no local onde são usados;
b) Baixo custo: Rastreadores acústicos tendem a ser comparativamente mais baratos.

* Limitações:

a) Oclusão: Rastreadores acústicos são susceptíveis de obstruções entre a fonte e os receptores, tal como o braço do usuário localizado na frente do sensor;
b) Pequeno alcance: A maioria de tais rastreadores podem cobrir áreas não maiores que 60 a 90 cm longe do transmissor.

4.2.4. Óptico

Estes rastreadores usam uma combinação de marcadores, tais como diodos emissores de luz (LED's), câmeras de vídeo e técnicas de processamento de imagens. Eles podem ser usados em duas maneiras: os marcadores são localizados no objeto a ser rastreado (a mão ou cabeça do usuário) enquanto câmeras em localizações fixas rastream a posição dos marcadores ou, como no sistema 15 na Universidade de Carolina do Norte, as câmeras são localizadas na cabeça do usuário e um arranjo de marcadores é montada em uma localização fixada no teto. A posição e a orientação são obtidas pela determinação da posição dos marcadores nas imagens de vídeo oriundas das câmeras, usando técnicas de processamento de sinal. A maioria destes tipos de sistemas está ainda nos estágios experimentais.

* Vantagens:

a) Precisão: Rastreadores ópticos podem prover dados muito precisos e livres de ruídos;
b) Extensível para grandes volumes de trabalho: A área coberta pelo sistema de rastreamento pode ser expandida por marcadores adicionais ou câmeras de vídeo sobre uma área ampla.

* Limitações:

a) Oclusão: Este rastreador requer uma linha clara de sinal entre as câmeras e os marcadores;
b) Incômodo: A maioria das implementações experimentais são incômodas, requer usuários para vestir uma complexa engrenagem de cabeça;
c) Difícil para rastrear mais do que um objeto: É difícil identificar vários objetos usando implementações correntes. Se mais de um objeto é rastreado, uma combinação com outra tecnologia de rastreamento é necessária.

4.2.5. Inércia

Sistemas inerciais usam giroscópios para medir os três ângulos de orientação do arremesso, guinada e rolo. Eles são baseados no princípio de conservação da quantidade de movimento angular. Outros sistemas usam acelerômetros para detectar a aceleração do objeto a ser rastreado. Da aceleração do objeto, a posição pode ser obtida por integração. Esta tecnologia é ainda experimental e não disponível comercialmente.

* Vantagens:

a) Nenhuma necessidade de um transmissor separado: O sistema de rastreamento, se é baseado de giroscópios ou acelerômetros é montado no interior do sensor;
b) Alcance mais longo: Devido o sistema rastreador estar no sensor, o alcance de rastreamento é limitado somente pelo comprimento do cabo usado.

* Limitações:

a) Precisão: Os dados reportados não são muito precisos e os erros oriundos deste fator, nestes rastreadores, tendem a se acumular com o tempo;
b) Experimental: Estes rastreadores ainda são experimentais, embora há algumas implementações iniciais disponíveis comercialmente.

4.3. PROCESSAMENTO DE IMAGEM

Este tipo de técnica usa câmeras de vídeo para capturar imagens dos usuários. Usando uma das técnicas de processamento de imagens, podemos identificar a posição de várias partes de corpos, tais como braços ou pernas na estrutura de vídeo.

* Vantagens:

a) Não-invasivo: Usuários não requerem usar quaisquer tipos de engrenagens ou marcadores.

* Limitações:

a) Oclusão: Como com rastreadores ópticos, estes rastreadores requerem uma claro-linha-de-visão entre as máquinas fotográficas e os objetos a ser localizados;
b) Velocidade: Os algoritmos de processamento de imagem podem tomar considerável tempo para extrair informação de localização a partir de uma imagem.

4.4. DISPOSITIVOS DE ENTRADA

Experiências de RV podem ser passivas, explorativas ou interativas. Em experiências passivas, usuários observam no mundo virtual com movimento muito limitado. Aqui, o visor é o principal componente utilizado. Em aplicações explorativas, usuários não somente enxergam os objetos virtuais, mas podem caminhar com eles ao redor explorando a vizinhança virtual. Para alcançar isto, pelo menos um rastreador de cabeça é necessário. O terceiro modo, o interativo, é o mais complexo e tem experiência imersiva. Nele, usuários podem interagir com o mundo virtual. Eles podem alcançar fora e podem agarrar objetos, podem mudar o estado da experiência e podem executar muitas outras tarefas interativas. Atualmente, há uma grande variedade de dispositivos de entrada para RV. Possivelmente o mais popular é a luva cibernética, um dispositivo projetado para capturar o movimento das mãos e dedos do usuário. A Luva cibernética VPL dos recentes anos oitenta, foi um dos primeiros a se tornar comercialmente disponível. A Luva cibernética e seus atuais sucessores, tais como o CyberGlove, o Dextrous HandMaster e o 5DT Glove são dispositivos que medem o ângulo de curva em cada junta de dedo e então capturam o completo movimento de uma mão humana.
Uma variação das luvas cibernéticas tem sido recentemente introduzida como o Pinch TM Hand Gesture Interface, um produto Fakespace. O PinchGloves somente detecta contato entre dedos. Para determinar o contato, cada glove contém cinco sensores (um em cada ponta de dedo). Contato entre qualquer dois ou mais dígitos completa uma trajetória condutiva e uma complexa variedade de ações baseadas nestes gestos simples de "beliscão" podem ser definidas pelo fomentador da aplicação.

Figura 37 - PinchGlove (Luva pintada com tinta condutora sobre um substrato flexível)	Figura 38 - "Dataglove" de Thomas Zimmerman (Luva de dados desenvolvida em 1976 na Universidade de Illinois baseada no uso de tubos flexíveis e fotocélulas)