BLOQUE II. ESTUDIOS EXPERIMENTALES.

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1 BLOQUE II. ESTUDIOS EXPERIMENTALES. Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación. 175

2 176 Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación.

3 RESUMEN Este segundo bloque constituye la parte práctica de la presente tesis. En él se ha llevado a cabo un estudio de viabilidad previo, para determinar la tecnología a emplear, y una serie de estudios experimentales y ensayos en un total de 8 ejercicios con alumnos, divididos en 6 cursos. Los cuatro primeros cursos utilizan software y plataformas existentes, y se han dividido en función del tipo de registro utilizado (óptico y basado en geolocalización), mientras que los dos últimos son ensayos realizados con la aplicación de creación propia desarrollada en el seno de esta tesis. Dichos ejercicios han permitido evaluar, en todos los casos, la usabilidad de esta tecnología en entornos docentes, así como la mejora en el rendimiento académico adémico de los estudiantes, en el caso de los ejercicios realizados con la aplicación de creación propia. En el primer estudio de viabilidad se detectan las fortalezas y debilidades de la tecnología, condicionando el diseño de los ejercicios a desarrollar. En él se utilizaron ordenadores portátiles y dispositivos móviles (hand held) mediante el software de AR-Media y JUNAIO respectivamente.. Los ejercicios posteriores, realizados por alumnos de las facultades de Arquitectura e Ingeniería de la edificación, se dividieron en dos apartados que se resumen a continuación: 1. Estudios preliminares mediante software y plataformas existentes: se realizaron 6 ejercicios con alumnos divididos en 4 cursos (BEST, DAC, EGIII y BKC). Todos ellos utilizando Software gratuito o con licencia educacional. Para ello se han ensayado las tecnologías más habituales mediante ordenadores portátiles y dispositivos móviles, como son los programas basados en el registro óptico y registro GPS, utilizando marcadores tipo ARtoolkit e imágenes es reales del entorno, en el primer caso, y a través del posicionamiento del usuario en el segundo. Se escogieron en todos los casos configuraciones económicas y asequibles, lo cual garantiza la disponibilidad de los sistemas empleados, y asegura la consecución del objeto de esta fase, que era estudiar la viabilidad de la tecnología en entornos docentes, tanto en espacios interiores como exteriores. Evaluando en todos los casos la usabilidad de los Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación. 177

4 sistemas empleados a partir de cuestionarios basados en la norma ISO , con el objetivo recoger datos referentes a la eficacia, eficiencia y grado de satisfacción de los usuarios para cada uno de los cursos. En el caso de los ejercicios basados en el registro óptico (capítulo VI) y realizados en espacios interiores se utilizó el plugin de la empresa AR-Media para PC, y que se basa en marcadores provenientes de librerias ARToolkit. En espacios exteriores, sin embargo, con este tipo de registro se realizó un ejercicio (BEST 1.3) utilizando como marcador imágenes del entorno real (fachadas de edificios) con el objeto de minimizar las limitaciones que ofrece el sistema de registro óptico por la estricta relación distancia-tamaño tamaño marcador y por su sensibilidad a los cambios de luz, y la relativa portabilidad de los equipos utilizados (pc/portátiles), ya detectadas en el estudio de viabilidad previo. Para ello el software utilizado fue Build-AR y la plataforma JUNAIO, de los que se ha hablado anteriormente. En el caso del ejercicio planteado mediante registro GPS (capítulo VII), se realizó un ejercicio, utilizando una plataforma web existente basada en este tipo de registro, LAYAR, que permitía el almacenaje y libre distribución de contenidos generados por el propio alumno de manera ágil y universal, facilitando la creación de escenas colaborativas, con varios contenidos visualizados de manera simultánea. Una de las debilidades detectadas en los estudios anteriores.. Para ello fue necesaria la creación de un canal que contuviera, en una base de datos pública, los contenidos generados por los alumnos, de acuerdo a los requerimientos exigidos por la plataforma. 2. Evaluación de la tecnología mediante una aplicación Propia: Se realizaron dos ejercicios (RAIII y PT II) en las facultades de Arquitectura e Ingeniería de la edificación respectivamente, utilizando una aplicación para dispositivos móviles desarrollada en el seno de esta tesis, y que está basada en el registro óptico de imágenes del entorno. Las pruebas se realizaron en ambientes exteriores e interiores. El sistema permitía minimizar las limitaciones detectadas en fases anteriores para este tipo de registro en espacios exteriores al permitir el posicionamiento del marcador cercano al usuario y el desplazamiento del modelo virtual en relación a su marcador. 178 Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación.

5 En ambas experiencias se evaluó además de la usabilidad del sistema, la mejora en el rendimiento académico de los alumnos. El siguiente cuadro resume los estudios experimentales realizados: FASES Tabla 8. Resumen de los estudios experimentales realizados EJERCICIOS ENTORNO REGISTRO MARCADOR SOFTWARE HARDWARE EVALUACIÓ 0. VIABILIDAD 0 GIRONELLA Ext Opt AR_toollkit / img AR_Media /JUNAIO PC-port./ movil Viabilidad 1. ESTUDIOS PRELIMINARES MEDIANTE 1 BEST Int. Int Ext. OPTICO AR_toollkit img AR_Media / Build AR /JUNAIO PC-port. / movil Usabilidad SOFTWARE Y PLATAFORMAS EXISTENTES 2 DAC 3 EGIII Int. Int. AR_toollkit AR_Media PC-port. Usabilidad AR_toollkit AR_Media PC-port. Usabilidad 4 TICS (layar) Ext. GPS --- LAYAR Móvil Usabilidad 2. APP PROPIA 5 APF 6 PT II Ext. Int. OPTICO Img. U-AR U-AR Móvil Móvil Usab / rend Usab / rend Como se puede observar gran parte de los estudios experimentales se realizaron mediante ordenadores portátiles. Con excepción del tercer ejercicio BEST y el BKC donde al realizarse en ambientes exteriores se requería una mayor movilidad, se utilizaron entonces teléfonos móviles, Smartphones o UMPC. Y que sirvieron de base para el desarrollo de la aplicación propia. Igualmente existe un solo ejercicio basado en registro GPS. Esto se debe a que a pesar de la motivación, participación, y grado de aceptación mostrado por los estudiantes, el registro resultaba bastante impreciso y su uso se limitó por el momento, a ejercicios muy concretos en grandes espacios exteriores que no requerían de gran precisión en el registro. Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación. 179

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7 4 CAPITULO IV. EVALUACION DE LA TECNOLOGIA. LA TORRE DE GIRONELLA. 4.1 INTRODUCCION Con el objetivo de llevar a cabo un primer acercamiento sobre el uso de las nuevas tecnologías de Realidad Aumentada, aplicadas a un caso práctico y real, que permitiera desarrollar diversas estrategias de implantación de la tecnología en ambientes educativos y, como paso previo a la consecución de los ensayos con estudiantes, se realizó un estudio de viabilidad de la tecnología en el ámbito del patrimonio histórico.. Concretamente en la torre de Gironella situada en la parte alta de la ciudad de Girona. El ensayo, que sirvió para delimitar las fortalezas y debilidades de la tecnología, ha sido objeto de diversas publicaciones (Ernest Redondo, Sánchez Riera, et al. 2011; Ernest Redondo, Sanchez Riera, et al. 2012), siendo consultable en Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación. 181

8 4.2 PLANTEAMIENTO Es importante remarcar la potencial utilidad de esta tecnología en el campo del patrimonio histórico,, donde su aplicación permite mostrar una realidad completada de las ruinas o restos de cualquier bien, generando una imagen imposible de lo que no existe, fruto de las investigaciones e hipótesis de los científicos, permitiendo su verificación en el mismo lugar, y promoviendo finalmente, un mayor conocimiento del bien tutelado. Las murallas romanas de la ciudad de Girona, por su parte, son uno de los monumentos menos conocidos de la misma, y en contraposición a las recientemente restauradas murallas del siglo XVII, su trazado, oculto bajo diversas fincas privadas, no ha presentado hasta hace poco un interés turístico. Por fortuna la reciente recuperación de los espacios tras el rectorado de la Universidad de Girona y la Plaza a de Sant Domènec, junto con la inminente restauración de los jardines del antiguo colegio de los HH Maristas, pondrá al alcance del público lienzos fragmentarios de estas defensas. La posible protección,, estudio y explotación de los mismos no puede pasar por su reconstrucción física y es en este contexto donde las nuevas tecnologías de la Realidad Aumentada, unidas a los sistemas de telefonía móvil y ordenadores personales, los sistemas de información geográfica, etc. permiten nuevas estrategias de catalogación, conservación y difusión de nuestro patrimonio histórico. En el caso del patrimonio histórico podría ser aceptable el uso de patrones planos (marcas fiduciales),, fácilmente reconocibles por el dispositivo o y cuya posición debería ser conocida para poder realizar correcciones de posición y escala de manera más precisa. Asumiendo en cualquier caso que más de un marcador es visible al mismo tiempo 53 Ahora bien, la superposición de un considerable número de marcadores a un bien patrimonial puede resultar, sin embargo, discutible ya que distorsionaría considerablemente la imagen del bien a conservar y dificultaría la percepción del estado en que se encuentra.. Además, en la mayoría de casos, el objeto de estudio, ya sea un La gran mayoría de sistemas de reconocimiento de marcadores se basan an en las librerías ARToolkit (H. Kato & M. Billinghurst 1999). 182 Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación.

9 monumento, una ruina o restos arqueológicos, suele tener un tamaño considerable y debe ser visualizado desde cierta distancia. Las limitaciones ópticas de las lentes actuales obligan a que estos marcadores, como en el caso descrito, tengan un tamaño considerable si se pretende tener una cierta precisión y estabilidad de la imagen. Por este motivo sería a planteable que el registro se hiciera en base a objetos reconocibles del propio objeto, es decir se basara en el reconocimiento de imágenes reales en lugar de marcadores (markerless systems). Los diversos patrones de reconocimiento en estos casos, deberían ser individuales para cada caso de estudio. O incluso el marcador podría ser la imagen del propio bien a conservar ya que las imágenes que servirían de marcadores (muros, puertas) en el caso del patrimonio histórico, forman parte de una estructura rígida que no varía. Si bien es verdad, que estos elementos se encuentran expuestos a distintas condiciones de luz y ambientales que pueden dificultar el reconocimiento. Para (Bimber & Ramesh Raskar 2005, p 5) este tipo de registro, r (markeless tracking) ) es la solución más prometedora para futuras aplicaciones de RA. Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación. 183

10 4.3 REFERENTES Un primer ejemplo de sistema de Realidad Aumentada aplicado al patrimonio histórico es el iniciado en 1996 en las ruinas arqueológicas de Ename, Bélgica. La experiencia se enmarca en un proyecto más amplio, una especie de Open Air museum, denominado ENAME 974 Project (D. Pletinckx et al. 2000), y que pretende hacer comprensible al público en general un conjunto arqueológico, complejo y pobremente conservado de unas 8 hectáreas. Para ello se hace uso de nuevas tecnologías que ayuden a difundir y preservar la historia de su comunidad y el entorno en que se ha desarrollado durante más de un milenio de historia. En el caso concreto del parque arqueológico, los visitantes pueden contemplar a través de una pantalla representaciones digitales superpuestas sobre las excavaciones arqueológicas de los cimientos o restos existentes. El sistema se denomina TimeScope 1, ha sufrido varias actualizaciones y consiste básicamente en una cámara de vídeo, un ordenador, dos monitores y una pantalla táctil, todo ello situado en un kiosko-cabina destinado a albergar el equipo de hardware. La video cámara es dirigida hacia un área determinada como se muestra en la fotografía y ésta transmite en tiempo real imágenes de la ruina a la pantalla del monitor en el quiosco. Fig. 66 Imagen de la iglesia de San Salvador. Ename, Belgica. En Pletinckx et al. (2000) 184 Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación.

11 El sistema ofrece al visitante sentido de inmediatez y realismo donde el tiempo actual, condiciones del cielo y el ángulo solar en tiempo real sirve de fondo para la reconstrucción virtual. La ventaja de este sistema de punto, de vista fijo, es que no son necesarios dispositivos complejos de registro y posicionamiento. Sin embargo, requiere de un recinto físico para situar el sistema lo que puede interferir con las cualidades visuales del sitio arquitectónico. Además, el punto de vista fijo resulta una limitación importante en lo que se refiere a la experiencia de la visita al conjunto, ya que los visitantes suelen recorrer los lugares y contemplar los edificios desde diferentes ángulos y con diferentes escalas de aproximación. Estos inconvenientes deberían ser resueltos por medio de las aplicaciones móviles de RA en las cuales un observador puede moverse alrededor del sitio lo que se sitúa más en la línea en la que experimentamos de forma natural la arquitectura, esto es, por medio de una visualización dinámica. Una experiencia en esta línea, utilizando dispositivos móviles (HMD), es la llevada a cabo por la escuela de arquitectura y diseño de Oslo (AHO) en 2005, para la reconstrucción de la iglesia de Sta. Margareta, una pequeña iglesia medieval al norte de Oslo. Para el profesor søren s. sørensen, las técnicas de planeamiento urbano y de diseño arquitectónico actuales todavía se basan en el uso de técnicas tradicionales como perspectivas, planos 2d y maquetas y modelos virtuales en 3D.. Técnicas que requieren de una cierta abstracción e interpretación, y por tanto el problema a resolver puede resultar difícil de entender e inducir a error. Para el profesor las limitaciones de estos tipos de representación radican en el hecho de que el observador se encuentra fuera de la escena, siendo un mero espectador antes que un participante. Con este propósito se desarrolló una experiencia en el campo de la representación visual aplicada al entorno construido. Mediante el uso de HMD, el observador podía caminar libremente por los alrededores de la iglesia visualizando su reconstrucción ideal que se superponía a los restos existentes. El registro se basaba en el reconocimiento de patrones previamente colocados y cuya posición era conocida por el sistema. Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación. 185

12 Fig. 67 Reconstrucción de la iglesia de Sta. margarita mediante técnicas de RA. En engineering/products/arsubmeny/news. Otros sistemas de RA móvil aplicados en espacios exteriores, y aplicados al patrimonio cultural podemos citar en ensayo realizado en las ruinas de Olimpia (Vlahakis et al. 2002) en el marco del proyecto ARCHEOGUIDE (Augmented Realitybased Cultural Heritage On- site Guide) desarrollado lado por el Fraunhofer Institute of Computer Graphics (IGD). Este proyecto propone nuevas formas de acceso a la información sobre el patrimonio cultural de forma amigable a través del uso de las TIC y de la RA, visualización 3D, y aplicaciones de informática móvil. El sistema, permitía al visitante, entre otras, la opción de visualización tridimensional de elementos desaparecidos y partes reconstruidas del entorno por medio de dispositivos HMD. Además a través de ordenadores portátiles o dispositivos de mano daba acceso a información contextual a través del registro de la posición y la orientación del usuario, y ofrecía una temática y navegación personalizada a través del análisis de los perfiles del visitante en función del componente cultural, lingüístico, generacional o profesional del mismo. Para ello planteaba la combinación de varios sistemas de posicionamiento y registro (Básicamente GPS y reconocimiento óptico de Marcadores) y el acceso remoto a datos mediante una red WLAN. Véase (Dahne& J. N. Karigiannis 2002) para más información sobre el sistema empleado. 186 Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación.

13 Fig. 68 Reconstrucción virtual del proyecto ARCHEOGUIDE en la antigua Olimpia. En Vlahakis et al. (2002) Se pretendía conseguir así una tendencia cada vez más reciente en el campo de la presentación del patrimonio cultural: la narratividad interactiva 54 (interactive storytelling). El objetivo consiste en la comunicación de la información de forma personalizada, focalizada hacia el interés personal del usuario y conducida por él mismo. La información se añade al sistema que la actualiza de forma constante y la pone al alcance del visitante para que pueda determinar la trayectoria narrativa a seguir dentro de un sistema de personalización activa gracias a la posibilidad de identificar al usuario. Este tipo de investigaciones son cada vez más numerosas en el ámbito de la presentación e interpretación del patrimonio cultural (Fernández Alvarez 2010). En España podemos citar la reconstrucción de la fortaleza ibérica de Els Vilar, en Arbeca (Lleida) realizado por un grupo multidisciplinar de arqueólogos e informáticos donde se diseñó un escenario de futuro uro para una visita guiada mediante un sistema portátil, basado en herramientas de RA (ALONSO et al. 2001). Fig. 69 Mapa de situación diseñado para la fortaleza ibérica de Els Vilars. En ALONSO et al. (2001) 54 La utilización de sistemas que permitan al visitante la creación de sus propias historias mientras explora la información contenida en una base de datos y con la posibilidad de seguir diferentes trayectorias (temporales, espaciales y temáticas). (Daniel Pletinckx et al. 2003) Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación. 187

14 4.4 METODOLOGIA A partir del levantamiento arqueológico de la zona de la torre-castillo Gironella, llevado a cabo por los arqueólogos de la Universidad de Girona en el año 1987, se seleccionaron una serie de imágenes y dibujos, qué modo de resumen, ilustraban su campaña de excavación. Esta información inicial facilitada es la que se utilizó como base para la generación de los modelos virtuales correspondientes a dos periodos históricos Republicano y Bajo imperial, que debían superponerse en el entorno real. Fig. 70 Diversas imágenes utilizadas para la generación de las reconstrucciones virtuales en el estudio de viabilidad de la tecnología Generación del entorno: Con la idea de incorporar datos del espacio real al modelo virtual que pudieran servir como base de referencia cartográfica, y permitir así un mejor ajuste entre el modelo y su entorno, se recopiló la documentación del levantamiento del conjunto arqueológico realizada por el LMVC i el CPSV empleando la tecnología del escáner láser. Sobre esta base se procedió a seleccionar la zona de estudio del proyecto, circunscribiéndonos a la torre Gironella romana que ocupa el lado Oeste del yacimiento, y se recopiló la información referente al escaneado del espacio interior y a las imágenes que toma la cámara fotográfica digital sincronizada con el escáner. Fig. 71 Levantamiento del lugar mediante laser escáner. Realizado por el LMVC. 188 Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación.

15 Este levantamiento de baja densidad resultaba de resolución suficiente para el objetivo último de añadir parte de la base real al modelo. Además cabe considerar el gran tamaño que presentan las nubes de puntos incluso a baja densidad (valores que superan los 4,0 Gbytes) y su difícil gestión, más aún si se pretende visualizar mediante dispositivos móviles. Fig. 72 Perspectiva del levantamiento realizado con Laser Escáner Una vez aplicada la textura a partir de una fotografía. Para la obtención de la malla de referencia que permitiera un registro más preciso al sobreponer los modelos históricos al lugar se procedió a depurar y simplificar la malla generada por la nube de puntos y utilizar como textura las fotografías de referencia tomadas en el lugar.. Este proceso de gestión y ensamblaje de la nube de puntos se llevó a cabo mediante la aplicación Point-tools tools en colaboración con el LMVC. El refinamiento de la malla para reducir el número de polígonos resultante de interconectar cada uno de los puntos x,y,z del escáner se realizó usando la aplicación RapidForm. Y su texturización del se usó el programa Zbrush. De manera que se obtuvo un modelo de base con un número mínimo de polígonos y con apariencia realista. Está estrategia de reducción del modelo adyacente al modelo de la torre resultó esencial para ser visualizado en un dispositivo con una pantalla de dimensiones reducidas, que facilitaba además su transmisión por la red. Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación. 189

16 Fig. 73 Imágenes de la malla de entorno utilizada para acompañar al modelo virtual Finalmente la malla reducida constaba de unos polígonos y su uso fue reservado para la visualización en ordenadores portátiles Criterios gráficos adoptados En el caso de estudio que nos ocupa, donde la participación de los arqueólogos e historiadores es fundamental, uno de los aspectos más importantes a destacar en la realización de los modelos virtuales es el de los materiales y texturas que se utilizan. El modelo infográfico en este tipo de casos ha de ser siempre científico y avalado por una investigación accesible que exponga con detalle los datos que llevan al resultado final, frente a otras tendencias actuales que buscan más el espectáculo que el propio conocimiento del bien cultural. (Robles et al. 2009). El dibujo de la arqueología es un registro gráfico en el que predomina la descripción sistemática y codificada de los objetos, su forma de construcción y su ubicación en el estrato o paramento correspondiente, por encima de valores perceptivos y cromáticos. En este sentido la infografía técnica, el CAD, la topografía, ha aportado rigor en la definición métrica de los emplazamientos pero continua usándose el dibujo a mano, para interpretar cada objeto, limitándose la infografía realista `para la divulgación científica. En nuestra opinión, el dibujo ofrece distintas ventajas por encima de cualquier otra forma de representación, incluida la fotografía, que siempre sufre la limitación de la profundidad de campo y no permite discriminar la información gráfica (eliminación de colores, fracturas, etc.). Es sintético y selecciona sólo lo que es realmente necesario registrar, su coste es relativamente bajo y, 190 Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación.

17 además de rápido y eficaz, es muy versátil para hacer composiciones y jerarquizar la información. Por este motivo se redibujaron los materiales a emplear, con el objeto de obtener una textura digital que resultara como mínimo verosímil para cada uno de los modelos virtuales que debían reflejar las hipótesis de los historiadores. Así, la mampostería de piedra opus quadratum, correspondiente a la época del bajo imperio, se reprodujo a partir de los lienzos encontrados dentro del recinto del castillo de Gironella, protegidos de las inclemencias del tiempo, y que presentan una mampostería buen estado de conservación. Fig. 74 Obtención de la textura de mampostería Opus Quadratum. (Bajo imperio) ) y de la textura de mampostería opus vittatum. (Época republicana) Para la creación de la textura de la piedra de la época republicana opus vittatum (o opus incertum) se procedió de manera similar. Una vez generadas las distintas texturas correspondientes a las dos épocas referidas, y con el visto bueno de los historiadores consultados, se procedió a la construcción de los modelos virtuales. Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación. 191

18 4.4.3 La reconstrucción virtual de las hipótesis La definición geométrica de las torres correspondientes a los dos periodos de tiempo se llevó a cabo con el asesoramiento de los expertos del IRH de la UdG, en e base a los datos geométricos de las ruinas existentes y al levantamiento realizado por el equipo investigador. Con el objeto de reproducir un modelo formalmente verosímil y científicamente te riguroso, se procedió a una búsqueda de referencias históricas o trabajos científicos referentes a la construcción de estas torres de vigilancia entre las cuales destacan los trabajos de los investigadores del IRH de la mano de J. Sagrera, la Columna Trajana de Roma,, y ciertas reconstrucciones virtuales consultada en diferentes webs institucionales vinculadas a la conservación del patrimonio arquitectónico. Sin embargo, la disparidad de versiones, incluso en aquellas que por cronología podían estar más cercanas c a las de la Gerunda romana, no aclararon en exceso la opción definitiva, optando por versiones más austeras de acuerdo con los criterios de los arqueólogos de la UdG en relación a los materiales, dimensiones y estructura interna. Con todo ello se procedió a un trazado en CAD de la geometría básica de cada una de las torres, suponiendo diversos tipos de acabado, y diversas opciones en cuanto a sus alturas. Fig. 75 Levantamiento geométrico de las torres de acuerdo con las hipótesis de los investigadores Tras unos primeros modelos de evaluación, se modelaron las versiones definitivas. La torre mediría más de 10 metros de altura estando rematada en su reconstrucción bajo imperial por una cubierta a cuatro aguas sobre una estructura tura de vigas y pilares de 192 Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación.

19 madera que protegerían las máquinas de guerra. El forjado intermedio también seria de madera y todo el cerramiento estaría formado por bloques de cantería rectangulares iguales a las piedras existentes en la base. Fig. 76 Imágenes de las reconstrucciones virtuales definitivas correspondientes a distintas hipótesis de los historiadores. Elaboración propia mediante 3dsMax, V2009. Una vez reconstruidas las hipótesis, éstas fueron visualizadas in situ mediante diferentes configuraciones que se describen a continuación. 4.5 ENSAYOS DE VISUALIZACIÓN MEDIANTE REALIDAD AUMENTADA ENSAYOS MEDIANTE RECONOCIMIENTO DE PATRONES PLANOS Estos ensayos se realizaron sobre ordenadores portátiles. Con distintos software y configuraciones. Básicamente se utilizó el plugin de ArMedia de Inglobe Technologies que dispone de un visor independiente Ar player, aunque se ensayaron otros programas similares como BuidAr de NZLab, que también dispone de un visor, y MrPlanet y AMIRE, programas diseñados específicamente para la generación de escenas aumentadas, permitiendo controlar el tamaño, numero de marcadores, modelos, texturas y comportamientos de los modelos. Todos ellos se basan en el reconocimiento de patrones planos que provienen de las librerías ARTollKit de las que se ha hablado anteriormente y están pensados para su uso en espacios interiores. Entre sus ventajas cabe destacar: la precisión alcanzada con el registro 3D (del orden del cm); la peculiaridad de que los objetos generados por ordenador se pueden relacionar fácilmente con las marcas (permitiendo interfaces Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación. 193

20 tangibles); la posibilidad de implementar elementos de interacción (a partir de distancias y rotaciones entre marcas); y la economía de los sistemas (ya que suelen disponer de licencia GPL 55 y para el registro únicamente es necesaria una cámara Web). Sin embargo, también hay que tener en cuenta sus limitaciones que nos hemos encontrado, por ejemplo: la fuerte dependencia de las condiciones de luminosidad; la escala local de trabajo (distancia cámara-marca); marca); y el hecho de que el entorno físico se ve alterado por las marcas. Especialmente crítico en el caso del patrimonio cultural. El primer ensayo de visualización lo realizamos en una ambiente interior con el objetivo de probar los diferentes programas, el tamaño de los ficheros, y número máximo de polígonos a visualizar. Fig. 77 Imágenes de los ensayos de visualización en espacios interiores utilizando BuidAR y Mr Planet. Fuente: Elaboración propia. El uso de diversos programas nos permitió comprobar que los modelos generados pueden llegar a tener más de polígonos y con tamaños de hasta 16 Mb, sin excesivos problemas de visualización pudiendo disponer de un amplio abanico de posibilidades gráficas adecuadas a los diferentes destinatarios. Siendo perfectamente factible la visualización de los modelos creados tanto de la torre como del entorno y su posicionamiento preciso respecto a unas marcas, que se deberían ubicar a escala sobre el edificio en cuestión. El trabajo en ambientes exteriores se llevó a cabo en diferentes fases y equipamientos. En estos ensayos se comprobó como el hecho de inclinar la etiqueta y rectificar 55 GPL: (General Public License) licencia creada por la Free Software Foundation en 1989 (la primera versión). Orientada principalmente a proteger la libre distribución, modificación y uso de software. Su propósito es declarar r que el software cubierto por esta licencia es software libre y protegerlo de intentos de apropiación que restrinjan esas libertades a los usuarios. 194 Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación.

21 adecuadamente la posición del modelo virtual permitía alejarse e interactuar con el modelo, pudiendo desplazarnos en todas las direcciones visionando el modelo desde diferentes ángulos, eso sí sin perder de vista el marcador.. También quedó clara la comodidad de disponer de un entorno de referencia para situar el modelo correctamente. Utilizando una cámara web de altas prestaciones Logitech HD de 5/10 Megapixels, se pudieron llegar a reconocer los marcadores de 50x50cm a 25 metros de distancia, eso sí siempre bajo condiciones de iluminación controladas, en concreto sin radiación solar directa sobre el marcador. A medida que las distancias observador-marcador se incrementan, el modelo sin embargo resultaba inestable y la escena inconsistente. Por todo ello se realizaron ensayos basados en el reconocimiento de imágenes reales, que como mínimo, en este caso, permitirían no alterar el entorno visible Fig. 78 Estudio y visualización de diversas hipótesis de reconstrucción en el lugar. Fuente elaboración propia ENSAYOS BASADOS EN EL RECONOCIMIENTO DE IMÁGENES DEL ENTORNO REAL Hasta el momento de la realización del estudio (2010), no se habían encontrado experiencias del uso de dispositivos móviles de mano (hand held) como tabletas, teléfonos o PDAs, aplicadas estrictamente a la difusión o el estudio del patrimonio arquitectónico, que utilizaran la técnica del reconocimiento óptico de rasgos naturales para el registro de objetos virtuales, aunque muchas de las recientes aplicaciones de RA en dispositivos móviles se basan también en ella. Con este tipo de marcadores se quería evitar que el elemento patrimonial objeto de estudio, se viera alterado por las marcas. Estas exigían de un cierto tamaño para ser visibles a cierta distancia, mientras que la utilización de la imagen del propio elemento patrimonial como marcador el problema de la distancia quedaba resuelto. Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación. 195

22 Los ensayos se realizaron sobre teléfonos bajo los sistemas Android y Ios, usando la plataforma existente JUNAIO de la que se ha hablado anteriormente que si bien no está específicamente diseñada para su uso en exteriores, resultó útil para verificar las limitaciones y fortalezas de esta tecnología en este tipo de ambientes. Dicha aplicación permite la incorporación de canales de información. Cada uno de ellos con una serie de imágenes pre configuradas que, una vez el dispositivo reconoce, utiliza para sobreponer un objeto determinado. Uno de estos canales, permite fotografiar cualquier imagen y hacerla servir de marcador para su registro con un modelo ya preestablecido. El usuario de este programa, una vez registrado, puede añadir canales propios de información, a los que vincular un objeto con una imagen determinada por él. En una prueba inicial sobre este canal denominado instant Tracker y realizada sobre la fachada del monasterio Sant Cugat, se demuestra como un modelo aleatorio simple, facilitado por la aplicación, se posiciona sobre el edificio previamente fotografiado con dispositivo móvil, y es posible acercarse o alejarse del mismo, manteniendo el modelo virtual su posición relativa respecto a la fachada que actúa de marcador. Fig. 79 Ejemplo de visualización, mediante un dispositivo móvil, de un modelo 3D aleatorio en un edificio real utilizando la imagen del propio edificio como marcador de posición. Fuente: elaboración propia. De manera que parecía viable que, en el campo que nos ocupa,, una vez creados los canales (temáticos), el visitante pudiera superponer su dispositivo móvil en el entorno en que se encuentra y sobre éste aparecerían una serie de modelos superpuestos cada uno vinculado al reconocimiento de una imagen determinada que formaría parte del propio elemento patrimonial o de su entorno. 196 Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación.

23 Otra de las posibilidades que permite esta aplicación, una vez reconocida la imagen de referencia, es la de la inclusión de otros os contenidos multimedia como un video explicativo. Y en el caso del modelo virtual superpuesto, éste permite vincularlo a un espacio WEB. Con el objetivo de probar esta aplicación en el caso que nos ocupa se creó un Canal temático denominado Patrimoni_ALB, y que ya está disponible para cualquier usuario de esta aplicación. Se trabajó con el modelo virtual de manera que fuera lo más sencillo y manejable posible. El único formato de exportación admitido era *.md2, un formato un tanto obsoleto proveniente de los videojuegos (quake2), la textura además debía ser un único archivo en formato *.PNG. De manera que la textura al contener varios materiales, debe ser una sola imagen previamente mapeada, de acuerdo a cada una de las caras del polígono. El modelo, que e puede ser animado, permite ser escalado, rotado y posicionado desde la propia web de creación del canal. De manera que el ajuste y posición se realiza una sola vez y en relación a la imagen que ha de servir de referencia. Fig. 80 Imagen de la página web utilizada para la creación de los canales y superposición del modelo a un entorno real utilizando imágenes reales como marcador En él canal creado se vinculó inicialmente un video de la torre a un marcador que era la propia imagen n del entorno. Esta experiencia resultó óptima y la consideramos de gran interés, en tanto que, como hemos comentado, cualquier usuario puede actualmente pasear por el lugar, y sin ningún tipo de alteración de éste, y disponiendo de esta aplicación, podría acceder a esta información adicional. Por último el modelo generado fue también incorporado a una imagen de su entorno real. Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación. 197

24 Fig. 81 Imagen de referencia que una vez reconocida descarga el video explicativo en el dispositivo móvil, y diversos puntos de visualización del modelo en su entorno mediante JUNAIO. Con el uso de este tipo de registro, a parte de la ventaja de la no alteración del bien, la imagen de referencia, se puede ocultar parcialmente sin impedir el registro, por lo que q el usuario puede seguir viendo los objetos virtuales. Además se minimiza la dificultad de reconocimiento del marcador a medida que se incrementa la distancia ya que el marcador puede ser la imagen de toda una fachada. Sin embargo en las primeras experiencias encias la imagen resulta irreconocible en condiciones de luz poco favorables o distintas de las del momento en que se realizó la fotografía. Lo cual confirma la sospecha inicial de que este tipo de sistemas son más sensibles a los cambios de condiciones ambientales, pudiendo resultar inútiles. Además la complejidad del algoritmo de registro hace que el software requiera de dispositivos más potentes. Las limitaciones concretamente en este caso, son que el número de polígonos es muy bajo, unos 1000 y la textura que se mapea sobre él, una imagen de 512x512 píxeles, lo cual comporta baja resolución y detalle, válido solamente para su visión en dispositivos con pantallas pequeñas y sobre modelos y entornos a distancias superiores a metros. 198 Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación.

25 4.6 CONCLUSIONES PRELIMINARES SOBRE LA VIABILIDAD DEL USO DE LA TECNOLOGÍA. La realización del ensayo de viabilidad descrito permitió extraer las siguientes conclusiones, que sirvieron de base para el desarrollo de trabajos futuros, y para su implantación en entornos educativos. En relación al uso de marcadores tipo ARToolkit, Una de las conclusiones que podemos apuntar, es que en espacios interiores o exteriores a distancias inferiores a unos 25mts, y con marcadores de unos 50x50cm, es perfectamente factible posicionar y visualizar información virtuales superpuesta a este tipo de marcador, y que resultan adecuados por su precisión en el registro, y su relativamente pequeña cantidad de recursos que requieren. Pudiendo ser útiles para el trabajo de campo de arqueólogos, estudiantes o turistas. Sin embargo este tipo de registro tiene fuertes limitaciones. Como son la fuerte dependencia de las condiciones de luminosidad; la escala local de trabajo (relación distancia cámara con tamaño marcador), que obliga a que si se pretende superponer un modelo con un solo marcador, y a una cierta distancia, éste debería tener un tamaño exageradamente grande; y finalmente el hecho de que el entorno físico se ve alterado por las marcas. Especialmente crítico en el caso del patrimonio cultural, y en los ámbitos desarrollados en esta tesis. Este problema se tuvo en cuenta en futuros trabajos, y especialmente en el desarrollo de la aplicación propia, donde la posición del modelo puede corregirse dinámicamente manteniendo la posición y perspectiva relativa respecto al marcador que no necesita entonces situarse a mucha distancia del observador, facilitando así su reconocimiento. En relación al registro del modelo basado en reconocimiento de imágenes del entorno, Probablemente este tipo de registro resulte el más adecuado en espacios exteriores, especialmente a distancias de más de 25 metros (habitual si se pretende visualizar una propuesta arquitectónica). El inconveniente en este caso radica en la necesidad de Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación. 199

26 cobertura telefónica y disponibilidad de las terminales especificas, así como la poca resolución y detalle de los modelos virtuales limitados por el momento a 2000 polígonos y texturas de tamaños equivalentes a 512x512 píxeles ya que, la complejidad del algoritmo de registro, hace que el software requiera de dispositivos más potentes. Además la aplicación ensayada resultó muy sensible a los cambios de condiciones ambientales y de iluminación, y el registro menos preciso e inestable, incluso que los marcadores basados en librerías ARToolkit. En relación al tipo de representación superpuesta El modelo generado, como hemos dicho, carecía de gran parte de la definición de texturas y detalle que lo compone para permitir la generación de una escena medianamente estable. Ello implica que, la superposición del modelo resultara casi siempre artificial y poco creíble. Básicamente por la diferencia en las condiciones de iluminación entre el modelo virtual y su entorno real. Pero este efecto podría minimizarse con un cierto estudio de las condiciones de luz en que deberá verse el modelo, de manera que sería deseable la generación de un mismo modelo en distintas condiciones de iluminación en función de la orientación, horas del día, fecha, etc. La textura debería incorporar las condiciones de luz para cada a modelo generado, cosa fácilmente realizable con programas de modelado. En futuros estudios se ensaya esta posibilidad y se optimizan los modelos para su visualización con dispositivos móviles. Igualmente se consideró necesario, que en procesos educativos un solo marcador pudiera contener varios modelos, con el objeto de poder explicar un proceso constructivo, o poder comparar distintas hipótesis, sin necesidad de modificar el marcador. Esta opción es ensayada y descrita en los dos casos de estudio que utilizan la aplicación propia. Finalmente cabe comentar que, el hecho de que cualquier persona pueda vincular una imagen real con cualquier modelo presenta a su vez ventajas e inconvenientes. Por un lado se abre la puerta a las aplicaciones de RA en las redes sociales, pero en cambio, los modelos infográficos, o cualquier otro contenido multimedia que se vincule, podría 200 Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación.

27 carecer del rigor científico necesario,, apostando seguramente más por el espectáculo que el propio conocimiento del bien cultural (Gómez Robles & Quirosa García 2008). A modo de resumen se presentan las fortalezas y debilidades así como las oportunidades y amenazas detectadas en la realización de este estudio preliminar basado en el reconocimiento óptico de imágenes: Tabla 9 Esquema DAFO sobre el estudio de viabilidad efectuado en relación a la tecnología RA Fortalezas - Facilidad de uso - Sistemas asequibles y accesibles - Acceso a información adicional in situ de cualquier objeto y en cualquier momento Oportunidadesdes - Posibilidad de utilizar cualquier imagen del entorno como marcador. - Herramienta complementaria en procesos educativos Debilidades - Nivel de inmersión y realismo pobre. - Registro inestable en condiciones de luz poco favorables. - Relación distancia/ tamaño marcador insuficiente para visualizar elementos de un cierto tamaño Amenazas - La creación de contenidos de manera indiscriminada y el poco rigor de éstos puede afectar el uso de esta tecnología Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación. 201

28 202 Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación.

29 5 CAPITULO V. ESTUDIOS EXPERIMENTALES MEDIANTE PLATAFORMAS EXISTENTES BASADAS EN REGISTRO OPTICO. 5.1 INTRODUCCION En este capítulo se describen los estudios preliminares realizados con el objeto de evaluar la tecnología de RA en entornos docentes a partir de herramientas y software existente basadas en el reconocimiento óptico de imágenes para el registro de los objetos virtuales. Se realizaron un total de 3 estudios o ensayos prácticos, tanto en espacios exteriores como interiores. Todos ellos fueron llevados a cabo con aplicaciones informáticas libres, con licencia educacional, o low cost como Ar-media, BuildAr, Sketchup, Layar y Junaio, generando los modelos virtuales para ser representados en dispositivos móviles del tipo laptops,, por la economía del sistema empleado y su universalidad, y en algunos casos, se utilizaron teléfonos móviles y UMPC que requirieron conocimientos más profundos para la implantación de la tecnología, teniendo en algunos casos que desarrollar canales de información virtual para permitir r la visualización de los contenidos generados de manera ubicua. Estos estudios se desarrollaron dentro de distintas asignaturas de las carreras de Arquitectura e ingeniería de la edificación y se dividieron en dos partes: En una primera fase se realizaron n una serie de explicaciones teóricas sobre el uso de esta tecnología y el software a utilizar. Se impartieron los conceptos fundamentales sobre la tecnología, como sistemas de registro, renderizado, oclusión, sistemas de seguimiento (tracking), y se mostraron ejemplos de las aplicaciones más comunes implantadas en diversos campos, con el fin de que el alumno fuera consciente de las posibilidades que el uso de esta tecnología le ofrecía. En una segunda fase se plantearon ejercicios de carácter práctico para que el alumno desarrollara sus propios contenidos y fuera capaz de visualizarlos con el uso de la tecnología. Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación. 203

30 Se evalúan en todos los casos, la usabilidad de los sistemas empleados a partir de cuestionarios basados en la norma ISO , con el objetivo recoger datos referentes a la eficacia, eficiencia y grado de satisfacción de los usuarios y que junto al resto de cursos que forman parte de esta tesis sirvieron para evaluar la tecnología de acuerdo con la metodología general descrita anteriormente. Tabla 10 Resumen de estudio preliminares realizados mediante Software y plataformas existentes basadas en registro óptico Cursos /ejercicios Entorno Registro Marcador Software Dispositivo ESTUDIOS PRELIMINARES MEDIANTE SOFTWARE Y PLATAFORMAS EXISTENTES 1 BEST 2 DAC 3 EGIII Int./ Ext. Opt AR_toollkit / img AR_Media / Build AR /JUNAIO Int. Opt AR_toollkit AR_Media Int. Opt AR_toollkit AR_Media PC-port. / movil PC-port. PC-port. En los apartados que siguen se desarrollan cada uno de los cursos realizados. 204 Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación.

31 5.2 PRIMER ESTUDIO PRELIMINAR: WORKSHOP EUROPEO DE ESTUDIANTES TECNICOS. (BEST) La experiencia docente que se describe a continuación es la primera de las tres en que se basa la evaluación de la tecnología mediante aplicaciones existentes que utilizan el reconocimiento óptico de imágenes. Se realizó en el marco de la plataforma BEST 56 (Board of European Students of Technology) y fue llevada a cabo por alumnos internacionales provenientes de varias nacionalidades europeas, de edades comprendidas entre los 19 y los 24 años, y que cursan estudios relacionados con arquitectura e ingeniería. Fue realizada en la Escuela Politécnica Superior de Edificación de Barcelona durante los días 19 al 23 de Septiembre del En este primer estudio se pretendía iniciar la evaluación del uso de la tecnología de RA en los procesos de aprendizaje de los futuros ingenieros y arquitectos,, mediante la aplicación de una serie de herramientas relacionadas con dicha tecnología a partir de diversos ejercicios. Para ello los estudiantes generaban propuestas de intervención en el aula y fuera de ella, y debían ser visualizadas por otros alumnos en un entorno real, utilizando en este caso ordenadores portátiles y cámaras web. El detalle e del ejercicio y las primeras conclusiones pueden ser consultadas en Ernest Redondo, Sánchez Riera, et al. (2012). Igualmente un video resumen de la l experiencia realizada puede visualizarse en: Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación. 205

32 5.2.1 PLANTEAMIENTO La experiencia se planteó a partir de tres ejercicios, donde se el alumno debía ser capaz de transmitir a otros participantes una información adicional, generada por él y superpuesta a su entorno. Debía, de algún modo, completar la información del espacio que lo rodeaba. Así el curso se dividió en dos partes: En una primera fase se realizaron una serie de explicaciones teóricas sobre el uso de esta tecnología y el software a utilizar; y en una segunda fase se plantearon un total de tres ejercicios prácticos.. Todos ellos llevados a cabo con aplicaciones informáticas libres, con licencia educacional, o low cost como Armedia, BuildAr, Sketchup,, generando los modelos virtuales para ser representados en dispositivos itivos móviles del tipo laptops y Netbooks y en la medida de lo posible sobre tabletas y teléfonos de última generación, mediante la plataforma Junaio. Los pasos comunes para la realización de los ejercicios fueron los que se han descrito en la metodología general: 1. Formación sobre la tecnología a aplicar. En cada caso se procedió a la realización de clases teóricas con información sobre la tecnología a aplicar, software, sistemas, dispositivos, etc 2. Elaboración del modelo. Previa introducción de la actividad a realizar, cada participante seleccionaba un emplazamiento (ejer 1) o una zona del espacio interior (ejer 2) y exterior de la escuela (ejer 3) y recreó su modelo o propuesta virtual, eligiendo diversos niveles o capas de información que mostrar. El conocimiento del modelado de objetos virtuales se supuso ya adquirido durante su formación como ingenieros o arquitectos en las asignaturas cursadas relacionadas con el uso herramientas infográficas para representar y manipular imágenes y modelos virtuales. 3. Registro y presentación de la información: Una vez resueltos y debatidos en cada caso especifico los problemas de modelado, registro, texturizado, iluminación y oclusión, inherentes a esta tecnología, se procedió al registro (posicionamiento) del modelo en su ubicación real (aula, espacio interior de la escuela o espacio exterior) utilizando dos 206 Evaluación de la tecnología de realidad aumentada móvil en entornos educativos del ámbito de la arquitectura y la edificación.