Prototipo para navegación de ambientes tridimensionales utilizando Blender

VII Congreso Internacional en Innovación y Desarrollo Tecnológico,. Prototipo para navegación de ambientes tridimensionales utilizando Blender B. Zayas, miembro IEEE, J. Romero Lima y Eduardo Islas Pérez Resumen: Actualmente, el software para diseño asistido por computadora ofrece la funcionalidad para visualizar y crear recorridos virtuales con trayectorias fijas de ambientes virtuales tridimensionales. Sin embargo, este tipo de visualización no permite al usuario la libre exploración ni interacción con el ambiente virtual. En este artículo, se presenta un prototipo rápido como solución alternativa para la visualización y navegación de escenas tridimensionales creadas con software para diseño asistido por computadora. El prototipo se implementó con Blender y Blender Game Engine con la finalidad de explorar el uso de software libre para el desarrollo de aplicaciones que permitan intercambio de datos con software para diseño asistido por computadora y el desarrollo de funcionalidad de navegación no disponible en herramientas comerciales. Por ejemplo, el uso de una técnica de videojuegos permitió mejorar substancialmente la navegación en un ambiente con geometría compleja. Palabras clave: navegador tridimensional, aplicación Blender, CAD y realidad virtual. Abstract: Currently, compute-aided design software offers the functionality to visualize and to create fixed virtual walkthroughs of three-dimensional virtual environments. However, this type of visualization does not allow the user to perform free exploration nor interaction with the virtual environment. In this paper, a rapid prototype for visualization and navigation of tridimensional scenes created with computer-aided design software is presented. The prototype was implemented with Blender and Blender game engine aiming to explore free software to develop applications for data exchange with computer-aided software and Benjamín Eddie Zayas Pérez Jesús Romero Lima Eduardo Islas Pérez Instituto de Investigaciones Eléctricas Av. Reforma No. 113 Col. Palmira, Cuernavaca, Morelos 62490 México zayas@iie.org.mx, radiant.zero@gmail.com, eislas@iie.org.mx to develop navigation functionality not available in commercial tools. For instance, the use of a videogame technique improved substantially the navigation through a virtual environment with a complex geometry. Keywords: virtual walkthroughs, Blender application, CAD and virtual reality. Introducción Actualmente las herramientas de diseño asistido por computadora (CAD, computer-aided design) cuentan con capacidad de visualización y recorridos virtuales con trayectorias fijas. Es decir, se pueden visualizar escenas tridimensionales desde diferentes perspectivas, así como generar una secuencia de fotogramas de un video para visualizar ambientes virtuales por medio de un recorrido virtual. Sin embargo, este tipo de visualización presenta la desventaja de no permitir la exploración libre de la escena, es decir, el recorrido se define previamente. Además, el ambiente tridimensional tampoco ofrece características de interactividad. Recientemente, el software CAD ofrece herramientas complementarias que permiten recorridos libres y otras características funcionales que apoyan una mejor navegación de escenas tridimensionales. Por ejemplo, Nemetschek ofrece Cinema4D para Allplan, y Autodesk, NavisWorks para Revit. Sin embargo es necesario exportar los modelos tridimensionales (3D) del software CAD, al formato geométrico de la herramienta de visualización para permitir el manejo de la interactividad. Comúnmente las herramientas de diseño CAD se enfocan principalmente a la precisión de los modelos, pero no consideran otros factores como la velocidad de despliegue a fin de proporcionar una respuesta apropiada del sistema durante la navegación [1]. Excesivos detalles en el modelo geométrico significa un incremento en el tiempo necesario para el despliegue gráfico o renderizado, de tal manera que deteriora la experiencia del usuario [2]. Este 490 Pag. 1

intercambio de datos conlleva a una serie de obstáculos técnicos que se deben superar, tales como la complejidad geométrica de las escenas, el desempeño de la herramienta de visualización y la interacción requerida para una aplicación en particular; así como el costo asociado al pago de una licencia comercial. En este artículo se presenta un prototipo rápido como solución alternativa para la visualización y navegación de escenas tridimensionales que fueron creadas con software CAD. El prototipo se implementó utilizando Blender con la finalidad de explorar el uso y alcance del software libre para el desarrollo de aplicaciones que permitan intercambio de datos con software CAD y la implementación de funciones que no ofrecen herramientas comerciales. Trabajos relacionados El proceso de intercambio de datos para visualización y navegación en ambientes virtuales desarrollados mediante una herramienta CAD ha sido abordado en varias ocasiones utilizando distintos enfoques. Entre los enfoques que más se han utilizado esta la integración del ambiente de visualización con herramientas CAD [3] y la exportación del modelo CAD al ambiente de realidad virtual [4,5]. En [1] se presenta la integración de AutoCAD con una aplicación de realidad virtual para crear y manipular modelos CAD con tecnología de realidad virtual y visualización de modelos en un ambiente virtual inmersivo. En este enfoque, la aplicación permite modificar los modelos dentro de la misma herramienta. Sin embargo, tiene la desventaja de requerir de la implementación de un módulo de visualización desarrollado expresamente para una herramienta CAD en particular. El segundo enfoque consiste en realizar el modelado dentro de la herramienta CAD y después exportar los modelos a una herramienta de navegación, sin embargo este enfoque presenta el inconveniente de regresar a la herramienta CAD cada vez que se requiere realizar algún cambio en el modelo 3D. Dicha aproximación, aunque ofrece una solución, no resuelve el problema de regresar a la herramienta CAD cada vez que se necesita efectuar algún cambio en los modelos debido a que la herramienta de navegación no provee los medios para modificar el ambiente virtual. En [4], se ha reportado la dificultad de lograr una solución con software de videojuegos debido a los problemas de incompatibilidad de formatos geométricos entre aplicaciones. Una alternativa, fue explorar un ambiente integrado que permita importar modelos 3D, efectuar cambios y proporcione la facilidad para navegar e interactuar con el ambiente virtual de una manera fácil y poco esfuerzo para implementar funcionalidad adicional. Esta posibilidad se exploró con el ambiente de desarrollo, Blender. Recientemente, la tecnología de videojuegos ha contribuido al desarrollo de aplicaciones para la industria [6,7,8]. Los juegos de computadora presentan ambientes virtuales con características de interacción amigables y simulaciones realistas. Los videojuegos ofrecen una tecnología robusta que ha sido probada en términos de usabilidad y desempeño [9,10]. Tales plataformas de desarrollo permiten la reutilización de la tecnología de videojuegos, incluyendo el renderizado 3D en tiempo real, dibujo en 2D, sonido, control de dispositivos y simulación física y dinámica de eventos [11]. Los beneficios obtenidos con la navegación a través de ambientes virtuales están bien documentados en la literatura. Existen actualmente una gran variedad de aplicaciones donde se obtienen enormes beneficios con el uso de software de visualización 3D, desde aplicaciones en el sector eléctrico hasta aplicaciones militares, medicas, ingeniería, manufactura, por nombrar solo algunas. Por ejemplo, en [2] y [12] se muestran los beneficios de navegar e interactuar con los equipos de una subestación eléctrica virtual. Blender y Blender Game Engine Blender es un programa dedicado especialmente al modelado y creación de gráficos 3D distribuido como software libre bajo la licencia GNU GPL; puede ser usado para modelado 3D, texturizado, animación, renderizado, simulación utilizando partículas, animación no-lineal, composición y creación de aplicaciones interactivas 3D entre otras [13]. Blender está disponible para una gran variedad de sistemas operativos incluyendo Windows, Linux, MacOS, entre otros [13]. Una de las principales características de Blender es la integración con un motor de física y un motor de videojuegos, lo cual permite la creación de aplicaciones interactivas 3D de manera rápida y sencilla mediante el uso de bloques de Pag. 2

acción y scripts. También cuenta con una gran variedad de scripts para importar y exportar modelos 3D de otras herramientas de modelado. En conjunto, las características de Blender permiten importar modelos creados en otra herramienta, realizar modificaciones a los mismos en caso de ser necesarias y configurar una aplicación interactiva 3D sin la necesidad de utilizar otra herramienta, una vez que se han introducido los modelos en Blender. La Figura 1 muestra la interfaz de Blender. Herramienta CAD (Allplan 2006) Modelo CAD del ambiente 3D Conversión de formatos (3D Studio Max) Importar Modelos Exportar Modelos BLENDER PUBLICACIÓN DEL AMBIENTE COMPLETO PROGRAMACIÓN DE SCRIPTS DE CONTROL DEFINICIÓN DE SENSORES Y ACTUADORES DEL AVATAR Y LA CÁMARA ILUMINACIÓN DE LA ESCENA MODELADO Y ANIMACIÓN DEL AVATAR MODELADO DE DUMMYS PARA DETECCIÓN DE COLISIONES TEXTURIZADO DEL AMBIENTE VIRTUAL Navegación 3D con avatar Figura2. Flujo de trabajo del desarrollo del prototipo. Modelado 3D Los modelos utilizados para probar el prototipo fueron desarrollados con el software CAD Allplan versión 2006 de la compañía Nemetschek [14], cuyas características facilitan la construcción de modelos de plantas industriales, edificios y otras obras civiles. Allplan permite la definición de materiales y texturas para modelos 3D, sin embargo la asignación de texturas está limitada a un solo material por cada objeto y una textura por cada material sin permitir el mapeo UV de texturas. Esta deficiencia se debe a que Allplan está orientado principalmente para el diseño en el área de arquitectura, no obstante demostró su versatilidad para el diseño de componentes de subestaciones eléctricas (ver Figura 3). Figura1. Pantallas de Blender Game Engine [13]. Prototipo rápido El prototipo que se presenta en este artículo se desarrolló en el contexto de un proyecto para el diseño de instalaciones para la industria eléctrica basado en diseño asistido por computadora y visualización tridimensional. El tipo de navegación que se implementó fue en la modalidad de navegación mediante un avatar con detección de colisiones entre el avatar y el ambiente virtual, así como entre la cámara y el mismo ambiente virtual para evitar que esta sea obstruida durante la navegación. En la Figura 2 se presentan las fases de desarrollo del prototipo. Figura 3. Ejemplo de modelo desarrollado con el software Allplan. Pag. 3

Exportación de modelos 3D Allplan cuenta con una ventana de pre-visualización pero carece de una herramienta integrada para la navegación libre de los ambientes virtuales desarrollos. Una de las principales limitaciones de Allplan es la capacidad para exportar modelos individuales y ambientes completos a otras herramientas. Ofrece solamente tres formatos geométricos: 3ds (3D Studio Max), c4d (Cinema4D) y VRML97. Los mejores resultados de exportación se obtienen con el formato c4d, por lo que la opción natural de visualización es Cinema4D. Cinema4D es una herramienta de modelado 3D no CAD, la cual cuenta con un plug in que permite la navegación libre a través de ambientes 3D, pero no cuenta con la capacidad para realizar navegación interactiva con un avatar. Los resultados de las pruebas efectuadas demostraron que su desempeño es muy lento con ambientes virtuales con una gran cantidad de polígonos. Por estas desventajas técnicas, Cinema4D aun no es una opción viable para la navegación tridimensional. El formato VRML97 tampoco representó una solución porque los archivos no pudieron ser importados ni pudieron ser visibles en ningún visualizador de VRML debido a la gran cantidad de polígonos. También se importaron con dificultad en Blender, Cinema 4D y 3D Studio Max. De las tres opciones disponibles, la más viable fue usar el formato 3ds. No obstante que Blender cuenta con un script para importar este formato geométrico, no fue posible impórtalo de forma directa; alternativamente se importó a 3D Studio Max y después se exportó a Blender utilizando el mismo formato. En este caso particular, el formato 3ds mantuvo por completo la información geométrica de los modelos y la mayor parte de la información de materiales tales como colores y transparencia. Sin embargo, fue necesario realizar nuevamente el proceso de texturizado de los modelos debido a que no se conservaron las coordenadas de las texturas durante el intercambio de información entre aplicaciones. Complejidad geométrica Una de las particularidades de los ambientes virtuales de instalaciones industriales es la gran cantidad de polígonos que los componen. Por ejemplo, el ambiente que se utilizó para probar el prototipo cuenta con más 760,000 polígonos. El despliegue y manejo de tal cantidad de polígonos demanda recursos gráficos de cómputo que afectan considerablemente el desempeño de la aplicación y la interacción usuario-aplicación. Por lo que es recomendable optimizar la geometría de los modelos CAD. Para reducir el numero de polígonos, se pueden emplear distintas técnicas de modelado, texturizado e iluminación como es el caso de los normal maps y shaders combinados con modelos de menor complejidad geométrica. Estas técnicas simplifican el renderizado sin la pérdida del realismo visual [2]. Sin embargo, de acuerdo al desarrollo del proyecto, el propósito fue mantener los modelos generados de la aplicación CAD sin modificaciones como el modelo que se muestra en la Figura 4. Figura 4. Vista en modo malla de un modelo utilizado en el prototipo. Detección de colisiones Una de las funciones que deben efectuar un visualizador interactivo durante el proceso de navegación, es la detección de colisiones. Esta tarea consiste en comprobar si los objetos colisionan entre sí, así como la colisión con el objeto visor de navegación. La tarea incluye el cálculo del punto exacto de la colisión cada vez que se actualiza la pantalla. La detección de colisiones es una de las tareas que consumen más recursos de procesamiento debido a que Pag. 4

esta tarea se efectúa concurrentemente con el renderizado. Con la finalidad de comparar la eficiencia del manejo de colisiones de la aplicación desarrollada, se efectuaron pruebas con Cinema4D y Blender. En el caso de Cinema4D, la carga impuesta para detectar colisiones no permitió navegar apropiadamente obteniéndose como resultado una navegación discontinua menor a 10 cuadros por segundo. Utilizando el mismo ambiente virtual para navegación, se probó el prototipo implementando con Blender. Las pruebas mostraron también un desempeño pobre de aproximadamente 12 cuadros por segundo. Para reducir la carga de procesamiento provocada por la detección de colisiones, se deshabilitó el atributo de colisiones del ambiente virtual en su conjunto. En su lugar se modeló una geometría más sencilla utilizando material transparente la cual envuelve cada uno de los objetos (ver Figura 5). De esta manera, la prueba de colisión solamente se efectúa con el poliedro que contiene a todos los objetos que conforman un módulo de objetos, reduciendo el número de pruebas de colisión en aproximadamente un 90%. Al reducir el número de polígonos con los que se tiene que probar las colisiones, se obtuvo una navegación más fluida de hasta 25 cuadros por segundo. La técnica utilizada para mejorar el desempeño de la detección de colisiones está inspirada en una técnica llamada ragdoll, utilizada en el desarrollo de videojuegos para aliviar la carga del CPU al momento de realizar simulaciones físicas con cuerpos complejos. Esta técnica utiliza una colección de objetos rígidos de poca complejidad (cubos, esferas, capsulas, etc.) para simular el comportamiento físico de los actores de un ambiente virtual (generalmente personajes o criaturas). Los sensores o bloques de control proporcionan información sobre los eventos realizados por el usuario, es decir, teclas presionadas o movimiento del cursor del mouse. Los sensores también responden a los eventos de detección de colisiones de la cámara con la geometría del ambiente virtual. Tres scripts programados con Python se encargan de procesar la información obtenida de los sensores. El primero se encarga de habilitar la locomoción del avatar (caminar o permanecer quieto); indica la dirección en la cual el avatar avanzará o girará. El segundo script procesa la detección de colisiones de la cámara; en caso de colisión con un objeto que impida la visibilidad, posiciona la cámara en el punto en el que se detectó la colisión para evitar áreas no visibles. El tercer script controla el movimiento de la cámara mediante el mouse para facilitar la navegación de una forma natural. Los actuadores se encargan de realizar el movimiento del avatar de acuerdo a los resultados obtenidos en los scripts. Navegación mediante avatar Para que la navegación fuese más realista, se creó un avatar para navegación en el modo de tercera persona, el cual fue modelado y animado con Blender. Blender cuenta con dos modos de visualización, una para desplazarse caminando, y la otra para permanecer parado estáticamente pero moviendo la cabeza ocasionalmente para indicar que está activo. El control del avatar que se muestra en la Figura 5 se realiza mediante sensores, scripts y actuadores: Figura 5. Muestra de la geometría utilizada para realizar la detección de colisiones en la escena. El color claro en el contorno de los objetos muestra los envolventes agregados para reducir el número de polígonos para el cálculo de detección de colisiones. Pag. 5

Las Figuras 6 y 7 muestran imágenes del ambiente virtual navegando con el avatar desarrollado. Figura 6. Vista de la navegación a través de la ambiente virtual con el avatar desarrollado. por lo que se implementó un prototipo rápido que permitió explorar la capacidad del software libre y gratuito para el desarrollo de navegadores. Particularmente, se demostró que Blender cuenta con un ambiente integrado el cual facilita la implementación de éste tipo de aplicaciones. Asimismo, la aplicación de una técnica de videojuegos permitió una mejora substancial comparada con el despliegue lento de Cinema4D. Aunque el prototipo rápido permitió explorar la capacidad de Bleder para navegación interactiva, el futuro desarrollo del prototipo considera la ampliación de su funcionalidad, por ejemplo, incrementar el número de acciones realizadas por el avatar animado, agregar elementos interactivos al ambiente virtual, simulación de eventos y mayor uso del sistema de materiales en tiempo real de Blender (Normal maps, Light maps, etc) entre otras. También se contempla una comparación formal con otras herramientas de visualización y navegación comerciales. Referencias [1] D. Martínez, S. Castro, X. Fernández, et al., Virtual Reality System for Industrial Training en International Symposium on Industrial Electronics, ISIE 2007 Conference proceedings, (Vigo Spain), pp. 1715-1720, IEEE, 2007. [2] G. Romero, J. Maroto, J. Felez, et al., Virtual reality applied to a full simulator of electrical sub-stations, Electric Power Systems Research IEEE, vol. 78 (3), pp. 409-417, Marzo 2008. [3] Gh. Oancea, F. Gîrbacia, A. Nedelcu. Software module for data exchange between AutoCAD and virtual reality systems, en Product Engineering: Tools and Methods Based on Virtual Reality, pp. 383-394, Springer Science, Netherlands, 2008,. [4] B. E. Zayas Pérez, J. L. Bahena Rada, J. Romero Lima, E. Islas Pérez. Diseño de un ambiente virtual para visualización y navegación tridimensional en Memorias del 6º Congreso Internacional en Innovación y Desarrollo Tecnológico, (Cuernavaca Morelos, México), IEEE, 2008. Figura 7. Perspectiva del ambiente virtual con el cual se probó el prototipo. Conclusiones y trabajos futuros El software para el diseño asistido por computadora se encuentra en el proceso de integrar herramientas de navegación propias al ambiente de modelado. En el caso que se describió en este artículo, Allplan y Cinema4D no resolvieron el problema de navegación [5] J. Herder, R. Wörzbergery, U. Twelkerz y S. Albertz, Use of Virtual Environments in the Promotion and Evaluation of Architectural Designs, Journal of Three Dimensional Images, vol. 16, pp.117-122, Japan Science and Technology Agency, 2002. [6] E. Badique, M. Cavazza, G. Klinker, G. Mair, et al. Entertainment applications of virtual environments en K.M. Stanney (Ed.), Handbook of Virtual Environments, New Jersey, USA: Lawrence Erlbaum Associates, pp.1143 1166, 2002. [7] M. Zyda, From visual simulation to virtual reality to games, IEEE Computer, pp.25 32, septiembre 2005. Pag. 6

[8] S. P. Smith y D. Trenholme, Rapid prototyping a virtual fire drill environment using computer game technology, Fire Safety Journal, vol. 44 (4), pp.559-569, Elsevier Ltd, 2009. [9] G. Lepouras y C. Vassilakis, Virtual museums for all: employing game technology for edutainment, Virtual Reality, vol. 8 (2), pp.96 106, 2004. [10] M. Virvou y G. Katsionis, On the usability and likeability of virtual reality games for education: The case of VR-ENGAGE, Computers & Education, vol. 50 (1), pp. 154-178, 2008. [11] M. Lewis y J. Jacobson, Game engines in scientific research, Communications of the ACM, vol. 45(1), 2002, pp. 27 31. [12] E. Arroyo y J. L. Los Arcos, SRV: A Virtual Reality Application to Electrical Substations Operation Training, en IEEE International Conference on Multimedia Computing and Systems, vol. 1, pp 9835-9841, IEEE, 1999. [13] Blender home page, obtenido el 10 de noviembre del 2008: http://www.blender.org/. [14] Allplan home page, obtenido el 6 de agosto del 2008: http://www.allplan.com/en/home. Jesús Romero Lima Ingeniero en Sistemas Computacionales egresado del Instituto Tecnológico de Zacatepec, en el 2008. Recientemente realizó estancias de prácticas profesionales y adiestramiento en investigación tecnológica en el Instituto de Investigaciones Eléctricas. Eduardo Islas Pérez Egresado del Instituto Tecnológico de Pachuca de la carrera de Ingeniería Industrial en Eléctrica (1987-1992), Maestro en Ciencias Computacionales con especialidad en Inteligencia Artificial por la Facultad de Física de la Universidad Veracruzana y el Laboratorio de Informática Avanzada (1998-2000). En el año 2000 realizó una estancia en la Universidad de Auburn en Alabama para el desarrolló de su tesis de maestría. Benjamin Eddie Zayas Pérez Licenciado en Ciencias de la Computación egresado de la Universidad Autónoma de Puebla en 1990. En 1995 obtuvo el grado de maestro en Sistemas Computacionales Centrados en el Humano y en el 2005 el Doctorado en Inteligencia Artificial y Ciencias de la Computación, ambos grados en la Escuela de Ciencia y Tecnología de la Universidad de Sussex, Inglaterra. Desde 1990 ha sido investigador del Instituto de Investigaciones Eléctricas. Pag. 7