Visualização Distribuída de Plantas de Processo de Manufatura em Ambientes Imersivos: Um Caso de Estudo na

Construção Naval/Offshore

Danúbia Espíndola FURG

Av. Italia s/n – Campus Carreiros

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dmtdbe@furg.br

Silvia Silva da Costa Botelho

FURG Av. Italia s/n – Campus

Carreiros 555332336875

silviacb@furg.br

Jônata Tyska FURG

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Nelson Duarte FURG

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ABSTRACT This paper proposes a methodology for the distributed visualization of Manufacturing Processes. The methodology consider the use of a group of tools capable to propitiate the immersive visualization of virtual sceneries, in which CAD projects and simulations obtained from manufacturing tools are used in the industry. The proposal is validated in a real case study associated of Shipbuilding and Offshore Industries.

1. INTRODUÇÃO A computação está cada vez mais presente nas diferentes áreas e setores produtivos. Nas últimas décadas, uma série de conceitos, técnicas e ferramentas computacionais, denominadas de manufatura digital, vem sendo utilizadas ao longo de toda a cadeia de produção industrial.

A manufatura digital abrange as etapas de planejamento e projeto, os processos de detalhamento e validação, o desenvolvimento de recursos de modelagem e simulação e por fim, a extração dos dados de manufatura e instruções de trabalho. Associados ao projeto mecânico e concepção do produto, sistemas de CAD1/CAE2/CAM3 estão presentes no desenvolvimento de produtos simples até complexas estruturas e equipamentos.

Com base em conceitos de Engenharia de Produção, Ferramentas de Simulação estão sendo utilizadas visando a análise do fluxo de materiais, recursos e processos, determinação de seqüências ótimas de fabricação, planejamento de manutenção, dentre outros. Modelos completos de plantas de manufatura podem ser concebidos e simulados na considerada nova geração de ferramentas de manufatura digital (DMU-Digital Mock-Up).

Produtos como QUEST/DELMIA[12], ARENA [17], PROMODEL [3], consideradas tecnologias DMU, permitem desde macro-análises do processo de fabricação de um determinado produto, até a verificação de gargalos e situações críticas específicas, como por exemplo a seqüência de montagem de um determinado componente.

Algumas destas ferramentas, como por exemplo o QUEST/DELMIA, contemplam o desenvolvimento de cenários 3D. Estes cenários, uma vez concebidos e manipulados por tecnologias advindas da Realidade Virtual (RV), permitem a

1 CAD- Computer Aided Design – Projeto Assistido por Computador 2 CAE – Computer Aided Engenieer – Engenharia Assistida por Computador 3 CAM – Computer Aided Manufacturing – Manufatura Assistida por Computador

visualização tridimensional da planta, garantindo uma interface realística e interativa das diferentes etapas do processo de produção.

O termo RV abrange tecnologias de interatividade e projeção tridimensional imersivas bem como não imersivas, centralizadas ou distribuídas como por exemplo CAVES4 (cavernas digitais). Nas CAVES, a imagem final apresentada ao observador é formada pela composição de imagens projetadas por múltiplos dispositivos de visualização distribuída. Cada uma dessas imagens contém uma parte da imagem total, obtida a partir de um processo de renderização simultânea do ambiente virtual sobre os diversos dispositivos de visualização. Assim, cada dispositivo age como uma janela para o ambiente virtual. A utilização de tal configuração possibilita, entre outros aspectos, o aumento do grau de imersão e integração do usuário do sistema com o ambiente virtual apresentado [16].

Devido à natureza distribuída dos atuais processos de construção e comissionamento de grandes estruturas e produtos, a possibilidade de reprodução remota, virtual e interativa de plantas de manufatura torna-se um aspecto importante capaz de determinar o (in)sucesso dos consórcios envolvidos e encomendas estabelecidas. Recursos tecnológicos de RV associados aos recentes Sistemas de Simulação de Processos e Produção surgem como um novo paradigma capaz de integrar diferentes níveis da cadeia de produção, distribuídos geograficamente e temporalmente de forma a enfrentar desafios de custo, entendimento e tempo. Se nas últimas décadas os benefícios advindos da RV e sua integração com os Sistemas Digitais de Manufatura focalizaram-se no produto, agora parte-se para seu uso na modelagem e simulação das plantas de manufatura como um todo. Grandes conglomerados industriais, como por exemplo a indústria automobilística (Volkswagen, Ford e General Motors), a indústria aeronáutica (Airbus, Embraer) e indústria offshore/naval estão integrando ao seu processo de manufatura conceitos de RV. [15][21]

Neste contexto surgem novos desafios tais como o desenvolvimento de ferramentas capazes de integrar os diferentes Sistemas de Manufatura Digital hoje existentes distribuídos geograficamente, o tratamento de cenários animados em tempo real representando a dinâmica da planta, a necessidade de tratamento de situações realísticas de interação tais como colisão de obstáculos, o acionamento de dispositivos, a percepção de situações de risco, para citar alguns. Entretanto, ainda são escassas as soluções capazes de a partir de modelagens e simulações desenvolvidas, criar ambientes imersivos onde tais características estejam presentes.

4 CAVE – Cave Automatic Virtual Environment

Sendo assim este trabalho propõe uma solução de baixo custo envolvendo um conjunto de ferramentas para a visualização imersiva distribuída em ambientes de multi-projeção (CAVEs) de plantas de manufatura, a partir de modelos e simulações desenvolvidos. Tais soluções são implementadas e validadas em um caso específico de estudo associado a Indústria de Construção Naval/Offshore.

Inicialmente este artigo apresenta de forma detalhada os desafios associados ao problema, bem como um conjunto de soluções existentes para o seu tratamento. Após, com base em modelos e simulações desenvolvidas na ferramenta QUEST/DELMIA, são abordadas questões relativas às etapas de modelagem, conversão, visualização e interatividade do modelo. Finalmente, um conjunto de experimentos foi realizado validando a proposta dentro do projeto FINEP/Estruturante SIMULAÇÃO DE SISTEMAS DE CONSTRUÇÃO NAVAL.

2. A VISUALIZAÇÃO DE MODELOS E SIMULAÇÕES DE PLANTAS DE MANUFATURA O processo de visualização utilizando recursos de RV em tempo real de modelos e simulações de plantas de manufatura abrange um conjunto de desafios e questões a serem tratadas. Da concepção do modelo virtual da planta e sua simulação até o efetivo uso da visualização distribuída imersiva, podem-se enumerar as seguintes etapas associadas: i. Modelagem, ii. Conversão, iii. Visualização e iv. Interatividade (ver figura 1, detalhada na próxima sessão).

Modelagem. Tal etapa refere-se a criação do modelo virtual da planta, a partir de sua modelagem e simulação da dinâmica de produção, envolvendo os seguintes aspectos:

• o estudo e desenvolvimento de técnicas de modelagem e simulação de processos de produção. Atualmente a modelagem e simulação de plantas de manufatura podem ser implementadas através do uso de algumas ferramentas comerciais. Tais sistemas apresentam diferentes níveis de qualidade em termos de interface de visualização. As plantas de manufatura podem incorporar detalhados arquivos CAD (2D, 3D) resultantes do projeto mecânico de seus produtos, até esquemáticos de funcionamento de suas máquinas e animações de seus operários durante o processo de montagem.

• definição do cenário virtual: entretanto, em muitas destas ferramentas os componentes básicos de Ambientes Virtuais como as entidades que o compõem, sua descrição geométrica,

aparência e comportamento não são claramente definidos. Muitos dos Sistemas de Manufatura comerciais permitem apenas a exportação de cenários em formatos simples de descrição de vídeo como AVI e MPEG, outros de forma mais elaborada, através de linguagens de modelagem de ambientes virtuais como o VRML. Como o intuito principal é a análise dos processos de produção, na maioria dos casos, os modelos exportados possuem informações desnecessárias para a utilização em RV, e por outro lado, carecem de recursos fundamentais para a visualização, como texturas e simplificações de superfície.

Conversão. Tal etapa engloba questões relacionadas a simplificação do modelo 3D gerado na etapa de modelagem. Basicamente são pontos a serem tratados:

• definição do conjunto de atributos associados ao modelo virtual e suas entidades a serem fornecidos a API. Tal definição pode ser estática (offline) ou aplicada em tempo real de visualização.

• necessidade de redução de complexidade das informações que constituem o modelo virtual. Tal questão, já relevante no caso genérico de Aplicações em RV, assume maior importância quando relacionada a Manufatura Digital, tendo em vista que as ferramentas de Modelagem e Simulação do Processo Industrial não são desenvolvidas com o objetivo principal de concepção de cenários virtuais e sua visualização distribuída. A diversidade de formatos exportados e o número de estruturas geométricas associadas as diferentes entidades do cenário podem tornar proibitiva a renderização das cenas a serem visualizadas.

Visualização. Com o objetivo de propiciar uma visualização mais realística em termos de imersão estabelece-se a utilização de visualização distribuída em n planos. Abordagens tradicionais para o tratamento de multi-projeção fazem uso de sistemas especializados, que utilizam arquiteturas de hardware dedicado para controlar os múltiplos dispositivos de visualização. Algumas questões específicas de visualização distribuída devem ser averiguadas:

•••• A manutenção da consistência relacionada aos estados das entidades, seus atributos e convergência do estado dinâmico corrente destes entre os n planos projetados.

•••• A sincronização dos diferentes relógios virtuais associados aos diferentes componentes físicos do sistema, de forma a manter coerente a visualização dos cenários dinâmicos e sua relação com a taxa de amostragem dos quadros.

•••• O desempenho do sistema frente a relação número de entidades e número de planos de projeção.

Interatividade. Os sistemas de Visualização de Processos envolvendo aspectos de RV devem fornecer suporte a diferentes graus de interatividade. No caso de cenários associados a plantas de manufatura o tratamento de colisões, o uso de equipamentos, a percepção das características do ambiente através de texturas e sons, são fatores importantes e devem estar previstos.

Atualmente, as etapas e processos especificados não são tratados por nenhuma ferramenta única, inexistindo uma metodologia que parta da modelagem e forneça o sistema visual final distribuído. Entretanto muitos são os estudos e técnicas associados a cada questão de forma individual.

Por exemplo o Sistema QUEST/DELMIA permite a modelagem e simulação de plantas de manufatura e sua exportação em VRML. Utiliza-se o modelo em VRML como estrutura para conversão Modelo-RV. Tal processo mostra-se custoso e ainda estando longe de ser automático.

Além disso, mesmo voltadas para cenários estáticos, algumas ferramentas especializaram na transcrição CAD-RV. WalkInside [31] e Division Reality [22] são algumas destas soluções comerciais. WalkInside oferece suporte a detecção de colisões e

simulações de gravidade, possuindo melhores taxas de frames por segundo (fps) do que o Division Reality. Este último pode ser utilizado para ambientes imersivos tipo CAVE, suportando a manipulação direta de objetos, característica interativa essencial para operações de treinamento de funcionários e manutenção de equipamentos.

Existem ainda sistemas desenvolvidos para visualização de modelos CAD, que também tratam a transcrição CAD-RV, como por exemplo o ENVIRON[9] que associados a uma ferramenta para aplicações de Realidade Virtual permitem a visualização de modelos CAD em ambientes de RV. VRJuggler[4] e Viral[2] são exemplos de ferramentas para aplicações de Realidade Virtual. O VRJuggler possui código aberto, é multi-plataforma e multi-dispositivos. Entretanto grande parte de sua configuração é feita de forma manual e através da edição de arquivos. Também tal ferramenta depende de muitas bibliotecas externas, dificultando sua compilação. Uma aplicação desenvolvida com o VRJuggler é completamente imersiva, ou seja, não é possível utilizar ao mesmo tempo o VRJuggler e um sistema de diálogos convencional (menus, listas, botões). A reconfiguração em tempo de execução é limitada. [27] O Viral é um sistema equivalente ao VRJuggler, com uma interface gráfica de configuração mais amigável, mas exigindo conhecimentos de orientação a objeto.

Além disso, a obtenção de um Ambiente Virtual adequado passa pela definição dos atributos relacionados as suas entidades bem como a redução de complexidade da sua representação. Entre as ferramentas conhecidas para estas finalidades, pode-se citar World-Up[26] e 3DStudioMax[13]. Ambas reconhecem diversos formatos de arquivos, têm suporte a periféricos 3D e incluem o paradigma da orientação a objeto.

Outra possibilidade relacionada a sistemas para visualização de cenários virtuais é a utilização de Game Engines. Destes pode-se citar o Unreal Tournament [15] e o Quake[25] que além de possuírem código parcialmente aberto para modificações, fornecem cenários com alto nível de detalhamento, alta velocidade de processamento e robusta transmissão em rede, suportando visualização distribuída. Tais características conduziram a utilização de Game Engines em diferentes propostas e trabalhos acadêmicos e comerciais. [5][23][21][6][7][18] O Unreal Tournament(UT), em conjunto com outras técnicas apresentadas a seguir, foi utilizada no estudo de caso deste trabalho.

3. UMA METODOLOGIA PARA VISUALIZAÇÃO DISTRIBUÍDA DE PLANTAS DE MANUFATURA VIRTUAIS A PARTIR DE MODELOS E SIMULAÇÕES Com base nas questões levantadas na sessão 2, apresenta-se uma metodologia capaz de possibilitar a visualização distribuída de Processos de Manufatura a partir de modelos e simulações obtidas de ferramentas comerciais utilizadas pelo setor produtivo. Mais precisamente, estabelece-se como caso de estudo empresas de projeto, construção e comissionamento de produtos de alto valor agregado como navios e plataformas offshore.[19]

A proposta faz uso de uma série de técnicas e ferramentas existentes que integradas devem apresentar as seguintes características:

• heterogeneidade: a qualidade e consistência da visualização deve ser garantida independentemente dos diferentes tipos de hardware utilizados.

• escalabilidade: o desempenho do sistema deve ser independente do número de planos utilizados na projeção distribuída.

• portabilidade: a metodologia pode ser aplicada a diferentes tipos de plataformas de hardware e software, bem como diferentes padrões e formatos de dados.

• baixo custo de implementação.

Para esquematizar a metodologia proposta neste experimento criou-se um organograma do fluxo de técnicas e ferramentas utilizados na proposta, conforme figura 1. Retoma-se aqui as etapas descritas na sessão 2, adequando-se ao caso de estudo. Partindo-se de plantas de projeto CAD e modelos de simulação de processo, aplica-se técnicas de redução de complexidade e conversão visando a obtenção de cenários virtuais com seus componentes e atributos. A idéia é visualizar tais cenários em ambiente distribuído através da utilização da Engine do jogo Unreal Tournament. Tal Engine fornecerá a estrutura necessária para definição de atributos (através de editor específico), renderização e multi-projeção, bem como recursos de interatividade necessárias a aplicação. A seguir o detalhamento de cada uma das etapas.

Modelagem. Inicialmente supõe-se que esteja sendo utilizada alguma ferramenta DMU de modelagem e simulação de Processos Industriais. Tal ferramenta poderá importar diferentes arquivos no formato CAD, oferecer biblioteca para criação de entidades animadas (toda entidade que possui movimento) e outros recursos visando o projeto mecânico de equipamentos, estudo do fluxo de produção do produto, ergonometria dos funcionários, entre outros.

Figura 1. Metodologia da solução proposta.

Conversão. A partir das modelagens desenvolvidas obtêm-se um modelo de descrição da planta e sua simulação. Este modelo, pode possuir componentes animados (operários, guindastes, veículos em movimento para citar alguns) e estáticos podendo ser descrito em diferentes formatos, tais como: CAD, VRML, ASE, DGN. Devido o não comprometimento da ferramenta de modelagem e projeto com etapa de visualização, tais arquivos apresentam excesso de informações sobretudo associados a descrição geométrica das entidades, sendo assim a utilização de uma ferramenta de redução de complexidade das malhas componentes de cada elemento se faz necessária. Após realizados uma série de testes optou-se pelo uso da ferramenta VizUp[30]. Esta pode ser

aplicada a diferentes tipos de arquivos, por exemplo VRML, reduzindo o número de polígonos existentes de acordo com a qualidade de visualização desejada. Após a redução, o 3DStudioMax é utilizado para realizar a conversão de formato do modelo, podendo dividi-lo em partes animadas e em partes estáticas. O 3DStudioMax8 é utilizado para converter o modelo estático VRML para formato ASE [1], e utiliza-se o plugin ActorX [28] para a geração dos componentes do modelo de animação (psa e psk), de maneira a torná-los importáveis pelo editor do jogo5. Os cenários importados pela Engine geralmente são compostos de diversos componentes. Devido a necessidade de aplicação individual de texturas sobre cada elemento, estes componentes representam objetos do mundo virtual e possuem a restrição de 60.000 polígonos por objeto VRML importado no UnrealED 3.0[29].

Visualização e Interatividade. A etapa de visualização e interatividade é realizada pela Engine do jogo. Renderização, multiprojeção e interação são aspectos solucionados pela Engine. A Game Engine Unreal Tournament utilizada neste trabalho é composta basicamente do Core do jogo, do código de visualização distribuída CaveUT[8] e do editor de cenários UnrealED, conforme figura 2.

Figura 2. Estrutura modular da Game Engine.

O Core do jogo pode ser dividido em módulos, sendo que o módulo superior, chamado de Cenário Virtual, o ambiente modelado onde as entidades e seus atributos de aparência e descrição geométrica são definidos. O módulo denominado Código do Jogo possui a descrição dos comportamentos associados aos diferentes componentes, descritos através de uma linguagem de scripts, própria do UnrealED. A Engine propriamente dita é responsável pela renderização dos modelos tridimensionais. Este módulo é o único módulo de código proprietário, por este motivo é considerada a “caixa preta” do jogo. O Código de Rede permite que diversos usuários localizados remotamente interajam em um mesmo ambiente virtual, tornando possível o trabalho colaborativo. Os Drivers Gráficos traduzem pedidos genéricos da Engine de renderização usando APIs gráficas tais como DirectX e OpenGL. Como os Drivers são códigos abertos, eles podem ser facilmente modificados para acomodar novos tipos de displays como CAVEs e HMD.

O CaveUT, desenvolvido por Jeffrey Jacobson[24], é um conjunto de modificações (código aberto) para o jogo Unreal Tournament que permite a visualização distribuída em n planos. A ferramenta

5 O UnrealEd., onde poderão ser aplicadas texturas e definidos comportamentos, tornando finalmente o modelo um ambiente de Realidade Virtual compatível com a Engine.

permite a modificação de diversos parâmetros para cada projeção, bem como rotação e deslocamento de acordo com o eixo inicial. Por exemplo, pode-se definir a configuração de cada projeção para simular os ângulos de visão que ficariam a esquerda, a direita, teto e chão de um observador, de acordo com a morfologia de uma CAVE. As modificações necessárias para produzir projeções fora do eixo são feitas em VRGL6, uma biblioteca modificada do OpenGL, que torna possível a configuração dos parâmetros citados a cima.

O UnrealED é o editor da linguagem de scripts do UT que permite a aplicação e modificação das características da engine do Unreal, tais como iluminação, textura, som e interatividade dos componentes. Este editor permite importar arquivos em alguns formatos tais como: ASE e DXF para modelos estáticos e psa e psk para modelos animados. Para importação de componentes como um único objeto é necessário que este contenha no máximo 60.000 polígonos, no caso de arquivos VRML convertido em ASE, logo para superar esta limitação, pode-se aplicar técnicas de fragmentação de cenários que solucionam aspectos de textura individual e resolvem questões de tamanho para importação.

A metodologia proposta apresenta uma série de passos a ser realizados que resultarão na visualização distribuída de Processos de Manufatura. Mesmo que parta-se de um conjunto de técnicas e ferramentas já existentes, a identificação das etapas componentes, a definição de quais recursos são necessários e a integração destes em uma metodologia constituem-se em uma contribuição.

A proposta pode ser aplicada para visualização distribuída entre vários planos de projeção, permitindo sua implementação em diferentes plataformas (as ferramentas apresentadas tem versões para windows e linux) e utilizando diferentes configurações de hardware. Valida-se as técnicas empregadas em um caso de estudo associado a Indústria de Construção Naval e Offshore descrita a seguir.

4. IMPLEMENTAÇÃO DA PROPOSTA A metodologia proposta é validada em um estudo de caso relacionado com uma necessidade real de visualização distribuída (entre as diferentes plantas de projeto e comissionamento) associada a Indústria de Construção Naval e Offshore7. Como outros grandes conglomerados industriais tal segmento utiliza cada vez mais tecnologias DMU na Manufatura Digital. Um consórcio entre a Dassault Systemes e IBM formaram um conjunto de ferramentas para soluções de gerenciamento do ciclo de vida do produto (PLM – Product Lifecicle Management) entre estes softwares estão DELMIA, CATIA, ENOVIA, QUEST, PROCESS ENGINEER que atualmente são empregados por empresas como Mitsubishi Heavy Industries[11], Renault, AirBus, Embraer, para citar algumas, além de ser amplamente utilizado na construção e comissionamento de navios e plataformas.

O QUEST apresenta um amplo conjunto de recursos que vão desde a análise e simulação do fluxo de materiais e processos, análise do layout, identificação de gargalos em processos,

6 API gráfica para aplicações de Realidade Virtual 7 O trabalho apresentado aqui faz parte de um projeto apoiado pela FINEP associado a reabilitação da Indústria Naval e Offshore brasileira

determinação de máquinas e equipamentos necessários bem como verificação de impacto, em todo o sistema, de alterações no fluxo de processos, materiais e recursos.

O DELMIA permite a otimização do layout de fábrica assim como a determinação e validação das seqüências de montagem e análise ergonômica possibilitando a análise global e simulação 3D. Além dos diversos recursos disponíveis existe a possibilidade de criação de cenários 3D. Entretanto tais cenários não podem ser diretamente visualizados de forma distribuída.

Assim, partindo-se de plantas CAD de projeto de navios e plataformas, bem como de modelos do processo de produção de um estaleiro, integrados em diversos cenários, fornecidos pelo DELMIA/QUEST aplica-se às etapas propostas na metodologia apresentada neste trabalho.

A etapa de Modelagem. Na etapa de modelagem, os diferentes projetos em CAD são importados e integrados em um cenário virtual 3D através do DELMIA[12]. Tal ferramenta importa e exporta arquivos representando cenários em diversos formatos tais como: IGES, DXF, DWG, VDA, DES, STL, and STEP. A modelagem de um cenário real pode ser melhor exemplificado através das figuras 3 e 4. A figura 3 apresenta uma das oficinas do cenário real visitado por técnicos navais e a figura 4 representa a oficina virtual desenvolvida pelos mesmos utilizando as ferramentas QUEST e DELMIA.

Figura 3. Oficina real do estudo de caso.

Figura 4. Oficina virtual modelada.

Utilizou-se três modelos distintos desenvolvidos através das ferramentas QUEST e DELMIA a fim de variar a complexidade e testar o rendimento na etapa de visualização. Tais modelos serão nomeados como estaleiro 1, estaleiro 2 e oficina. A figura 5 apresenta estes modelos.

(a). Estaleiro 1. (b). Estaleiro 2. (c). Oficina.

Figura 5. Estaleiro 1(a), estaleiro 2(b) e oficina(c).

O estaleiro 1 apresenta um conjunto de entidades representando área do estaleiro, navio, armários, guindastes fixos e móveis, latão de sucata, máquina de solda, empilhadeiras, chapas, colunas, blocos de construção, ponte rolante, oficina e prédios. O estaleiro 2 representa um estaleiro simples com poucos detalhes e o modelo da oficina representa apenas a estrutura. Os cenários dos modelos

foram exportados em formato VRML complexo com as seguintes configurações (ver tabela 1):

Vértices Triângulos Tamanho (kb)

Estaleiro 1 806.476 385.854 66.154

Estaleiro 2 202.731 224.522 30.085

Oficina 37.960 35.688 3.323

Tabela 1. Configurações originais dos modelos utilizados.

A etapa de Conversão. De posse do cenário já exportado em VRML realiza-se a etapa de redução de complexidade dos modelos de forma a atingir uma boa qualidade visual e o número de polígonos máximo permitidos pela importação do editor. Inicialmente utiliza-se a ferramenta Vizup que reduz de forma significativa à complexidade do modelo apresentado. A figura 6 apresenta todas as etapas de redução do estaleiro 1 até atingir as configurações desejadas.

(a).Estaleiro1.

Original. (b).Estaleiro1.

Redução 90%. (c).Estaleiro 1.

Redução 88%.

(d).Estaleiro1.

Redução 86%.

(e).Estaleiro 1.

Redução 84%.

Figura 6. Conversão do estaleiro 1.

Os modelos reduzidos do estaleiro 1 apresentaram: (ver tabela 2)

Taxa Redução

Vértices Triângulos Tamanho (kb)

Estaleiro 1 - 806.476 385.854 66.154

Estaleiro 1 90% 58.415 35.443 2.685

Estaleiro 1 88% 68.153 46.301 3.197

Estaleiro 1 86% 79.114 54.019 3.790

Estaleiro 1 84% 90.830 61.736 4.446

Tabela 2. Reduções do modelo 1 (estaleiro 1).

Iniciou-se em uma taxa máxima de redução de 99%, entretanto observou-se que no intervalo de 99% à 91% estas reduções implicavam em uma desfiguração completa do modelo original, tornando-o inutilizável. A partir de uma taxa de 90%, já foi possível identificar o modelo, porém com perda de detalhes. Diminuiu-se então as taxas de reduções até alcançar um modelo com uma boa qualidade visual em nível de detalhes. A maior taxa alcançada, para esse caso, foi de 84%. Nota-se na Tabela 2 que quanto menor a taxa de redução maior o número de vértices,

triângulos e tamanho do modelo conseqüentemente maior o número de detalhes.

O estaleiro 2 e a oficina em formato VRML apresentaram os seguintes parâmetros após a redução final desejada(ver tabela 3 e figura 7):

Taxa Redução

Vértices Triângulos Tamanho (kb)

Estaleiro 2 - 202.731 224.522 30.085

Estaleiro 2 73% 89.087 61.919 17.692

Oficina - 37.960 35.688 3.323

Oficina 46% 22.087 19.271 2.174

Tabela 3. Reduções do modelo 2 e 3 (estaleiro 2 e oficina).

(a). Estaleiro 2 (original). (b).Estaleiro 2 (reduzido 73%).

(c). Oficina (original). (d). Oficina (reduzido 46%).

Figura 7. Conversão do estaleiro 2(a) e (b) e oficina(c) e (d) .

Logo, através das tabelas 2 e 3, é possível concluir que a redução é realmente eficiente para modelos complexos cuja a quantidade de informações é ampla, em modelos pequenos onde a complexidade é menor não é possível aplicar muitas taxas de redução devido a simplicidade do modelo.

Uma vez transformado os modelos em um arquivo VRML simples, manipula-se alguns dos atributos de seus componentes na ferramenta 3DSMax, separa-se os componentes animados dos componentes estáticos do modelo e trata-se individualmente características de textura, ausentes ou de baixa qualidade advindas do modelo CAD.

A etapa de Visualização Distribuída. O cenário resultante da modelagem e conversão do estaleiro 1 é visualizado de forma distribuída. A metodologia permite a distribuição entre n planos de projeção. Por limitações de recursos físicos tais como: limitações da placa de vídeo, capacidade de processamento, disponibilidade de CAVE, este trabalho apresenta um experimento com apenas 2 planos de projeção.

O layout do sistema de projeção bem como suas configurações são apresentados na figura 8. Foram utilizados três computadores, um modem ADSL de quatro portas funcionando como HUB, dois projetores e duas telas de projeção Utiliza-se a Engine do UT estabelecendo-se 2 jogadores spectate (cliente), ou seja, apenas espectadores do jogador da máquina servidora, sendo a vista de cada jogador um plano de projeção, e 1 jogador player (servidor)

que irá movimentar-se pelo ambiente. A engine permite até 22 jogadores, ou seja, 22 planos de projeção são possíveis.

Figura 8. Layout de montagem do experimento (V-

Cave). O Athlon 3200 foi utilizado como servidor (um jogador atuante -player) e as outras duas máquinas como cliente (dois jogadores espectadores - spectates), as três, conectadas em uma rede local através do modem de quatro portas. As máquinas clientes agem como espectadoras da máquina servidora. A engine do jogo renderiza o cenário bem como encarrega-se também do gerenciamento de outras mídias como por exemplo o som.

Mesmo utilizando diferentes configurações de hardware, característica não ideal ao experimento, os resultados mostraram-se adequados em níveis de sincronização da visualização e grau de imersão, comprovando a meta de heterogeneidade da proposta. Também diferentes arquivos de descrição de cenários, que não VRML, podem ser utilizados como entrada do sistema.

A multiprojeção implementada pela CaveUT mostrou-se eficiente e simples, bastando apenas alguns ajustes nos parâmetros de configuração, para que se pudesse obter as projeções corretas em uma V-Cave (duas projeções formando um ângulo de 90º entre elas).

A fim de testar a performance do experimento no que tange a escalabilidade testou-se as taxas de renderização em um e dois planos de projeção dos 4 modelos reduzidos do estaleiro 1 original e obteve-se os seguintes resultados: (ver tabela 4).

Simulação Um plano de projeção.

Dois planos de projeção. FPSm =

FPS médio entre os 2 planos

Modelo 1 (84%) FPS entre 500 e 520; FPSm entre 485 e 510;

Modelo 1 (86%) FPS entre 530 e 540; FPSm entre 520 e 530;

Modelo 1 (88%) FPS entre 575 e 585; FPSm entre 554 e 575;

Modelo 1 (90%) FPS entre 640 e 650; FPSm entre 637 e 647;

Modelo 1 (original)

Não simulável devido ao número de

polígonos

Não simulável devido ao número de

polígonos Tabela 4. Resultados de escalabilidade.

Logo é possível observar que o aumento do número de planos acarretou uma ligeira diminuição na performance de visualização, entretanto são necessários testes com mais planos de projeção a fim de verificar o desempenho do sistema, já que a utilização de hardwares distintos, bem como possíveis atrasos devido a configuração de rede, também podem ser causadores desta diminuição de quadros por segundo.

A sincronização de frames, o tratamento de obstáculos e a utilização de recursos multimídia realizada pela engine mostraram-se adequadas para as aplicações desenvolvidas. Os resultados da implementação do experimento e a V-Cave utilizada podem ser observados na figura 9 a seguir.

(a). Cenário Naval com textura.

(b). Cenário Naval com textura.

(c). Modelo 1 (Estaleiro 1) executando na CAVE.

(d). Modelo 1 (Estaleiro 1) executando na CAVE.

Figura 9. Visualização distribuída de cenário naval na V-CAVE (a), (b), (c) e (d).

5. CONCLUSÃO Tecnologias de Manufatura Digital estão sendo utilizadas em todas as etapas do processo de Produção. Se a modelagem e simulação dos processos de manufatura já são uma realidade de grandes conglomerados industriais, a utilização de interfaces elaboradas de visualização distribuída com recursos de RV, capazes de integrar as diferentes ferramentas de projeto e simulação, ainda são um desafio (mesmo que a visualização de projetos CAD já seja uma realidade).

Neste trabalho foi proposta uma metodologia capaz de fornecer recursos de visualização distribuída a plantas de manufatura obtidas de modelos de cenários fornecidas por Sistemas de Modelagem e Simulação. Após a identificação das limitações, restrições e necessidades associadas ao problema, foi proposto um conjunto de procedimentos que integram diferentes ferramentas existentes, finalizando na possibilidade de projeção a n planos com características imersivas e recursos de RV.

A metodologia foi validada em uma aplicação real oriunda da indústria naval e offshore. Cenários animados associados a plantas de estaleiros, projetos de navios e plataformas foram modelados, convertidos e sua visualização distribuída foi propiciada em uma V-CAVE.

As conversões realizadas e a utilização da Engine do jogo UT mostraram-se eficientes quanto às necessidades de renderização e multi-projeção. A redução de complexidade ao longo das conversões permitiu a utilização de recursos de RV em tempo real de visualização. A metodologia pode ser aplicada diretamente na planta por técnicos navais, não necessitando de grandes conhecimentos em programação. A solução via utilização da Engine do UT se mostrou bastante simples, eficiente e com custo de implementação bastante baixo.

Como perspectivas futuras estabelece-se a necessidade de automatização completa de algumas das etapas do processo, como por exemplo o tratamento de texturas. A realização de testes com um maior número de planos de projeção também serão necessários. E ainda o aprimoramento dos aspectos relacionados a interatividade como por exemplo, a inclusão de recursos de Realidade Mista ao UT, possibilitando a visualização distribuída

de entidades representativas de operários e máquinas que de forma interativa e em tempo real atuam na planta real.

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