Realidade Aumentada Vestível e a Indústria 4.0

On 22 de abril de 2018 by Thiago D'Angelo

Realidade Aumentada Vestivel

Realidade Aumentada Vestivel: Com o advento da 4ª Revolução Industrial, também chamada Internet das Coisas Industrial ou Indústria 4.0, as indústrias demandam cada vez mais rapidez e eficiência no processamento, visualização e interpretação das grandes quantidades de dados que são geradas a todo instante. http://www2.decom.ufop.br/imobilis/realidade-aumentada-e-wearables-caminhos-para-industria-4-0/ Essa urgência se deve a constante necessidade de aprimoramento da capacidade de tomada de decisões em todos os níveis da indústria. Entretanto, enquanto os processos industriais são executados em um mundo físico tridimensional, a maior parte dos dados é capturada e exibida em telas bidimensionais. Essa diferença entre os mundos real e digital limita a eficácia dos responsáveis pelas tomadas de decisões na interpretação e no aproveitamento desse grande volume de informação [1].

Figura 1: Braço Robótico. [Foto por Rafaela Rissoli]

Realidade Aumentada e Realidade Virtual

Nesse contexto, a Realidade Aumentada (RA) e a Realidade Virtual (RV) se apresentam como possíveis soluções para o problema apresentado. Essas tecnologias permitem a visualização tridimensional dos dados coletados, seja através de um ambiente completamente virtual, no caso da RV, ou através da sobreposição do ambiente real com imagens e dados virtuais, no caso da RA. Colocando as informações diretamente no contexto em que elas serão utilizadas, essas tecnologias aumentam a capacidade e a velocidade de interpretação dos funcionários e, consequentemente, aprimoram o processo de tomada de decisão. Devido a essa importância, RA e RV consistem em um mercado promissor, com previsão de atingir US$ 120 bilhões em receitas já em 2020 [2].

Entretanto, para que o aprimoramento do processo da tomada de decisão ocorra em todos os níveis da indústria, é importante que não haja restrições de mobilidade na tecnologia utilizada. Satisfazendo esse requisito, ela poderá ser aplicada desde os níveis gerenciais até o nível de chão-de-fábrica.

Figura 2: Usuário vestindo os óculos de Realidade Aumentada Epson Moverio. [Fotos por Rafaela Rissoli]

Criando dispositivos de Realidade Aumentada

Com intuito de prover conteúdo em RA e RV para os usuários, três tipos de dispositivos podem ser utilizados: Hand-Held Display (HHD), Spatial Display (SD), e Head-Mounted Display (HMD) [3]. Os HHDs são os dispositivos que cabem nas mãos dos usuários e devem ser segurados durante o uso, como tablets e smartphones. Os SDs são projetores digitais, geralmente fixos, capazes de sobrepor os objetos reais com informações virtuais, ideais para tarefas colaborativas. Já os HMDs são dispositivos vestíveis (wearables), como óculos e capacetes inteligentes, que permitem a exibição constante de conteúdo em realidade aumentada ou virtual no campo de visão do usuário.

Figura 3: Usuário vestindo os óculos inteligentes ReconJet. [Foto por Rafaela Rissoli]

Dos dispositivos listados anteriormente, apenas os HHDs e os HMDs satisfazem o critério de mobilidade exigido pelo problema em questão. No entanto, diferentes estudos comparativos sobre esses dois equipamentos indicam que a RA vestível oferece mais benefícios e melhor experiência de usuário [4-6]. Dessa forma, os HMDs tendem a assumir um papel importante e ser utilizados em diversos níveis dentro das empresas, auxiliando os funcionários na realização de suas tarefas diárias, em treinamentos especializados, e aprimorando o processo de tomada de decisão [3].

Novos Equipamentos

Diversos HMDs, capazes de fornecer RV e RA para os usuários, começaram a surgir nos últimos anos. Esse mercado é muito promissor e tem previsão de valer US$ 35 bilhões até 2024 [7, 8]. As Figuras 2, 3, 4, e 5 mostram alguns desses equipamentos já encontrados no mercado. Com a consolidação desses dispositivos vestíveis, os usuários terão a oportunidade de aproveitá-los tanto para as tarefas relacionadas ao ambiente de trabalho, como para muitas outras atividades diárias, incluindo entretenimento. Desde a década de 1960, quando surgiram os primeiros HMDs [9], pesquisadores e engenheiros estão desenvolvendo novas tecnologias para construção de dispositivos voltados para diferentes propósitos. Fabricantes estão buscando o desenvolvimento de hardware e software que melhorem a experiência e a imersão do usuário em mundos virtuais e aumentados, com o intuito de aumentar a adoção dessas tecnologias.

Figura 4: Usuário interagindo com um jogo de realidade virtual utilizando o Oculus Rift. Fonte [29]

HMD e Mercado

Apesar do lançamento recente de diversos HMDs voltados para realidade aumentada e realidade virtual, dois grandes problemas estão dificultando a adoção em larga escala [10]: os custos extremamente altos, que costumam variar entre US$ 700 e US$3 000 para dispositivos de uso geral [11, 12] e podem ultrapassar US$ 5 000 para dispositivos de uso industrial [12, 13]; e os problemas de experiência de usuário, tais como o conflito entre vergência e acomodação, o campo de visão reduzido, a alta latência na renderização das imagens virtuais e a dificuldade de calibração dos HMDs [14-19].

Figura 5: Usuário interagindo com o jogo Minecraft em realidade aumentada utilizando o Microsoft Hololens. Fonte: [30]

De forma geral, a relação entre o custo (valor de venda) e o benefício (a experiência de usuário entregue pelo dispositivo) aparenta ser o principal dos problemas [20], pois HMDs de RA e RV baseados em smartphones são mais baratos, têm mais problemas de experiência de usuário do que os dispositivos dedicados (isto é, independentes de smartphones) e, ainda assim, tendem a apresentar maior volume de vendas [10, 21], ou seja, têm maior adoção dos usuários. Um dado que reforça esse cenário mostra que a diminuição na disponibilidade desses dispositivos vestíveis baseados em smartphones fez com que a receita em vendas de HMDs de RA e RV reduzisse em 2017 [22].

Figura 6: Usuário utilizando o HMD de realidade aumentada Mira Prism. Fonte: [27]

Criando novos mercados para HMD

Pensando nisso, fabricantes de HMDs de RV dedicados começaram a diminuir o valor de vendas dos seus dispositivos com intuito de estimular a adoção da tecnologia [23]. No que diz respeito à RA, estão sendo desenvolvidas algumas alternativas de HMDs dedicados que prometem apresentar custo de fabricação em larga escala inferior a US$ 100, porém os projetos preliminares ainda não apresentam boa usabilidade [24]. Além disso, análises mostram que o alto custo tende a restringir a adoção comercial desses dispositivos dedicados, fazendo com que soluções baseadas em smartphones sejam mais interessantes do ponto de vista econômico [8, 25]. Seguindo essa tendência, diversos HMDs de RA baseados em smartphone surgiram no mercado ao longo do ano de 2017 [26-28]. A Figura 6 mostra um usuário utilizando o Mira Prism, um HMD de RA baseado em smartphone já existente no mercado.

Figura 7: Prototipagem de dispositivos vestíveis. [Fotos por Rafaela Rissoli]

Prototipagem de Realidade Aumentada Vestivel

Nesse contexto, a análise de metodologias de desenvolvimento que impliquem numa redução significativa do custo de construção dos HMDs, sem uma grande deterioração da experiência de usuário, é um importante passo rumo à adoção em larga escala desses dispositivos. Além disso, essa boa relação custo x benefício pode facilitar a aplicação dos HMDs de RA no cenário apresentado, aprimorando a tomada de decisão em todos os níveis da indústria. A prototipagem rápida, ilustrada pelas Figuras 7 e 8, consiste em uma importante etapa das metodologias de desenvolvimento.

Figura 8: Modelagem e Impressão 3D fazem parte das metodologias de prototipagem. [Fotos por Rafaela Rissoli]

Primeiro prototipo: Realidade Aumentada e Mixta

Com o intuito de explorar melhor a questão dos problemas de experiência de usuário e de minimização do custo dos HMDs, foram desenvolvidos três protótipos de baixo-custo de Head-Mounted Displays de realidade aumentada que podem ser aplicados em diferentes cenários da indústria. Os dois primeiros protótipos desenvolvidos utilizam um smartphone como fonte da imagem de realidade aumentada, enquanto que o último apresenta um display dedicado para essa mesma finalidade.

Figura 9: Protótipo de dispositivo vestível de realidade aumentada baseado em smartphone.

O primeiro protótipo trata-se de um Video See-Through Head-Mounted Display e é composto por três módulos principais: um módulo responsável por fornecer a visão de realidade aumentada ao usuário através de um display do tipo Video See-Through; outro responsável por fazer o processamento dos dados e sinais de todos os sensores integrados ao HMD; e, por fim, um último módulo encarregado de executar algoritmos de processamento de imagens e reconhecimentos de padrões. A Figura 9 mostra o protótipo desenvolvido.

Segundo Prototipo: Realidade Ampliada Modular

Figura 10: Protótipo de dispositivo vestível de realidade aumentada baseado em smartphone. [Fotos por Rafaela Rissoli]

O segundo protótipo trata-se de um Optical See-Through Head-Mounted Display e é composto por dois módulos principais: um módulo responsável por fornecer a visão de realidade aumentada ao usuário através de um display do tipo Optical See-Through Binocular; outro responsável por executar algoritmos de processamento de imagens e reconhecimentos de padrões. A Figura 10 mostra o protótipo desenvolvido.

Terceiro prototipo: Realidade ampliada monocular

Figura 11: Protótipo de dispositivo vestível de realidade aumentada com display dedicado.

O terceiro protótipo trata-se de um Optical See-Through Head-Mounted Display e é composto por dois módulos principais: um módulo responsável por fornecer a visão de realidade aumentada ao usuário através de um display do tipo Optical See-Through Monocular e outro responsável por processar as informações recebidas, que serão exibidas pelo display. A Figura 11 mostra o protótipo desenvolvido.

Referências:

[1] M. E. Porter and J. E. Heppelmann. (2017) A manager’s guide to augmented reality. [Online]. Available: https://hbr.org/2017/11/a-managers-guide-to-augmented-reality.

[2] Digi-Capital. (2016) Augmented/Virtual Reality revenue forecast revised to hit US$120 billion by 2020. [Online]. Available: http://www.digi-capital.com/news/2016/01/augmentedvirtual-reality-revenue-forecast-revised-to-hit-120-billion-by-2020/

[3] P. Fraga-Lamas, T. M. Fernandez-Carames, . Blanco-Novoa, and M. A. Vilar-Montesinos. “A review on industrial augmented reality systems for the industry 4.0 shipyard” IEEE Access, vol. 6, pp. 13 358-13 375, 2018.

[4] R. McKendrick, R. Parasuraman, R. Murtza, A. Formwalt, W. Baccus, M. Paczynski, and H. Ayaz,  “Into the wild: Neuroergonomic diferentiation of hand-held and augmented reality wearable displays during outdoor navigation with functional near infrared spectroscopy”. Frontiers in Human Neuroscience, vol. 10, p. 216, 2016. [Online]. Available: https://www.frontiersin.org/article/10.3389/fnhum.2016.00216

[5] U. Rehman and S. Cao, \Augmented-reality-based indoor navigation: A comparative analysis of handheld devices versus google glass,” IEEE Transactions on Human-Machine Systems, vol. 47, no. 1, pp. 140{151, Feb 2017.

[6] P. Ramakrishna, E. Hassan, R. Hebbalaguppe, M. Sharma, G. Gupta, L. Vig, G. Sharma, and G. Shro. “An ar inspection framework: Feasibility study with multiple AR devices” in 2016 IEEE International Symposium on Mixed and Augmented Reality (ISMAR-Adjunct), Sept 2016, pp. 221-226.

[7] R. Hills-Duty. (2017) Combined AR/VR Headset Market To Be Worth US$35 Billion By 2024. [Online]. Available: https://www.vrfocus.com/2017/11/combined-arvr-headset-market-to-be-worth-35-billion-by-2024/

[8] PR-Newswire. (2017) Mixed Reality Headsets Market to Hit $35bn by 2024: Global Market Insights, Inc. [Online]. Available: http://www.prnewswire.co.uk/news-releases/mixed-reality-headsets-market-to-hit-35bn-by-2024-global-market-insights-inc-660470773.html

[9] K. Kiyokawa, “Head-mounted display technologies for augmented reality,” in Fundamentals of Wearable Computing and Augmented Reality. CRC Press, 2015, pp. 59-84.

[10] J. Bush. (2017) VR vs. AR: What will dominate the future? [Online]. Available: https://www.electronicspecier.com/vr-ar/vr-vs-ar-what-will-dominate-the-future-1

[11] Epson. (2018) Epson Smart Glasses. [Online]. Available: https://epson.com/For-Work/Wearables/Smart-Glasses/c/w420

[12] Microsoft. (2016) Microsoft Hololens. [Online]. Available: https://www.microsoft.com/microsoft-hololens/en-us/order-now

[13] J. Martin. (2016) CNET: Heads-on with a smart helmet that’s named after a delicious drink. [Online]. Available: https://www.cnet.com/products/daqri-smart-helmet/preview/

[14] G. Kramida, “Resolving the vergence-accommodation conflict in head-mounted displays,” IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, vol. 22, no. 7, pp. 1912-1931, July 2016.

[15] B. Kress, “Optics for smart glasses, smart eyewear, augmented reality, and virtual reality headsets,” in Fundamentals of Wearable Computing and Augmented Reality. CRC Press, 2015, pp. 85-124.

[16] H. Fuchs, A. State, D. Dunn, and K. Keller, “Converting Commodity Head-Mounted Displays for Optical See-Through Augmented Reality,” Mar 2015.

[17] Y. Itoh, J. Orlosky, M. Huber, K. Kiyokawa, and G. Klinker, “Ost rift: Temporally consistent augmented reality with a consumer optical see-through head-mounted display,” in 2016 IEEE Virtual Reality (VR), March 2016, pp. 189-190.

[18] A. Plopski, Y. Itoh, C. Nitschke, K. Kiyokawa, G. Klinker, and H. Takemura, “Corneal-imaging calibration for optical see-through head-mounted displays,” IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, vol. 21, no. 4, pp. 481-490, April 2015.

[19] Y. Itoh and G. Klinker, “Interaction-free calibration for optical see-through head-mounted displays based on 3d eye localization,” in 3D User Interfaces (3DUI), 2014 IEEE Symposium on, March 2014, pp. 75-82.

[20] R. Metz. (2017) $99 Headset Could Be Augmented Reality’s First True Chance at a Mass Market. [Online]. Available: https://www.technologyreview.com/s/608292/99-headset-could-be-augmented-realitys-rst-true-chance-at-a-mass-market/

[21] N. Arora. (2017) Smartphone-centric enhanced headsets key to mass VR adoption in India. [Online]. Available: https://yourstory.com/2017/07/smartphone-centric-enhanced-headsets-key-mass-vr-adoption-india/

[22] Mobile-World. (2018) AR, VR headset market set for recovery – IDC. [Online]. Available: https://www.mobileworldlive.com/devices/news-devices/ar-vr-headset-market-set-for-recovery-idc/

[23] J. Condliffe. (2017) Another Price Slash Suggests the Oculus Rift Is Dead in the Water. [Online]. Available: https://www.technologyreview.com/s/608257/another-price-slash-suggests-the-oculus-rift-is-dead-in-the-water/

[24] L. Matney. (2018) Leap Motion’s new AR headset prototype is high-res, low-cost and a little bug-eyed. [Online]. Available: https://techcrunch.com/2018/04/09/leap-motions-new-ar-headset-prototype-is-high-res-low-cost-and-a-little-bug-eyed/

[25] K. Guttag. (2017) Mira Prism and Dreamworld AR (What Disney Should Have Done?). [Online]. Available: https://www.kguttag.com/2017/07/22/mira-prism-and-dreamworld-ar-what-disney-should-have-done/

[26] L. Cox. (2017) Will Affordable AR Headsets Accelerate Adoption? [Online]. Available: https://disruptionhub.com/augmented-reality-affordable-headset-accelerates-adoption/

[27] Mira. (2017) Mira Prism. [Online]. Available: https://www.mirareality.com/

[28] Levono. (2017) Lenovo Mirage. [Online]. Available: https://www3.lenovo.com/us/en/jedichallenges/

[29] ExtremeTech. (2016) Oculus CEO hopes Rift spurs gamers to upgrade their ‘crappy PCs’. [Online]. Available: https://www.extremetech.com/gaming/221088-oculus-ceo-hopes-rift-spurs-gamers-to-upgrade-their-crappy-pcs

[30] G1-Globo. (2015) ‘Minecraft’ ganha vida com realidade virtual mista das HoloLens. [Online]. Available: http://g1.globo.com/tecnologia/games/e3/2015/noticia/2015/07/minecraft-ganha-vida-com-realidade-virtual-mista-das-hololens-g1-testou.html

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