Software CAD

El software CAD, del que hablaremos en este artículo, se refiere al más ampliamente utili- zado en el campo de la mecánica tal como aeroespacial, ingeniería del automóvil y muchos otros campos de ingeniería principalmente en fabricación. Lo que pretendemos mostrar principalmente en este artículo, es el uso que se ha dado hasta ahora a los diseños en CAD [48], y las diferen- tes salidas que provee este software para trabajar en otro escenario de representación a través de RA/RV. Este tipo de software es siempre caro y existen estudiantes, clientes y colaboradores que no pueden permitirse comprar licencias. Compartir contenidos 3D utilizando páginas web y apli- caciones de RA/RV basadas en estándares abiertos supone una excelente oportunidad para ani- mar al público en general a conocer nuestros productos sin una inversión específica. Existen tec- nologías abiertas para difundir contenidos 3D pero no se usan ampliamente hoy en día porque los fabricantes de plugings para visualizar contenidos 3D en la web lideran esta tecnología. Pero los navegadores web más utilizados incluyen capacidades nativas para visualizar contenidos 3D, es cuestión de desarrollar páginas web especiales o añadir las modificaciones necesarias a las pá- ginas web actuales. Éste es el objetivo de nuestro proyecto. Básicamente no centraremos en los programas CAD [40] que tenemos a nuestra disposición. Éstos nos han permitido ver todas las posibilidades para un entorno de RA/RV. La Tabla 1 muestra el software utilizado y las diferen- tes extensiones que proveemos para el posterior tratamiento en RA/RV. Desde los modelos 3D almacenados en ficheros con diferentes extensiones provistos por programas CAD, intentamos transferirlos a software RA/RV, haciendo los cambios apropiados, capas de aplicación renderi- zadas, iluminación e incluso movimiento. Así, conseguimos el efecto de capacidades de visuali- zación tan realista como sea posible y los usuarios pueden manipularlos como si estuviera en sus manos. Tales suplementos se obtienen de otros programas específicos [25] y herramientas para renderizado, animación o iluminación de escenas, tales como Autodesk 3D Studio [7], Maya [8] o Blender [10], éste último Open Source.

Tabla 1

Software utilizado y sus distintas extensiones

Software CAD Extensión _principal Otras extensiones

CATIA v5 *.part; *.product *.stp;*.vrml;*.3dmap;*.3dxml;*.cgr;*.iges; .model;*.Navrep;*._{stl;*.x3d;*.wrl;*.hcg;*.icem} NX 9 *.prt *.iges;*.stp;*.step;*.dxf;*.dwg;*.model(catia); .catpart(catia) Autocad 2014 *.dwg; *.dgn;*.dxf;*.dws;*.dxx;*.bmp;*iges:*.igs;*.dwf; .3ddwf;*.pdf;*._{fbx;*.wmf;*.sat;*.stl;*eps} Solid Edge ST5 *.par;*.asm *.model;*.plmxml;*.prt:*.dwg:*.dxf; *.x t;*.xgl;*.sat; .jt:*.part;*._{igs;*.step;*.stl;*.3dpdf;*.u3d} Solid Works *.sldprt;*.sldasm *.stl;*.iges;*.stp;*.proe;3D XML; *.dxf;*.dwg

El estímulo de la realidad aumentada para el diseño mecánico 3. ¿Por qué utilizar RA/RV en educación?

Los sistemas de RA son una extensión del concepto de EV. Estos sistemas presentan al usua- rio una vista mejorada del mundo real. Esta vista contiene elementos virtuales visuales que pue- den acompañarse de sonido, sensaciones táctiles (hápticos) y otros. Los elementos visuales requie- ren el seguimiento de los movimientos de los usuarios. Este seguimiento calcula la posición y la orientación de la cabeza del usuario de manera que los elementos puedan ser correctamente ren- derizados y mostrados en la vista que tiene el usuario del mundo real. Esta mezcla de gráficos vir- tuales, la vista del mundo real y texto puede realizarse de dos formas. Los dispositivos que permi- ten al usuario ver a través de ellos directamente y los dispositivos que tienen una cámara montada en la cabeza del usuario. Los primeros muestran los gráficos en una pantalla transparente colocada entre el mundo real y los ojos del usuario. Estos dispositivos pueden ser LED u OLED como los utilizados en los proyectores. En los segundos, la cámara montada en la cabeza del usuario cap- tura vistas del mundo real que pueden combinarse con gráficos virtuales que se mostrarán con- juntamente en unas gafas o dispositivo montado en la cabeza (HMD o «Head Mounted Display»). La principal ventaja de los sistemas de RA sobre los sistemas EV es que combinan los mundos rea- les y virtuales dando así una experiencia más rica. Pueden ser monousuario o colaborativos. Los primeros se han aplicado a ciencia, ingeniería, entrenamiento y entretenimiento, entre otros. Los otros también se han aplicado a las mismas áreas pero con resultados mucho mejores. Así, pode- mos colaborar con informáticos, mecánicos o matemáticos y utilizar la automatización u otras dis- ciplinas para obtener un trabajo multidisciplinar. Muchos procesos, ideas y conceptos pueden ser mejor ilustrados utilizando imágenes del mundo real y gráficos. Claro es el ejemplo de un futuro arquitecto mirando un edificio. Podemos dejar al estudiante ver los planos de las plantas al mismo tiempo. En una aproximación diferente pero mucho mejor utilizaría RA para superponer la estruc- tura interna en el edificio de manera que se pueda entender por qué no cae.

Las metodologías de enseñanza en la Universidad no han evolucionado mucho a través de los siglos. El método de escuchar ponencias, tomar apuntes y hacer un examen final data de los siglos xv y xvi. Recientemente han aparecido nuevas tecnologías en las aulas. Así, es común ver presentaciones en PowerPoint y utilizar plataformas como Moodle [15]. Utilizar estas nuevas tec- nologías no implica, directamente, un incremento de interacción entre los estudiantes y el profe- sor. De hecho, la información fluye solo en una misma dirección, del profesor a los estudiantes. Para que los estudiantes aprendan más, la educación debe ser experimental e interactiva. Apren- demos más de experiencias «hands-on» que de las clases tradicionales. Además, las discusiones y la colaboración entre los estudiantes les ayudan en su educación enseñándoles a opinar y anali- zar métodos propuestos por sus compañeros. Esto es más interesante aun para estudiantes de in- geniería. Aunque otras disciplinas como derecho también pueden beneficiarse de nuevas tecnolo- gías como teleconferencia para atender o participar en juicios remotos.

La RA es lo suficientemente madura como para ser aplicada a muchas actividades de nues- tro día a día. La educación es una de ellas, especialmente por las razones siguientes [9]:

1. La RA permite una interacción continua entre la realidad y EVs.

2. La RA hace posible utilizar una metáfora de interacción tangible para la manipulación de objetos.

3. Finalmente, la RA permite una transición suave desde la realidad a la virtualidad.

La RA puede también ser utilizada para la educación online. El Proyecto MARIE (Multime- dia Augmented Reality Interface for E-Learning) utiliza la RA para presentar información 3D a los estudiantes [28]. Los autores discuten si la RA es más efectiva que los EVs en términos de pre- cio, realismo e interactividad. También predicen que en diez años la RA será utilizada en muchas aplicaciones diarias. Por otro lado, la RV es interesante para aislar a los estudiantes del mundo real y permitirles concentrarse en modelos 3D permitiéndoles manipulaciones que son más difíci- les en el mundo real, este es el caso de los estudiantes de ingeniería.

4. Ingeniería y RA/RV

Pretendemos utilizar RA/RV para apoyo en la enseñanza de distintos contenidos: en distin- tos cursos de ingeniería, como en las asignaturas de expresión gráfica, gráficos avanzados y en el Proyecto de fin de grado. Estas asignaturas son perfectas para este propósito porque:

1. Pueden ser utilizadas para diferentes temas o departamentos. 2. Todas se basan en el conocimiento de gráficos computacionales.

3. Los modelos y las practicas se comprenden mucho mejor utilizando modelos 3D con ren- derizado e interfaces tangibles.

Explicaremos los beneficios esperados de utilizar RA/RV en clase. Describiremos nuestros objetivos, la utilización en clase y los resultados obtenidos desde nuestra experiencia con RA/RV y gráficos de ingeniería. Más específicamente, presentaremos el resultado de cuestionario de sa- tisfacción realizados por los estudiantes objeto de la experiencia. Finalmente como un ejemplo de las experiencias compartidas, introduciremos el Proyecto MotoStudent.

4.1. Justificación y beneficios esperados

No todos los estudiantes tienen las mismas capacidades de percepción espacial 3D. Algunos estudiantes tienen dificultades para ver objetos 3D dibujados o mostrados en 2D. Esto es impor- tante en ingeniería donde los estudiantes deben analizar modelos 3D para ver las respuestas co- rrectas a los problemas de clase. Las imágenes 2D producen ilusiones ópticas que habitualmente originan la ambigüedad de renderizados 2D. Ilustración 1 muestra el cubo de Necker donde dos bordes del cubo se Cruzan (a), la imagen no indica cuál de ellos está delante y cuál está detrás: el dibujo es ambiguo; (b) y (c) son dos posibles interpretaciones. Ilustración 2 muestra un dibujo de M.C. Escher, un objeto imposible, solo hay dibujos o imágenes sin una interpretación consistente. Pero se pueden construir esculturas físicas reales que vistas desde algunos ángulos parecen obje- tos imposibles.

Ilustración 1 Ilustración 2

El cubo de Necker [12] Objetos imposibles [12]

La ambigüedad de los modelos 2D junto a las dificultades del análisis y percepción 3D im- plican que muchas veces los conceptos importantes no se asimilen. Además, problemas que pue- den resolverse fácilmente rotando el modelo y analizando su aspecto y geometría son irresolubles sin esta opción. Po resto muchos alumnos terminan memorizando modelos y soluciones a proble- mas antes de un examen. Unos días después han olvidado completamente todo. En lugar de eso, los modelos deberían derivarse de conceptos mucho más simples. Esto ayudaría a que el conoci- miento se asentara en sus mentes. Para mejorar la comprensión de las capacidades espaciales de nuestros estudiantes introducimos un sistema de RA/RV. Permite la interacción tangible con mo-

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delos virtuales simplificando así su análisis 3D. Los dos principales beneficios de aplicar técnicas de RA/RV a nuestras clases son:

1. Los estudiantes tienen una mejor comprensión de los conceptos fundamentales y de los modelos presentados en clase;

2. Una herramienta de RA/RV potente y flexible simplifica la tarea del profesor para expli- car los conceptos básicos relativos a modelos y capacidad espacial.

4.2. Objetivos

En general tenemos dos objetivos:

II. mejorar el reconocimiento de los modelos por parte de los alumnos utilizando RA/RV, II. proveer al profesor de una herramienta para explicar mejor esos modelos que requieren

una buena intuición especial.

Adicionalmente, tenemos los siguientes objetivos específicos, incluyendo objetivos relaciona- dos con la computación.

Con respecto a la habilidad especial de los estudiantes, nuestra intención es alcanzar los si- guientes objetivos:

1. Conseguir que se involucren activamente por la introducción de una nueva tecnología como la RA/RV.

2. Proveerles de una herramienta para visualizar diferentes modelos 3D de una manera in- tuitiva.

3. Incrementar sus capacidades de análisis y percepción 3D.

4. Durante las clases queremos que manipulen los modelos independientemente o en gru- pos tanto con el profesor como por su cuenta, mientras trabajan en la resolución de pro- blemas.

5. Para desarrollar aptitudes como la iniciativa y la participación en clase a través de la ma- nipulación de estructuras; también queremos que colaboren en grupos.

6. Llevando nuevas tecnologías de computación a los estudiantes, incrementando su cono- cimiento, sus habilidades y sus capacidades de comunicación; estas capacidades son crí- ticas para que los estudiantes más adelante puedan unirse de manera exitosa a equipos multidisciplinares con expertos de otras áreas.

Con respecto a los profesores de expresión gráfica queremos alcanzar los siguientes objeti- vos:

a) Proveerles de una herramienta que atraiga la atención de los estudiantes atrayéndoles y sorprendiéndoles; así la atención y participación de los estudiantes se maximizará. b) Incrementando las opciones de los profesores para enseñar eficientemente conceptos

donde una buena intuición especial es crítica para la comprensión de los estudiantes. Finalmente, nuestros objetivos relacionados con la computación son:

iii. Compilar un base de datos de modelos 3D para ingeniería mecánica;

iii. Utilizarla en un sistema colaborativo de RA/RV con marcadores y cámaras; iii. Implementar nuestro sistema software con librerías de código abierto; iv. Promover el uso de software libre.

4.3. implementación en el aula

Para aplicar la tecnología RA/RV en nuestras clases hemos de tener en cuenta nuestra meto- dología actual. No queremos introducir cambios sustanciales. Nuestro objetivo es mejorar natu- ralmente nuestra metodología actual utilizando un sistema de RA/RV. Para ello añadimos sesio- nes de RA/RV a nuestras clases de teoría, problemas, prácticas y laboratorio. Así, alternamos el uso de pizarra, presentaciones y otros recursos de enseñanza con el uso de análisis de estructuras con un sistema RA/RV. El sistema permite a los estudiantes inspeccionar un conjunto de mode- los moviendo un marcador o mostrando el modelo en la web y moviendo el ratón. El marcador es reconocido por el ARToolkit [42], una librería de código abierto para el desarrollo de aplicaciones de RA. La Ilustración 3 muestra algunos de los modelos de estructura con sus marcadores asocia- dos (RA). Los marcadores fácilmente identifican las estructuras. Los modelos 3D de las estructu- ras materiales se superponen en los marcadores cuando son reconocidos. También hay algunos modelos que han sido construidos utilizando el lenguaje de modelado VRML y X3DOM; también tenemos una librería de modelos en el navegador que permite fácil acceso y manipulación (RV), la Ilustración 5 muestra el mismo modelo en la web basado en X3DOM. La Ilustración 4 muestra el modelo original desarrollado con CATIA.

Ilustración 3 Aplicación de RA utilizando un disparador Ilustración 4 Modelo 3D en CATIA Ilustración 5 Modelo 3D en un navegador web

4.4. primeras impresiones y resultados

Para conocer la opinión de los estudiantes acerca de este Proyecto, se realice una encuesta en las clases de expresión gráfica. El principal objetivo de esta encuesta es recoger opiniones acerca de las ventajas y desventajas de usar técnicas RA/RV. También queríamos saber si fue útil desde el punto de vista de los estudiantes como usuarios de esta metodología. El grupo de la encuesta se compuso de quince estudiantes elegidos aleatoriamente de diferentes clases donde se utiliza nuestro sistema. Debe constar que algunos estuvieron en más de una de estas clases. La opinión general entre ellos fue que el uso de RA para entender modelos fue muy útil. Todos los estudian- tes encuestados consideraron que la RA era una potente herramienta que les ayudó a compren- der la disposición 3D de estos modelos. Además, el 70% de ellos quería utilizarla en casa en sus portátiles u ordenadores personales. El 70% de los estudiantes estaba de acuerdo en que la princi- pal ventaja de utilizar RA en expresión gráfica fue la posibilidad de interactuar con un mundo 3D (moviendo y rotando los marcadores físicos) en lugar de imaginar la estructura final a través de

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dibujos y figuras bidimensionales. Otro 60% contesto que la principal ventaja fue la opción de analizar fácilmente los modelos desde diferentes ángulos y direcciones. Finalmente, otro 70% dijo que esta metodología era muy valiosa para ayudarles a mejorar sus capacidades visuales y espa- ciales.

Como desventajas, el 50% de los estudiantes se quejó de que no hubiera un Sistema físico permanentemente instalado en el aula. Querían un Sistema que les permitiera el uso de más

w ebcams y que redujera el tiempo empleado en conectar el Sistema para empezar la clase. Otro 15% pensó que la principal desventaja era el tamaño de las imágenes en la pizarra. Y un 35% de los estudiantes no vio desventajas o pensó que sería bueno continuar con el proyecto y mejo- rarlo. Las desventajas podrían dejar de serlo utilizando tabletas personales en clase. Estas bue- nas impresiones nos hicieron pensar acerca de nuevos usos de estas tecnologías como el Proyecto MotoStudent descrito en la sección siguiente.