Estudio de la Realidad Aumentada Aplicada al Diseño Arquitectónico de Modelados 3D en la Web ESPOCH
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(2) AGRADECIMIENTO En primer lugar agradecemos a Dios, por ayudarnos a terminar este proyecto, gracias por darnos la fuerza para hacer este sueño realidad, por ponernos en este mundo, por estar con nosotros en cada momento de nuestras vidas. A nuestros tutores de tesis por su paciencia y tiempo estamos muy agradecidos. A nuestros hermanos por su apoyo y confianza. Gracias por ayudarnos a cumplir nuestros objetivos como personas y estudiantes..
(3) DEDICATORIA La presente tesis se la dedicamos a Dios y a nuestras familias que gracias a su apoyo hemos concluido la carrera. A nuestros padres por brindarnos los recursos necesarios y su apoyo incondicional..
(4) FIRMAS DE RESPONSABLES Y NOTA. NOMBRE. Ing. Iván Menes. FIRMA. FECHA. __________________. ___________________. __________________. __________________. __________________. __________________. __________________. __________________. __________________. __________________. DECANO FACULTAD INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA. Ing. Milton Espinoza DIRECTOR DE LA ESCUELA DE DISEÑO GRÁFICO. Ing. Ramiro Santos P. DIRECTOR DE TESIS. Lic. Edison Martínez. MIEMBRO DEL TRIBUNAL. Tlg. Carlos Rodríguez DIRECTOR CENTRO DE DOCUMENTACIÓN. NOTA DE TESIS_______________.
(5) “Nosotros, Edwin Absalón Chimbo Buenaño y Diego Armando Tierra Quispillo, somos responsables de las ideas, doctrinas y resultados expuestos en esta Tesis de Grado, y el patrimonio intelectual de las misma pertenecen a la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo”.. Edwin Absalón Chimbo Buenaño. Diego Armando Tierra Quispillo.
(6) INDICE DE ABREVIATURAS. 2D:. Dos dimensiones. 3D:. Tercera dimensión. VR:. Realidad Virtual. AR:. Realidad Aumentada. DD:. División Digital. VE:. Entorno virtual.. CAD:. Diseño Asistido por Computadora. HMD:. Despliegue de pantalla montada en la cabeza “Head-MountedDisplay”. HUDs:. Despliegue sobre la cabeza “Head Up Displays”. LED:. Light-Emitting Diode. RGB:. Rojo, Verde, Azul. GPL:. General Public License.. JSP:. JavaServer Pages.. SWF:. Small Web Format.. RIAs:. Aplicaciones de Internet Ricas. J2EE:. Java Platform, Enterprise Edition. XML:. Extensible Markup Language.. MXML:. Macromedia Extensible Markup Language.. HTML:. HyperText Markup Language.. PHP:. Hypertext Pre-processor.. ASP:. Active Server Pages..
(7) INDICE GENERAL PORTADA AGRADECIMIENTO DEDICATORIA HOJA DE FIRMAS FIRMA DE RESPONSABILIDAD INDICE DE ABREVIATURAS INDICE GENERAL INDICE DE FIGURAS INDICE DE TABLAS INTRODUCCIÓN CAPÍTULO I: GENERALIDADES 1.1 Antecedentes ..................................................................................................................... 15 1.2 Justificación de la tesis de Grado ...................................................................................... 17 1.3 Objetivos ........................................................................................................................... 19 1.3.1 Objetivo General. ...................................................................................................... 19 1.3.2 Objetivos Específicos ................................................................................................ 19 1.4 Hipótesis ........................................................................................................................... 19 CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO 2.1 Diseño y Psicología .......................................................................................................... 20 2.1.1 Elementos .................................................................................................................. 20 2.1.2 Categorías Compositivas ........................................................................................... 23 2.1.3 Psicologia del Color. ................................................................................................. 24 2.2 Comportamiento Humano. ................................................................................................ 26 2.2.1 Analisis del comportamiento humano frente a metodos virtuales. ............................ 26 2.2.1.1 La obdervación comductual................................................................................... 28 2.2.1.2 Enfoque de la investigación. .................................................................................. 29 2.2.1.3 Publico Objetivo ..................................................................................................... 30 2.2.1.3.1Segmento a Investigar .......................................................................................... 30 2.2.1.3.2 Establecer la población ........................................................................................ 30 2.2.1.3.3 Tamaño de la Muestra ......................................................................................... 31 2.2.1.3.4Analisis de Resultados .......................................................................................... 31.
(8) CAPÍTULO III: REALIDAD AUMENTADA, 3D SOFWARE DE ARQUITECTURA Y DISEÑO WEB 3.1 Realidad Aumentada ......................................................................................................... 32 3.1.1 Tareas en realidad aumentada.................................................................................... 37 3.1.2 Captacion de la escena ............................................................................................... 38 3.1.3 Identificación de escenas ........................................................................................... 39 3.1.3.1Reconocimiento por marcadores. .......................................................................... 39 3.1.3.2Reconocimiento sin marcadores. ........................................................................... 41 3.1.3.3El marcador vs Marcadores AR ............................................................................. 42 3.2 Tecnicas de mezclado de realidad y aumento ................................................................... 44 3.2.1Fundamentos dimencionales....................................................................................... 44 3.2.2Librerias de aumento .................................................................................................. 45 3.2.2.1Open Gl. ............................................................................................................... 46 3.2.2.2Artoolkit. .............................................................................................................. 47 3.3 Lente Magico vs Espejo mágico ....................................................................................... 48 3.4 Interaccion natural con elementos virtuales a travéz de la mano del usuario ................... 50 3.5Flartoolkit........................................................................................................................... 51 3.5.1Funcionamiento interno de flartoolkit....................................................................... 51 3.5.1.1Fase 1: Captura de imagen ..................................................................................... 52 3.5.1.2Fase 2: Binarizado de imagen ................................................................................ 52 3.5.1.3Fase 3: Etiquetado .................................................................................................. 54 3.5.1.4Fase 4: Detección de bordes .................................................................................. 55 3.5.1.5Fase 5: Reconocimiento del marker ....................................................................... 55 3.5.1.6Fase 6: Calcular la matriz de transformación ......................................................... 58 3.5.1.7Fase 7: Render........................................................................................................ 58 3.5.1.8GPL ........................................................................................................................ 58 3.6Adobe flex builder para A.R .............................................................................................. 59 3.7Vizualización de la escena ................................................................................................. 62 3.7.1Sistemas de bajo costo .............................................................................................. 62 3.7.2 Sistemas de alto costo. ............................................................................................. 63 3.7.3 Reconocimiento de imágenes. ................................................................................. 64 3.7.4 Adquisición de imágenes ......................................................................................... 66 3.7.5 Procesamiento digital .............................................................................................. 66 3.8Formatos de señales de video e imágenes .......................................................................... 68 3.8.1Formato RGB ........................................................................................................... 68 3.8.2Formato YUV ........................................................................................................... 69 3.9Analisis del sistema de realidad aumentada....................................................................... 70.
(9) 3.9.1 Componentes hardware y software............................................................................ 70 3.9.1.1 Componentes hardware ....................................................................................... 70 3.9.1.2 Componentes software ........................................................................................ 71 3.10 3d estudio max ................................................................................................................ 72 3.10.1 El formato de 3d estudio max ................................................................................ 72 3.10.2 Estudio del modelado arquitectonico en 3d ........................................................... 72 3.11Software de arquitectura .................................................................................................. 74 3.11.1 Estudio de compativilidad con paquetes de arquitectura ......................................... 74 3.12Diseño web ...................................................................................................................... 76 3.12.1 Diseño web aplicado ................................................................................................ 76 3.12.2Etapas ....................................................................................................................... 77 3.12.3Fundamentos............................................................................................................. 78 3.12.4Web........................................................................................................................... 79 3.12.5Aplicaciones web...................................................................................................... 79 3.12.6Analisis de usabilidad ............................................................................................... 80 3.12.7 Usabilidad web ........................................................................................................ 80 3.12.8 Interfaz gráfica........................................................................................................ 81 3.12.9 Diseño de interfaz de usuario y multimedia ............................................................ 83 3.12.10Evaluacion de interfaces de usuario multisensorial ................................................ 84 CAPÍTULOIV: DESARROLLO E INTEGRACIÓN 3D A LA REALIDAD. AUMENTADA 4.1. 3D ......................................................................................................................................... 85 4.1.1. Modelado de Superficie. ........................................................................................... 85 4.1.2. Realidad Aumentada. ............................................................................................... 87 4.1.2.1 Acople de modelados 3d a R.A ........................................................................... 87 4.1.2.2 Escenario ............................................................................................................. 89 4.1.3 Estudio Psicologico: Interpretación de las expreciones faciales ............................... 89 4.1.4 Estudio Psicologico frente a la aplicación A.R ........................................................ 93 CAPÍTULO V:DISEÑO Y ELABORACIÓN DEL SITIO WEB 5.1 Diseño lógico .................................................................................................................... 95 5.2 Diseño funcional ............................................................................................................... 96 5.3. Diseño Fisisco.................................................................................................................. 97 5.4Desarrollo de la interfaz web ............................................................................................. 97 5.4.1 Selección de la herramienta de desarrollo ................................................................. 99 5.4.2 Creación del sitio web. ............................................................................................ 100 5.4.3Incorporacion del modelado 3D y A.R. al sitio web. .......................................... 100. 5.4.4Validacion de la pàgina web y la aplicación A.R. ................................................... 100.
(10) CAPÍTULO VI: VALIDACIÓN DE LA HIPÓTESIS 6.1 Validación de la Hipótesis .............................................................................................. 103 CONCLUSIONES RECOMENDACIONES RESUMEN SUMMARY GLOSARIO DE TÉRMINOS ANEXOS BIBLIOGRAFIA.
(11) INDICE DE FIGURAS. Figura II. 01: Cuadro estadístico. Aceptación de la aplicación de A.R. Figura III. 02: Ejemplo .Casco de visualización (Head-MountedDisplay, HMD) Figura III. 03: Ejemplo de uso de realidad aumentada en la cabina de un avión Figura III. 04: Ejemplo Diagrama conceptual de un sistema de Realidad Aumentada Figura III. 05: Ejemplo .Realidad aumentada en la realidad normal.En b se ha girado el punto de vista que la cámara tenía en a, que a su vez hace que también el objeto virtual gire en relación al nuevo punto de vista. Figura III. 06: Esquema de funcionamiento de un sistema de realidad aumentada típico. Figura III. 07: Ejemplo de un marker. Figura III. 08: Ejemplo de aplicación de marcador en realidad aumentada. Figura III. 09: Ejemplo Un pez 3D en un modelo de marcador Figura III. 10: Ecuación Proyección de un punto 3D (x, y, z) en un plano 2D (u, v). Figura III. 11: Pipeline de OpenGL. Figura III. 12: Ejemplo de Ecuación 1 utilizada en las coordenadas de una cámara. Figura III. 13:Pasos del algoritmo de posicionamiento usando ARToolkit Figura III. 14: Un Espejo Mágico Grande Figura III. 15: La Perspectiva del Lente Mágico Figura III. 16: Cálculo de las coordenadas de la cámara respecto a la marca. Figura III. 17: Etapas en el funcionamiento interno de FLARToolkit. Figura III. 18: La imagen original se convierte primero a escala de grises y luego se umbraliza. Figura III. 19: Dependiendo del valor de umbral podemos pasar de una imagen blanca a una negra casi en su totalidad. El valor ideal en este ejemplo sería alrededor de los 105, donde cada objeto de la imagen puede ser separado del fondo claramente. Figura III. 20: Etiquetar es agrupar conjuntos de pixeles para detector similitudes entre ellos y así detector objetos. Figura III. 21: Los bordes y vértices de los objetos rectangulares son detectados. Figura III. 22: Del marker, el área central es importante y debe contener una figura asimétrica de manera que sea fácil reconocer su orientación desde cualquier punto. Figura III. 23: Si se abre el fichero .pat, se verán los números que representan el marker en escala de grises..
(12) Figura III. 24: Aplicando la transformación homográfica a los candidatos a markers, la imagen esdeformada para extraer del centro el patrón sin deformaciones. Figura III. 25: Usando los patrones detectados, se estima la similitud con los patrones definidos en elprograma. Figura III. 26: Holograma interactivo que responde al tacto.2.6 Figura III. 27: Proceso de reconocimiento de imágenes mediante técnicas de Visión Artificial clásica. Figura III. 28: Imagen sin y con ruido gaussiano. Figura III. 29: Detección de bordes mediante el operador de Canny. Figura III. 30: Ejemplo de Arquitectura Virtual futurista. Figura IV. 31: Modelado de superficies del edificio de la Facultad de Informática y Electrónica. Figura IV. 32: Escenario de la aplicación de A.R. Figura IV. 33: Expresiones faciales universales de Eckman. Figura V. 34: Diagrama (Estructura de flujo). Figura V. 35: Diseño funcional de menú principal pagina web. Figura V. 36: Diseño funcional de la Interfaz pagina web. Figura V. 37: Diseño final del menú principal pagina web. Figura V. 38: Diseño final de la interfaz pagina web. Figura V. 39: Diseño final del menú principal. Figura V. 40: Diseño final página web 1. Figura V. 41: Diseño final página web 2. Figura V. 42: Diseño final página web 3. Figura V. 43: Página web conceptos. Figura V. 44: Validación de la web y A.R. Figura V. 45: Validación de la Hipótesis..
(13) INDICE DE TABLAS. Tabla III. 1. Resumen de los requisitos software de un sistema de realidad aumentada. Tabla V. 2. Arquitectura de la Información. Tabla V. 3: Aceptación de la página web..
(14) INTRODUCCION. Partiendo de los Planos al Modelado en 3D como temática general, se decidió hacer enfoque en el Diseño 3D Arquitectónico, y en el público adulto a quien está dirigido este proyecto; ya sea para diseñadores arquitectónicos, arquitectos o ingenieros civiles o de forma individual. La investigación se centrará en la aplicación de nuevas tecnologías para acortar la brecha entre el plano y el modelado virtualen 3D y el público antes mencionado. Con el fin de desestructurar la información que se brinda y los métodosutilizados para ello, se propondrá la utilización de la Realidad Aumentada y eldiseño de la interface que permita su aplicación, para generar una nueva formade acceso al material que ofrece este numeroso grupo de especialistas. Se denomina Realidad Aumentada a la información virtual visualsobrepuesta o mezclada con imágenes del mundo real. Para su aplicación se necesitan cuatro componentes: 1- Marcadores: símbolos (dibujos en papel, formas, etc.) que elsoftware interpreta arrojando una respuesta especifica en formavirtual (mostrar una imagen 3D, cambiar su posición, etc.). 2- Cámara: dispositivo que toma la información del mundo real(marcador, persona.) y la transmite al software de Realidad Aumentada. 3- Software: programa que interpreta los datos reales, principalmente el marcador, y sobrepone la información virtual (objeto 3D, etc.) 4- Monitor: instrumento donde se verá reflejada la suma de loselementos reales y los virtuales que conforman la RealidadAumentada. Dicha tecnología permite explorar las conexiones entre diseño arquitectónico (modelado 3d), ciencia ytecnología, comprometiendo a la audiencia a través de instalaciones de altoimpacto sensorial, que introducen al usuario en una experiencia global e interactiva..
(15) CAPÍTULO I GENERALIDADES. 1.1 Antecedentes Durante las últimas décadas, un gran número de investigadores ha concentrado sus esfuerzos en el desarrollo de interfaces de usuario avanzadas mediante técnicas de Realidad Virtual. Más recientemente, se ha creado una nueva rama de interfaces denominadas “Realidad Aumentada”, donde los elementos reales conviven con los elementos virtuales que sirven para aportar información adicional a los primeros. Los ejemplos del uso de la “Realidad Aumentada” en campos como la medicina, fabricación y reparación de equipos industriales, sector aeroespacial y militar son una constante hoy en día, así como los ejemplos del uso de esta nueva herramienta en arquitectura, en campos como la construcción, inspección y renovación de elementos estructurales.
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