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Tecnologia 3D aplicada à recuperação virtual de património histórico
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Renato Alexandre Castanho Peixoto
1 FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO Tecnologia 3D aplicada à recuperação virtual de património histórico Castelo de Freixo de Espada à Cinta Miguel Ângelo Alves Gata Licenciado em Ensino de Educação Visual e Tecnológica pela Escola Superior de Educação de Bragança Dissertação submetida para obtenção do grau de Mestre em Tecnologia Multimédia Duarte D armas Dissertação realizada sob a orientação do Professor Doutor Eurico Carrapatoso Bragança, Julho de 2007
2 ABSTRACT 3D MODELLING A Reencounter of the Lost Past Shape and tridimensional space modelling, an emerging technology, has been used for the creation of futuristic animation and images, that allow people to have a detailed idea of what the creator wants to show. For years there has been an attempt to create two different kinds of work: on one hand, object images or animations still in project, and on the other hand, the same images or animations but about objects and characters from our imagination, that not exist in the real world. Meanwhile the extreme use of the internet and mainly the use of the graphic capacity of current software and hardware, have become potential factors of this tecnology. The most important manufacturers of graphic material have been coming up with the incorporation of more sophisticated characteritics thus trying to reach details that seem even more real. As in everything else, today s technology is the result of yesterday s systems and it will affect tomorow s. This thesis presents a way of showing to those who are interested how to virtually recover lost historical heritage by using 3D modelling technology to relive ancient times and situations that will not ever happen again. What this model brings is a new approach to passed situations by the use of the refered technology. Usually these resources are applied on what is to be created. The application, which has multimedia components such as image, animation, audio and interaction with the user, aims to help the process that leads to knowledge and learning of concepts. Taking advantage of the domestic banalization of DVDs, this project has been adapted from a multimedia PC application into a DVD player content, in order to reach a much larger public. Having the present application as a case study, the present project intends to show that 3D modelling is of the areas with quite a promissing potential future as well as one that demands creativity from its followers. Everytime 3D modelling is chosen as a way that links two interdisciplinary areas that are so distintive, such as Hitory and IT, the results can be astonishing. II
3 Resumo Modelação 3D Reencontrar o passado perdido. A modelação de formas e espaços tridimensionais, tem tido como principal campo de utilização a criação de imagens e animações, que permitem a todos ter uma ideia detalhada daquilo que o seu criador pretende mostrar. Neste campo tem-se ao longo dos tempos investido em produzir dois tipos de trabalhos: por um lado formar imagens ou animações de objectos em fase de projecto; por outro criar essas mesmas imagens ou animações acerca de objectos e personagens do nosso imaginário, que jamais existiram no mundo real. A explosão do uso da Internet e sobretudo as capacidades gráficas do hardware e software de que hoje dispomos tem-se revelado factores potenciadores desta tecnologia. Os principais fabricantes de material gráfico têm respondido com a incorporação de características cada vez mais sofisticadas, convergindo no sentido de alcançar detalhes cada vez mais aproximados à realidade. A tecnologia utilizada actualmente é, como acontece em tudo, fruto da evolução de sistemas anteriores e dela dependerão os sistemas do amanhã. Nesta tese é apontado um caminho que visa mostrar a todos que se interessem pelo tema como se pode recuperar virtualmente património histórico perdido recorrendo a tecnologia de modelação 3D para reviver tempos antigos e situações que não mais se repetirão. O que este modelo traz de novo é a aplicação da referida tecnologia a situações passadas e a sua publicação em formato de DVD-Video. A aplicação, com uma componente multimédia que passa pela imagem, animação, áudio e interacção com o utilizador, pretende facilitar o processo que leva ao conhecimento e à aprendizagem dos conteúdos trabalhados. Aproveitando a banalização doméstica de leitores de DVD todo o trabalho foi adaptado para o formato multimédia deste sistema físico, pretendendo-se assim atingir um público alargado com esta aplicação. Tendo como caso de estudo a construção de um protótipo, pretende o presente trabalho mostrar que a modelação 3D é uma áreas com enormes potencialidades e uma das que mais criatividade exige aos seus seguidores. Assim, e sempre que a modelação 3D for escolhida como o meio que liga interdisciplinarmente duas áreas tão distintas como a História e a Informática, podem-se alcançar resultados surpreendentes. III
4 Agradecimentos Agradeço ao meu orientador, Eurico Carrapatoso, pela disponibilidade sempre demonstrada, pela grande utilidade das suas sugestões, revisões e críticas ao presente trabalho, e pelas condições de trabalho que me proporcionou ao utilizar os recursos da web para comunicarmos. À Cláudia pela enorme ajuda no incentivo, confiança, apoio, amizade e amor. Aos meus familiares e amigos, nomeadamente os meus Pais e Tios, pela paciência, apoio e compreensão que sempre demonstraram. Ao amigo Jorge Cardoso Duarte pela amizade, colaboração e orientação na componente histórica deste mestrado. À amiga Helena Calado pela amizade, colaboração e incentivo nos momentos mais difíceis da redacção da tese. Ao amigo Vítor Branco, que sempre me incentivou e ajudou ao longo de todo o Curso de Mestrado, pela força e suporte moral que me transmitiu e levou a chegar até aqui. IV
5 Índice 1.Introdução..pág Motivações...pág Objectivos....pág Estrutura da Dissertação...pág A Reconstrução Histórica pág Metodologia de Investigação pág Metodologia da Investigação Histórica.. pág Tecnologias Gráficas de Apoio pág Estado da Arte pág Breve Abordagem à Evolução do Software e Hardware Actuais.. pág Interacção......pág Produtos de Integração do 3D Virtual pág Um Caso de Estudo.....pág Contexto do Castelo de Freixo de Espada à Cinta.pág Situação Social da Época... pág Envolvência Geográfica.pág Análise do Património Actual....pág A Aplicação. pág Especificação.pág Componente Multimédia....pág Construção.pág Usabilidade.....pág Questionário e Resultados Obtidos......pág Conclusões..pág Conclusões e Trabalho Futuro.....pág. 89 Bibliografia e Referências On-line..pág. 93 1
6 Lista de Figuras e Tabelas Figura 1.1 Whirlwind I... pág. 4 Figura 1.2 Toy Story (1995)...pág. 7 Figura 3.1 Autodesk 3D Studio modeling environment.... pág. 18 Figura 3.2 Maya 5 modeling environment....pág. 19 Figura 3.3 Eovia Carrara 4 Pro modeling environment..pág. 19 Figura 3.4 Processadores Intel e AMD.....pág. 20 Figura 3.5 Placas Gráficas ATI e NVidia.. pág. 20 Figura Intersection Boolean operation....pág. 22 Figura 3.7 Spline editing...pág. 22 Figura 3.8 Radiosity effect....pág. 25 Figura Link para as salas de modelação Carrara 4 Pro....pág. 27 Figura 3.10 Exemplo de uma interface com excesso de controlos pág. 30 Figura 3.11 Exemplo de como se pode simplificar uma interface....pág. 30 Figura 3.12 Controlos de objectos: posição, tamanho e rotação...pág. 31 Figura 3.13 Controlos de câmara por eixos e rotação dolly......pág. 31 Figura 3.14 Ambiente de trabalho Adobe Premiere Pro pág. 32 Figura 3.15 Ambiente de trabalho DVD-Lab Pro....pág.33 Figura 3.16 Housesteads Roman Fort Virtual Reality Tour...pág. 34 Figura 3.17 Eiffel Tower virtual tour 3D Cult plug-in.... pág. 35 Figura 3.18 Virtual Solar System com plug-in ViscapeSVR......pág. 35 Figura 3.19 (Turkey) City of Kusadasi 3D virtual tour....pág. 36 Figura 3.20 Bracara Augusta - termas romanas pág. 38 Figura 3.21 Bracara Augusta - cidade e casa das carvalheiras.pág. 38 Figura 3.22 Bracara Augusta - muralha da cidade...pág. 38 Figura 3.23 Mosteiro de Sta. Clara-a-Velha chafariz....pág. 39 Figura Mosteiro de Sta. Clara-a-Velha campanário...pág. 39 Figura 3.25 Mosteiro de Sta. Clara-a-Velha nave central da igreja... pág. 39 Figura Mosteiro de Sta. Clara-a-Velha casa do chafariz... pág. 39 Figura 4.1 Torre do Galo.....pág. 41 2
7 Figura 4.2 Acesso ao interior da torre......pág. 41 Figura 4.3 Escada interior em espiral pág. 42 Figura 4.4 Cachorros do tipo borgonhês......pág. 42 Figura 4.5 Vista do alto da Torre do Galo.... pág. 42 Figura 4.6 Representação do castelo por Duarte D Armas (vista sul-norte)...pág. 43 Figura 4.7 Representação do castelo por Duarte D Armas (vista norte-sul)...pág. 44 Figura 4.8 Representação da planta do castelo por Duarte D Armas.. pág. 44 Figura 4.9 Mapa da localização da vila de Freixo de Espada à Cinta.. pág. 47 Figura 4.10 Planta que serviu de base à maqueta 3D...pág. 53 Figura 5.1 Estrutura de navegação a desenvolver (proj. 1).....pág. 60 Figura 5.2 Estrutura de navegação a desenvolver (proj. 2) pág. 61 Figura 5.3 Estruturas fundamentais da navegação hipermédia.....pág. 65 Figura 5.4 Heptágono irregular.....pág. 68 Figura 5.5 Heptágono irregular em perspectiva....pág. 68 Figura 5.6 Corpo da torre ajustado em altura... pág. 69 Figura 5.7 Modelo 3D da Torre do Galo......pág. 70 Figura 5.8 Foto da Torre do Galo.....pág. 70 Figura 5.9 Textura de xisto... pág. 70 Figura 5.10 Textura de granito. pág. 70 Figura 5.11 Componente da muralha....pág. 72 Figura 5.12 Estrutura do muro.. pág. 72 Figura 5.13 Alinhamento dos componentes da muralha... pág. 73 Figura 5.14 Representação dos telhados...pág. 73 Figura 5.15 Castelo no ambiente de modelação...pág. 74 Figura 5.16 Resultado do processo de render ao castelo.. pág. 74 Figura 5.17 Castelo modelado em 3D e inserido em ambiente virtual. pág. 75 Figura 5.18 Elementos gráficos humanos. pág. 77 Figura 5.19 Fotografia actual no local do castelo pág. 78 Figura 5.20 Fotomontagem do protótipo 3D em ambiente realista.. pág. 78 Figura 5.21 Esquema de navegação para o protótipo em DVD.... pág. 79 Figura 5.22 Aspecto do menu principal do protótipo pág. 80 Tabela I Características da tecnologia DVD. pág. 67 3
8 Capítulo 1 1. Introdução O recurso às tecnologias de modelação 3D está presente em diversas áreas: podemos descobrir a sua aplicação tanto nos mais recentes jogos para telemóveis como nos mais avançados sistemas de aeronáutica. A integração destas tecnologias na indústria cinematográfica levou a novos caminhos no desenvolvimento da sétima arte, assim como as suas aplicações na área da medicina facilitaram sobremaneira o trabalho de diagnóstico e intervenção médica a desenvolver nos pacientes. Entre os historiadores da computação gráfica parece haver consenso, uma vez que reconhecem o Whirlwind I, mais conhecido por hurricane (furacão), como o primeiro computador com recursos gráficos para visualização de dados numéricos. Figura 1.1 Whirlwind I Este equipamento foi desenvolvido no Massachusetts Institute of Technology (MIT), em 1950, com finalidades não só académicas mas possivelmente também militares, uma vez que o comando de defesa aérea dos Estados Unidos da América pretendia usar esta tecnologia para um sistema de monitorização e controlo de voos. Em 1962 surgiu uma das mais importantes publicações nesta área, a tese do Dr. Ivan Sutherland (Sketchpad - A Man-Machine Graphical Communication System), que 4
9 propunha uma forma de interacção muito semelhante ao que hoje chamamos interfaces Window Icon Menu Pointer (WIMP). Após alguns anos de investigação e desenvolvimento, a General Motors desenvolveu o precursor dos primeiros programas de Computer Aided Design (CAD), exemplo este seguido por outras empresas americanas da época, tanto que no final dos anos 60 já praticamente toda a indústria automobilística e aeroespacial utilizava software CAD. A modelação 3D tem como base os primeiros princípios do CAD; no entanto existiram dois factores preponderantes para o desenvolvimento desta tecnologia tal como hoje se entende. Em primeiro lugar, o desenvolvimento da tecnologia de circuitos integrados durante a década de 70, que permitiu a redução de preços e a consequente vulgarização das máquinas. Em segundo lugar, o fim da ideia de que os fabricantes de computadores deveriam fornecer apenas a máquina e o sistema operativo e que os utilizadores teriam de escrever os seus próprios programas e aplicações. As vantagens que as tecnologias de modelação 3D podem oferecer são: uma maior similitude com o mundo real; uma maior adaptação a novas interfaces; uma dimensão adicional; e uma boa combinação com as novas tecnologias de ecrãs. Foi neste contexto que considerámos interessante associar estes factores num enquadramento pouco habitual como é o caso da reconstrução histórica de monumentos que se foram degradando ou desaparecendo ao longo dos séculos. Neste campo parece ser muito pouco o trabalho desenvolvido e generosas as potencialidades das ferramentas disponíveis. Ao focar o 3D está-se consequentemente a falar de ambientes tridimensionais. Este tipo de ambientes é um cenário dinâmico ou não, armazenado no computador e exibido em tempo real, através de técnicas de computação gráfica. Acreditamos que pode ser viável através destes recursos elaborar conteúdos multimédia que pudessem eventualmente ser interessantes num contexto de promoção turística, histórica e tecnológica. 5
10 1.1 Motivações Com a constante evolução das tecnologias para Computer-Generated Imagery (CGI) existe a possibilidade de aplicar estas ferramentas na elaboração de conteúdos multimédia, nomeadamente na recuperação em formato digital de algum património já desaparecido e que as gerações actuais desconhecem. Todos nós nos deparamos em diversos locais com elementos históricos e artísticos que o tempo degradou, levandonos a imaginar como estes seriam quando enquadrados nos seus momentos áureos. Poderá a tecnologia de modelação 3D ser uma ferramenta privilegiada no auxilio à recuperação virtual desses contextos de outrora? Com o intuito de tentar responder à questão, seria interessante desenvolver uma aplicação construída com a tecnologia actual, que genericamente todos pudessem manusear e do qual pudessem usufruir no conforto dos seus lares, proporcionando desta forma uma viagem no tempo e a possibilidade de devolver à memória colectiva um passado extinto, através da construção 3D de objectos e ambientes que já não fazem parte das nossas vidas. No caso de estudo concreto deste trabalho, a recuperação virtual do Castelo de Freixo de Espada à Cinta, parte-se do que resta de um antigo castelo extinto e de uma torre com dois muros de suporte, mais 3 desenhos da época e algumas descrições escritas, realiza-se alguma investigação e são apresentadas propostas de viabilidade turística e comercial das quais se concluiu que havia interesse especial em aplicar as ferramentas de modelação 3D na reconstrução do referido monumento. 1.2 Objectivos Os principais objectivos delineados para este trabalho incluiam a utilização de tecnologia 3D para a modelação de objectos dos quais restam apenas registos gráficos em 2D, o estudo de um modelo de construção gráfica, avaliando o seu comportamento na execução das tarefas pretendidas, assim como o estudo das aplicações multimédia que melhor respondam às necessidades apresentadas pela divulgação do material em 3D. Seguia-se a implementação de um protótipo com base nas tecnologias descritas, e finalmente a avaliação de impacto deste projecto junto do público-alvo. Este trabalho pode enquadrar-se num projecto de maior âmbito que é a promoção do património histórico e cultural através do recurso às novas tecnologias. 6
11 A proposta aqui apresentada pode contribuir em duas vertentes para este desiderato. Primeiro enquanto material tecnológico de apoio à divulgação e uso das tecnologias gráficas, segundo como contributo histórico no estudo, promoção e conhecimento de antigas fortalezas medievais. Se por um lado é de realçar as tecnologias de modelação e construção 3D que cada vez mais estão a ser utilizadas desde Toy Story (1995), que foi a primeira produção cinematográfica integralmente gerada por computador, por outro é extremamente importante estar consciente de que através do constante avanço tecnológico o presente trabalho ficará para sempre inacabado mas deixará às gerações actuais e vindouras um registo digital que será uma porta aberta e um contributo para futuras criações nesta área. Figura 1.2 Toy Story (1995) 7
12 1.3 Estrutura da Dissertação Esta dissertação compreende na sua totalidade seis capítulos. O primeiro capítulo, como não poderia deixar de ser, é essencialmente de carácter introdutório. No segundo capítulo apresentamos a metodologia da investigação e abordamos a vertente histórica que serviu como base à definição das linhas principais da criação dos objectos representados, bem como à consequente criação de conteúdos e sua apresentação. No terceiro capítulo versamos uma análise das tecnologias gráficas de apoio utilizadas na computação gráfica, quer relativamente aos ambientes tridimensionais e virtuais, quer na edição de materiais gráficos ao nível das imagens obtidas. Ao caso de estudo é dada toda a atenção ao longo do quarto capítulo, para que se perceba o contexto concreto no qual as tecnologias 3D foram aplicadas. Ao longo do capítulo imediato é abordada a especificidade do trabalho e explanada a forma como se estruturou o projecto, bem como a implementação desse mesmo projecto ao nível do desenvolvimento e do suporte de divulgação e è ainda feita uma abordagem à problemática da usabilidade seguida dos respectivos testes, que que visam levar o produto multimédia ao encontro do utilizador. Os resultados e reacções obtidas e quais os caminhos a seguir com o intuito de melhorar esses mesmos resultados são também aqui apresentados. Finalmente, no sexto capítulo, é feita a avaliação de todo este trabalho, bem como são apresentados alguns indicadores evolutivos face às produções actuais. 8
13 Capítulo 2 2. A Reconstrução Histórica Para iniciar este capítulo que enquadrará historicamente o nosso caso de estudo e a sua prévia investigação, comecemos por afirmar que a investigação científica, neste caso histórica, que outrora era um simples complemento do ensino superior, surge nos nossos dias com uma autonomia de tal forma alargada que obrigatoriamente transcende os limites de qualquer Universidade. Por isso cada vez mais se fala em Investigação Transdisciplinar e na Democraticidade da Informação. Parece lógico que se percorrermos cada uma das etapas fundamentais de uma qualquer investigação científica, desde a primeira sugestão ou simples formulação de hipótese, até à última fase ou elaboração da síntese, verificamos que por detrás daquilo que vamos encontrar existiu uma grande variedade de investigadores que pela sua curiosidade, forte poder de imaginação e, não raras vezes, forte persistência contribuem sempre com algo de positivo para o alcance do resultado final. Assim, cremos que cada investigação, longe de ser obra de um só indivíduo, pressupõe nos diferentes momentos da sua elaboração uma conjugação de esforços e uma continuidade de estudos, ou seja, é uma obra colectiva e de interesse colectivo feita por muitos e dela todos devem beneficiar. Mas, por outro lado, para que todos possam usufruir dos resultados finais de determinada investigação é necessário dá-la a conhecer pelos mais variados meios de comunicação ou de informação, em suma, popularizar a informação. Como o conseguimos? Se pensarmos que as tecnologias da informação e das comunicações são já parte integrante do nosso quotidiano, que qualquer organização pública ou privada dispõe actualmente de toda um conjunto de instrumentos para comunicações pessoais ou de trabalho, para o processamento de textos e de informação sistematizada, para o acesso a bases de dados e à informação distribuída nas redes electrónicas digitais, ou que os computadores individuais, a Internet e a multimédia se estão a tornar omnipresentes e que já fazem parte da vida pessoal de milhões de cidadãos em todo o mundo, então esta Democratização torna-se um problema muito fácil de resolver. 9
14 Podemos ainda afirmar que este trabalho respeitou desde o início estas duas vertentes acima citadas. É uma investigação transdisciplinar porque utiliza estudos e conhecimentos quer de Informática quer de História, que se complementam, e está projectada para que chegue também ao conhecimento do maior número de pessoas possível, pois o suporte para o qual foi idealizada é compatível com a tecnologia existente na actualidade, daí falarmos na sua democraticidade. No que concerne à investigação histórica, assinalemos que como qualquer outra forma de investigação, pressupõe um certo e determinado número de regras e etapas. A História vista como ciência é acima de tudo uma tentativa de conhecimento completo do passado humano, baseada em documentos e provas concretas. Por outro lado, e em segundo lugar, a História é uma ciência viva e como tal em desenvolvimento contínuo, buscando sem cessar apoios para a reconstrução do passado em várias outras ciências e disciplinas, entre as quais a Antropologia, a Economia, a Geografia, a Demografia e, cada vez mais, a Informática. 10
15 2.1 Metodologia de Investigação A metodologia de investigação utilizada para realizar este trabalho baseou-se numa série de etapas que foram seguidas e nos levaram a alcançar os objectivos propostos. Em primeiro lugar houve que formular uma questão baseada num dado problema ou objectivo a atingir. Por sugestão de um amigo, foi colocada a questão se haveria ou não possibilidade de reconstrução do maior legado que a incúria humana retirou à vila de Freixo de Espada à Cinta, ou seja, o castelo medieval do qual hoje resta apenas uma torre sineira que subsistiu para essa mesma função. Daqui surgiu a primeira grande questão do presente trabalho de tese, isto é, de que forma poderia a tecnologia multimédia colaborar num processo de recuperação virtual e devolver às gerações actuais a possibilidade de conhecer o extinto monumento. Para envolvermos os diversos meios que a tecnologia actual disponibiliza teríamos que criar um produto onde a imagem, o áudio, o vídeo e a interactividade estivessem presentes. Teríamos ainda que escolher um suporte que englobasse todas estas variáveis e que as compatibilizasse de forma fiável e acessível. O passo seguinte era saber com que material de apoio e com que apoios institucionais poderíamos contar para levar a cabo este trabalho. Um primeiro contacto realizado no início de 2005 junto das entidades administrativas do concelho mostrou haver receptividade por parte das mesmas para considerar este projecto como de elevado interesse público no âmbito cultural e turístico do concelho. Tivemos assim todo o apoio no que respeita à parte logística, o que facilitou a recolha de material gráfico e escrito relativo ao castelo em causa, bem como interesse na possibilidade de futura publicação do trabalho. Com a colaboração sempre presente do Técnico Superior de História da autarquia, Dr. Jorge Duarte, foi constituído um dossier do qual ressaltam 4 motivos gráficos representativos do castelo e alguns textos que suportam pormenores da construção e remodelação da obra que pretendíamos representar. Mediante os dados recolhidos percebemos rapidamente que a investigação teria que ser dividida em duas componentes: a investigação histórica, que ficaria responsável por toda a componente de descrição pormenorizada de cada elemento a representar e, por outro lado, a investigação multimédia, que seria responsável pelo enquadramento tecnológico deste projecto. 11
16 Para estabelecer a ligação do presente com o passado e com a componente tecnológica houve que fazer um levantamento fotográfico através do qual de uma forma transversal se percorrem ambas as vertentes da investigação. Foram recolhidos registos fotográficos simples e panorâmicos, bem como fotografias aéreas. Foram ainda pesquisados os arquivos municipais de onde se retiraram informações úteis, como a carta militar da zona e a planta da vila. Existia escassa literatura sobre o tema do extinto castelo, mas dentro do que foi possível conseguir elaborou-se um pequeno portfolio de materiais que foram muitos úteis na investigação para este trabalho. Depois de reunido todo este material foi a vez de iniciar a investigação histórica que apresentamos de seguida que definiu as linhas que enquadraram e definiram o aspecto físico da obra que a tecnologia trabalhou mais tarde num processo de 3D. 2.2 Metodologia de Investigação Histórica Para realizar a investigação histórica propriamente dita houve necessidade de se optar por uma metodologia que assegurasse a correcta execução dos objectivos traçados. Esta metodologia, proveniente de diversos ambientes académicos, foi adaptada ao nosso caso de estudo e está divida em cinco pontos de referência: 1- Escolha do tema; 2- Formulação da tese; 3- Recolha da matéria-prima (técnicas e métodos de investigação); 4- Levantamento e ordenação das várias hipóteses (resposta às questões formuladas em tese); 5- Conclusão final. No ponto um, a escolha do tema, houve a necessidade inicial de após dias de alguma ansiedade, definir a estratégia para desenvolver a nossa pesquisa: temos o dever de conseguir assegurar um elevado grau de interesse relativamente ao tema a investigar, que nos motive, inclusivamente nos momentos mais difíceis. Tendo como suporte alguns estudos metodológicos das Universidades de Maryland e Ohio [http://liblearn.osu.edu/tutor/history/; 2005], verificámos que a metodologia de investigação histórica se assemelha estruturalmente a outras metodologias, por exemplo o primeiro passo será sempre a escolha de um tema que 12
17 sendo do interesse do investigador facilita o processo de investigação e produz por si só uma motivação de trabalho que ajudará ao resultado final. Podendo surgir de um interesse particular ou profissional, o assunto de uma qualquer pesquisa é acima de tudo algo que para quem investiga necessita de uma melhor definição, de uma outra forma de abordagem ou de uma maior precisão, isto é, o desenvolvimento de um tema que na óptica do investigador exige um maior aprofundamento ou a dilatação do nosso conhecimento. Temos ainda que levantar hipóteses e arranjar respostas que satisfaçam não só a nossa própria curiosidade, mas também a daqueles que se interessam pelo tema. Por conseguinte temos de encontrar um traço dominante e fundamental que nos transporte a conclusões finais válidas. Ora, delimitado o campo e escolhido o assunto, qualquer investigador deve transformar as hipóteses que se lhe deparam numa questão de pesquisa, facto que envolve obrigatoriamente dificuldades teóricas ou práticas, para as quais vai buscar soluções. Fundamentalmente, nesta primeira etapa, o investigador deve tentar responder a duas questões que se vão tornar o fio condutor de toda a investigação: - O que fazer? - Por que fazer? O investigador tem, antes de mais, a obrigação de pôr em evidência as principais tendências e abordagens anteriores feitas ao assunto, assim como de destacar a relevância de se estudar o tema proposto e argumentar sobre as vantagens ou desvantagens que as novas soluções encontradas trazem para a sociedade. Quanto ao segundo ponto, a formulação da tese, parece plausível que para desenvolver qualquer trabalho temos de recolher e tratar o maior número de dados que conseguirmos agregar. Esta fase pressupõe uma recolha muito abrangente das fontes de informação, caso de documentos impressos e/ou depositados em arquivos, leitura atenta de autores que tenham referido e investigado factos ou acontecimentos que se relacionem com o assunto a investigar, consultas a bibliotecas públicas ou privadas, a bases de dados, na web, em arquivos históricos, públicos, municipais e acima de todos estes no próprio terreno, porque muitas vezes só conseguimos sentir o pulsar das situações se as vislumbrarmos através da penumbra que muitas vezes as obscurece. Contudo, deve-se 13
18 ter sempre o cuidado de separar o essencial do acessório a fim de evitar falsas pistas e desperdício de tempo. Não obstante, pudemos iniciar o trabalho por uma exploração exaustiva da bibliografia especializada sobre o assunto que vamos desenvolver, e depois de a ordenar, empreendemos a investigação nos arquivos, conjuntamente com a leitura dos documentos impressos, sabendo que o apoio bibliográfico é indispensável para a condução de qualquer pesquisa. Se no decurso do trabalho houver um problema que não consigamos resolver, quer por falta de documentação ou de estudos especializados sobre a matéria, temos a obrigação de indicar esta lacuna. De qualquer maneira, o investigador trabalha sempre a partir de hipóteses. Quando estas se verificam, os próprios documentos que manuseamos apresentam a sua confirmação e demonstração irrefutáveis, ou seja, à medida que o trabalho de investigação vai decorrendo a hipótese apresentada inicialmente vai ganhando feições de uma certeza indiscutível. Contudo não devemos trabalhar a documentação para que ela coincida com a hipótese inicial. Se qualquer documento invalidar a nossa hipótese, não podemos hesitar em a abandonar e substituir por outra que nos seja sugerida pela documentação. De facto, um dos objectivos fundamentais que ao longo deste trabalho perseguimos, e que cremos foi alcançado, foi conciliar as exigências da metodologia por nós seguida com a espontaneidade e a liberdade de acção e conjuntamente a harmonização do tema com as condições e recursos físicos e materiais do meio que nos envolvia. Desta forma é fundamental deixar aqui bem demarcadas as duas dimensões em que este projecto se foi desenvolvendo a teórica e a prática. Durante a primeira fase, para nós muito exaustiva e morosa, tivemos de planificar todo o trabalho a desenvolver seguidamente, para que o resultado final fosse positivo. Foi o levantamento de hipóteses para a resolução dos vários problemas que se nos depararam, a distribuição temporal das tarefas, a inventariação e catalogação de todos os meios de trabalho, a organização da bibliografia, o estudo dos programas informáticos que melhor se adaptassem ao sistema por nós idealizado, ou ainda a discussão das melhores formas de apresentação final do trabalho. 14
19 Como resultado da concretização destas tarefas, a dimensão prática ficou muito mais facilitada, o que com o tratamento adequado dos dados adquiridos conduziu à materialização final do nosso projecto. Para auxiliar todo o processo podemos recorrer a palavras-chave (keywords). Estas apresentam-se como um precioso utensílio de trabalho em qualquer tipo de investigação, não só porque nos permitem organizar a investigação por sub-temas, o que contribui para uma melhor apreciação global, como permitem a investigação metalinguística nos motores de busca de bibliotecas e na web. Para o levantamento e ordenação das várias hipóteses preparámos qualquer uma delas baseados em recolha documental e estamos assim, por conseguinte, a fazer uma análise crítica do existente. Daí que a hipótese seja um enunciado das relações entre duas ou mais variáveis que orientam e balizam o investigador na condução do seu trabalho [Caeiro; 1996]. Desta forma executámos continuamente uma reformulação dos problemas ou das várias hipóteses que se nos depararam. Este exercício exige a observação, a dúvida e muitas vezes uma atitude inventiva por parte do investigador. Por esta razão a aceitação ou rejeição de uma qualquer hipótese contribuiu decisivamente para atingir os objectivos propostos. Contudo, não podemos deixar de chamar à atenção que qualquer hipótese proposta pelo investigador tem sempre de ser passível de verificação, isto é, tem de ser testável. Deste modo qualquer hipótese é uma poderosa ferramenta para o avanço do conhecimento uma vez que, embora formulada pelo homem e por isso passível de erro, pode ser testada e mostrada como provavelmente correcta ou incorrecta. As respostas encontradas, que sirvam de suporte ou de resposta à tese inicialmente apresentada, podem mediante tratamento adequado servir como conclusão final ou então como novas teses para formulação de novas hipóteses. Ao terminar, já a redacção da conclusão final deverá resumir os aspectos resultantes de toda a formulação e desenvolvimento da questão. Cada vez mais o multimédia e o 3D assumem um papel decisivo nesta complexa teia que caracteriza a sociedade humana no início deste novo milénio. São uma tecnologia e uma ferramenta que acreditamos estarem ainda no começo da exploração das suas potencialidades e que paulatinamente vão quebrando fronteiras e distâncias. A utilização das novas tecnologias na recriação de um passado mais ou menos longínquo, ou na reconstrução virtual do património desaparecido, pode e deve 15
20 obrigatoriamente alterar a forma como se encara a utilidade dessas tecnologias ao serviço do conhecimento, nomeadamente em locais nos quais se quer preservar as relações históricas entre as pessoas e o meio. Assim esta investigação baseada no tipo de suporte proposto contribuiu para o aumento da percepção da cultura e se for fortemente dinamizada pode ter um enorme potencial reprodutivo a curto e médio prazo. À medida que vão evoluindo os intercâmbios culturais entre instituições ou países a informação sobre um qualquer património pode transitar com ampla divulgação através destas novas tecnologias, processo este que trará inquestionavelmente benefícios para a salvaguarda e protecção da memória colectiva. 16
21 Capítulo 3 3. Tecnologias Gráficas de Apoio Para produzir um trabalho no qual se aplica tecnologia 3D na recuperação virtual de património histórico temos de pensar antecipadamente nos aspectos de hardware e software de que dispomos nos dias de hoje. Das características de ambos os elementos referidos, associadas à nossa capacidade de os aproveitar tecnologicamente, dependerá o resultado a alcançar neste projecto. Sabemos que as capacidades tecnológicas dos componentes de hardware de um computador estão relacionadas com o seu desempenho na execução de funções; contudo, na execução de tarefas gráficas um dos elementos físicos mais preponderantes é a placa gráfica do computador, não descurando obviamente as capacidades do processador e a quantidade de memória disponível, mas sobretudo importa a placa gráfica, que se apresenta aqui como o meio de comunicação entre o processador e o monitor. Já no campo do software é importante destacar os programas de modelação que melhor atingem os objectivos traçados para o projecto. Nem sempre o melhor programa é o mais simples de utilizar e nem sempre é aquele que melhor se adapta aos nossos fins, daí a importância de conhecer e explorar de antemão aquilo que o mercado tem para nos oferecer: experimentar, analisar, testar, concluir. 3.1 Estado da Arte No panorama actual da modelação 3D, tal como acontece com outras tecnologias, o constante desenvolvimento e evolução obrigam a permanentes redefinições do estado da arte. Falar no estado actual das ferramentas de modelação é falar também dos sucessivos e constantes aperfeiçoamentos que o hardware e software impõem reciprocamente. Aquilo de que dispomos hoje é reflexo das evoluções que as tecnologias têm sofrido ao longo do tempo. As principais empresas competem entre si para apresentarem as melhores prestações a nível gráfico, pela melhor usabilidade, por esta ou aquela funcionalidade que leve os clientes a optarem pelos seus produtos, e para isso oferecem cada vez mais e melhor. A década de 90 foi sem dúvida frutuosa no que toca à expansão do 3D que se 17
22 tornou acessível ao público em geral: a Autodesk lançou aquele que foi e continua a ser uma das referências neste âmbito, o 3D Studio, cujo ambiente de trabalho é apresentado na figura 3.1. Nele um peixe encontra-se em ambiente tridimensional e percebem-se as suas características físicas devido à malha de modelação que foi criada para representar o seu corpo. Figura 3.1 Autodesk 3D Studio modeling environment Este ambiente de modelação da Autodesk tem um interface muito semelhante à utilizada há 10 anos atrás, porém as suas características e funções têm vindo a conhecer um crescimento bastante elevado. Mas essa falta de aperfeiçoamento gráfico da interface dificulta o aproximar de novos utilizadores ao produto que é visto um pouco como for experts only. De referir também o preço da licença de utilização da versão 8 em 3 de Outubro de 2006: Depois de dobrado o milénio o Autodesk 3D Studio encontrou finalmente rivais à sua altura nas produções e animações tridimensionais, nomeadamente o Maya, utilizado entre outros pela Pixar. Na figura 3.2 podemos observar o ambiente Maya no qual se percebe alguma preocupação com a usabilidade do próprio software, assim como um menor enchimento da área de trabalho com uma panóplia de comandos que podem perfeitamente ficar embutidos para maior organização e simplicidade da interface. De referir o preço da licença de utilização do Alias Maya que quando foi lançado atingiu os , teve depois uma quebra para os e situa-se agora num escalão que procura novos mercados mais concorrenciais com o preço em 3 de Outubro de 2006 abaixo dos
23 Figura 3.2 Maya 5 modeling environment Mas nem só de softwares de topo vive a modelação 3D. Outras empresas da área tendem a responder positivamente às necessidades de trabalho dos menos afortunados e lançaram também os seus cavalos de batalha como é o caso do Carrara 4 Pro da Eovia que mais à frente abordaremos com mais detalhe, pelo facto deste ter sido eleito para os trabalhos realizados neste projecto. O ambiente é extremamente agradável e simples de utilizar como podemos verificar na figura 3.3, o que permite poupar tempo de aprendizagem. Para além disso ainda é proposto por um valor bastante aceitável: 200 na versão utilizada. Figura 3.3 Eovia Carrara 4 Pro modeling environment 19
24 Ao nível do hardware que processa as imagens temos vindo a assistir ao crescimento da rapidez dos novos processadores da Intel e AMD que podemos observar na figura 3.4 e que podem ser adquiridos por preços entre os 50 de um AMD Sempron e os 850 de um Intel Core2Quad. Figura 3.4 Processadores Intel e AMD Já as placas gráficas são produzidas maioritariamente com chips da nvidia ou ATI, apresentadas na figura 3.5, e as suas características podem variar de acordo com o preço, que pode ir de 50 a bem mais de 500 por uma placa de topo. Figura 3.5 Placas Gráficas ATI e NVidia Actualmente, cada vez menos se necessita de material dispendioso e de muita experiência para se tornar num modelador 3D que trabalhe razoavelmente bem; no entanto deve-se procurar aquilo que melhor se adapta às suas necessidades tanto a nível de hardware como de software. Todas estas tecnologias de modelação 3D desenvolvem-se a uma velocidade difícil de acompanhar, mesmo por aqueles profissionais que diariamente lidam com ela. Isto quer dizer que a evolução é constante e que os resultados que se pretendem atingir com os trabalhos elaborados neste campo parecem justificar os meios exigidos pelo modelador. 20
25 3.2 Breve Abordagem à Evolução do Software e Hardware Actuais Ao proceder à investigação e análise de ferramentas multimédia para satisfazer as necessidades do projecto planeado foi dada importância à procura de um software que fosse ao encontro dos objectivos específicos do trabalho de reconstrução de um castelo em 3D, visto ser esse um dos principais objectivos do trabalho. Por um lado pretendia-se encontrar um software de topo que não limitasse as capacidades criativas e que fosse ao mesmo tempo utilizável a um ritmo de construção aceitável para desenvolver o produto nos prazos delineados; por outro era de todo vital que a interface de utilização fosse capaz de facilitar uma aprendizagem por intuição sem obrigar o utilizador a mergulhar em centenas de páginas que alguns tutoriais obrigam a percorrer para que se consigam alcançar por vezes pequenos objectivos. As propostas em cima da mesa colocaram em análise diversos softwares que proporcionavam variadas características apelativas mas, a pensar em quem está a dar agora os primeiros passos neste campo, foi dada primazia na escolha a factores como a facilidade de utilização e de alcance dos objectivos a que nos propusemos, a um motor de renderização fiável, rápido e com formatos de exportação compatíveis com diversos outros softwares que pudessem auxiliar aqui ou ali no desenvolvimento do produto, assim como à possibilidade de concentração de múltiplas tarefas nas salas de modelação que facilitassem o trabalho do utilizador. Como já foi referido anteriormente existe uma grande variedade de softwares 3D disponíveis no mercado, podendo estes ser caracterizados pela forma utilizada para gerar as geometrias, que estão relacionadas com o núcleo do software encarregue de converter os comandos em imagens que representam as figuras modeladas. Este núcleo pode ser de três tipos: modelador de sólidos, modelador de superfícies ou modelador híbrido. O modelador de sólidos gera objectos tridimensionais, com centro de gravidade e volume. Para modelar é capaz de recorrer a operações do tipo booleanas (soma, intersecção e subtracção de formas geométricas), as quais são desaconselhadas para modelar formas complexas, embora sejam normalmente softwares de baixo custo [Bedworth, 1991]. Um exemplo de uma operação com uma intersecção booleana está na figura 3.6 onde se observa o resultado da subtracção do cubo a uma esfera que gerou o objecto que observamos no lado direito da figura. 21
26 Figura Intersection Boolean operation O modelador de superfícies recorre a formulações matemáticas complexas, conhecidas como funções spline, e desta forma permite modelar formas geométricas complexas, as quais são a sua principal característica [Chang, 1998]. Como podemos observar na figura 3.7, as superfícies geradas podem ser editadas em cada ponto recorrendo a vectores, predefinidos ou não, que devido à inexistência de espessura permitem alterar as formas finais da figura. Figura 3.7 Spline editing Da junção do modelador de sólidos e de superfícies nasce o modelador híbrido, isto é, um modelador que para a construção de objectos simples, como por exemplo um cubo, recorre obviamente a um modelador de sólidos e para executar por exemplo uma superfície terrestre montanhosa e rugosa, recorre ao modelador de superfícies. Foram realizados testes aos principais softwares de modelação 3D como o Autodesk 3D Studio Max, o Alias Maya e o Eovia Carrara 4 Pro, testes esses que pretendiam verificar em qual dos três programas da indústria 3D acessíveis no momento mais facilmente se criariam figuras geométricas básicas, se obteria uma boa organização 22
27 espacial, facilidade de aplicação de materiais e rápida renderização para um utilizador comum. Após a realização experimental de algumas tarefas os testes revelaram que aparentemente o Eovia Carrara 4 Pro seria a escolha mais amigável para um contacto com este tipo de produtos que não trouxesse problemas de adaptação ao utilizador, para além de ser uma boa opção para o trabalho monoposto a realizar. Ao iniciar este software houve um pormenor que chamou de imediato a atenção: como imagem de boas-vindas à aplicação, esta brinda-nos com um guerreiro medieval modelado em 3D ( relacionado com o tema do trabalho). Depois foi o interface limpo que tranquiliza de imediato o utilizador e lhe indica estar perante um programa de fácil utilização, ao contrário dos softwares da Autodesk e da Alias que de imediato apresentam uma panóplia de comandos, informações e variáveis visíveis que levam o utilizador a pensar que se trata de um programa apenas para profissionais. Note-se que aqui convém deixar desde já um esclarecimento que faz a diferenciação entre o trabalho realizado para esta dissertação e as grandes produções industriais na área do 3D, e essa diferença está precisamente no facto deste ser um trabalho de investigação em que a produção está a cargo de uma só pessoa. Compreende-se e aceita-se contudo que em equipas vastas e experientes como as que laboram nas grandes produtoras mundiais, seja preferível trabalhar com o Alias Maya ou o 3D Studio Max. Contudo no contexto pessoal, e a um nível de iniciação, a opção Eovia Carrara parece mais adequada pelos factores já atrás citados. Para além de analisar o ambiente 3D, na investigação para o trabalho foram tidos em conta outros factores como por exemplo a navegação. Aqui temos outro dos pontos que se devem ter em consideração: há que atender a que o ambiente de trabalho é inicialmente visto em perspectiva cónica através da lente de uma câmara previamente instalada e mais uma vez a opção por botões desdobráveis parece ser uma boa escolha na transição entre a perspectiva de visualização ortogonal e a cónica. Durante a navegação podemos ainda alternar entre o 2D e o 3D, bem como recorrer à sempre útil ferramenta de aproximação/afastamento (zoom). Outro dos factores analisados foi a interface do programa e neste campo o trabalho realizado pelos seus criadores deixou ao utilizador a facilidade de personalizar o ambiente de acordo com a sua forma de trabalhar, podendo ainda optar por visualizar os objectos de múltiplas formas, desde apenas o contorno, passando pelo esquema de rede até ao aspecto final. 23
28 Por fim há que fazer uma referência ao sistema de iluminação bastante completo, contemplando diversos ajustes finos e efeitos de luz como brilho de estrela e simulação de refracção solar. Neste campo da investigação multimédia não há como experimentar o máximo de aplicações para termos uma ideia minimamente consistente daquilo em que cada uma pode contribuir para alcançar os resultados estabelecidos. Fazer pequenas experiências dentro dos ambientes do 3D e ler alguns artigos em publicações da especialidade tanto na imprensa escrita como on-line podem ser grandes contributos para obter dicas preciosas que facilitem os trabalhos futuros. Desde sempre o que envolve a modelação e o 3D são essencialmente duas variáveis que fazem parte da mesma equação, isto é o binómio hardware/software. Ambos são dependentes, interligam-se e influenciam sobremaneira toda a questão do 3D. Em relação ao software será importante assinalar o marco que permitiu ao utilizador de computadores pessoais começar a modelar e a animar as suas primeiras peças em 3D. Estávamos em 1989 e a Autodesk lançou então o 3D Studio que permitiu a par com as vendas exponenciais de PCs, mergulhar muitos curiosos na primeira experiência caseira de construção e modelação em 3D. O 3D Studio tem-se afirmado ao longo das sucessivas versões como o braço direito de criadores de videojogos, mas também tem sido uma ferramenta indispensável na área da produção cinematográfica ou de apresentações de projectos de arquitectura. Muitas das mais apreciadas características desta ferramenta passam por oferecer por exemplo uma luz ambiente mais realista que penetra nos objectos reagindo à sua superfície (shaders), a possibilidade de simular objectos que se inserem em ambientes que respeitam as leis de Newton (dynamical simulation), simuladores de partículas que geram efeitos como o fogo, água corrente, nuvens, nevoeiro ou neve (particle system). Permite também recriar vários reflexos da luz que incide nos objectos de uma determinada cena (radiosity) como a apresentada na figura 3.8 e ainda oferece um interface personalizável que possibilita ao utilizador interagir com o sistema de uma forma que a Autodesk classifica de intuitiva. 24
29 Figura 3.8 Radiosity effect Hoje a Autodesk disponibiliza o 3D Studio Max 9, que nas diversas evoluções se tem revelado a ferramenta líder no mercado mundial da computação gráfica. O 3D Studio possui agora ferramentas para executar trabalhos para estúdios de efeitos visuais, cinema, jogos e publicidade. À medida que novas versões são lançadas no mercado a preocupação principal na concepção destes produtos tem sido alcançar novos padrões de estabilidade de funcionamento e simultaneamente aperfeiçoar as ferramentas disponibilizadas ao cliente. Dentro do 3D Studio encontramos actualmente uma sala de modelação de personagens, que permite fazer cortes nos objectos com um tempo de mapeamento substancialmente reduzido, é possível guardar, carregar e reutilizar animações noutros objectos 3D Studio, bem como criar cenas em tempo real e visualizálas tal como serão vistas na recente xbox 360. Atente-se ainda na ferramenta de skin que foi apurada associando os vértices aos bones (estrutura que serve de esqueleto a formas tridimensionais) impedindo dobras incorrectas. Possui também uma ferramenta integrada para a criação de pelos e cabelos realistas de forma fácil e, principalmente, artística. O utilizador pode pentear literalmente os cabelos no personagem usando a ferramenta Stylish. Para terminar as inovações chegamos às roupas ou qualquer tipo de tecido que podem ser simulados realisticamente dentro do próprio 3D Studio. Os artistas podem definir as propriedades dos tecidos baseados em definições reais. Na biblioteca de definições já existem configurações para tecidos como: algodão, seda, lã, etc. Para percebermos melhor qual a filosofia das editoras de software atendamos ao slogan da Autodesk: what is real?. O grande rival do 3D Studio da Autodesk tem sido o Maya, um software desenvolvido pela Alias que tem sido preferencialmente escolhido na maior parte das últimas grandes produções de Hollywood. Os estúdios da Walt Disney Pictures têm sido 25
30 um dos principais clientes desta ferramenta que através da Pixar têm elevado o realismo e a participação da informática num campo antes dominado pela fita magnética. O Maya, que hoje podemos utilizar na versão 8, teve origem no cruzamento de três gigantes da concepção de software para modelação 3D, a Wavefront, a Thompson Digital Images e a Alias. Ao Alias Sketch, desenvolvido para Macintosh, foram adicionadas novas e variadas ferramentas sob o nome de código Maya, cujo primeiro trabalho foi a boca do personagem Aladdin da Disney. Após várias negociações foi acordado incluir o código de programação da Wavefront no Maya. Em 1998 a Alias/Wavefront decidiram descontinuar todos os produtos lançados até então e apostar apenas e tudo no desenvolvimento do Maya, sendo que foi este o ano do lançamento da 1ª versão. Hoje a Alias assim como o seu porta-estandarte Maya foram absorvidos comercialmente pela Autodesk que desta forma mantem o domínio do sector profissional da criação 3D. Os grandes atributos desta ferramenta são a possibilidade de converter livremente objectos de diferentes formas geométricas, simular diversos tipos de partículas como acontece com o 3D Studio, utiliza ainda um simulador de movimentos humanos sem esquecer o detalhe do balancear dos tecidos das roupas que esse mesmo modelo utiliza. Ferramentas de pintura 2D incorporadas dentro de um ambiente 3D são também uma das potencialidades, sendo que outras, como a colocação de pelos, cabelos ou objectos que se deformam sobre pressão e reagem à gravidade, são comuns às referências do sector do software para 3D. O terceiro software escolhido para ser referenciado no actual estado da arte foi o Carrara 4 Pro da Eovia, um software vencedor de diversos concursos internacionais pelos mais variados motivos e daí o interesse em destacar as suas potencialidades. Neste campo, o Carrara, do qual a Eovia lançou muito recentemente no mercado a versão 5, apresenta uma extraordinária facilidade de utilização ao nível da interface que permite a este menos conhecido instrumento de modelação 3D uma versatilidade e rentabilidade apreciáveis e aplaudidas pelos conhecedores do mundo do 3D. De volta ao ambiente Carrara, este divide-se em cinco salas de trabalho entre as quais se alterna com um simples clique. Ao iniciar o software começamos por ser recebidos na sala de construção (assemble room) onde facilmente percebemos qual o acompanhamento 26