Optimização das rotações em sistemas de modelação CAD 3D

Resumo
A modelação de um objecto num sistema de CAD através de uma interface de entrada 3D bimanual para poder explorar plenamente as suas potencialidades. Neste post irá se tentar alguns testes do utilizador através de dispositivos bimanuais para a modelação e rotação de modelos 3D. Mais a frente é se sugerido que este tipo de dispositivos tornam mais eficaz a tarefa do utilizador, pelo que dá um maior controle de rotação ou seja quando se modela em sistemas de CAD 3D, e durante esses testes de performance das movimentações em ambientes imersivos dos sistemas de CAD, que têm a necessidade de inverte um objecto controladamente através de movimentos precisos e com o controle dos movimentos rápidos, assim estas novas modalidade mostram um melhoria significativa da performance dos utilizadores e dos candidatos para a integração das próximas interfaces CAD.
1.Introdução
Nos sistemas de CAD, deve de ser o mais possível discreto a atenção do engenheiro para este se preocupar com o projecto real e não com as interfaces do sistema ou os seus procedimentos, pelo por alguns anos o principal foco dos principais fornecedores de sistemas de CAD tem vindo sido em aumentar as capacidades de características paramétricas e geométricas.
Mas recentemente foi introduzida uma abordagem mais intuitiva que se denomina pela modelação directa, que se iniciou no desenvolvido conceitual e planeamento arquitectónico como é o caso do Sketchup, Inventor Fusion, e outros sistemas de CAD comerciais
A modelação directa permite a o utilizador seleccionar intuitivamente e manipular em tempo real entidades geométricas independentemente da história da raiz, sendo um exemplo básico o de modificar a profundidade de um furo apenas seleccionando e arrastando sua face inferior para direcção desejada, pelo que pode funcionar bem com modelos características planares que são executadas através de um rato e teclado, mas a modelação directa pode beneficiar com a interacção bimanual, e com seis graus de liberdade (6DOF) e assim ajustando o modelo 3D. Em investigações anteriores poder-se ia ver que as vantagens de um ambiente de semi-imersivo ou seja, entrada 3D combinado com visão estereoscópica na concepção do desenho conceitual e de esboço CAD em RV. Mas para a modelação CAD mecânico (M-CAD) o ambiente de trabalho poderá ser bastante diferente pelo que se pode usar dispositivos bimanuais, um deles com 6DOF e outro para visualizar modelos estáticos 2D. A escolha de uma configuração de área de trabalho está principalmente relacionada com a necessidade de um teclado para a realização de tarefas como digitar valores numéricos precisos ou seja, dimensões do modelo e em segundo lugar para evitar a utilização de óculos 3D e visualizadores embutidos em capacetes fechados, que por utilização destes equipamentos por longo tempo, seja mais do que vinte minutos pode criar doenças relacionadas com náuseas, cansaço visual, tonturas. Poder-se à considerar que uma configuração de entrada bimanual específica para um ambiente de CAD usando um dispositivo apontador preciso controlado pela mão dominante e um dispositivo específico para navegação controlada por aquele não é dominante. Embora a literatura científica sobre os modelos 3D seja bastante extensa, teste de CAD testes usando o espaço de trabalho acima mencionado é escasso e disperso entre as diferentes comunidades de investigação, pelo que a propagação da ciência de computação, a interpretação humana dos métodos computacionais, inteligência artificial e da psicologia, mas devido à complexidade da matéria em causa apenas será focada a navegação do modelo 3D, este tipo de escolha coloca sobre o facto de que a maior parte da modelação CAD tempo é gasto em navegação, sendo ainda mais particular no caso de modelos mecânicos que essencialmente reside na rotação do modelo ao redor do seu centro. Uma possível contribuição deste post é então fornecer avaliações de desempenhos do utilizador na rotação de modelos 3D usando 6DOF diferentes e o controlo do mapeamentos. A parte seguinte em que se apresenta alguns dos objectos que são utilizados, assim como se lida com as rotações e alguns testes com alguns resultados.
2. Trabalho relacionado
Estudos recentes sobre a interacção humana em computadores demonstraram que não existe um único dispositivo universal para sistemas de CAD que pode executar bem em todos os domínios desse determinado sistemas, e o programador da interface deve considerar a compatibilidade simultânea disponível dos DOF’s com as tarefas a serem realizadas pelo utilizador do sistema de CAD, e isto têm-se confirmado pela observação da interacção humana no mundo real e a correspondência entre a estrutura do dispositivo e a modelação espacial 3D que permite actividade e técnicas de interacção mais naturais e mais eficientes.
IMAGEM01
IMAGEM01
Num nível funcional a interacções em M-CAD podem ser classificadas em 4 principais tarefas: navegação e voo, selecção, manipulação e controlo do sistema, é bem conhecido da observação do utilizador CAD que essas navegações e voos ou seja alterar a vista da câmara são demorados, especialmente quando se trata de formas geometricamente complexas num monitor de trabalho, e para se poder melhorar a navegação considerei dedicar um dispositivo específico de 6DOF para esta tarefa.
Em algum dos estudos sobre os dispositivos 6DOF podem se ser identificados três principais factores que influenciam a entrada 3D: juntas e articulações, resistência e a função transferência, o primeiro aspecto é antropométrico e considera-se como o utilizador manipula fisicamente o dispositivo e os grupos musculares finos tais como os dos dedos provam para melhor desempenho em tarefas de precisão. O segundo parâmetro que influenciam é a força que o utilizador necessita de aplicar no dispositivo, enquanto o trabalho de determinados investigadores que propõem uma taxonomia em contínuo de dispositivos isométricos que medem as forças aplicadas sem haver mover significativamente em que uma extremidade de dispositivos isotónica que medem uma posição no espaço a exercer uma resistência mínima. Todos os dispositivos de entrada 3D tais como sejam os elástico que oferecem uma resistência que vai aumentando com deslocamento, e viscosa que aumenta a resistência ao aumentando da velocidade e por inércia que resiste com o aumento da aceleração entre a queda de entre os dois extremos do contínuos como se vê IMAGEM01.
O terceiro aspecto importante da entrada 3D é o desenho da função de transferência que mapeia o sinal adquirido pelo dispositivo de entrada ou seja a posição ou a pressão para um rotor de translação num cenário virtual ou seja o movimento ou rotação do cursor.
A função de transferência mais simples e directo para o mapeamento também conhecido como isomórfico. Embora o mapeamento isomórfico seja o mais natural para o utilizador este apresenta várias lacunas significativas no mundo real devido aos limites dos dispositivos de entrada e constrangimentos anatómicos do corpo humano, este tipo de problema pode se ser resolvido usando alguns tipo de pegas, porque por se estar agarrado e com o dispositivo de entrada geralmente premindo um botão a posição pode ser redefinida sem afectar a posição do cursor.
O mapeamento de dispositivos de entrada não isomórfica é amplificada por um factor de ganho, e as funções de transferência também podem ser classificados com ordem de ordem zero ordem ou primeira, em que as funções de ordem zero que se aplicam a entrada do utilizador, enquanto as funções de primeira ordem sejam as funções de controlo da taxa integram o sinal de entrada permitindo que ao utilizador controlar a velocidade do modelo CAD, enquanto as funções de controlo com uma ordem mais elevada de ordem um são raras para aplicações em seres humanos pelo que eles fornecem um desempenho instável e pobre. Nalguns ensaios de alguns investigadores, principalmente nas tarefas encaixe dos testes de modelos com forma tetraedro que se desloca ao longo de uma trajectória aleatória, e demonstram que dispositivos isométricos têm melhor desempenho em relação ao controlo da taxa, existem alguns casos em que se mostra que os utilizadores manipulam a rotação e translação de 6 DOF como subconjuntos distintos numa tarefa que encaixe os 6DOF, e consequentemente a separação dos dispositivos de entrada e dos controles de translação podem realizar ainda melhor do que um controlador integrado de 6DOF, dai o estudo incidindo apenas sobre navegação rotacional não perde o significado por causa da independência entre translação e rotação conforme demonstrado por alguns investigadores.
Em alguns casos pode ser ver a introdução de novos dispositivos que usam uma bola para o controlo das rotações, os testes nesses casos mostram que melhores performances de interacção em comparação com outros dispositivos comerciais e estes subjectivamente atribuem esse resultado à facilitada da rotação. Havendo outras investigações sobre a performance da rotação de objectos 3D comparativamente com tarefas não isomórficas com funções de transferência isomórficos, os resultados dessas experiências revelaram que os modelos não-isomórficos de ordem zero têm uma técnica de rotação rapidamente executavam que os modelos isomorfo sem perder significativamente a precisão, tendo sido usado um modelo simples como teste da geometria. Outros exemplos apresentados como a dinâmica de ajuste da função de transferência, para o fornecimento de um controlo incremental quando se move devagar assim como o movimento lento directo e irrestrito, sendo que estes testes consistem num objecto virtual controlado pelo utilizador como seja uma matriz de cubos ser alinhados sobre um plano translúcido com a mesma forma mas ligeiramente maior. Todos os estudos anteriores destinado à entrada de 6DOF de forma muito geral, através da realização de tarefas básicas como o encaixe de objectos ou o rastreamento usando geometrias simples, mas carece duma contribuição específica que considere um cenário real de sessão de CAD onde geometrias complexas são manipuladas e a manipulação de um objecto 3D é aplicado. Nesse post tentei implementar um ambiente de testes que tento avaliar de diferentes tipos de dispositivos de entrada e as suas modularidades em relação ao utilizador e na seção a seguir apresenta-se alguns conceitos básicos para a compreensão dos algoritmos apresentados.
3. Manipulação das rotações 3D com dispositivos 6DOF
IMAGEM02
IMAGEM02
Dispositivos 6DOF podem ser muito diferente desde do factor da sua forma, ergonomia e funcionalidade, podendo ser classificá-los em três categorias principais: movimentado pelo ar, movimentos hápticos, e movimentos de secretária, como se vê na IMAGEM02 acima. O primeiro tipo tecnologia usa um rastreamento magnética, ultra-som, óptica, etc. para a aquisição de posição espacial e orientação do modelo e movimenta-lo em RV, mas na actualmente os dispositivos aéreos têm um trade-off elevado entre o custo e a precisão, sendo um requisito muito elevado para a maioria das tarefas nos sistemas de CAD, além disso dispositivos movendo-se no ar durante longas sessões não é agronomicamente óptima devido a fadiga do rápida do membro. Os dispositivos hápticos são comuns na indústria e são principalmente utilizados para a forma livre de escultura, engenharia inversa e controle de qualidade, podendo os pantógrafos pode ser auto equilibrados que significa que o utilizador não sente o peso do dispositivo e pode proporcionar força de retorno para uma visualização táctil do modelo. A terceira categoria inclui uma gama mais ampla de dispositivos portáteis que são semelhantes aos ratos tradicionais mas permitir mais DOF, através destes dispositivos de secretária pode se sentir posições, rotações, força ou de torque, como o como o SpacePilot de 3DConnection, havendo um grande número deste tipo de controladores que se encontram actualmente em investigação ou em fase de desenvolvimento, não estando completamente disponíveis ao publico geral para testes.
IMAGEM03
IMAGEM03
Nas experiencias apresentadas usei o dispositivo háptico da Novint Falcon que se apresenta na IMAGEM03 acima para o mapeamento em verdadeira grandeza, normalmente o utilizador pega com a sua mão dominante no controlador e realiza as tarefas de modelação num espaço livre com um cursor 3D controlado o ponto branco da IMAGEM08, neste caso pode-se considera que a modelação CAD como uma sequência de separação de peças de um desenho conjunto e acções de navegação como seja a rotação. Foi utilizado uma aplicação desenvolvida pelo Pedro Pires do IDMEC/IST, sendo a aplicação projectada pra testar novas interacções de cirurgia em ambiente CAD. O sistema pode carregar formatos de CAD padrão e fornece informações e fornece informações geométricas e topológicas ou seja, a posição no espaço 3D do modelo as faces, as arestas ou vértices. Foram implantadas funções para diferente modos de ensaio utilizando a representação da rotação de quaternião, as quaterniões representam uma notação matemática eficaz para descrever rotações de vectores no espaço R3, descoberto por Hamilton em 1843, tendo sido este tipo de abordagem introduzida na computação gráfica e no desenho de interfaces pelo Ken Shoemake.
Após a inicialização e configuração do ambiente gráfico o sistema adquire a entrada do utilizador com uma determinada frequência, sendo que a orientação dos dados provenientes do dispositivo são armazenados em seguida numa função de transferência que é aplicada para o cálculo e orientação final do modelo CAD, para me referir à etapa de controlo como o processo de amostragem discreta e actualização do ambiente CAD e qobj(n) como o quaternião que representa a orientação do objecto virtuais no controlo de passo n, em que a latência de cada etapa de controlo não exceda um determinado tempo e isso não apresentar atrasos na sensibilidade ou no efeito da suavidade do movimento. Na minha experiencia pessoal comparei as performances de dois dispositivos 6DOF, o Novint Falcon, e o SpacePilot, assim como a tentativa de definir modos de navegação diferente para cada dispositivo como será descrito mais à frente podendo se ser sumarizadas da seguinte forma, que apresenta-se na tabela abaixo:
Modos de navegação manual isomorfismo ordem da função transferência equação da função transferência taxonomia
hepático mono é zero ajustamento isotónica
spacePilot bi não é um não linear isométrica
mouse bi não é zero linear isotónica
3.1. Modo de navegação hepático
Neste primeiro modo navegação o utilizador trabalha com a mão dominante ou seja mono manual, o botão da IMAGEM03 permite a navegação e movimento dos braços que que interagem com o modelo, quando o usuário pressiona o botão de segundo, a orientação a objectos é directamente conectada ao controlador:
qobj = qnovint(1)
onde qnovint é a orientação do dispositivo, em outras palavras, se o segundo botão é pressionado o cursor 3D está conectado rigidamente ao ambiente, usando essa abordagem o utilizador pode simultaneamente girar e transformar o cenário com uma única acção. Este modo de navegação foi implementado explicitamente para obter um nível mínimo de referências para o desempenho do utilizador, por causa da ineficiência evidente de alternar entre navegação e manipulação do modelo explícito.
3.2. Modo de navegação SpacePilot
O SpacePilot é um dos produtos de topo da linha de 6DOF da 3D Connexion, este dispositivo isométrico consiste de um manípulo cilíndrico que o utilizador pode simultaneamente girar arrastar simplesmente empurrando, puxando, inclinando e girar o manipulo, havendo um aumento de produtividade sobre os sistemas de CAD que o utilizador esteja a utilizar, nesta modalidade o utilizador executa a tarefa de bimanual; sendo Novint Falcon utilizado na mão dominante e o SpacePilot na mão não dominante, como se vê na IMAGEM04 abaixo.
IMAGEM04
IMAGEM04
Quando se analisa o SpacePilot retorna um quaternião qpilot e um vector vpilot representando a orientação e a translação, em que a driver de dispositivo aplica um mapeamento não linear através do eixo interno e entre ângulo de rotação física do sistema de CAD, e a função de transferência interna pode ser controlada pelo utilizador alterando os três parâmetros, que são: velocidade, precisão e zona de fronteira. Durante a fase de experimentação perguntei aos utilizador se podia executar a ferramenta de calibração do equipamento para obter um desempenho ideal, e em cada etapa de controlo do sistema pode-se ter a noção da orientação do dispositivo qpilot e actualização dade orientação objecto real através da seguinte forma:
(qobj)n=(qpilot).(qobj)(n-1) (2)
e assim pode-se obter uma função de transferência global de primeira ordem significando que a orientação do dispositivo contêm a velocidade de rotação do objecto.
3.3. Modo de navegação do rato tradicional
IMAGEM05
IMAGEM05
Nalgumas experiências comparativas tentou-se também testar um rato tradicional a laser com 2DOF que se vê a comparação na IMAGEM05 acima, a razão para esta escolha, foi em primeiro lugar lembrar o utilizador de uma tarefa de rotação específica, e em segundo lugar ele é controlado pelo grupo de dedos dos musculares finos, sendo hepático e por isso é ideal para posicionamento e para a associação intuitiva entre movimento virtual e real e por último mas não menos importante, é barato e comum. Ao explorar o modo de navegação mouse houve uma necessidade de avaliar experimentalmente se os DOF que faltavam representa um limite na performance do utilizador, além disso a comparação destas performances com as performances obtidas utilizado um controlador projectado especificamente para o utilizador.
No modo mouse o utilizador executa a tarefa bimanual, pelo que seleciona pontos usando o botão do novint falcon com a mão dominante, a movimentação do rato movido pela mão não dominante é mapeada para a rotação do modelo. Para o funciona de um rato normalmente converte as movimentações lineares nos eixos xx e yy que representa (∆x; ∆y), como é mostrado na IMAGEM06 abaixo.
IMAGEM06
IMAGEM06
E consequentemente poder-se à calcular o seguinte:
v=∆x.ux+∆y.uy (3)
Aonde o vector ∆v está relacionada com a movimentação do objecto:
|∆v|=cR∆θ (4)
∆v é o arco sobre a superfície do modelo entre duas medidas de controlo, ∆θ é a movimentação do objecto, R é o raio de deslocamento do objecto e c é uma constante de ganho., em que o ganho depende das configurações de velocidade de resolução e o sensor do mouse conforme configurado no painel de opções do controlador, em que para as experiencias o produto de cR é um valor de 0 a 180 pixel/rad. O eixo de rotação ∆arot correspondente é um vector unitário perpendicular ao ∆v:
arot=(uz.∆v).(|∆v|)-1=(-∆y.ux + ∆x.uy).(|∆v|)-1 (5)
Daí a quaterniões de ∆qdev que descrevem que as deslocações do objecto entre as etapas do controlador e que pode ser expressa da seguinte forma:
qdev=(cos(∆θ/2);sin(∆θ/2). ∆arot) (6)
Neste modo de navegação de controlo é se pretendido que o rato actue como se fosse um dispositivo de ordem zero, e o ganho entre a ∆θ e a correspondência da movimentação do objecto é definido pelo utilizador de acordo com sua preferência durante a fase inicial, e a orientação do objecto na etapa de controlo “n” calculada como segue:
(qobj)n=(∆qdev)k.(qobj)n-1 (7)
Em que esta equação preserva a conformidade direccional assim chamada que consiste na correspondência na direcção entre a movimentação amplificada sobre o dispositivo.
3.4. Modo da velocidade da rotação esférica
Neste modo de controlo que pode ser pretendido que o dipositivo actua através do mapeamento com o grau de ordem um para atingir essa meta em cada etapa do controlo pode-se acumular o vector ∆v para obter o vector u representando-se na numa superfície planar e do arco que se liga a um ponto de inicio do dispositivo e outra apontada ao sensor do dispositivo, esse vector é usado para obter o correspondente eixo de rotação arot e do angulo de rotação θ como segue:
arot=(uz x v)/|v|; θ=|v|/cR; u= ∑∆v (8)
Para permitir que o utilizador parar a rotação com facilidade pode introduzir um tempo de execução do utilizador para introduzira definição do angulo da zona morta g pelo que a aceleração angular do objecto é nula, e dai que se defina o angulo j como se segue:
j= {
0 ; θ <g
(θ – g); θ ≥g
(9)
e daí vêm que:
qdev=(cos(j/2); sin(j/2).arot) (10)
Em cada etapa do controlo com uma determinada frequência e com o ajustamento quartenião qdev com a orientação do objecto da seguinte forma:
qobj(n)=(qdev)k.qobj(n-1) (11)
Aonde k é o ganho definido pelo utilizador durante o tempo de execução, assim o utilizador pode controlar a direcção de rotação e a aceleração angular movendo o dispositivo.
3.5. Modo não linear da rotação do dispositivo
Neste modo de controlo da rotação o que é pretendido que o dispositivo tenha a ordem de um, e através da introdução de um mapeamento não linear entre a rotação relativa do dispositivo e do incremento de rotação do modelo virtual, em que o utilizador pode escolher o tempo de execução, o ângulo máximo de rotação ∆g do dispositivo entre duas etapas de controlo, dentro do qual o mapeamento em espaço quaternião é linear, e se houver velocidade suficiente na rotação do sensor do dispositivo este pode fazer o ângulo que pode ser interpretado pela aplicação e ultrapassando o limite linear, neste caso o ângulo do objecto é incrementado por um valor de 90 graus na direcção de rotação, e dai vêm que:
qdev= {
(cos(∆θ/2),sin(∆θ/2).∆arotθ); ∆θ<∆g
(cos(π/4),sin(π /4).∆arotθ); ∆θ≥∆g
(12)
Pelo que em cada etapa do controlo poder-se à combinar as quaterniões ∆qdev com a seguinte orientação do objectos que segue:
qobj(n)=(∆qdev)k.qobj(n-1) (13)
Onde k é definido como ganho pelo utilizador durante o tempo de execução. Como efeito o utilizador pode movimentar o sensor do dipositivo sendo aplicado a um objecto com rotação direccional proporcionalmente compatível assim como o utilizador tem a habilidade de aplicar rápidas rotações para alcançar faces ocultas do objecto com um simples gesto. Para melhorar a percepção visual do utilizador poder-se à implementar caso se opte por uma rotação de 90 graus de uma forma mais suave, mas não é aplicada a rotação num passo único de controlo mas é dividido em “n” rotações de 90/n graus, em que “n” é o número de etapas que pode ser controlado pelo utilizador em tempo de execução, e dessa forma o objecto gira suavemente para a nova orientação com melhor efeito visual.
4. Experiências dos desenhos
IMAGEM07 IMAGEM07
Para a comparação das modalidades de interacção definida anteriormente num ambiente CAD a abordagem iniciou-se escolhendo um conjunto de quatro peças simples retiradas a partir da página 130 do livro “Desenho Técnico Moderno”, a peça H sendo a IMAGEM07-1 é axialmente simétrica, a peça B sendo a IMAGEM07-2 que é parcialmente simetria, assim como apresenta uma caixa interior com ranhuras, a peça F sendo a IMAGEM07-3 apresentando um pino e um furo e com alguma simetria axial, a peça G sendo a IMAGEM07-4 que apresenta também algumas simetrias axiais. Numa primeira fase foi utilizado o ambiente de um sistema de CAD tradicional com uma raiz de cada um das funções, e na segunda face realizaram-se exportações das geometrias para que a aplicação personalizado permitisse armazenar os pontos chaves do modelo 3D. A partir do qual escolheu-se uma algumas posições topologicamente relevantes de forma a acompanhar as acções que o utilizador realiza para construir e visualizar o modelo usando a modelação directa de uma sistema de CAD comercial, para esses casos pode-se ver na IMAGEM08 algumas das tarefas que se podem realizar com o dispositivo hepático para cada um dos modelos indicados na IMAGEM07.
IMAGEM08-01IMAGEM08-02 IMAGEM08-03IMAGEM08-04
IMAGEM08
Finalmente pode-se simular os modelos relativamente a um ponto que se destaca junto dos modelos, quando o utilizador selecciona no ponto certo o modelo com ajusto da modelação 3D com uma sensação de força para ter a noção de uma acção bem-sucedida, em que cada par de pontos representa uma única etapa de modelação. Assim como existe uma força reactiva para quando o utilizador ultrapassa os limites do solido, ou seja o utilizador terá que repetir a selecção de outro ponto diferente para o ponto desejado, sendo assim que durante este processo o utilizador é livre para girar o modelo para encontrar a melhor vista para alcançar o ponto de destino destacado para clicar. Esta tarefa guiada permite que seja um teste independente de um utilizador de CAD para modelações específica, em que o equipamento para o ensaio é composto por monitor e por dispositivos de entrada que podem ser posicionados livremente e definidos de acordo com as preferências do utilizador. Devido à vibração natural dos membros e a fadiga na optimização do desempenho é se empregado num clique do objecto que atrai o cursor 3D controlado pelo utilizador para um local topologicamente relevante como acontece em um verdadeiro sistema de CAD.
Tendo angariado alguns voluntários pessoas não remunerados, sendo masculinos e femininos com experiência em sistemas CAD 3D para desenhos técnicos, mas nenhum deles tinha experiencia anterior em dispositivos bi-manuais com 6DOF. Antes do ensaio que cada participante foi permitido entender familiarizar e optimizar as definições da modalidade, e para cada utilizador foi executado uma das peças da IMAGEM07, em que foi pedido ao utilizador para movimentar e seleccionar sequencialmente o modelo controlado pelo dispositivo hepático, e para evitar a influência da dimensão do modelo todos os modelos foram dimensionados para caber na janela, e topologicamente a selecção do objecto como seja das faces, arestas e vértices podem ser activadas como em uma sessão normal do CAD, não sendo possível transferir modelos de um sistema para outro, havendo um métrica do desempenho é da tarefa e do tempo concebido como o processo de selecção da selecção que é válida se o utilizador atinge o ponto dentro do volume de selecção do modelo.
5. Testes entre a interacção dos equipamentos e os seus resultados.
A interacção dos equipamentos bimanuais supera a interacção dos equipamentos mono-manuais, pelo que durante a fase de teste que se mediu a eficácia do dispositivo projectando um determinado modelo CAD e a sua comparação com um dispositivo comum e difuso para a inserção.
Podendo haver a realização de uma experiencia para a comparação do rato 2D e do space pilot, que aplique um algoritmo estatístico para a métrica do desempenho para um distribuição norma dos dados que provem a independência dos resultados e do tempo de conclusão variável não sendo simetricamente distribuído assim como da modalidade da navegação do modelo CAD, em que os utilizadores podem ser extremamente lentos, mas concluindo a tarefa com menos erros. Infelizmente as variáveis estatísticas não podem ser testados com os métodos pelo que eles não são normalmente distribuídos, e geralmente o tempo de conclusão da distribuição é variável e suposto para ser normal, e dai não ter verificado esta hipótese por aplicação do teste, em seguida os dados podem ser transformado para determinar uma mudança na utilização do modelo CAD e o seu efeito na modalidade de navegação com um efeito no próprio modo de navegação.
Para a descrição dos principais efeitos das variáveis independentes da peça e da modelação com a sua interacção e sendo o valor variável e independente por uma forte indicação de que varia de um modelo CAD para outro, isso pode ser esperado comparativamente desde que seja escolhido um modelo CAD bastante diferente de um do outras e os resultados também podem estar de acordo com a complexidade geométrica, podendo haver uma análise que demonstra que a variável independente do modelo pode ser altamente significativa para os estudos dos sistema de CAD, podendo assim observar-se que os testes indicando que as performances do utilizadores são significativamente diferentes ao alterar o modelo. Para que exista uma validação da experimentação isto para que desde essa experimentação prove que as performances diferem do reconhecimento de cada modo de navegação e não é influenciado pelo modelo CAD específico ou seja o dispositivo de navegação executa da mesma forma independentemente do modelo CAD que estão a ser modelados. Portanto, poder-se à escolher como indicador do desempenho global do utilizador o tempo total calculado com a soma dos tempos de tarefa em quatro diferentes modelos CAD, pelo que a comparação média múltipla pode se ser observado que os modos de navegação é significativamente diferente. Podendo haver resultado inesperados pelo um modo de navegação pode superar outro modo de navegação ou seja um dispositivo simples 2DOF realiza rotações melhores do que um dispositivo especificamente projectado 6DOF, isto pode ser contraditório devido à limitação da precisão do mapeamento.
Com base nos resultados dos testes anteriores pode ser formulada a seguinte hipótese antes dos preliminares dessas experiencias, e para verificar esta hipótese pode-se tentar definir um novo modo de navegação para testar o mesmo dispositivo com diferentes ordens de mapeamento, podendo ser analisar o modo de navegação do rato normal e a sua velocidade. No modo de visualização através do rato o utilizador executa uma tarefa bimanual, pelo que têm que seleccionar um determinado ponto usando um dos botões com a mão dominante, e a rotação do rato movido pela mão não dominante é mapeada para a velocidade de rotação do modelo que é o mapeamento de primeiro ordem enquanto o ângulo de rotação da roda é menor do que um limite definido pelo utilizador como uma zona morta e nenhuma velocidade é aplicada ao modelo CAD neste momento. Quando a roda supera o limite da velocidade de rotação proporcional ao ângulo da bola é aplicada à parte na mesma direcção, como se vê na secção anterior 3.4. e 3.5., podendo repetir a respectiva experiencia como anteriormente acima descrito.
Quanto aos resultados podem haver agravamentos significativos nas performances do novo modo de navegação isto pode ser devido ao mapeamento de primeira ordem pelo que os deslocamentos podem ser grandes. Mas considerando apenas as rotações que o utilizador deseja executar e que sejam significativas, ou seja ir de um lado para outro do objecto, numa opinião pessoal o mapeamento de primeira ordem dificulta a pararem de uma rotação rápida para um desejado ponto, podendo claro devolver um novo modelo não linear para combinar as vantagens do mapeamento de ordem um e zero para haver um melhor desempenho na rotação, sendo melhor para o desenvolvimento da função transferência a ordem de mapeamento que melhor se adapta ao modo de rotação do equipamento.
Quanto ao mapeamento não linear pode ser desenvolvido um novo modo de rotação do equipamento de acordo com as considerações na seção anterior. Tendo o caso do modo de rotação do dipositivo normal não linear que por observações de testes pilotos poder-se à notar que os utilizadores podem ter tendência em aumentar o ganho na velocidade rotacional quando estivessem a rodar e inverter o modelo ou seja quando não pontos de destino na parte visível do modelo 3D, este ganho elevado leva a uma perda indesejada de precisão durante a localização do ponto. Quando analisando a velocidade do sensor do dispositivo durante a fase de reconhecimento as intenções do utilizador podem ser a precisão de navegação e a necessidade de rodar objecto. Para a definição de um nível de sensibilidade poder-se á discriminar entre um movimento suave de um utilizador e um comando de rotação rápido quando a velocidade de rotação do sensor do dispositivo exceder esse limite e assim poder-se à assumir que o utilizador quer ir para outro lado e não precisa de uma rotação exacta. Assim por conseguinte poder-se á adicionar uma rotação fixa para o modelo e não se aplica a rotação num único passo com controlo mas ao aplicar-se uma interpolação esférica pelo método das quaterniões a partir do ponto da partida original para a nova posição do objecto de destino com os detalhes de implementação que foram indicados na secção 3.4. e 3.5..
Quanto à experimentação pode ser testada a hipótese que a função não linear pode superar a função linear de ordem zero de mapeamento, podendo executar novamente o teste descrito do modo de rotação nas secções anteriores.
Quanto aos resultados e discussão das interacções destes modos de rotação mostra-se que com todas as suas eficácias permite ao utilizador concluir todas as tarefas num espaço de tempo mais curto, confirmando-se assim a hipótese acima referida, pelo que se combinam as vantagens de uma modalidade de navegação precisa de uma forma mais rápida de alcançar o outro lado do objecto 3D, sendo muito fácil dar toques na tampa do controlador para dar uma volta ao modelo CAD rapidamente e conseguir ver os pontos de controlo oculto, este tipo de interacção pode ser equiparado a um gesto de reconhecimento da modalidade uma vez que movimentos rápidos dos dedos são interpretados como comandos para activar o objecto numa direcção específica em vez de alterar sua orientação para uma selecção precisa.
Após a conclusão dos testes e a análise dos resultados pode-se realizar questionários para classificar cada uma das modalidades segundo a facilidade de uso, fadiga e a da preferência no geral, a análise dos índices subjectivos pode mostrar uma significativa aversão das pessoas que participaram nos primeiros testes de controlo e sendo mais fácil e confortável o modo de rotação não linear e de uma maior satisfação de uma forma geral.
6. Conclusões
Neste post tentou-se fazer alguns teste a utilizadores em modelação de uma forma bimanual usando diferentes dispositivos para controlar o modelo 3D. Para os procedimentos da modelação CAD o dispositivo SpaceMouse Pro é mais simples e eficaz quando o utilizador tem que controlar o modo de modelação do ambiente do sistema de CAD, podendo se verificar que a partir de alguns testes que a performance do dispositivo de 6DOF têm uma melhor performance que um dispositivo normalmente utilizado, uma vez que a tarefa específica de girar um objecto muitas vezes mostra a necessidade de inverter o objecto controlado e haver a necessidade de introduzir uma função transferência não linear que combine a precisão de um modo de controlo da rotação e a da ordem de reconhecer movimentos rápidos. Este tipo de dispositivos mostra uma melhoria significativa do da performance do utilizador assim como se propõem à integração da próxima geração de interfaces de sistemas de CAD, gostaria de agradecer a 3D Connexion Ltd. pelo o dispositivo Spacemouse, e também ao IDMEC/IST pela utilização dos dispositivos hepáticos.
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