Desarrollo de un simulador para realizar prácticas virtuales de

topografía utilizando gráficos WEB3D.

DEL OLMO GONZALEZ, Alberto; MARTINEZ MUNETA, M. Luisa; CARRETERO DIAZ, Antonio

Universidad Politécnica de Madrid

ETS Ingenieros Industriales. Dep. Ingeniería Mecánica y Fabricación José Gutierrez Abascal, 2. Madrid 28006

Tel: 91 336 116/15 {muneta,acarretero}@etsii.upm.es

RESUMEN

Esta comunicación presenta el desarrollo de un simulador de bajo coste y su aplicación a la realización de prácticas de topografía. Los gráficos WEB3D permiten la creación de entornos realistas e interactivos con el usuario a través de Internet. Su tamaño es muy ligero y permiten opciones de navegación como zoom, y rotación Estas características han permitido la creación de prácticas de topografía donde los alumnos pueden utilizar un teodolito virtual y realizar mediciones sobre entornos previamente a la realización de la práctica real. El usuario puede realizar diversas acciones sobre la maqueta virtual como la regulación de los tornillos de ajuste y es posible visualizar los limbos ampliados con precisión. Se acompaña además de informaciones relativas a la ejecución de la práctica y documentación general. Este entorno se ha implementado utilizando XML y javascript. Palabras clave: Simulador, Internet, Topografia, WEB3D, Elearning

ABSTRACT This paper shows the development of a simulator of low cost and its application to the accomplishment of topography practices. WEB3D Graphics allow the creation of realistic and interactive surroundings with the user through Internet. Its size is very light and allow options of navigation like zoom, pan and rotation These characteristics have allowed the creation of topography practices where the students can use a virtual theodolite and previously make measurements on surroundings to the accomplishment of the real practice. The user can interactive on the virtual mockup as the regulation of the adjustment screws and is possible to visualize the accurately extended limbs. All the needed theorical information relative to the execution of the practice and general documentation are included. These scenes have been implemented using XML and Javascript. Key words: Simulator, Internet, Topography, WEB3D, Elearning 1. Antecedentes Los simuladores permiten la construcción de modelos virtuales que interaccionan con el usuario de igual forma o transmitiéndole las mismas sensaciones que el modelo real. Desde los grandes simuladores utilizados en aeronáutica para el entrenamiento militar o de riesgos desarrollados en los años 80 [1][2], su empleo se ha acrecentado a la vez que los costes de hardware y desarrollo se han reducido de forma considerable. La aparición de tecnologías como Internet añaden la posibilidad de simuladores descentralizados y que pueden ser utilizados en horarios flexibles y desde localizaciones geográficamente muy dispersas, pudiendo incorporarlos a sistemas de Elearning [3].

El Grupo de Ingeniería Gráfica de la UPM se planteó el desarrollo de un simulador de bajo coste que funcionara en la red o localmente en el ordenador del alumno con el fin de proporcionar una maqueta virtual de las prácticas de topografía que impartía este Grupo. Uno de los principales problemas de las asignaturas impartidas en las universidades es la escasez de horas destinadas a la realización de prácticas. Los principales motivos del número reducido de horas de prácticas son:

• El actual plan de enseñanza, en el cuál se ha reducido en un año la duración de la carrera, también el nº de horas lectivas de las asignaturas y por tanto las horas de prácticas. • La falta de medios y equipos de medida, lo que obliga a organizar grupos muy reducidas de prácticas (8 personas). • Desplazamiento de los alumnos al campo y dependencia de los factores atmosféricos. • Dependencia de un horario escolar. • Prácticas de larga duración por alumno (4 horas). El alumno no está familiarizado con el manejo de un teodolito, lo cual hace que el estacionamiento y toma de medidas se alargue en el tiempo más de lo necesario.

Los objetivos que se pretenden alcanzar con el desarrollo de dicho simulador son:

• Que el alumno (usuario) pueda familiarizarse con el manejo del teodolito, antes incluso de su primera toma de contacto con el equipo real de medida.

• Que el alumno pueda poner en práctica los conocimientos topográficos adquiridos en la asignatura.

• Que todo ello se realice con flexibilidad, tanto de horarios como de equipos, es decir, que se pueda ejecutar a través de Internet.

• Para ello es necesario que el simulador conste de los siguientes elementos: • Un modelo de teodolito, con funcionamiento idéntico al real.

2. Tecnologías empleadas: Gráficos WEB3D El hecho de usar Internet como soporte de funcionamiento del simulador, condiciona el tamaño del mismo. Para que la velocidad de manejo y funcionamiento del simulador sea aceptable es necesario que:

• Sus archivos sean de pequeño tamaño. • Se puedan representar escenas 3D • También se procurará que todos los scripts se ejecuten en el lado del cliente. Para

eliminar carga de trabajo del servidor. Los gráficos WEB3D permiten utilizar tecnologías para desarrollar un simulador 3D con alta calidad de imagen, gran compresión y bajo coste. Una descripción mas amplia se puede encontrar en [4]. Estos presentan las siguientes características

• Se pueden gestionar entornos tridimensionales con gran número de polígonos. • Se permita la interacción con el usuario. • El tiempo de descarga de los gráficos 3D sea pequeño ya que en general los usuarios

accederán por redes de ancho de banda limitado. Por lo tanto, es necesaria la posibilidad de compresión de datos.

• No se necesite hardware gráfico especial (tarjetas gráficas potentes por ejemplo) para su visualización.

• Exista alto realismo. • Se pueda hacer uso de texturas y efectos (luces, sombras,…). • Exista la posibilidad de programación.

De la amplia muestra de sofware de estas tecnologías el simulador se ha desarrollado utilizando la tecnología de Viewpoint [5]. Las principales ventajas que ofrece Viewpoint a los archivos anteriormente nombrados son:

• Posibilidad de ofrecer una vista desde cualquier ángulo para gráficos 3D, en función del tipo de cámara seleccionada.

• Animaciones en 3D. • Marco de trabajo flexible. Es posible que el usuario defina un área de trabajo distinto a

la propia ventana del explorador. • Interactividad. El usuario puede establecer una interacción con el contenido multimedia

en cuestión. • Dichos objetos no son meros gráficos estáticos incrustados en una página Web, sino

que el usuario puede interaccionar con ellos, cambiando el punto de vista, el zoom, la posición, la perspectiva, etc.

Para poder hacer uso de la interactividad con los objetos, es necesario instalar VMP en el browser de Internet. El archivo MTS3Interface.js asegurar la comunicación entre VMP y JavaScript, a la par que permite la visualización del contenido Viewpoint en diferentes sistemas operativos y navegadores. Por lo general, se requieren de dos archivos para poder visualizar una escena multimedia. Dichos archivos tienen extensiones.mtx y .mts y su contenido es el siguiente:

• *.mtx. Contiene todos los elementos que describen la escena, dirige la acción y la interacción de la escena vista en VMP y es el encargado de llamar al archivo .mts y a los demás archivos externos como .jpeg o .swf. Está escrito en XML y se puede editar y modificar con cualquier editor de texto.

• *.mts. Es un archivo binario, codificado y no modificable, que contiene toda la geometría 3D de la escena.

Todo el proceso de trabajo se muestra en la figura siguiente:

Fig. 1: proceso de trabajo

Las escenas se se crean en programas modelizadores 3D como 3D Studio. Estas se convierten a formato Viewpoint (*.mts y *.mtx) y se ensamblan en una página HTML. Es necesario incluir las rutinas javascript y los modificadores XML para garantizar la operatibilidad de las maquetas virtuales. Se han modelado diferentes escenas como el edificio del la ETSII que es donde se realiza la práctica real y el teodolito objeto de la práctica con toda su funcionalidad (fig.2).

Fig. 2: modelo del teodolito con los grados de libertad representados

3. Implementación de la aplicación Se ha generado una página HTML que es la contenedora de la aplicación del simulador de prácticas de topografía [6] [7]. En ella se agrupan los elementos necesarios para el correcto funcionamiento del teodolito virtual, es decir:

• Una breve guía explicativa en la cuál se indican los pasos a seguir para realizar el estacionamiento del teodolito y de la mira.

• Una escena virtual 3D. Gracias a ello el usuario puede moverse por la escena con facilidad, pudiendo así estacionar el teodolito y la mira en los lugares deseados para tal efecto. Además del modelo de la escena, se incluyen en éste archivo un modelo de la mira y un modelo esquemático que representa el teodolito con el trípode.

• Una ventana donde poder fijar los puntos a medir. • Una ventana donde se muestra el modelo virtual del teodolito, utilizado en la asignatura

de Topografía en la ETSII-UPM de Madrid, dotado de toda su funcionalidad. • Una escena virtual 3D. Gracias a ello el usuario puede ver la escena como si la viese a

través del visor del teodolito, pero sin el efecto de las lentes del ocular, pudiendo así tener un punto de referencia para poder buscar con facilidad los puntos cuyas medidas se quieren realizar.

Fig. 3: pantalla inicial

Además del modelo de la escena, se incluyen en éste archivo un canal alfa, que contiene la cruz de referencia, y un modelo de la mira.

• Una ventana que muestra el limbo y nonius horizontal, en el cuál se debe realizar la medida de los ángulos acimutales.

• Una ventana que muestra el limbo y nonius vertical, en el cuál se debe realizar la medida de los ángulos cenitales.

• Una ventana que muestra la escena vista a través del visor del teodolito. Incorpora un canal alfa que permite ver los hilos del retículo.

• Una ventana que permite rotar la mira sobre su eje vertical, con el fin de poder ver la graduación de ésta de modo óptimo.

• Una ventana que permite comparar los resultados obtenidos por el usuario con los obtenidos por la aplicación diseñada.

Fig. 3: Aspecto de la pantalla de medición

En el navegador, y desde un punto de vista gráfico, el usuario debe visualizar ambas tablas: la tabla de estacionamiento es la que aparece por defecto en la pantalla del monitor y la tabla de toma de medidas se encuentra a la derecha de ésta. 4. CONCLUSIONES. Se ha presentado un simulador para la realización de las prácticas de topografía. La utilización de simuladores dentro de la enseñanza a través de Internet se demuestra como una gran ayuda al alumno ya que le permite utilizar de forma virtual, a distancia y repetidamente equipos que son escasos y cuyo uso está muy limitado. El alto grado de realismo y la interactividad obtenida en la realización del teodolito por medio de los gráficos WEB3D permiten evaluarlos muy positivamente en el empleo para este tipo de simuladores de bajo coste. La programación con Javascript y XML además proporciona gran flexibilidad para su programación. Una vez desarrollada la aplicación se aprecia que con ella se obtiene:

• Todas las ventajas de un simulador. o Uso flexible del mismo. Tanto en tiempo como en el nº de equipos disponibles. o Menor coste de inversión. o Detección de errores. El alumno puede comparar su resultado con el calculado

por la aplicación. • Aprendizaje y familiarización, por parte del alumno, del equipo de medida y su manejo.

o Lectura de limbos. o Cálculo de distancias o Comprobación de resultados.

• Disminución del tiempo de realización de las prácticas con el equipo real de medida. o Se obtiene un mayor rendimiento del alumno. o Se obtiene un mayor rendimiento del equipo.

5. BIBLIOGRAFIA [1] William R. Sherman, Alan B. Craig, “Understanding Virtual Reality: Interface, Application, and Design” Morgan Kaufmann; 1st edition (September, 2002), ISBN: 1558603530 [2] Martínez, M. L.; Félez; J.; Falcón, m.; Carretero, A; “Utilización de simuladores en operaciones de alto riesgo”. XII Congreso Ingeniería Grafica, ISBN: 84-699-5057-6, Junio 2001, Badajoz [3] Martínez, M.L., Félez, J., Romero, G. “WEB3D graphics in the WEBD Project: new trend in a collaborative enviroment”, Int. Workshop on “New WEB technologies for collaborative design, learning and training, Nov. 2003, Turín (Italia). [4] Martínez, M.L., Félez, J.; Romero, G.;“Ultimas tendencias en los gráficos WEB3D para Internet”; Congreso Internacional de Ingeniería Gráfica, 2002, Santander. [5] www.viewpoint.com [6] Gil Docampo, María de la Luz; Fernández García, Silvino; “Topografía para Ingenieros” Ed. Bellisco, ISBN:84-95279-70-3 [7] Apuntes de Topografía de la ETSII-UPM