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Natural User Interface Applied for SpatialDisorientation and Movement Disorder: GestureMaps
Gustavo Jordan de Castro BrasilDepartamento de Computacao
UFSCar - Sao [email protected]
Alexandre Fonseca BrandaoBiotecnologia
UFSCar - Sao [email protected]
Diego Roberto Colombo DiasDepartamento de Computacao
USFCar - Sao [email protected]
Nivaldo Antonio ParizottoBiotecnologia
UFSCar - Sao [email protected]
Luis Carlos TrevelinDepartamento de Computacao
UFSCar - Sao [email protected]
Resumo—Este trabalho discorre sobre os habitos e compor-tamentos do homem contemporaneo em situacoes, antes conside-rada sedentarias, e atualmente vista como grande possibilidadede mudanca de paradigma no que diz respeito ao movimentar-se,ocio criativo e lazer. Para isto, apresentamos o desenvolvimentode um aplicativo denominado “GestureMaps” utilizado no con-trole da ferramenta “Google Street view” por meio de gestoscorporais. O “Google Street View” e uma ferramenta do software“GoogleMaps”, que permite ao usuario explorar, ao nıvel da rua,imagens reais em 360 graus de locais que foram previamenteregistrados pela equipe “Google”. O usuario controla a navegacaodo ambiente virtual utilizando gestos corporais pre determinadosresponsivos a um sensor de reconhecimento de gesto.
Palavras-chave: Humanos, Atividade Fısica, Reconhecimentode Gestos, Realidade Virtual.
Resumo—Abstract. This paper reports some discusses habitsand behavior of man in contemporary situations, once consideredsedentary, and currently seen as a major opportunity for aparadigm shift regarding moving, creative leisure and recreation.For that, we present the development of an app called GestureMaps to control the tool Google Street View through bodygestures. Google Street View is a tool of the Google Maps softwarethat allows users to explore, at street level, 360-degree images ofreal locations that were previously recorded by the Google team.The user controls the navigation of the virtual environment usingpredetermined body gestures responsive to a gesture recognitionsensor.
Keywords: Human, Physical activity, Gesture Recognition,Virtual Reality.
I. INTRODUCAO
A tecnologia digital dos atuais jogos virtuais utiliza um am-biente de Realidade Virtual (RV) que, alem de ampliar algunsde nossos sistemas sensoriais, contribui para a manutencaodo condicionamento fısico do indivıduo e vislumbra a pos-sibilidade de reabilitacao neuromuscular de enfermos destanatureza. Esta situacao contrasta com a imagem de um usuariode jogos virtuais do final do seculo XX, onde tal praticafoi taxada de sedentaria, adjetivo apropriado naquele contextoem que se controlava o ambiente virtual atraves de posicaoconfortavel (cadeiras e sofas) e controles manuais; o maior
esforco era aplicado apenas ao substituir o jogo quando eranecessario manusear o console.
Com o avancar da idade o homem contemporaneo de-senvolve doencas que poderiam ser controladas pela praticaregular de atividades fısicas como a sarcopenia, osteopo-rose, obesidade e cardiopatias. O atual cenario de inatividadefısica [1], [2] esta associado aos problemas de saude publica eaumento de doencas nao-transmissıveis (aterosclerose, diabetestipo 2 e carcinomas), considerando a cultura e o estilo de vidacomo estrategias de prevencao e promocao de saude. Nestecenario almejam-se atividades que recrutem grandes gruposmusculares, como os musculos dos membros inferiores, demodo que ocorra intensa circulacao sanguınea e consequenteaumento de gasto energetico durante a realizacao de tal ativi-dade. Assim, movimentos corporais que simulem a caminhadapossuem caracterısticas que contemplam estas exigencias.
Os membros superiores, de forma geral, sao especialmenteacometidos devido a menor utilizacao da articulacao glenou-meral acima do nıvel dos ombros, ou seja, os movimentosarticulares necessarios para as diversas tarefas no cotidianodificilmente contemplam toda a amplitude de movimento destaarticulacao, induzindo atrofia muscular nesta regiao durante oprocesso de envelhecimento do indivıduo.
A busca de novas modalidades de entretenimento, queatendam requisitos necessarios ao aumento significativo de ati-vidade fısica, sao de grande interesse social, melhor aceito pelapopulacao quando inserida de forma ludica e apresentada emambientes interativos e imersivos de RV. Maloney e outros [3]indicam que os jogos de vıdeo interativos sao potencialmentebeneficos no aumento da realizacao de atividades fısicas napopulacao infantil; o cansaco fısico e um fator limitanteao tempo de interacao do usuario com tecnologias virtuaisbaseada em gestos [4], evidenciando que um maior grau defortalecimento da musculatura do corpo em geral, poderiacolaborar com o aumento tempo de interacao dos usuarioscom as iminentes tecnologias suportadas por gestos corporais,tais como o controle de televisores inteligentes por meio demovimentos com as maos.
Segundo Wigdor [5], a Interface Natural de Usuario, ouNatural User Interface (NUI), nao e uma interface natural,
mas sim uma interface que permite seu usuario agir e sentircomo se fosse natural, interpreta-se melhor mudando a formade dizer ”interface natural”, nao e uma interface natural deusuario, mas sim uma interface de usuario natural. NUI temsido empregada como meio de interacao em sistemas de RVcom o intuito de aprimorar a experiencia do usuario com osambientes virtuais.
Segundo Holden [6], a RV prove elementos para o aprendi-zado motor como a repeticao, retroalimentacao e motivacao. Secombinado com a industria de jogos, torna-se viavel seu usocomo ferramenta de pesquisa. No entanto, jogos comerciaispossuem algumas limitacoes relacionadas a plataforma, poiseles nao foram desenvolvidos para atividades especıficas depesquisa. Com o surgimento dos dispositivos PrimeSense [7],tornou-se possıvel o desenvolvimento de aplicacoes que pos-sam se criadas, ou adaptadas, aos objetivos buscados pelospesquisadores.
Neste trabalho e apresentado um aplicativo de interacaobaseado em NUI. O aplicativo permite ao usuario interagir em360 graus com um ambiente gerado a partir de imagens reaisprovidas pelo GoogleMaps. O usuario controla a navegacaopelo ambiente virtual utilizando gestos pre definidos por meiode um sensor de reconhecimento de gestos.
O trabalho esta organizado em 4 secoes. A secao 1 foiesta breve introducao. A secao 2 define os conceitos de NUI,juntamente com dispositivos e toolkits disponıveis para odesenvolvimento de aplicacoes que utilizam interface natural.A secao 3 apresenta o aplicativo GestureMaps. A secao 4apresenta algumas aplicacoes na area da saude. E, por ultimo,a secao 5 apresenta as conclusoes e trabalhos futuros.
II. INTERFACE NATURAL DE USUARIO
A NUI e a interface comum usada por designers e desenvol-vedores de interfaces de computador para se referir a interacaocom o computador de um modo efetivamente invisıvel, outornando-se invisıvel com sucessivas interacoes aprendidas.
A maioria das interfaces de computadores utiliza dispositi-vos de controle artificial, cujo o aprendizado dos comandos erealizado por meio de botoes, tais como teclado alfanumericoou controle de vıdeo-game, cuja a curva de aprendizagem tendea ser alta. Uma interface NUI exige apenas que o usuario sejacapaz de interagir com o ambiente por meio de interacoespreviamente conhecidas por ele, como, por exemplo, gestos evoz. Esse tipo de interface tambem exige aprendizagem, poreme facilitada, pois nao exige que o usuario seja apresentado a umnovo dispositivo. Assim, a comunicacao por meio de gestos ealgo inerente ao ser humano.
Segundo Weiyuan [8], a NUI possuı as seguintes carac-terısticas:
• Design centrado no usuario: prove as necessidades demudanca da interface para diferentes usuarios;
• Multi-canal: visa capturar varios canais de entradado usuario para a realizacao da interacao com ocomputador. Sao considerados canais de entrada dousuario: maos, boca, olhos, cabeca, pes e o corpocomo um todo;
• Inexato: as acoes e pensamentos dos usuarios nao saoprecisos, de modo que o computador deve entender arequisicao das pessoas;
• Largura de banda alta: devido a grande quantidade dedados gerados pelos dipositivos de interface utilizados,a NUI deve prover suporte a alta taxa de dados;
• Interacao baseada em voz: considerada o meio maisconveniente, eficiente e natural de compartilhamentode informacoes. Em interfaces NUI possui duas abor-dagens: reconhecimento vocal e tecnologia de com-preensao;
• Interacao baseada por imagens: os humanos utilizamcomo principal sentido a visao. Para interfaces NUI,as imagens podem ser abordadas em 3 diferentesnıveis: processamento de imagens, reconhecimento deimagens e percepcao de imagens; e
• Interacao baseada no comportamento: responsavel porreconhecer a linguagem corporal do usuario, isto e,movimentos que expressem algum significado
Para o desenvolvimento de aplicacoes que utilizam NUIcomo meio de interacao, algumas particularidades da interfacedevem ser levadas em consideracao. Segundo Gnecco e outros[9], a precisao dos gestos esta limitada ao dispositivo, vistoque o rastreamento por cameras nao e tao preciso quantodispositivos mecanicos, tais como mouse e teclado.
A. Dispositivos PrimeSense
A PrimeSense e a empresa responsavel pelo desenvolvi-mento da tecnologia empregada no Microsoft Kinect [10]. OCMOS SoC PS1080, codinome Carmine, que e implementadono Kinect [10], e capaz de capturar os dados do sensorinfravermelho, fornecendo dados de profundidade em temporeal.
O Kinect, originalmente, foi desenvolvido como acessorioao console Xbox 360, no entanto, por utilizar interface USB,comecou a ser utilizado no desenvolvimento de aplicacoescomputacionais providas de interface NUI. Os principais com-ponentes de hardware sao uma camera RGB, um sensor deprofundidade, um vetor de microfones, um motor de inclinacaoe um acelerometro de tres eixos. A Microsoft lancou umKinect especıfico para PC, pois os destinados a XBOX 360nao possuem licenca para serem utilizados em PCs. A versaopara PC, por sua vez, possui um kit de desenvolvimentobasico incluso, capaz de suportar gestos e voz em aplicacoesdesenvolvidas para o sistema operacional Windows.
Shotton e outros [11], destacam a importancia em fragmen-tar o esqueleto em partes para obter maior precisao nos testescom reconhecimento de imagens em humanos. Os pontosrastreados, que permitem animar avatares sao: cabeca, pescoco,tronco, cintura, ombros, cotovelos, pulsos, maos, ponta dasmaos, quadris, joelhos, tornozelos e pes.
Nos modelos atuais cada quadro gerado pelo sensor deprofundidade possuı resolucao VGA (640 480 pixels), comuma taxa de atualizacao de 30 Hz. O uso de uma resolucaomaior, de ate UXGA (1600 x 1200 pixels) e possıvel por meiode interpolacao. A matriz de audio e composta por quatromicrofones, com cada canal de processamento de audio de 16
bits, a uma taxa de amostragem de 16 kHz. O hardware incluia supressao de ruıdo ambiente. O Kinect utiliza 12 watts deenergia de alimentacao externa e mais de 2,5 watts fornecidospor uma porta USB padrao.
Existem algumas solucoes de software para o desenvol-vimento de aplicacoes que utilizam dispositivos PrimeSense,tais como: Microsoft Kinect SDK 1.7 [12], libfreenect [13] eOpenNI/NITE [14]. Neste trabalho foi utilizado o frameworkOpenNI/NITE, devido ao suporte fornecido a varios dispositi-vos, e por ser open source.
B. OpenNI e NITE
A OpenNI e uma organizacao sem fins lucrativos, formadapela propria industria de fabricantes para certificar e promovera compatibilidade e interoperabilidade de equipamentos deinteracao natural. Por padrao, ela nao possibilita o uso doKinect, o que e possıvel por meio do driverAvin2 Sensor [15].
O Open Natural Interaction (OpenNI) e um framework quefornece uma API para o desenvolvimento de aplicacoes que fa-zem uso de interacao natural. Esta API abrange a comunicacaocom dispositivos de baixo nıvel (sensores de visao e audio),bem como solucoes de alto nıvel (o acompanhamento visualutilizando visao computacional). O framework esta escrito edistribuıdo sob a GNU Lesser General Public License (LGPL),sendo o codigo fonte livremente distribuıdo e disponıvel aopublico em geral. A versao corrente do framework e a 2.0
O NITE [16] e um middleware usado pelo frameworkOpenNI, desenvolvido pela PrimeSense. Apesar de ter seucodigo fechado, e gratuito para o uso, podendo ser usado nodesenvolvimento de aplicacoes comerciais. Ele e responsavelpor tratar as entradas do usuario obtidas pelo frameworkOpenNI, transcrevendo-os em gestos. O middleware provedois tipos de rastreamento, um para maos, capaz de detectargestos de push, wave, circle etc; e outro para o corpo, quepermite rastrear o corpo todo, fornecendo informacoes sobreas principais juntas corporais. A versao corrente do middlewaree a 2.0. A Figura 1 apresenta a interacao entre as bibliotecasutilizadas.
Figura 1. Bibliotecas utilizadas no desenvolvimento do GestureMaps
III. GESTUREMAPS
O aplicativo consiste de uma ferramenta para a navegacaoe exploracao de imagens panoramicas em 360 graus, utilizando
o dispositivo Kinect para interagir com o ambiente virtual. Asegmentacao da imagem do usuario e utilizad com o intuitode explorar a sensacao mista. A Figura 2 apresenta a interfacedo aplicativo GestureMaps.
As imagens sao obtidas por meio do Google Maps e suaextensao Street View. Para sua utilizacao, primeiramente deve-se definir o local em que se deseja fazer o tour virtual. Com ousuario colocado a frente do Kinect, e iniciado o rastreamentoe captura (RGB e IF).
Para o rastreamento e a captura de gestos do usuario foiutilizado a biblioteca OpenNI [6] (Open Natural Interaction)que possuı uma compatibilidade com dispositivos de referenciaPrimeSense. A captura do histograma de profundidade geradopela camera de IR e do projetor do dispositivo e analisadopelo middleware NITE [7] que possuı algoritmos de reconhe-cimento de pose do usuario e gestos das maos. A Figura 1apresenta a arquitetura com as bibliotecas utilizadas para odesenvolvimento da interacao atraves de gestos e a Figura 4apresenta o processo de rastreamento do avatar do usuario eintegracao com o a interface de navegacao do Google StreetView que e aclopada ao aplicativo por meio de um browserinterno utilizando a biblioteca JavaFX que possuı o motorWebkit.
Figura 3. Captura do histograma de profundidade
A aplicacao GestureMaps foi desenvolvida utilizando-seo kit de desenvolvimento Java SE 7 e a biblioteca JavaFX.Assim foi possıvel realizar as personalizacoes no ambientede navegacao, e a utilizacao de um browser que foi aclo-pado a aplicacao com carregamento de uma pagina HTMLpersonalizada com API do Google Street View, assim tornandopossıvel apresentar um avatar do usuario dentro do ambiente,de modo a permitir que o usuario consiga visualizar os seusmovimentos. A segmentacao do usuario e obtida atraves docentro de massa do usuario, utilizando o middleware NITEobtemos a mascara de pixels que corresponde a cada usuarioa frente do dispositivo, tornando possıvel realizar o calculo doCentro de Massa do usuario
CM
z
=X
p
depth(p) (1)
CM
x
=X
p
RealWorldCoordinates
x
(p) (2)
CM
y
=X
p
RealWorldCoordinates
y
(p) (3)
Figura 2. GestureMaps
O aplicativo e controlado por gestos corporais pre de-terminados, de modo que para avancar no mapa virtual enecessario que o usuario simule uma caminhada, com flexaode quadril e joelho correspondente ao deslocamento mınimode 15 centımetros entre a posicao inicial e final da patela.Para modificar a direcao de navegacao do mapa e necessarioo movimento de rotacao do tronco para direita ou esquerda,de acordo com a exploracao geografica desejada.
O funcionamento do GestureMaps pode ser descrito emalguns passos. A Figura 4 apresenta um Diagrama de Transicaode Estados, visando facilitar o entendimento do aplicativo. Osestados descritos sao:
• Inicializacao da Aplicacao e Dispositivo: neste estadoa aplicacao e executada, inicializando a interface,que apresenta o Google Street View em segundoplano; neste estado o dispositivo referencia Prime-Sense tambem e inicializado;
• Tela de Navegacao: este estado e responsavel apre-sentar os campos de entrada da aplicacao. Os camposde entrada permitem ao usuario selecionar o local queele deseja realizar a navegacao, de primeira instancia eapresentado locais de grande apelo turıstico, o usuariotambem pode digitar o endereco previamente conhe-cido para a navegacao;
• Deteccao do Usuario: o rastreamento do usuariocomeca a ser realizado no momento que o aplicativoidentifica a posicao Psi;
• Processa Gesto: neste estado e realizada a verificacaodos gestos do usuario. Os gestos rastreados permi-tem simular uma caminhada no Google Street Viewlevantando-se os joelhos (estado Processa Caminhada)e, por meio da rotacao de tronco, e possıvel rotacionar
o campo de visao para esquerda e direita (ProcessoRotacao do Corpo); e
• Navegacao: a aplicacao realiza a navegacao de acordocom os gestos efetuados pelo usuario. A partir desteestado e possıvel explorar o ambiente (Exploracao) ouescolher outro local (Troca Local).
Figura 4. Diagrama de Transicao de Estados
IV. APLICACOES NA AREA DA SAUDE
A. Desorientacao espacial
Desorientacao espacial e um estado confusional caracteri-zado, segundo Pitta [17], por diminuicao do grau da clarezade consciencia, prejuızo da concentracao, lentidao da compre-ensao, dificuldade de percepcao e elaboracao das impressoessensoriais, com prevalencia em hospitais gerais que varia entre10% e 30% dos pacientes idosos. Classificado na forma clınicade delirium, o estado confusional e classificado pela sigla
CID – 10 como Transtornos Mentais e do Comportamento.Tal transtorno causa perplexidade do paciente em relacaoao ambiente e as pessoas do convıvio familiar, ocasionandolentidao das respostas solicitadas, e esta associado a alteracoesde memoria, com diminuicao do registro de novas informacoes,aprendizados e consequentemente com o ato de recordar.Ocorre prejuızo global das funcoes psıquicas e predomınio daperturbacao da consciencia com presenca de hiperatividade oulentidao psicomotora.
Tal recurso computacional permite ao usuario explorar avizinhanca de sua casa por meio de gestos motores que repro-duzem os movimentos da caminhada. Este recurso pode serutilizado em perıodos noturnos uma vez que, frequentemente,ocorre mudancas no ciclo sono-vigılia deste paciente; estaacao pode proporcionar seguranca ao paciente para explorarvirtualmente os locais mais visitados por ele a partir de umcomputador convencional instalado em seu proprio quarto.
B. Transtorno de Movimento
O movimentar-se esta essencialmente relacionado ainteracao do homem com o seu meio e sua capacidadede sociabilizacao, frequentemente alterado por processoslegıtimos da senescencia. A doenca de Parkinson e um trans-torno do movimento caracterizado por disturbios neurologicosinerentes aos ganglios da base, sede das manifestacoes mo-toras, que acomete regularmente indivıduos de elevada faixaetaria e modico desempenho cognitivo. As atividades fısicasrecomendadas para a melhora da qualidade de vida de pessoascom Parkinson pressupoem a manutencao e/ou aumento damobilidade, do equilıbrio e da flexibilidade concomitante aatenuacao de anomalias do tonus muscular e de movimentosinvoluntarios.
Os desenvolvedores avaliaram a fidedignidade dos movi-mentos dos membros inferiores em relacao ao controle gestualdo aplicativo GestureMaps e propoem sua utilizacao em paci-entes que apresentam desorientacao espacial, visando reduziresta desorientacao e diminuir a dificuldade do paciente emreconhecer o ambiente a ser explorado, sua utilizacao tambeme proposta em pessoas com Parkinson de modo a incentivar otreinamento do inıcio do movimento da marcha, subjugandoo congelamento da marcha (freezing of gait), a prevencao damarcha festinante.
V. CONCLUSOES E TRABALHOS FUTUROS
Este trabalho oferece como principal contribuicao uma pos-sibilidade ao usuario de controlar ambientes de RV, de formaludica e descontraıda, atraves de um aplicativo responsivo aosensor de movimentos, o qual simula o padrao de caminhadahumana e permite o controle da navegacao virtual pelo usuario,que por sua vez logra dos benefıcios oriundos da atividadefısica como movimentacao ativa de membros inferiores esuperiores, aumento da circulacao periferica e gasto energetico.Espera-se estimular atividades motoras relacionadas a marchaem pessoas com Parkinson e reduzir a desorientacao espacialao controlar o computador (GoogleStreetView) com gestosmotores na posicao ortostatica.
O desenvolvimento deste aplicativo foi derivado do pro-jeto: “Desenvolvimento de biodispositivos para uso em es-portes, reabilitacao e entretenimento” aprovado pelo Comite
de Etica em Pesquisa com Seres Humanos – CAAE (No
11319712.4.0000.5504) e suporte do Centro de Ciencias Exa-tas e de Tecnologia/UFSCar. Os experimentos e testes estaosendo realizados no Laboratorio de Visualizacao, Imersiva, In-terativa e Colaborativa - Departamento de Computacao LaVIICvinculado aos Programas de Pos Graduacao: Biotecnologia eCiencias da Computacao. Em artigos futuros serao apresenta-das avaliacoes biomecanicas e fisiologicas dos usuarios, comintuito de validar o aplicativo.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a CAPES pelo apoio financeiroconcedido.
REFERENCIAS
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