Monografas de Expresin Grfica Volumen I

ANLISIS DE LA FORMA Y LA DIMENSIN

Tomo-2 - Soluciones y Sistema de Apoyo al Dibujo

Jos Pablo Surez Rivero

Melchor Garca Domnguez Gerardo Martn Lorenzo

Universidad de Las Palmas de Gran Canaria. Departamento de Cartografa y Expresin Grfica en la Ingeniera

Contenido

Introduccin 1

El Sistema de Apoyo al Dibujo (S.A.D.) 3

Soluciones a los ejercicios:

Ejercicios I-Piezas B-1 a B-19 6 Ejercicios II-Piezas B-20 a B-34 25

Ejercicios III-Piezas B-35 a B-42 42

Ejercicios VI-Piezas N1-1 a N1-14 51

Ejercicios V-Piezas N2-1 a N2-7 66

ANEXO 1.- Texto de la ponencia presentada en el XIV Congreso 74

Internacional de Ingeniera Grfica:

Hacia La Visualizacin en la Ingeniera Grfica: Una Herramienta

Basada en Vrml

ANEXO 2.- Texto de la ponencia presentada en el XII Congreso 87

Internacional de Ingeniera Grfica:

Desarrollo de un Laboratorio Virtual para el Estudio y Simulacin de

Mecanismos en la Ingeniera

ANEXO 3.- Texto de la ponencia presentada en el XIV Congreso 97

Internacional de Ingeniera Grfica:

Asignacin de Comportamiento Complejo en Escenarios de Aprendizaje

y Experimentacin de la Expresin Grfica

ANEXO 4.- Sistema de Apoyo al Dibujo en formato CD-ROM

(en la contratapa de la ltima pgina)

Bibliografa 107

Introduccin Este es el Tomo 2 del primer volumen de la serie Monografas de Expresin Grfica, titulado ANLISIS DE LA FORMA Y LA DIMENSIN que edita el rea de Expresin Grfica en la Ingeniera de la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria. Este Tomo 2 es titulado: "Soluciones y Sistema de Apoyo al Dibujo". El objetivo del presente tomo es doble: por un lado, continuamos el solucionario completo de los ejercicios propuestos en el Tomo 1. Por otro lado, se ofrece en forma de anexos al final de la obra, los resultados presentados en congresos especficos que ha dado lugar el trabajo, as como el Sistema de Apoyo al Dibujo (S.A.D.) en formato cd que el alumno podr usar libremente para la consulta y comprobacin de las soluciones. Con este libro prctico pretendemos proporcionar al alumno un documento de trabajo efectivo y cmodo, en soporte UNE-A4 horizontal y con encuadernacin flexible para el trabajo (con anillas laterales). La obra en su Tomo 1 comienza abordando aspectos tericos necesarios en el anlisis de la forma y la dimensin, como normalizacin, proyecciones, vistas y vistas auxiliares. Planteamos ejercicios variados de visualizacin en 2D y 3D que el alumno podr desarrollar en un espacio indicado para ello. El total de la obra consta de 62 piezas de dificultad variable que forman parte de cinco tipos de ejercicios. Recordamos a continuacin los tipos de ejercicios planteados en el Tomo 1:

I.- El primer tipo de ejercicios motiva la habilidad de pasar de un espacio 3D a uno 2D. Dada una pieza en perspectiva, se pide representar las vistas necesarias para su definicin.

II.- El segundo tipo de ejercicios contempla el caso inverso, es decir, dada diversas vistas ortogrficas, se pide la representacin tridimensional en perspectiva isomtrica de la misma.

III.- El tercer tipo de ejercicios es, dada una o varias representaciones en perspectiva de una pieza dimensionada, hallar las vistas necesarias para su definicin en una escala normalizada y representarla en el formato UNE-A4. Los restantes tipos de ejercicios se basan en piezas que requieren vistas especiales para su perfecta definicin:

IV.- El cuarto tipo de ejercicios ofrece como dato de una pieza la perspectiva de la misma, y el alumno usando vistas auxiliares simples debe representar la pieza de forma completa.

V.- Finalmente, en este ltimo grupo de ejercicios se facilita la perspectiva de las piezas y se solicita que el alumno use vistas auxiliares dobles para representar la pieza.

En cuanto a la dificultad de las piezas propuestas, el parmetro que se ha establecido para medir tal dificultad es en funcin del tipo de vistas necesarias para representar las piezas. As, los tipos de ejercicios I, II y III se le asignan un nivel de Bsico (B) por ser piezas que no necesitan vistas auxiliares, es decir, por medio de vistas comunes, las piezas admiten representacin completa. Las piezas del tipo IV son piezas clasificadas como de Nivel 1 (N1) ya que es necesario recurrir a vistas auxiliares simples para su determinacin. Finalmente, las piezas del tipo V son piezas clasificadas como de Nivel

1

2 (N2) ya que se precisa de vistas auxiliares dobles para su determinacin. A continuacin resumimos en una tabla esta clasificacin y en lo que sigue servir como ndice de la obra (obsrvese que cada lmina de trabajo posee una numeracin en la parte superior derecha que es la numeracin asignada a la pieza). Recordamos asimismo la numeracin adoptada para las piezas y soluciones:

Tipo de Ejercicio

Numeracin de las piezas

Dato que se ofrece Ejercicio que se solicita

Numeracin de la solucin

I B-1 a B-19 Perspectiva Representar las vistas mnimas necesarias

B-1 a B-19

II B-20 a B-34 Vistas Determinar la perspectiva isomtrica

B-20 a B-34

III B-35 a B-42 Perspectiva dimensionada

Representar las vistas mnimas necesarias dimensionadas

B-35 a B-42

IV N1-1 a N1-14 Perspectiva Vistas auxiliares simples

N1-1 a N1-14

V N2-1 a N2-7 Perspectiva Vistas auxiliares dobles

N2-1 a N2-7

Hay que notar que la numeracin de las piezas es anloga a la usada en el Sistema de Apoyo al Dibujo (S.A.D.) ofrecido en como anexo en CD-Rom. Ello permite que el alumno pueda consultar una pieza con una numeracin que coincide con la ofrecida en el texto.

2

El Sistema de Apoyo al Dibujo (S.A.D.) La enseanza de la Expresin Grfica en las carreras tcnicas ha evolucionado en los ltimos aos. La llegada de las nuevas tecnologas ha sido fundamental en esta evolucin y est condicionando el proceso de enseanza y aprendizaje de esta materia. Es por ello que hemos considerado la implementacin de herramientas de complemento al alumno. El producto es el S.A.D., Sistema de Apoyo al Dibujo que si bien se encuentra en desarrollo, ya se dispone de una versin vlida para los ejercicios propuestos en el primer volumen de la serie. Se trata de una herramienta basada en web, de libre acceso, diseada para servir de apoyo a la enseanza del Dibujo Tcnico. Esta herramienta hace especial hincapi en el desarrollo de la capacidad de visualizacin espacial en el Dibujo Tcnico. Adems, ha herramienta ha sido puesta en prctica en las titulaciones tcnicas de la Escuela Universitaria Politcnica de la ULPGC. La siguiente figura muestra el interfaz de presentacin de la herramienta en un navegador web:

3

El espacio virtual del S.A.D. se encuentra dividido en las siguientes opciones que ademas atienden a los niveles de complejidad descritos en los ejercicios:

BSICO: compuesto por piezas sencillas NIVEL 1: para practicar con vistas auxiliares simples NIVEL 2: para practicar con vistas auxiliares dobles y mltiples CONJUNTOS: para practicar el dibujo de conjuntos

Cada una de las opciones est a su vez compuesta por una serie de piezas de entre las que el usuario puede seleccionar aquella en la que vaya a trabajar dando paso a la navegacin virtual mediante un navegador VRML como Cosmo Player. El sistema aporta unas vistas predefinidas en perspectiva cnica (que es el sistema utilizado por VRML): frontal, izquierda, derecha, superior y perspectiva. Con ellas el usuario obtiene, adems de lo que se vera desde cada uno de estos puntos de vista, una perspectiva de la pieza, y, mediante navegacin, puede verla desde cualquier otro punto de vista o situacin. El usuario as permite obtener un conocimiento de la pieza en cuestin y dispone de toda la informacin necesaria para dar el siguiente paso, la croquizacin de la pieza, tras de lo cual podr elaborar el plano de taller, convenientemente dispuesto, acotado, etc. Aunque no es el inters de la presente obra, ver [Jimnez-02], se tiene la opcin de Conjuntos. En el caso de los conjuntos, se puede acceder en primer lugar a una simulacin animada del mecanismo (que no puede mostrarse en este texto) para ver cmo funciona. A continuacin, se accede a otra animacin del desmontaje, donde puede apreciarse el orden de desmontaje de las distintas piezas que lo componen y cul es la situacin y misin de cada una de ellas. Una vez comprendido el funcionamiento y el desmontaje, puede pasarse a navegar a travs de cada una de las piezas para obtener la informacin necesaria acerca de su forma y, de este modo, disponer de los instrumentos adecuados para croquizar y, posteriormente dibujar.

En el Anexo 1 puede encontrarse el texto completo de la ponencia presentada en el X Congreso de Innovacin Educativa en la Enseanzas Tcnicas, Valencia, Julio, 2002, titulada: Hacia La Visualizacin en la Ingeniera Grfica: Una Herramienta Basada en Vrml. El objetivo de su inclusin en este volumen es que el lector encuentre los detalles de dicha herramientas, desde su uso, a la tecnologa usada en su realizacin. Una versin de este texto fue tambin presentado como pster en el XIV Congreso Internacional de Ingeniera Grfica en Santander, Junio de 2002. En ambas se presentan resultados de la puesta en prctica de dicha herramienta en el aula, se presentan estadsticas de encuestas de valoracin hecha a los alumnos y se analizan los resultados obtenidos. El Anexo 2 recoge la ponencia titulada Desarrollo de un Laboratorio Virtual para el Estudio y Simulacin de Mecanismos en la Ingeniera, presentada en el XII Congreso Internacional de Ingeniera Grfica en Valladolid, Junio de 2000. En l se describe un sistema anterior al S.A.D. y que dio los orgenes al mismo. Su orientacin esta definida para mecanismos ms complejos que las propias piezas ofrecidas en el S.A.D.

4

El Anexo 3 contiene una ponencia presentada tambin en el XIV Congreso Internacional de Ingeniera Grfica en Santander, Junio de 2002, titulada Asignacin de Comportamiento Complejo en Escenarios de Aprendizaje y Experimentacin de la Expresin Grfica. Quizs se escape a los objetivos docentes de esta obra, pero apunta a la lnea ms innovadora y de investigacin que los autores han desarrollado.

Finalmente el Anexo 3 contiene en formato cd el S.A.D. Para su ejecucin en PC hace falta previamente instalar un visualizador denominado CosmoPlayer (que se proporciona tambin en el cd) y que es el que permite visualizar los elementos en 3D. Por su parte, para la ejecucin del S.A.D. tan slo hace falta ejecutar el fichero "index.htm" que se encuentra en la carpeta SAD. Si todo va bien, se ejecuta sobre un navegador web (el que tenga predeterminado en su ordenador). Cabe resaltar que al estar disponible en web, la ejecucin del SAD es independiente de plataforma. Sin embargo, debe tener en cuenta que debe instalar el apropiado visualizador de piezas segn que plataforma utilice: Mac, Linux etc.

5

SOLUCIONES Ejercicios tipo I

Dada una pieza en perspectiva isomtrica, se pide representar

las vistas necesarias para su definicin.

6

B-1

7

B-2

8

B-3

9

B-4

10

B-5

11

B-6

12

B-7

13

B-8

14

B-9

15

B-10

16

B-11

17

B-12

18

B-13

19

B-14

20

B-15

21

B-16

22

B-17

23

B-18

24

B-19

25

SOLUCIONES Ejercicios tipo II

Dada diversas vistas ortogrficas de una pieza, se pide la

representacin tridimensional en perspectiva isomtrica de la misma.

26

B-20

27

B-21

28

B-22

29

B-23

30

B-24

31

B-25

32

B-26

33

B-27

34

B-28

35

B-29

36

B-30

37

B-31

38

B-32

39

B-33

40

B-34

41

SOLUCIONES Ejercicios tipo III

Dada una o varias representaciones en perspectiva de una

pieza la cual se representa dimensionada, hallar las vistas necesarias para su definicin en una escala normalizada y representarla en el formato UNE-A4.

42

15R25

R25

R30

8020

4034.5

R10

26.5

7.57.5

40

30

120

B-35

43

8891

R15

R20

R3020

50

9.5

9

28.573.5

41.5

B-36

44

80

57

R24

R15R15

R24

57

80100

69.555

50

B-37

45

R15

20

60

2018

19

63100

71

R14

R14

R10R16

R7

R15

R20

43

23

40

27

10

10

B-38

46

86

30

R10

R10

70

R30

R10

2040 R23

R6

R10

R15

R12

20

149

30 B-39

47

15

120

R40

R1580

52

48

R40

18

1317

37

24

40

B-40

48

21

120

20

55

R1530

R1548

30

R18R22

R5

16

B-41

49

22

60

13572

R10R15

51

36

60

R10

15R23R20

B-42

50

SOLUCIONES Ejercicios tipo IV

Dada la perspectiva isomtrica de una pieza, representar la

pieza de usando vistas auxiliares simples.

51

AA

N1-1

52

A A

N1-2

53

A

A

N1-3

54

A

A

N1-4

55

AA

N1-5

56

N1-6

A

A

57

A

A

N1-7

58

A

B

A

B

N1-8

59

A

A

N1-9

60

A

A

N1-10

61

A

A

B

B

N1-11

62

AB

B

N1-12

A

63

A

B

BA

N1-13N1-13

64

N1-14

A

A

65

SOLUCIONES Ejercicios tipo V

Dada la perspectiva isomtrica de una pieza, representar la

pieza de usando vistas auxiliares dobles.

66

A

A

B B

N2-1

67

A

AA

B

B

C

C

N2-2

68

A

AA

BB

N2-3

69

C B

BC

A

A

N2-4

70

AA

B

B

N2-5

71

AB

B

A

N2-6

72

BBA

A

N2-7

73

ANEXO 1

Texto de la ponencia presentada en el XIV Congreso Internacional de

Ingeniera Grfica:

Hacia La Visualizacin en la Ingeniera Grfica: Una Herramienta

Basada en Vrml

74

HACIA LA VISUALIZACIN EN LA INGENIERA GRFICA: UNA HERRAMIENTA BASADA EN VRML

Jos Pablo Surez Rivero, Melchor Garca Domnguez, Gerardo Martn Lorenzo, Alejandra Sanjun

Hernn-Prez.

Universidad de LAS PALMAS DE GRAN CANARIA, Espaa Departamento de CARTOGRAFA Y EXPRESIN GRFICA EN LA INGENIERA

Correo electrnico: mgarcia@dcegi.ulpgc.es

RESUMEN

La enseanza de la Expresin Grfica en las carreras tcnicas ha evolucionado en los ltimos aos. La llegada de las nuevas tecnologas ha sido fundamental en esta evolucin y est condicionando el proceso de enseanza y aprendizaje de esta materia. En esta comunicacin se presenta una nueva herramienta basada en web diseada para servir de apoyo a la enseanza del Dibujo Tcnico. Esta herramienta hace especial hincapi en el desarrollo de la capacidad de visualizacin espacial en el Dibujo Tcnico. Algunas caractersticas destacables de dicha herramienta son: sencillez, porque el usuario puede seguir de forma intuitiva las distintas opciones desarrolladas; flexibilidad, porque el usuario puede configurar el nivel de complejidad de los ejercicios y prcticas planteadas; auto-contenida, porque la herramienta proporciona apoyo terico, permite la realizacin de ejercicios y prcticas interactivas y facilita la auto evaluacin de los contenidos aprendidos mediante distintos modelos de autocorreccin avanzados; y finalmente uso distribuido, porque la implementacin en web permite el libre acceso por parte del alumnado, la constante actualizacin del material disponible y la interaccin con el alumno gracias a la incorporacin de tutoras va chat, e-mail y grupos de trabajo. La herramienta hace uso de VRML, animaciones grficas interactivas y eficientes en 2D, 3D y programacin de scripts y basa su funcionamiento en las ventajas que ofrece este tipo de elementos integrados junto con una cuidadosa eleccin del material de docencia. La comunicacin adems describe la puesta en prctica del sistema en las titulaciones tcnicas de la Escuela Universitaria Politcnica de la ULPGC y seala las ventajas e inconvenientes del uso en el aula. Como resultados de la puesta en prctica de dicha herramienta en el aula, se presentan estadsticas de encuestas de valoracin hecha a los alumnos y se analizan los resultados obtenidos.

Palabras clave: Expresin Grfica; Visualizacin; VRML

ABSTRACT

The teaching of Graphic Expression in the technical programs of universities has improved last years. The arrival of new technologies have helped in this evolution, and as a result, it is crucial to understand the teaching and learning of this subject. In this communication, we present a novel web-based application that is usefull to help both teaching and learning of the Graphic Expression subject. This applications focuses on the visualization issues involved in technical drawing. Some remarkable features of this tool are: simplicity, because users may follow, in a intuitive way, the distinct options developed; flexibility, because users may set up the desired level of complexity in the exercises; self-contained, because the tool integrates theory, interactive exercises and auto-evaluation (by means of a series of advanced exercices with easy correction capabilities); and finally distributed, because free access for the students due to a web-based model, that also makes it possible to update the contents. It is also used other known interactive tools as chat, e-mail and working groups. The final application makes use of VRML and interactive and efficient graphic animations in both 2D, 3D and scripts programming. As a consequence, we provide a carefull integration of these items as well as an appropiated election of experienced teaching stuff. This communication also describes the practical issues of that system within the technical carrears in the Escuela Universitaria Politcnica, ULPGC.We point out the advantages and disadvantages of the tool. Finally we present statistical data based on the use in the classroom. We analyze the reported data and state some useful conclusions. Keywords: Graphic Expression; Visualization; VRML

75

2

1 Introduccin La combinacin de diversas tecnologas e interfaces que permiten a uno o ms usuarios interactuar en tiempo real con un entorno o mundo dinmico tridimensional generado por ordenador, lo que se ha venido a denominar realidad virtual, est teniendo cada vez mas auge y aplicaciones en los distintos campos de la Ingeniera.

En los ltimos aos, las herramientas que facilitan el desarrollo de aplicaciones de realidad virtual han experimentado un gran avance. Adems, el equipo tecnolgico necesario para ejecutar estas aplicaciones es simple y estndar debido a la nueva situacin basada en la web.

Actualmente ya se dispone de sofisticados entornos de desarrollo de mundos virtuales como SupersCape, Cybelius, Internet Space Builder, Internet Scene Assembler, V-Realm Builder, VR-Creator [10], etc. Estos entornos permiten la construccin y el ensamblaje de mundos virtuales en 3D bajo un entorno de desarrollo visual amigable para el usuario. Todos ellos utilizan el lenguaje por excelencia de la realidad virtual: VRML.

Por otro lado, se afianzan los lenguajes de visualizacin y de programacin como HTML, Java, JavaScript o ActionScript, que facilitan la integracin de texto, imgenes, vdeos, sonidos y aspectos interactivos y, que suponen una mejora notable en las clsicas aplicaciones informticas. Mediante estas herramientas, se crean entornos multimedia que permiten interactuar de forma amigable, intuitiva, pedir informacin, mostrar resultados, ver aplicaciones, etc.

Partiendo de conceptos ya establecidos por diversos autores [4] [8], como Laboratorios Virtuales y Espacios Virtuales de Aprendizaje (EVA), nuestra presentacin corrobora cmo este tipo de tecnologas, que emergen da a da, se pueden utilizar como complementos de formacin en universidades, escuelas tcnicas, etc, sustituyendo a los clsicos laboratorios, costosos de mantener y manipular y facilitando y mejorando el flujo de informacin entre alumno y profesor. Adems, una extensin del trabajo permitir integrar estas herramientas en un verdadero paradigma de aprendizaje, como ya se ha presentado en [4][8] [11] [12].

En este trabajo se ilustra cmo estas tcnicas se pueden aplicar al desarrollo de una herramienta de ayuda o apoyo a la docencia de la expresin grfica.

Se ha desarrollado un entorno en el que el usuario, especialmente motivado para el aprendizaje, podr hacer uso de la interaccin con los mecanismos y piezas diseados y, de este modo sumergirse en el mundo en el que se encuentra, comprenderlo y, en definitiva, asimilarlo como si lo tuviese en su mano. Este entorno, de forma tridimensional y basado en Internet, proporciona al usuario un ambiente cmodo y accesible.

Adems, se ha integrado, mediante el uso de simulaciones animadas, la forma en que funcionan y se montan o desmontan los mecanismos, para que el usuario pueda conocer su funcionalidad y para que, a partir de este anlisis, pueda proceder a la generacin de los planos de fabricacin, promoviendo as un medio integrado para conocer el mecanismo en detalle. Finalmente, la herramienta posee un mdulo de ejercicios de autoevaluacin que permite conocer el grado de asimilacin de los contenidos.

El orden por secciones de la comunicacin es el siguiente: - VRML y herramientas de desarrollo. - Las herramientas de desarrollo del S.A.D. - Desarrollo del trabajo: El espacio virtual del S.A.D. - Autoevaluacin. - Evaluacin de la herramienta. - Conclusiones y consideraciones finales.

76

3

1.1 VRML y herramientas de desarrollo VRML es un lenguaje textual para describir elementos tridimensionales y entornos interactivos. Ha evolucionado a travs de distintas versiones. Sus inicios se remontan a finales de 1994.

Para construir escenas y mundos mediante VRML, se puede recurrir a la programacin a bajo nivel, es decir, usar la sintaxis y semntica del lenguaje, para lo cual existe una especificacin ISO del lenguaje y una extensa bibliografa [2][5][6][9].

Una segunda va consiste en utilizar un entorno de desarrollo para la construccin de mundos, que, de una forma visual y grfica, posea ya dominio del lenguaje sin necesidad de entrar en aspectos de programacin. De entre tales aplicaciones citamos SupersCape, Cybelius, Internet Space Builder, Internet Scene assembler, V-Realm Builder y VR-Creator [10].

Una tercera alternativa para el desarrollo de mundos es utilizar programas de diseo en 3D y aprovechar las cualidades de exportacin a VRML. Dado que estas tres formas presentan ventajas y desventajas, haremos a continuacin (tabla 1) una revisin de todas ellas, pues decidirse por una o por otra resulta fundamental a la hora de desarrollar mundos virtuales.

Tabla 1 - Comparativa entre los mtodos para usar VRML

Ventajas Desventajas

Editor de Texto

No es necesario comprar software adicional. Acceso a todas las caractersticas de VRML. Control detallado de la eficiencia del lenguaje.

Difcil de construir elementos 3D. Requiere conocimiento del lenguaje: sintaxis y semntica.

Entornos de desarrollos VRML

De fcil creacin los elementos 3D, la animacin y el interfaz de usuario. No es necesario conocimiento detallado de VRML.

No se tiene acceso a todas las posibilidades del lenguaje VRML. El cdigo que se genera no es el ms eficiente.

Modelador 3D y traductor de

formato

Buena capacidad de desarrollo de los elementos en 3D, animacin e interaccin. Se logran imgenes foto-realistas.

No se tiene acceso a todas las posibilidades del lenguaje VRML. El cdigo que se genera no es el ms eficiente. El software no fue diseado para soportar VRML. Normalmente slo existe una va en la traduccin al lenguaje.

Desde otro punto de vista, VRML puede utilizarse junto con un potente lenguaje de

desarrollo de software, como el C++ o el Java para crear aplicaciones software integradas. Algunos trabajos ya se han desarrollado en esta lnea [1].

Utilizando un lenguaje nativo como C++ o Java, es posible asignar comportamientos diversos a elementos de un mundo VRML, con lo cual se crean mundos virtuales dotados de capacidades propias del lenguaje de programacin nativo o, ms propiamente dicho, software, que integra mundos virtuales con comportamientos complejos.

77

4

1.2 Las herramientas de desarrollo del S.A.D.

Como se ha visto en el apartado anterior, la eleccin de las herramientas de desarrollo es un factor decisivo puesto que de ellas depender el resultado final. En el trabajo que estamos desarrollando se han utilizado de forma combinada los tres tipos herramientas expuestos anteriormente en la construccin de los mundos VRML. As, es posible aprovechar las ventajas de cada una de las opciones utilizando la herramienta o mtodo ms conveniente.

Hemos usado el software de diseo 3D Studio Max, que proporciona los aspectos de foto-realismo y animacin necesarios, y ha servido para desarrollar los mecanismos, las animaciones y las texturas, que son los elementos bsicos del trabajo. Si bien hay que soportar los inconvenientes apuntados anteriormente, podemos considerar como buena la traduccin a cdigo VRML que realiza este software.

De entre las herramientas de desarrollo VRML citadas en la Introduccin, y despus de evaluarlas, hemos tomado el VR-Creator. sta es una buena herramienta para componer mundos sencillos y proporciona una extensa librera de elementos tridimensionales.

Finalmente, hemos recurrido a la programacin VRML mediante edicin de los ficheros wrl. Hasta el momento no hemos encontrado una herramienta fcil para ensamblar mundos virtuales separados por lo que, para hacerlo, hemos hecho uso de la programacin.

Para el modelado de las distintas piezas y mecanismos se ha utilizado el software estndar del dibujo por ordenador AutoCad. Cabe destacar el uso de un plug-in especfico (Whip de Autodesk) para web que permite navegar en la web, acceder a los dibujos realizados con este software, conservar el espacio de navegacin propio de AutoCad en la web, almacenar los ficheros de planos, etc.

Flash se ha convertido en el estndar de creacin de grficos interactivos. La ltima versin (cinco) puede considerarse, adems, un entorno de desarrollo, ya que incluye una herramienta potente de programacin denominada ActionScript. ActionScript se utiliza para crear scripts que indican a Flash la accin que debe llevar a cabo cuando ocurra el evento. Como otros lenguajes scripts, ActionScript consta de determinados componentes como objetos predefinidos y funciones, y permite crear sus propios objetos y funciones. ActionScript tiene sus reglas sintcticas especficas, se reserva palabras clave, proporciona operadores, y permite utilizar variables para almacenar y recuperar informacin. La sintaxis y el estilo de ActionScript se parecen mucho a los de JavaScript pues, de hecho, han sido diseados a partir de un estndar comn, ECMA-262, [13].

2 Desarrollo del Trabajo: El Espacio Virtual del S.A.D. Para cumplir con los requerimientos de libre acceso al usuario se ha realizado un pgina HTML principal (fig.1), en la que se han establecido cuatro niveles de complejidad de contenidos:

BSICO: compuesto por piezas sencillas (fig.2) NIVEL 1: para practicar con vistas auxiliares simples (fig.3) NIVEL 2: para practicar con vistas auxiliares dobles y mltiples (fig.4) CONJUNTOS: para practicar el dibujo de conjuntos (fig.5)

78

5

A continuacin se muestra el contenido de cada una de las interfaces a las que se

accede:

Figura 2: Nivel bsico Figura 3: Nivel 1

Figura 4: Nivel 2 Figura 5: Conjuntos

Figura 1: Interfaz principal

79

6

Como puede apreciase, cada una de estas pantallas est a su vez compuesta por una

serie de piezas de entre las que el usuario puede seleccionar aquella en la que vaya a trabajar dando paso a la navegacin virtual mediante un navegador VRML como Cosmo Player.

El sistema aporta unas vistas predefinidas en perspectiva cnica (que es el sistema utilizado por VRML): frontal (fig.6), izquierda (fig.7), derecha (fig.8), superior (fig.9) y perspectiva (fig.10). Con ellas el usuario obtiene, adems de lo que se vera desde cada uno de estos puntos de vista, una perspectiva de la pieza, y, mediante navegacin, puede verla desde cualquier otro punto de vista o situacin (fig.11)

En este momento el usuario tiene conocimiento de la pieza en cuestin y dispone de

toda la informacin necesaria para dar el siguiente paso, la croquizacin de la pieza, tras de lo cual podr elaborar el plano de taller, convenientemente dispuesto, acotado, etc.

En el caso de los conjuntos, se puede acceder en primer lugar a una simulacin animada del mecanismo (que no puede mostrarse en este texto) para ver cmo funciona.

Figura 6: Vista frontal Figura 7: Vista izquierda

Figura 8: Vista derecha Figura 9: Vista superior

Figura 10: Perspectiva Figura 11: Perspectiva 1

80

7

A continuacin, se accede a otra animacin del desmontaje, donde puede apreciarse el orden de desmontaje de las distintas piezas que lo componen y cul es la situacin y misin de cada una de ellas.

Una vez comprendido el funcionamiento y el desmontaje, puede pasarse a navegar a travs de cada una de las piezas para obtener la informacin necesaria acerca de su forma y, de este modo, disponer de los instrumentos adecuados para croquizar y, posteriormente dibujar.

En la siguiente secuencia de imgenes (fig.12, 13, 14, 15, 16 y 17) se exponen, parcialmente, dos ejemplos de conjuntos:

El usuario deber realizar el plano de conjunto, con sus correspondientes marcas,

cuadro de despiece, etc, y los planos de taller de cada pieza. Para ello, dispone de una informacin textual con las dimensiones de cada pieza, condiciones de ajuste, tolerancias, acabados superficiales, etc. En definitiva, se tiene todo lo necesario para poder ejecutar los distintos planos.

2.2 Autoevaluacin

Entre las novedades que presenta esta comunicacin se encuentra el mdulo destinado a la autoevaluacin de los contenidos que proporciona el sistema.

En concreto, se ha desarrollado un conjunto de aplicaciones interactivas en Flash 5 y ActionScript que permiten la evaluacin sencilla por parte del usuario acerca de los contenidos asimilados. As, en la figura 18 se presenta un ejemplo ilustrativo de uno de los modelos de ejercicios mediante su interfaz grfica.

Figura 12: Conjunto montado Figura 13: Pieza Figura 14: Pieza

Figura 15: Conjunto montado Figura 16: Pieza Figura 17: Pieza

81

8

En este ejemplo, se da al usuario la opcin de escoger la vista posible que complete

la representacin de una pieza industrial de la que se proporcionan dos de sus vistas. El usuario, mediante el anlisis previo de la pieza en el espacio de navegacin de

VRML, podr deducir la vista correcta de entre otras que tambin se proponen. La aplicacin evala segn esta mecnica, un conjunto finito de piezas implementadas en el sistema. Al final, el usuario dispondr de una estadstica completa de aciertos as como de intentos fallidos.

Como resultado, la aplicacin almacena la actuacin del usuario en un perfil personal del alumno (previamente identificado con una clave), de forma que se genera un histrico de intervenciones del alumno, lo cual es decisivo para seguir su evolucin.

Otros ejercicios de autocorreccin han sido desarrollados utilizando herramientas grficas que permiten al usuario interactuar con el ejercicio en tiempo real.

Secuencialmente se le van mostrando al usuario una serie de imgenes que corresponden a las vistas ortogonales de la pieza en cuestin, de tal forma que debe arrastrar y situar en la posicin correcta las mencionadas vistas (fig. 19).

El desarrollo obtenido permite capturar la posicin del puntero en el momento del arrastre, por lo que, en el momento en que se sita sobre el umbral de interferencia y se suelta el botn del ratn, la imagen se adaptar automticamente al cuadro ms prximo.

Tras haber situado completamente todas las vistas en su posicin, se mostrar automticamente un botn que permitir al usuario comprobar el resultado del ejercicio.

Figura 18: Ejercicio de autoevaluacin

Figura 19: Inicio del ejercicio

82

9

Finalmente en la figura 20 presentamos el ltimo tipo de ejercicio implementado en la aplicacin. Se trata en este caso de un ejercicio que incide en la identificacin de partes coloreadas de una pieza. El alumno podr interactuar con la pieza original en VRML y as identificar visualmente las partes de la pieza. Seguidamente, el alumno podr completar el trabajo de identificacin sealando los colores correctos en las vistas propuestas de la pieza.

Los datos referentes al usuario quedarn registrados as como el nmero de intentos

que ha necesitado para resolver satisfactoriamente el ejercicio. De esta forma, el

(a) Pieza coloreada en VRML

Figura 20. Ejercicio de identificacin de partes de una pieza

83

10

profesor dispondr, cuando lo crea oportuno, de esta informacin para la evaluacin del progreso del alumno.

2.3 Evaluacin de la Herramienta

A continuacin presentamos una evaluacin realizada al final del presente curso acadmico 2001/2002 a los alumnos, en relacin con la herramienta y su uso en el aula. La evaluacin tiene forma de encuesta y corresponde a un protocolo de ebaluacin de herramientas multimedia en el aula, ver [14].

En las siguientes grficas, fig. 21 y fig. 22 se presentan el valor medio de las 44 encuestas realizadas. Se sitan en Caractersticas, cada una de las preguntas que componen la encuesta. Para el caso del mdulo tcnico se trata de 31 preguntas y para el caso del mdulo didctico de 21 preguntas. Por su parte como resultado que ofrece las grficas, se presenta el valor medio puntuado por los alumnos, de entre 1 (Muy deficiente) y 5 (Muy aceptable).

Figura 21. Evaluacin de la parte tcnica de la aplicacin

Figura 22. Evaluacin de la parte didctica de la aplicacin

84

11

3 Conclusiones y consideraciones finales Este trabajo es una aplicacin de las nuevas tecnologas de la informacin al campo de aprendizaje y enseanza de la Expresin Grfica. Otros autores han hecho contribuciones en esta misma lnea [3][4][7][8], sin embargo, an son limitadas las aportaciones de herramientas en esta direccin debido a las peculiaridades de la Expresin Grfica y al grado de asimilacin de las nuevas tecnologas de la informacin.

En concreto, el sistema aqu presentado posee ciertas caractersticas que permiten considerarlo un excelente complemento para la enseanza de esta materia en las titulaciones tcnicas. Entre estas caractersticas destacamos las siguientes: sencillez, porque el usuario puede seguir de forma intuitiva las distintas opciones desarrolladas; flexibilidad, porque el usuario puede configurar el nivel de complejidad de los ejercicios y prcticas planteadas; auto-contenida, porque la herramienta proporciona apoyo terico, permite la realizacin de ejercicios y prcticas interactivas y facilita la autoevaluacin de los contenidos aprendidos mediante distintos modelos de autocorreccin avanzados; y, por ltimo, uso distribuido, porque la implementacin en web permite el libre acceso por parte del alumnado, la constante actualizacin del material disponible y la interaccin con el alumnado gracias a la incorporacin de tutoras va chat, e-mail y grupos de trabajo.

El diseo e implementacin del S.A.D. nos ha revelado las posibilidades que estas aplicaciones tienen como verdaderos elementos integrados en la enseanza y la educacin. Sin embargo, queda pendiente la implantacin de este conjunto de sistemas en un verdadero paradigma renovador de la enseanza de la Expresin Grfica en las titulaciones tcnicas, para lo cual son cruciales los avances futuros en esta direccin. Un anlisis cuidadoso a los datos ofrecidos en la seccin 2.3 revelan que la herramienta no constituye para el alumno un material de excelencia para estudiar la materia. El desafo continuo est en elevar la herramienta a carcter de excelencia de forma que el alumno vea en este tipo de aplicaciones un soporte esencial para asimilar las materias de expresin grfica en las universidades.

4 Agradecimientos

S.A.D es una herramienta que se est desarrollando actualmente en el marco de un proyecto de investigacin financiado por la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria denominado DESARROLLO DE ENTORNOS VIRTUALES AVANZADOS EN EL REA DE LA EXPRESIN GRFICA, Ref. n 6400602, para el bienio 2002-2003.

5 Referencias [1] Armentara Alcntara; Andrs A.; Asignacin de comportamiento complejo a mundos virtuales vrml utilizando Java, Tesis de Maestria. Instituto Politcnico Nacional. Mxico. Julio 1999. [2] Ames Andrea L.; Nadeau David R., Moreland John L.; The VRML 2.0 Sourcebook. John Wiley & Sons.

85

12

[3] Gmez Skarmeta, A. F.; Ibez Martnez, J.; Un Entorno para la Edicin y Simulacin de Plantas de Produccin Virtuales. XI Congreso Internacional de Ingeniera Grfica. Logroo. Pamplona. 2-4 junio 1999. [4] Guzmn, A; Nuez, G.; Virtual Learning Spaces in Distance Education: Tools for the Eva Project. International Journal Expert Systems with Applications (Special Issue), Pergamon Press, 1998. [5] Joint Technical Committee ISO/IEC JTC 1 and The VRML Consortium, Inc. The Virtual Reality Modeling Language. International Standard ISO/IEC 14772-1:1997, 1997. The ISO VRML 97 specification: http://www.vrml.org/Specifications/ [6] Lemay, L.; Murdock, K; Couch, J.; 3D Graphics and VRML 2. Sams.net 1996. [7] Morer, P.; Fernndez, A.; Insua, M.; Fernndez, M.I. Desarrollo de una Herramienta en el Entorno Virtual de la Expresin Grfica. XI Congreso Internacional de Ingeniera Grfica. Logroo.Pamplona. 2-4 junio 1999. [8] Nuez, G. Tecnologas avanzadas de informacin para soportar el aprendizaje: el proyecto EVA. Proc. off the Int. Simposium on Information Technologies for Learning, D. F., Mexico, 1997. [9] The VRML Repository. http://vrml.sdsc.edu [10] VR_Creator. http://www.platinum.com [11] G. Martn, J.P. Surez y M. Garca, Desarrollo de un Laboratorio Virtual para el Estudio y Simulacin de Mecanismos en la Ingeniera,CIIG-2000. Actas del XII Congreso Internacional de Ingeniera grfica, Valladolid. (2000). [12] G. Martn, J.P. Surez y M. Garca, Laboratorio Virtual para el Estudio y Aprendizaje de Mecanismos en la Ingeniera. Actas del VIII Congreso de Innovacin Educativa en Enseanzas Tcnicas, SAN SEBASTIN. (2000) [13] http://www.ecma.ch [14] J.I. Rojas Sola, "Protocolo para la evaluacion de software multimedia en el area de expresion grafica en la ingenieria", Anales de Ingenieria Grafica, n 14, pp-14-22, (2001)

86

ANEXO 2

Texto de la ponencia presentada en el XII Congreso Internacional de

Ingeniera Grfica:

Desarrollo de un Laboratorio Virtual para el Estudio y Simulacin de

Mecanismos en la Ingeniera

87

Desarrollo de un Laboratorio Virtual para el Estudio y Simulacin de Mecanismos en la Ingeniera

Gerardo Martn Lorenzo; Jos Pablo Surez Rivero; Melchor Garca Domnguez Departamento de Cartografa y Expresin Grfica Universidad de Las Palmas de Gran Canaria Campus de Tafira. E-35017 gmartin@cicei.ulpgc.es; Tfno. 928 45 19 61;Fax. 928 45 18 72

1. Resumen

En los ltimos aos un nuevo escenario para la representacin de mundos virtuales en 3D se est consolidando: la realidad virtual basada en web. Ello permite el acceso pblico de los diferentes avances y ltimas aplicaciones de la Realidad Virtual en reas como la enseanza, la simulacin, el comercio etc. Este escenario de la Realidad Virtual por ordenador es ms accesible a los usuarios. Elementos como guantes de datos, cascos estereoscpicos y otros sensores de alto coste se sustituyen por la pantalla, ratn y conexin a la red usuales en cualquier equipamiento informtico.

En la presente comunicacin se ilustra una de las posibles aplicaciones en el contexto de la enseanza y la simulacin. Desarrollamos un espacio virtual de experimentacin basado en web de mecanismos en la ingeniera. Se propone la inclusin de estas tecnologas en universidades, escuelas, centros de formacin etc. Una extensin del trabajo permitir integrar estas herramientas en un verdadero paradigma de aprendizaje.

2. Abstract

In the last years a new enviroment for the representation of 3D virtual worlds is being implanted: web based virtual reality. This fact allows that improvements and later application to virtual reality could be freely accessed. Furthermore, several fields like education, simulation and business are taking advantage of it.

Computer Virtual Reality based on web makes it possible for the users more accesibility, it means that data gloves, stereoscope helmets and other high costs sensors have been replaced by a standar computer equipment as a display, a mouse and a network socket.

In this communication we present an application for education and simulation. We developed an enviroment of virtual experimentation based on web that deals with engineering mechanisms. It is proposed the blending of this tecnologies in universities, institutes or education centers. An extension of this work will permit the integration of this tools in a true learning paradigm.

88

3. Introduccin

La combinacin de diversas tecnologas e interfaces que permiten a uno o ms usuarios interactuar en tiempo real con un entorno o mundo dinmico tridimensional generado por ordenador, lo que se la venido a denominar Realidad Virtual, est teniendo cada vez mas auge y aplicaciones en los distintos campos de la Ingeniera.

En los ltimos aos las herramientas que facilitan el desarrollo de aplicaciones de Realidad Virtual han experimentado un gran avance. Adems, el equipo tecnolgico necesario para ejecutar estas aplicaciones es simple y estndar. El nuevo escenario basado en web ha hecho posible esta caracterstica.

Actualmente ya se disponen de sofisticados entornos de desarrollo de mundos virtuales como SupersCape, Cybelius, Internet Space Builder, Internet Scene Assembler, V-Realm Builder, VR-Creator [10] etc. Los mismos permiten la construccin y/o ensamblaje de mundos virtuales en 3D bajo un entorno de desarrollo visual amigable para el usuario. Todos ellos soportan el lenguaje por excelencia de la Realidad Virtual: VRML.

Por otro lado se afianzan los lenguajes de visualizacin y de programacin como HTML, Java, JavaScript que facilitan la integracin de texto, imgenes, vdeos, sonidos, aspectos interactivos que suponen una mejora notable en las clsicas aplicaciones informticas. Mediante estas herramientas se crean entornos multimedia que permiten interactuar de forma amigable intuitiva, pedir informacin, mostrar resultados, ver aplicaciones, etc.

Trminos como Laboratorios Virtuales y Espacios Virtuales de Aprendizaje (EVA) han sido fundados por diversos autores [4] [8]. Nuestra presentacin corrobora como este tipo de tecnologas que emergen da a da, se pueden utilizar como complemento en la formacin en universidades, escuelas, centros de formacin etc. sustituyendo a los clsicos laboratorios costosos de acceder, mantener y manipular. Adems, una extensin del trabajo permitir integrar estas herramientas en un verdadero paradigma de aprendizaje, como ya se ha presentado en [4][8].

En este trabajo se ilustra cmo estas tcnicas se pueden aplicar al desarrollo de laboratorios virtuales de estudio y experimentacin. Se ha tomado el ejemplo de un laboratorio de mecanismos clsicos en la Ingeniera. El usuario, especialmente con motivacin de aprendizaje, podr hacer uso de la navegacin por el laboratorio, interaccin con los mecanismos diseados, e inmersin en el mundo que se encuentra, todo ello de una forma tridimensional y basado en Internet, recreando un ambiente cmodo y accesible. Adems, se ha integrado en este espacio de experimentacin, informacin relativa a los mecanismos que se exponen, como planos de construccin, aspectos de diseo de los mecanismos, engranajes etc. Con ellos el usuario tiene la posibilidad de analizar el mecanismo con el que se experimenta promoviendo as un medio integrado para conocer el mecanismo en detalle.

4. VRML y herramientas de desarrollo

VRML es un lenguaje textual para describir elementos tridimensionales y entornos interactivos. Ha evolucionado a travs de distintas versiones. Sus inicios se remonta a finales de 1994. La ltima versin es la VRML 97 y su predecesora la VRML 2.0. Entre ambas hay poca diferencia y de hecho la mayora de los navegadores de la versin 2.0 soporta sin problemas la ltima versin.

Para construir escenas y mundos mediante VRML se puede recurrir a la programacin a bajo nivel, es decir usando la sintaxis y semntica del lenguaje, para lo cual existe una especificacin ISO del lenguaje y extensa bibliografia [5][6][9][2]. Una segunda va es utilizar un entorno de desarrollo para la construccin de mundos, las cuales de una forma visual y grfica tiene dominio del lenguaje sin necesidad de entrar en aspectos de programacin. De entre tales aplicaciones citamos SupersCape, Cybelius, Internet Space Builder, Internet Scene assembler, V-Realm Builder y VR-Creator [10]. Otra alternativa para el desarrollo de mundos es utilizar programas de diseo en 3D y aprovechar las cualidades de exportacin a VRML. Las tres formas tienen sus ventajas y desventajas, hacemos a continuacin una

89

revisin de todas ellas puesto que esta decisin es fundamental a la hora del desarrollo de mundos virtuales.

Ventajas Desventajas Editor de Texto

No es necesario comprar sofware adicional. Acceso a todas las caractersticas de VRML. Control detallado de la eficiencia del lenguaje.

Difcil de contruir elementos 3D. Require conocimiento del lenguaje: sintaxis y semntica.

Entornos de desarrollos VRML

De facil creacin los elementos 3D, la animacin y el interfaz de usuario. No es necesario conocimiento detallado de VRML.

No se tiene acceso a todas las posibilidades del lenguaje VRML. El cdigo que se genera no es el ms eficiente.

Modelador 3D y traductor de formato

Buena capacidad de desarrollo de los elementos en 3D, animacin e interaccin. Se logran imgenes foto-realistas.

No se tiene acceso a todas las posibilidades del lenguaje VRML. El cdigo que se genera no es el ms eficiente. El software no fue diseado para soportar VRML. Normalmente slo existe una va en la traduccin al lenguaje.

Tabla 1 - Comparativa entre los mtodos para usar VRML

Desde otro punto de vista, VRML puede utilizarse junto con un potente lenguaje de desarrollo de software, como el C++ o el Java para crear aplicacines software integradas. Diversos trabajos se han desarrollado en esta lnea [1]. Desde un lenguaje nativo como C++ o Java, es posible asignar comportamientos diversos a elementos de un mundo VRML, con lo cual se crean mundos virtuales dotados de capacidades propias del lenguaje de programacin nativo, o ms propiamente dicho, software que integra mundos virtuales con comportamientos complejos.

5. Las herramientas de desarrollo del Laboratorio Virtual en la Ingeniera

Como se ha visto en el apartado anterior la eleccin de las herramientas de desarrollo es un factor decisivo. En el presente trabajo se ha utilizado de forma combinada las tres tipos herramientas expuestos anteriormente en la construccin de los mundos VRML. As es posible aprovechar las ventajas de cada una de las opciones utilizando la herramienta o mtodo ms conveniente.

Por un lado el software de diseo 3D Studio Max, el cual proporciona los aspectos de foto-realismo y animacin necesarios. Con ste se han desarrollado los mecanismos, las animaciones respectivas y el uso de texturas convenientes, elementos base del trabajo. Podemos considerar como buena la traduccin a cdigo VRML que realiza este software si bien hay que soportar otros inconvenientes apuntados anteriormente.

De entre las herramientas de desarrollo VRML citadas en la Introduccin y despus de evaluarlas, se ha tomado el VR-Creator. sta es una buena herramienta para componer mundos sencillos y proporciona una extensa librera con elementos tridimensionales. Hemos usado este software para decorar los distintos entornos del laboratorio y dotar el mundo virtual de una estructura conveniente a un laboratorio.

90

Fig. 1 - Desarrollo de la mquina de engranajes en 3D Studio Max R2.

Finalmente se ha recurrido a la programacin VRML mediante edicin de los ficheros wrl. Hasta el momento no hemos encontrado una herramienta fcil para ensamblar mundos virtuales separados y es por ello que hemos recurrido a hacerlo via programacin.

Para las representacin grfica de los distintos mecanismos del laboratorio se ha utilizado el software estndar del dibujo tcnico por ordenador Autocad. Cabe destacar el uso de un plug-in especfico (Whip de Autodesk) para web que permite navegar en la web por dibujos realizados con este software, lo cual permite conservar el espacio de navegacin propio del Autocad en web, almacernar los ficheros de planos etc.

6. Estudio de un mecanismo virtual. La Mquina de Engranajes

El mecanismo que se presenta representa un ejemplo sencillo de transmisin por engranajes de dientes rectos. Consta de dos placas soporte que se mantienen en su posicin mediante cuatro separadores, que para su fijacin disponen en sus extremos de un trozo roscado que sirve de alojamiento de arandela y tuerca.

La rueda motriz, o rueda conductora se mantiene en su posicin mediante chaveta alojada en el extremo del eje primario, que es el que recibe la accin de una manivela que le hace girar a una cierta velocidad.

La composicin de la transmisin hace que el movimiento de la rueda conductora se comunique a la rueda conducida, de menor dimetro, cumpliendo una relacin de transmisin de 2:1, o sea, por cada vuelta de la rueda conductora se obtienen dos de la conducida.

91

Algunas de las caractersticas de esta transmisin por engranajes son:

Rueda conductora: Dimetro primitivo: 80 mm

Nmero de dientes: 40

Rueda conducida: Dimetro primitivo: 40 mm Nmero de dientes: 80

Relacin de transmisin: 2:1 Mdulo: 2 Altura del diente:

Altura de cabeza (addendum) ; a=2 Altura del pie (dedendum); b=2.5 Altura total (a+b); 4.5

Paso circunferencial; p=6.28 Espesor del diente; e=2.98 Espesor del hueco; v=3.29 A continuacin se presenta en las figuras 2 y 3 algunos de los planos del mecanismo en cuestin

realizados en AutoCAD (Tm).

Fig. 2 - Perspectiva.

92

Fig. 3 - Plano de conjunto.

93

7. El Espacio Virtual de Experimentacin. El Laboratorio Virtual en la Ingeniera

Para cumplir con los requerimientos de libre acceso al usuario se ha realizado un pagina HTML con la estructura del laboratorio virtual en la que se han integrado adecuadamente los mundos VRML, las representaciones grficas y toda la informacin concerniente al los mecanismos del laboratorio. En la misma el usuario podr acceder a toda la estructura del laboratorio de una forma interactiva y visual. A continuacin se presenta tres figuras que dan una idea global del trabajo realizado.

El espacio virtual del laboratorio se divide en cuatro mdulos que coincide con cuatro opciones en la pgina web. Primeramente existe un mdulo de Presentacin donde se introduce al usuario en el contexto del laboratorio, objetivos, metas y recursos disponibles. El mdulo de Recorrido Virtual permite hacer un recorrido por las distintas salas del laboratorio, para lo cual se presenta un navegador VRML que lo hace posible. El mdulo Laboratorios contiene las mquinas expuestas y toda la informacin grfica y terica de los mismos. Finalmente en el Glosario se expone los trminos y conceptos relacionados con el tema de estudio.

Fig. 4 - Pgina presentacin del laboratorio.

94

Fig. 5. Informacin de diseo del mecanismo.

Fig.6. Instntanea del recorrido virtual por una sala del labratorio.

95

8. Conclusiones y trabajo futuro

Consideramos este trabajo un aporte de las nuevas tecnologas de la informacin al campo del aprendizaje y simulacin en la Expresin Grfica. Otros autores han trabajado en esta lnea como se refleja en [3][4][7][8]. Se ha tomado como caso de estudio mecanismos de la ingeniera para creacin de un laboratorio virtual de experimentacin y aprendizaje.

En la actualidad existe valiosos recursos accesibles en el campo de las tecnologas de la informacin que empiezan a ser usados para replantear disciplinas como el aprendizaje entre otros. Los que nos ocupa centran su atencin en Realidad Virtual e Internet.

El futuro prximo y la confianza puesta en estos trabajos nos revelar si estas aplicaciones podrn utilizarse como verdaderos elementos integrados en la enseanza y educacin como nosotros pensamos.

Otros elementos que sern decisivos en este objetivo son la creacin de un sistema de evaluacin del aprendizaje y un permanente uso de las herramientas cooperativas como el control remoto en tiempo real, el correo electrnico o el chat.

9. Bibliografa

[1] Armentara Alcntara; Andrs A.; Asignacin de comportamiento complejo a mundos virtuales vrml utilizando java, Tesis de Maestria. Instituto Politcnico Nacional. Mxico. Julio 1999. [2] Ames Andrea L.; Nadeau David R., Moreland John L.; The VRML 2.0 Sourcebook. John Wiley & Sons. [3] Gmez Skarmeta, A. F.; Ibez Martnez, J.; Un Entorno para la Edicin y Simulacin de Plantas de Produccin Virtuales. XI Congreso Internacional de Ingeniera Grfica. Logroo. Pamplona. 2-4 junio 1999. [4] Guzmn, A; Nuez, G.; Virtual Learning Spaces in Distance Education: Tools for the Eva Project. International Journal Expert Systems with Applications (Special Issue), Pergamon Press, 1998. [5] Joint Technical Committee ISO/IEC JTC 1 and The VRML Consortium, Inc. The Virtual Reality Modeling Language. International Standard ISO/IEC 14772-1:1997, 1997. The ISO VRML 97 specification: http://www.vrml.org/Specifications/ [6] Lemay, L.; Murdock, K; Couch, J.; 3D Graphics and VRML 2. Sams.net 1996. [7] Morer, P.; Fernndez, A.; Insua, M.; Fernndez, M.I. Desarrollo de una Herramienta en el Entorno Virtual de la Expresin Grfica. XI Congreso Internacional de Ingeniera Grfica. Logroo.Pamplona. 2-4 junio 1999. [8] Nuez, G. Tecnologas avanzadas de informacin para soportar el aprendizaje: el proyecto EVA. Proc. ff the Int. Simposium on Information Technologies for Learning, D. F., Mexico, 1997. [9] The VRML Repository. http://vrml.sdsc.edu [10] VR_Creator. http://www.platinum.com

96

ANEXO 3 Texto de la ponencia presentada en el XIV Congreso Internacional de

Ingeniera Grfica:

Asignacin de Comportamiento Complejo en Escenarios de

Aprendizaje y Experimentacin de la Expresin Grfica

97

XIV Congreso Internacional de Ingeniera Grfica

Santander, Espaa 5-7 junio de 2002

ASIGNACIN DE COMPORTAMIENTO COMPLEJO EN ESCENARIOS DE APRENDIZAJE Y

EXPERIMENTACIN DE LA EXPRESIN GRFICA

Gerardo Martn Lorenzo (1), Jos Pablo Surez Rivero (1) , Melchor Garca Domnguez (1), Antonio lvarez Morales (1), Fernando Toscano Bentez (1), Alejandra San-Juan

Hernn-Prez (1)

(1) Universidad de LAS PALMAS DE GRAN CANARIA, Espaa Facultad, Centro o Departamento de CARTOGRAFA Y EXPRESIN GRFICA

Correo gmartin@dcegi.ulpgc.es, jsuarez@dcegi.ulpgc.es

RESUMEN

En esta comunicacin se presenta un prototipo de aplicacin cliente-servidor que permite experimentar en un escenario virtual con elementos grficos de la ingeniera. Mediante la asignacin de comportamiento complejo en lenguaje Java a objetos grficos se logra crear un verdadero ambiente de Tridimensionalidad, Navegacin, e Interaccin, que permite desarrollar un novedoso enfoque de Aprendizaje y Experimentacin de la Expresin Grfica. La estructura cliente-servidor permite extender el modelo clsico local de ambientes VRML para as disponer de un entorno distribuido de cooperacin remota. La comunicacin describe el prototipo en desarrollo, haciendo nfasis en el diseo del modelo cliente-servidor y en el Intrprete de Comandos Orientado al Comportamiento, ICOC, el cual es un intrprete sustentado en un diseo basado en los objetos o nodos VRML. ICOC hace posible un modelado del comportamiento complejo flexible, potente y abstracto de escenas y mundos virtuales de la Expresin Grfica.

Palabras clave: VRML, Comportamiento complejo, Expresin Grfica

ABSTRACT

In this communication it is presented a prototype of client-server application which permits experimentation within a virtual scenario of graphics in engineering. By assigning complex behavior to graphics items in Java language, we make it possible to build a true environment of 3D, navigation and interactivity. The complex behaviors allow us to develop a novel learning and teaching approach in Graphic Engineering. We develop a client-server structure that extends the usual local model of VRML environments and as result we provide a distributed environment of remote cooperation model. The communication describe the prototype in development and we focus on the client-server model design and in the Interpreter of Commands based on Cooperation (ICOC). ICOC is a interpreter which has been designed making use of VRML nodes. ICOC permits to model a flexible, powerful and abstract complex behavior for scenes and virtual worlds in Graphic Expression.

Key words: VRML, complex behavior, Graphic Expression

98

2

1 Introduccin El trmino comportamiento complejo guarda estrecha relacin con una reciente tecnologa que ha entrado abiertamente en muchas disciplinas tradicionales: la realidad virtual por ordenador. El comportamiento determina procedimientos de actuacin de entidades dentro de un mundo virtual. VRML, (Virtual Reality Modeling Languaje) se ha convertido en el estandar de los lenguajes de desarrollo de realidad virtual. Dentro de la funcionalidad que ofrece VRML sin embargo se deja abierta la puerta a la integracin de otros lenguajes clsicos y potentes como Java y C++. La aportacin de dichos lenguajes aumenta la potencia de VRML ya que mediante un interface adecuado se pueden crear aplicaciones de realidad virtual potentes y aplicadas a muchas areas de trabajo. En la expresin grfica, estn siendo importante los logros que se estn alcanzando, ver [4,6,7]. Ello es debido en parte a una necesidad de cambiar o mejorar aspectos controvertidos dentro de la enseanza de la expresin grfica y al advenimiento de potentes herramientas grficas, que incluyen potentes lenguajes de programacin, potentes herramientas de diseo en 3D y mejora de la equipacin tecnolgica (ordenadores, redes etc.). Java es un lenguaje orientado a objetos; independiente de la plataforma, que lo hace adecuado para el desarrollo de sistemas orientados a la Web. VRML lo utiliza como lenguaje para asignacin de comportamiento a travs del API [1], el cual es el medio de comunicacin entre los programas Java que describen el comportamiento y el escenario VRML.

El orden de la comunicacin es como sigue: en la seccin 2 se ofrecen las bases para la asignacin de comportamiento en VRML, en la seccin 3 se describe el modelo cliente-servidor para la asignacin remota de comportamiento complejo, en la seccin 4 se presenta el diseo de clases para la implementacin del Intrprete de Comandos Orientados al Comportamiento (ICOC) y se muestra unos ejemplos sencillos de aplicacin tomando un elemento tipo trinca y otra una tren coaxial. Finalmente se proporcionan algunas conclusiones que se derivan de este trabajo.

2 Asignacin de comportamiento en VRML La funcionalidad del concepto de evento, lo que se ha venido a denominar en programacin modelo orientado a eventos, permite que VRML y lenguajes como Java se comuniquen. En concreto, la mayora de los nodos de VRML tienen eventos. Un evento es la indicacin que algo ha pasado, por ejemplo: que algn nodo ha cambiado su valor, el usuario ha oprimido un botn del ratn, ha transcurrido tiempo, etc. Hay dos tipos de eventos: de entrada (etiquetados con eventIn) y de salida (etiquetados con eventOut). La conexin de un eventOut de un nodo al eventIn de otro nodo es llamado ROUTE en VRML, como se muestra en la Figura 1. Cuando un campo recibe un evento, su valor cambia al valor que transmiti el campo que gener el evento de salida.

99

3

La asignacin de comportamiento a VRML mediante Java se realiza de dos maneras, [1]:

Local. El programa Java es cargado y ejecutado como un nuevo hilo en la aplicacin (browser) empleando el VRML-Java API para comunicarse con el mundo VRML. Esta es la manera que proporciona el estndar de VRML 2.0.

Remoto. Un programa Java que interacta con VRML se comunica por medio de un Socket con otro programa Java, el cual es el que describe el comportamiento. Esta es una de las contribuciones importantes de est trabajo (el diseo e implantacin del protocolo de asignacin de comportamiento remoto).

Los scripts Java que definen el comportamiento son ejecutados en funcin de la actividad que se desarrolle en el mundo VRML. Es decir, tiene que existir un evento inicial para solicitar a dicho script los valores asociados a los componentes del mundo, respetando la especificacin de VRML 2.0. A los mecanismos que comunican al programa y el mundo VRML se conoce con el nombre de Script Authoring Interface.

La comunicacin entre el script y los dems nodos se hace exclusivamente a travs del paso de eventos. El Script recibe eventos de entrada y genera eventos de salida, a diferencia de los dems, el Script puede realizar algn procesamiento antes de producir un evento de salida. La parte del nodo que realiza el procesamiento es un programa que esta escrito en Java o JavaScript. La definicin del nodo Script se muestra en el cdigo 4.1, la cual presenta los elementos que contiene el nodo. Estos son exposedField, field (define un atributo del nodo) y eventos.

El nodo Script recibe el evento, y lo enva al programa script (ScriptControlPasoDeEventos), donde se realiza el procesamiento de ste por el mtodo processEvent.

1. Script { 2. exposedField MFString url [] 3. field SFBool directOutput FALSE 4. field SFBool mustEvaluate FALSE 5. # Cualquier nmer de: 6. eventIn eventType eventName 7. field fieldType fieldName initialValue 8. eventOut eventType eventName 9. }

Figura 2: Definicin del Nodo Script.

Nodo

TouchSensor

Nodo

TimeSensor

eventOut (touchTime)

eventIn (startTime)

Figura 1. Vinculacin de un evento de salida a un evento de entrada.

ROUTE

100

4

En la Figura 3 se ilustra mediante un ejemplo sencillo y prctico la asignacin de comportamiento local. Las entidades presentes son: el mundo o escena VRML, que representa una trinca como la de la Figura 7 y el script en lenguaje Java que define el comportamiento cuando se hace clik sobre la maneta de la trinca. El flujo de eventos nos permite analizar el proceso: en (1) el usuario activa la trinca haciendo clik sobre la maneta, ante ello se produce un evento de entrada al script de java (startime) que es

porcesado por el mtodo de captura de eventos processEvent, en (2), el script java provoca dos eventos: InicioAccion y EjecutarAccion, los cuales corresponden a cdigo java (que se omite por simplicidad) para iniciar y ejecutar la accin aplicada a la maneta y en particular al comportamiento de la trinca. En este caso se ha adoptado por darle a la trinca su funcionalidad de ejercitar un elemento enroscado.

En comparacin con otras herramientas de desarrollo VRML como SupersCape, Cybelius, Internet Space Builder, VR-Creator o Spazz3D, este modelo de asignacin de comportamiento descrito es ms flexible. Dichas herramientas ofrecen asignacin de comportamiento denominado simple, y que en la mayora de los casos se limita a ejecutar animaciones grficas ms o menos complejas. Segn el modelo descrito, se aprovecha la potencia de lenjuages como Java o C++, [8].

En la siguiente seccin, se extiende este modelo de aplicacin local del comportamiento, para ofrecer un modelo cliente-servidor de asignacin remota compleja de comportamiento.

3 Modelo Cliente-Servidor para la asignacin remota de comportamiento complejo

Seguimos en esta seccin un modelo cliente-servidor extendido respecto del VRML 2.0 y similar al de Armentara [1] y Quintero [8]. El esquema propone tres niveles de comunicacin entre un ordenador donde se ejecuta el escenario (cliente) y un ordenador donde se ejecuta el comportamiento (servidor). A continuacin describimos las tres capas del modelo de comunicacin remota.

Viewpoint

touchTime

translation

appearance

string

fontStylet

Group

Transform

TouchSensor

material

text geometry

Script

url

eventIn eventOut eventOut

ClickSobreEje_01

Eje_01

MensajeAUsuario

NodoScriptDeInterfaz

ScripControlPasoDeEventos

startTime InicioAccion EjecutarAccion

import vrml.*; import vrml.field; import vrml.node.* public class ScripControlPasoDeEventos extends Script { eventIn startTime; eventOut InicioAccion; eventOut EjecutarAccion; public void initialize() { //obtencin de eventos de salida y de entrada } public void processEvent(Event touch) { //es invocada cuando el usuario hace un //clik sobre el la maneta (ClickSobreEje_01) //afectando a los eventos IncioAccion y //EjecutarAccion, los cuales se envan a la escena VRML }

1

23

Mundo VRML Nodos de la escena

Flujo de Eventos

Script Java

Figura 3: Ejemplo de asignacin de comportamiento

101

5

En el Nivel de Aplicacin se encuentran las aplicaciones que soportan el comportamiento y son diseadas segn un modelo cliente (un escenario VRML) y servidor (la aplicacin java que soporta la funcionalidad del comportamiento). La aplicacin que describe el comportamiento se ejecuta en el ordenador B, mientras que el escenario VRML se ejecuta en el ordenador A, ver Figura 4. En el nivel de Interfaz se encuentran los programas que sirven como interfaz para la comunicacin. Por ltimo, el Nivel de Comunicacin soporta Sockets para enviar los datos de un ordenador a otra mediante la red Internet.

4 Diseo de clases para la implementacin del Intrprete de Comandos Orientados al Comportamiento (ICOC)

En esta seccin se presenta el diseo de clases que permitir crear un motor de interpretacin de comportamiento complejo orientado a la Expresin Grfica, que denominamos Intrprete de Comandos Orientados al Comportamiento (ICOC). Dicho motor ser finalmente implementado en el ordenador B, segn el modelo descrito en la Figura 4. EL fin que se persigue con este intrprete es centralizar su ejecucin en el equipo servidor de forma que preste servicios tpicos en la asignacin de comportamiento complejo remoto a una escena VRML carente de dicho comportamiento. De esta forma, el usuario slo debe familiarizarse con el intrprete a la hora de asignar funcionalidad a los objetos VRML previamente definidos y en todo caso podr requerir la nueva ampliacin de clases, mtodos de comportamiento etc. los cuales debern ser definidos en java y consistente con ICOC.

El ICOC basa su funcionamiento en una jerarqua de objetos que se presentan en el entorno de la aplicacin java de dos formas distintas: (1) directamente importados del escenario VRML, definidos como nodos groups, transform etc. y (2) definidos explcitamente en la aplicacin java.

En una primera fase de desarrollo del ICOC, presentamos las clases ms importante del diseo:

Figura 4. Esquema de comunicacin entre VRML y Java.

Red

Ordenador A

Escenario VRML

Script Java

Socket (Java)

Ordenador B

Socket (Java)

Cdigo Adicional

Aplicacin Java

Nivel de Aplicacin

Nivel de Interfaz

Nivel de Comunicacin

102

6

Figura 5: Jerarqua de clases para el intrprete ICOC

El mtodo accin de la clases CONJUNTO describe el comportamiento asignado a en lenguaje java al un conjunto determinado. En el ejemplo que se ilustra en la Figura 7 (trinca) se define el CONJUNTO TRINCA fromado por los siguientes objetos: EJE, TORNILLO, y diseamos clases destinadas a modelar diferentes elementos que forman un conjunto, por ejemplo, para la trinca definimos dos objetos con nombre PLACA y SOPORTE sealados con los nmero 2 y 3 en la figura 7.

Respecto a la fucionalidad de la trinca de la figura 7, al girar el objeto EJE, numerado con 1 en la figura adjunta, se producir una traslacin en funcin de la direccin de giro: si es segn la orientacin de las agujas del reloj, la traslacin ser hacia delante y si es opuesto a las agujas del reloj, ser una tralacin hacia fuera. Para establecer la relacin de movimiento hay que tener en cuenta los datos particulares de la rosca del eje (por ejemplo tipo de rosca (mtrica, cilndrica etc.), dimetro de la misma, paso, nmero de filetes etc.) las cuales sern las variables que afectarn al comportamiento de dicho eje. En la Figura 6 se presenta el diagrama de flujo de objetos del ejemplo de la trinca

Figura 6: Diagrama de flujo de objetos del ejemplo de la trinca

CONJUNTO

PROPIEDADES: ID, POSICIN, GRUPOS_ENLACE

MTODOS: INICIALIZAR, AGRUPAR, ACCION, TRANSFORMAR.

SOPORTE

EJE

PLACA

TORNILLO

ClickSobreEje

ELEMENTO_1 .

ELEMENTO_2

ELEMENTO_N

103

7

En cuanto el mtodo heredado ACCIN del objeto eje y que define el comportamiento complejo del eje se presenta a continuacin en forma resumida:

Mtodo ACCION (Dimetro_nominal, Paso_rosca, n_hilos, Sentido_rosca) { // Segn el dimetro de la rosca, el paso y el n de hilos de la misma, el eje avanzar una mayor o menor distancia pror cada giro del mismo. Por su parte el sentido de la rosca nos indicar si el giro se produce a derecha o izquierda durante la operacin de roscado. En conreto: avance del eje en cada giro viene determinado por la relacin Avance=paso_rosca*n_hilos }

Figura 7: Diagrama de flujo de objetos del ejemplo de la trinca En la figura 8 se presenta otro conjunto tambin desarrollado bajo esta jerarqua de clases. En el ejemplo que se ilustra en la Figura 8 (tren coaxial) se define el CONJUNTO TREN_COAXIAL formado por los siguientes objetos: RUEDA_DENTADA, TORNILLO, EJE, TUERCA y en la clase genrica destinada a modelar diferentes elementos que forman el conjunto, tenemos los objetos con nombre PLATO, CASQUILLOS , CHAVETA Y ARANDELAS. Por su parte, hacemos la descripcin resumida del mtodo ACCIN del objeto RUEDA_DENTADA el cual es encargado de asignar el comportamiento al mismo y al conjunto:

1 2

3

104

8

Mtodo ACCION (Dimetro_primitivo,N_dientes) { // Al girar el plato, se produce igualmente un giro en las ruedas dentadas conductoras, las cuales a su vez transmiten el movimiento a las ruedas dentadas conducidas segn la relacin de ransmisin definida. Dicha relacin se estable en funcin de parmetros de entrada como Dimetro y nmero de dientes. }

5 Conclusiones o Consideraciones Finales En esta comunicacin se ha presenta un prototipo de aplicacin cliente-servidor que permite experimentar en un escenario virtual con elementos grficos de la ingeniera. Mediante la asignacin de comportamiento complejo en lenguaje Java a objetos grficos se logra crear un verdadero ambiente de Tridimensionalidad, Navegacin, e Interaccin, que permite desarrollar un novedoso enfoque de Aprendizaje y Experimentacin de la Expresin Grfica. La estructura cliente-servidor permite extender el modelo clsico local de ambientes VRML para as disponer de un entorno distribuido de cooperacin remota.

El diseo de ICOC (Intrprete de Comandos orientados a la Comportamiento) hace posible un modelado del comportamiento complejo flexible, potente y abstracto de escenas y mundos virtuales de la Expresin Grfica. La ventaja principal que proporcional al usuario el intrprete es que slo debe familiarizarse con su diseo a la hora de asignar funcionalidad a los objetos VRML previamente definidos y en todo caso podr requerir la nueva ampliacin de clases, mtodos de comportamiento etc. los cuales debern ser definidos en java y consistente con ICOC.

105

9

Actualmente se encuentra en una primera fase de desarrollo y se espera profundizar en el mismo hasta obtener un diseo completo que abarque el modelado de comportamiento de una diversidad amplia de conjuntos y piezas.

Referencias

1) Armntara Alcntara A., Asignacin de Comportamiento Complejo a Mundos Virtuales VRML utilizando Java, Tesis de Maestra, Centro de Investigacin en Computacin del Instituto Politcnico Nacional, 2000.

2) Broll Wolfgang, Distributed virtual reality for everyone a framework for networked VR on the Internet, in Proceedings of the IEEE Virtual Reality Annual International Symposium 1997, IEEE Computer Society Press, pp.121-128, 1997

3) Broll Wolfgang and Jrgen Fechter, Interaction and behavior in web-based shared virtual envorinments, in Proceedings of the IEEE Global Internet96. IEEE 1996.

4) Guzmn A., Nuez G., Virtual learning spaces in distance education: tools for the EVA project, International Journal of Expert Systems with Applications, Pergamon Press, 1998.

5) MageLang Institute, Fundamentals of Java Security, 1999. URL: http://developer.java.sun.com/developer/onlineTraining/Security/Fundamentals/index.html,

6) Martn G., Surez J.P., Garca M., Laboratorio virtual para el estudio y aprendizaje de mecanismos en la ingeniera, CIIG-2000. Actas del XII Congreso Internacional de Ingeniera Grfica, Valladolid, 2000.

7) Morer P., Fernandez A., Insua M., Fernandez M.I., Desarrollo de una herramienta en el entorno virtual de la expresin grfica, XI Congreso Internacional de Ingeniera Grfica. Logroo. Pamplona. 2-4 Junio, 1999.

8) Quintero Tllez Rolando, Asignacin de Comportamiento Complejo a Mundos Virtuales VRML Utilizando C++, Tesis de Maestra, Centro de Investigacin en Computacin del Instituto Politcnico Nacional, 2000.

106

Bibliografa [Jimnez-02] Jimnez Mesa I., Prez Bermdez J., Surez Bentez F.M. Conjuntos

y Despieces, rea de Expresin Grfica en la Ingeniera, ULPGC, ISBN 84-7806-260-2, (2002)

[Martn-00] Martn G., Surez J.P. y Garca M., Desarrollo de un Laboratorio

Virtual para el Estudio y Simulacin de Mecanismos en la Ingeniera, CIIG-2000. Actas del XII Congreso Internacional de Ingeniera grfica, Valladolid. (2000).

[Martn-02] Martn G., Surez J.P. y Garca M., lvarez A, Toscano F. y Sanjuan

A.Asignacin de Comportamiento Complejo en Escenarios de Aprendizaje y Experimentacin de la Expresin Grfica, CIIG-2002. Actas del XIV Congreso Internacional de Ingeniera grfica, Santander. (2002).

107