Tesis para optar el título profesional de ingeniero informático






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UNIVERSIDAD RICARDO PALMA



FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA INFORMÁTICA

RECORRIDO VIRTUAL 3D DEL LABORATORIO CIM DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA DE LA URP MEDIANTE UN SISTEMA WEB

logo oficial nuevo

TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO INFORMÁTICO

PRESENTADO POR:

RAMOS BARRIENTOS, EDUARDO HONORATO

LIMA – PERÚ

2014









DEDICATORIA


.









AGRADECIMIENTOS


.
















EPÍGRAFE




RESUMEN
Título : Recorrido virtual 3D del laboratorio CIM de la Facultad de

Ingeniería de la URP mediante un Sistema Web.

Autor : Eduardo Honorato Ramos Barrientos

Asesor de Tesis : Ing. Eduardo Cieza de León Tuesta

Jurado Evaluador : Presidente: Dr. Hugo Vega Huerta (Director de Escuela)

Miembros:

Fecha :
Este proyecto presenta una investigación sobre la implementación y uso de Recorridos Virtuales 3D para el Laboratorio de Manufactura Integrada por Computadora o CIM (Computer Integrated Manufacturing) por sus siglas en inglés. Se describirá como los entornos virtuales generados por computadora afectan el lado cognitivo del usuario, ofreciendo una manera sencilla y rápida para poder realizar una visita virtual.

Como caso de estudio se ha considerado a la Facultad de Ingeniería de la Universidad Ricardo Palma, la cual actualmente cuenta con dicho laboratorio.

Se dará inicio con los aspectos técnicos y teóricos que dan la base al presente proyecto de tesis y la metodología de trabajo para su desarrollo. También se describen las ventajas y contras que ofrecen estas tecnologías de 3D para simular e interactuar con lugares o maquinarias tanto de una manera estática como dinámica.

Palabras Claves: Aplicación Web, Gráficos 3D, Motor de Videojuegos 3D, Realidad Virtual, Simulación, Robot Industrial.
ABSTRACT
Title : Virtual 3D Tour of CIM lab of the Engineering College of

the University Ricardo Palma.

Author : Eduardo Honorato Ramos Barrientos

Thesis Advisor : Ing. Eduardo Cieza de León Tuesta

Jury Reviewer : President: Dr. Hugo Vega Huerta

Members:

Date :
This project presents a research on the implementation and use of 3D Virtual Tours for Laboratory Computer Integrated Manufacturing or CIM (Computer Integrated Manufacturing) for its acronym in English. It is described as computer generated virtual environments affects users' cognitive side, offering a simple and easy way to do a virtual visit.

As a case study has been considered to the Faculty of Engineering of the Universidad Ricardo Palma, which currently has the laboratory.

It starts with the technical and theoretical aspects for basis of this thesis project and the methodology for their development are given. The pros and cons that these technologies offer 3D to simulate and interact with places or machinery both a static and dynamic way is also described.

Final del formulario

Keywords: Web Application, 3D Graphics, 3D Video Game Engine, Virtual Reality, Simulation, Industrial Robot.

2

DEDICATORIA 2

AGRADECIMIENTOS 3

EPÍGRAFE 4

INTRODUCCIÓN

Con el avance de la tecnología, la brecha entre lo que el ser humano imagina y lo que es capaz de hacer se va acortando. Una de esas “imaginaciones” fueron los robots, desde la óptica del arte cinematográfico con robots de formas humanas hasta los robots más futuristas capaces de crear ecosistemas en lugares donde un humano no podría.

Hoy en día existen robots en muchas de las actividades humanas, como los que nos proveen suministros de cómputo, autos, alimentos, o incluso el que está explorando el planeta Marte. Al grupo de robots que ensamblan, sueldan o pintan bienes de consumo masivo utilizando procesos automatizados de manufacturación se les conoce formalmente como robots industriales. Estos elementos son de tecnología de vanguardia, lo cual implica un alto costo en adquirirlos, capacitar al personal en manejo y mantenimiento, con una curva de aprendizaje elevada. Estos robots tienen software que los sincroniza y en casos más complejos Sistemas Expertos que los hacen adaptables a su entorno con poca reprogramación utilizando Inteligencia Artificial.

En la Universidad Ricardo Palma contamos con un Laboratorio de Manufactura Integrada por Computadora, a pesar de ser un laboratorio de vanguardia y con excelente personal, este laboratorio es poco conocido por la comunidad universitaria, debido en gran parte al elevado costo de funcionamiento y mantenimiento.

Es aquí donde enfocamos nuestra propuesta de solución, brindando un Recorrido Virtual 3D del laboratorio donde el usuario podrá interactuar y conocer el funcionamiento de estos robots en una cadena de ensamblaje, y todo esto de manera virtual desde un navegador web.

CAPÍTULO I: VISIÓN DEL PROYECTO


    1. Antecedentes del Problema





      1. El Negocio


La organización en estudio es la Facultad de Ingeniería de la Universidad Ricardo Palma con 45 años de actividad institucional al servicio de la comunidad peruana. La Facultad cuenta entre sus laboratorios con el laboratorio especializado de CIM (Computer Integrated Manufacturing).

      1. Los procesos del negocio


Dentro de los procesos críticos del negocio se tienen:

• Enseñanza: Tiene como objetivo lograr que los alumnos de pregrado de ingeniería aprendan a manejar estas herramientas de tecnología de vanguardia para la manufacturación automatizada.

• Publicidad: Su objetivo es captar más interés por parte del público fuera de nuestra comunidad universitaria reflejándose esto en más postulantes y mejorando la imagen de nuestra universidad.

• Especialización: Gestiona la capacitación a profesionales, este laboratorio brinda un Diplomado Internacional de Procesos Industriales.


    1. Fundamentación del Problema

La Facultad de Ingeniería cuenta con diferentes laboratorios especializados para las 5 carreras de ingeniería que actualmente la conforman: civil, industrial, informática, electrónica y mecatrónica. Entre estos laboratorios está el Laboratorio de CIM.

Debido al alto costo de funcionamiento y disponibilidad de este laboratorio no ha sido adecuadamente promocionado a la comunidad. Esto genera que el nivel de publicidad que debería tener este laboratorio no sea el óptimo, perdiendo oportunidades para poder captar más interés en sectores claves como alumnos de colegio que tengan entre sus opciones postular a una carrera de ingeniería que la URP ofrece.


    1. bjetivos del Proyecto

      1. Marco Lógico

        1. Árbol de Problemas





        1. Árbol de Objetivos




      1. Objetivo General

Promocionar los laboratorios especializados a la comunidad mediante el uso de un sistema web que permita a los usuarios recorrer virtualmente las instalaciones e interactuar con el instrumental de los laboratorios, todo en un entorno 3D. Además, permitir la gestión de las visitas para optimizar el uso de los laboratorios en días de visitas.


      1. Objetivos Específicos

• Identificar los requerimientos del laboratorio CIM con respecto al sistema.

• Mejorar el alcance del laboratorio dentro de la comunidad.

• Publicitar los equipos y metodologías del laboratorio.

• Reducir los costos de publicidad usando este medio.

• Contribuir con el aumento de nuevos postulantes a las carreras de ingeniería de la facultad y a los diplomados del laboratorio.

• Permitir a nuestra universidad ganar posición de mercado con un sistema de este tipo.


    1. Beneficios del Proyecto

      1. Beneficios Tangibles

• Registrar un nuevo tipo de visitantes: los virtuales.

• Mejorar la capacitación de los usuarios.

• Reducción de costos de publicidad.

• Mejorar la imagen del laboratorio.

• Gestionar de solicitud de las visitas físicas.

      1. Beneficios Intangibles

• Incremento de la satisfacción de los alumnos.

• Mejorar la imagen de la universidad.

• Ventaja publicitaria frente a otros laboratorios competencia que no tienen este sistema.

• Ventaja tecnológica al usar simuladores de recorridos virtuales 3D.


    1. Alcance

El desarrollo del proyecto contempla los siguientes aspectos:

  • Digitalizar el Laboratorio CIM en un entorno 3D.



  • Desarrollar recorridos virtuales.



  • Implementar la interacción del usuario con los equipos y materiales.



  • Mostrar información relevante de los laboratorios.



  • Gestionar solicitudes de visitas.



  • Gestionar cupos de visitantes según máximo por día de visita.



  • Llevar un registro del uso de los recorridos virtuales 3D y también de las visitas guiadas en sitio.



  • Crear una sección de comentarios o sugerencias a nuestros laboratorios físicos o virtuales.




  1. CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO




    1. Aplicación Web – Va 2.3


“La Web se ha desarrollado desde un sistema de información distribuido de hipermedia basado en red que ofrecía información estática hasta un mercado para vender y comprar mercancías y servicios. Las aplicaciones cada vez más sofisticadas para permitir este mercado requieren una tecnología para presentar la información dinámica.

Las soluciones de primera generación incluyeron CGI, que es un mecanismo para ejecutar programas externos en un servidor web. El problema con los scripts CGI es la escalabilidad; se crea un nuevo proceso para cada petición.
Las soluciones de segunda generación incluyeron vendedores de servidores Web que proporcionaban plug-ins y a APIs para sus servidores. El problema es que sus soluciones eran específicas a sus productos servidores. Por ejemplo, Microsoft proporcionó las páginas activas del servidor (ASP) que hicieron más fácil crear el contenido dinámico. Sin embargo, su solución sólo trabajaba con Microsoft IIS o Personal Web Server.

Por lo tanto, si deseábamos utilizar ASP teníamos que confiarnos a los productos de Microsoft y no estaríamos gozando de la libertad de seleccionar nuestro servidor web y sistema operativo preferidos.
Otra tecnología de segunda generación que es absolutamente popular en las empresas son los Servlets. Los Servlets hacen más fácil escribir aplicaciones del lado del servidor usando la tecnología Java. El problema con los CGI o los Servlets, sin embargo, es que tenemos que seguir el ciclo de vida de escribir, compilar y desplegar.


Las páginas JSP son una solución de tercera generación que se pueden combinar fácilmente con algunas soluciones de la segunda generación, creando el contenido dinámico, y haciendo más fácil y más rápido construir las aplicaciones basadas en Web que trabajan con una variedad de otras tecnologías: servidores Web, navegadores Web, servidores de aplicación y otras herramientas de desarrollo.” (Parsons, 2009, p.3)


“Para aquellos lectores que no conozcan la tecnología de desarrollo de las páginas ASP en cualquiera de sus versiones, voy a realizar una definición muy sencilla de lo que consiste la filosofía de la programación de aplicaciones Web con páginas ASP o ASPX.

La filosofía de ASP .NET resulta muy sencilla, en pocas palabras se puede definir de la siguiente forma: las páginas ASP .NET, también llamadas páginas activas, son páginas que contienen código HTML, script de cliente y un código que se ejecuta en el servidor, dando como resultado código HTML.
Por lo tanto al cargar una página ASP .NET en nuestro navegador, en realidad no estamos cargando la página ASP .NET como tal, sino el resultado de la ejecución de la página, es decir la salida de la página ASP .NET, y como se ha apuntado anteriormente se trata de código HTML. Es decir, son páginas que se ejecutan en el servidor enviando como resultado al cliente código HTML.” (Esteban, 2009, p10)

“A Web site is a collection of pages, usually formatted in HTML (Hypertext Markup Language) that contains text, graphics, and multimedia elements, such as Flash, audio, or video files. The main page of a site is known as a home page, which links to other documents in the site by using hyperlinks.
All these pages are stored on a Web server, which is the name for a computer that hosts the site.
A variety of sites are on the Web, including:

  • Corporate sites

  • Personal home pages

  • Blogs

  • Facebook profiles

  • Special-interest sites, knowing 10 techniques and bases of Lingo



Every Web site has a unique address, known as a URL (Uniform Resource Locator). A URL looks like:

http://www.cnn.com

http://www.facebook.com/richwagner

http://richwagner.posterous.com
The main part of the URL (cnn.com, facebook.com) is known as a domain name. A user enters the URL in a browser, such as Microsoft Internet Explorer. The browser sends the request across the Internet; it winds up at the doorsteps of the Web server. The Web server then responds by sending the requested page back to the browser.

The Web server is often hosted by an Internet service provider (ISP) or Web hosting provider. Some providers are free, but generally most of the more reliable ones charge a fee, typically ranging from $5 to 20 a month, for their services.” (Wagner, 2011, p9)
(Traducido por el autor)
“Un sitio Web es una colección de páginas, por lo general en formato HTML (Lenguaje Marcado de Hipertextos) que contiene texto, gráficos y elementos multimedia, tales como flash, audio o archivos de vídeo. La página principal de un sitio es conocida como su página de inicio, que une a otros documentos en el sitio mediante el uso de hipervínculos.
Todas estas páginas se almacenan en un servidor Web, que es el nombre que se le da a un equipo que aloja el sitio.
Hay una gran variedad de sitios web:


  • Sitios Corporativos

  • Páginas Personales

  • Blogs

  • Perfiles de Facebook

  • Sitios de interés especial, conociendo 10 técnicas y bases de Lingo


Cada sitio web tiene una dirección única, conocida como URL (Ubicador de Recursos Uniformes). Una URL luce como:
http://www.cnn.com

http://www.facebook.com/richwagner

http://richwagner.posterous.com
La parte principal de la dirección URL (cnn.com, facebook.com) se conoce como un nombre de dominio. Un usuario introduce la dirección URL en un navegador, como Microsoft Internet Explorer. El navegador envía la solicitud a través de Internet, entonces esta termina en las puertas del servidor Web. El servidor Web responde enviando la página solicitada al navegador.
El servidor Web es a menudo ofrecido por un proveedor de servicios Internet (ISP) o proveedor de alojamiento web. Algunos proveedores de servicios son gratis, pero generalmente la mayoría de los más fiables cobran una tarifa, por lo general van desde $ 5 a $ 20 al mes, por sus servicios."


“Las aplicaciones Web son programas que en vez de funcionar en una computadora y generalmente para un solo usuario, son alojados en una computadora que sirve a varios usuarios que pueden conectarse a esta computadora desde cualquier lugar del mundo usando el Internet. Estas aplicaciones deben cumplir con los requerimientos propios del Internet para poder efectuar su objetivo.
En este tipo de aplicaciones a la computadora del usuario se le suele llamar Cliente, y a la computadora que almacena y ejecuta el programa se le suele llamar Servidor, sin embargo cabe destacar que no siempre el programa se ejecutara en el Servidor, también puede ejecutarse en el Cliente, esto sucede muchas veces en las aplicaciones Web que manejan recursos gráficos 3D, donde el Servidor le envía la aplicación al Cliente y se usan los recursos computacionales gráficos de la computadora que usa el usuario final.” (Definición del autor)


    1. Gráficos 3D – Va 2.2


“OpenGL began as an API that implemented a very specific sequence of operations used for doing 3D computer graphics. As the underlying hardware became cheaper, more and more flexibility was put into the hardware and exposed to the user by the OpenGL API. Over time, it has become feasible to fully control certain portions of the graphics computation.

The user does this by writing small special purpose programs, called shaders, that are passed to and complied by the API. In OpenGL these shaders are written in a C-like special purpose language called GLSL. As we will describe below, the two main programmable portions are controlled by a vertex shader and a fragment shader.

These specific sections of the computation have been made programmable both because there is great utility in giving the user flexibility in them, but also because this computation can be done using single instruction multiple data (SIMD) parallelism. Data stored with each geometric vertex can be processed independently from the other vertices. Likewise, computation to determine the color of one screen pixel can be computed completely independently from the other pixels.

In a current OpenGL program, much (but not all) of the actual 3D graphics is done by the shaders that you write, and are no longer really part of the OpenGL API itself. In this sense, OpenGL is more about organizing your data and your shaders, and less about 3D computer graphics. In the rest of this section, we will give an overview of the main processing steps done by OpenGL. But we will also give some high level descriptions of how the various shaders are typically used in these steps to implement 3D computer graphics.

In OpenGL we represent our geometry as a collection of triangles. On the one hand, triangles are simple enough to be processed very efficiently by OpenGL, while on the other hand, using collections of many triangles, we can approximate surfaces with complicated shapes (see Figure 1). If our computer graphics program uses a more abstract geometric representation, it must first be turned into a triangle collection before OpenGL can draw the geometry.” (Gortler, 2011, p3)


(Traducido por el autor)

“OpenGL comenzó como una API que implementaba una secuencia muy específica de las operaciones utilizadas para hacer los gráficos por ordenador en 3D. A medida que el hardware subyacente se hizo más barato, más y más flexibilidad fue puesta en el hardware y expuesta para el usuario por la API de OpenGL. Con el tiempo, se ha hecho factible controlar completamente ciertas porciones de la computación gráfica. El usuario hace esto escribiendo pequeños programas con fines especiales, llamados shaders, que son pasados y compilaods por la API. En OpenGL estos shaders están escritos en un lenguaje de propósito especial parecidos al C llamado GLSL. Como vamos a describir a continuación, las dos principales partes programables son controladas por un vertex shader y un fragment shader.

Estas secciones específicas de la computación han hecho programable a ambas porque hay una gran utilidad en darle al usuario flexibilidad hacia ellas, sino también porque este cálculo se puede hacer usando instrucciones simples para datos múltiples (single instruction multiple data- SIMD) en paralelo. Los datos almacenados con cada vértice geométrico pueden ser procesados ​​independientemente de los otros vértices. Del mismo modo, el cálculo para determinar el color de un píxel en pantalla se puede calcular de forma completamente independiente de los otros píxeles.

En un programa OpenGL actual, mucho (pero no todos) de los gráficos reales en 3D es hecho por los shaders que usted escribe, y ya no son realmente parte de la API de OpenGL en sí. En este sentido, OpenGL es más sobre la organización de los datos y sus shaders, y menos acerca de los gráficos por ordenador en 3D. En el resto de esta sección, vamos a dar una visión general de las principales etapas de procesamiento realizadas por OpenGL. Pero también vamos a dar algunas descripciones de alto nivel de cómo los distintos shaders son normalmente usados en estos pasos para implementar los gráficos por ordenador en 3D.

En OpenGL representamos nuestra geometría como una colección de triángulos. Por un lado, los triángulos son suficientes para ser procesados de manera muy eficiente por OpenGL, mientras que por otro lado, usando colecciones de muchos triángulos, podemos aproximarnos superficies con formas complicadas (ver Figura 1). Si nuestro programa de gráficos por ordenador utiliza una representación geométrica más abstracta, primero debe convertirse en una colección de triángulos antes de que OpenGL pueda dibujar la geometría.” (Gortler, 2011, p3)



Figura 1. Cabeza de gato representada por un conjunto de triángulos. Algunos de los vértices están marcados con puntos negros.

“Computer graphics is the science and art of communicating visually via a computer’s display and its interaction devices. The visual aspect of the communication is usually in the computer-to-human direction, with the human-to-computer direction being mediated by devices like the mouse, keyboard, joystick, game controller, or touch-sensitive overlay. However, even this is beginning to change: Visual data is starting to flow back to the computer, with new interfaces being based on computer vision algorithms applied to video or depth-camera input. But for the computer-to-user direction, the ultimate consumers of the communications are human, and thus the ways that humans perceive imagery are critical in the design of graphics1 programs—features that humans ignore need not be presented (nor computed!). Computer graphics is a cross-disciplinary field in which physics, mathematics, human perception, human-computer interaction, engineering, graphic design, and art all play important roles. We use physics to model light and to perform simulations for animation. We use mathematics to describe shape. Human perceptual abilities determine our allocation of resources—we don’t want to spend time rendering things that will not be noticed. We use engineering in optimizing the allocation of bandwidth, memory, and processor time. Graphic design and art combine with human-computer interaction to make the computer-to-human direction of communication most effective.” (Hughes, 2013, p2)
(Traducido por el autor)

“La computación grafica es la ciencia y el arte de la comunicación visual a través de la pantalla de una computadora y sus dispositivos de interacción. El aspecto visual de la comunicación esta por lo general en la dirección computadora a humano, en la dirección de humano a computadora están los dispositivos como el ratón, teclado, joystick, dispositivo de juego, o pantallas sensibles al tacto. Sin embargo, incluso esto está empezando a cambiar: los datos visuales están comenzando a fluir de nuevo al equipo, con nuevas interfaces que se basan en algoritmos de visión por ordenador aplicadas al video o la profundidad de la cámara. Pero para la dirección de computadora a usuario, los usuarios finales de las comunicaciones son humanos, y por lo tanto las formas en que los seres humanos perciben las imágenes son fundamentales en el diseño de programas de gráficos por computadora – las características que los seres humanos ignoran no necesitan ser representadas (ni calculadas!). La computación grafica es un campo interdisciplinario en el que la física, las matemáticas, la percepción humana, la interacción persona-computadora, la ingeniería, el diseño gráfico y el arte juegan un papel importante. Utilizamos la física para modelar la luz y para llevar a cabo simulaciones para la animación. Nosotros usamos las matemáticas para describir la forma. Las habilidades perceptivas humanas determinan nuestra asignación de recursos – no queremos pasar tiempo haciendo cosas que no se notarán. Utilizamos la ingeniería en la optimización de la asignación de ancho de banda, la memoria y tiempo de procesador. El diseño gráfico y el arte se combinan con la interacción humano-computadora para hacer la dirección de comunicación computadora-humano lo más eficaz”. (Hughes, 2013, p2)


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