1. Modelagem e Elaboração de Componentes de
Ambientes Virtuais relacionados com Subestações de
Energia Elétrica
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Modeling and Development of Components of Virtual
Environments related Electric Power Substations
Resumo- Este trabalho aborda metodologias de criação de
objetos tridimensionais destinados a ambientes virtuais
interativos, contextualizando as principais técnicas de
implementação computacional envolvidas no processo. Foi
utilizado como estudo de caso o Sistema de Realidade Virtual de
uma Concessionária de Energia, com o objetivo de minimizar os
problemas encontrados na construção das subestações devido a
dificuldade de processamento de uma subestação (pela
quantidade de polígonos na malhar de cada modelo) e difícil
automação (pela heterogeneidades na construção de cada modelo,
com nome de materiais incompatíveis e ou sem nome, materiais
iguais com nomes diferentes, Pivot invertido e em lugares
errôneos, etc).
Keywords— Autodesk 3D
Otimização, RV, Subestações.
I.
Studio
Max,
Modelagem,
INTRODUÇÃO
A modelagem 3D é uma área específica da computação
gráfica cujo o objetivo é gerar objetos em três dimensões,
partindo de uma estrutura primitiva (box, esfera, cilindro,
massa de modelar etc.), podendo ser imagens estáticas e em
movimento [1]. A criação de objetos, formas e cenários faz
parte da modelagem tridimensional e para elaboração deste
conteúdo são utilizadas ferramentas gráficas avançadas,
voltadas para este tipo de tarefa. O processo de modelagem é
também o de comparação constante com a realidade, usando de
referências que podem estar em sua frente, como fotos,
modelos vivo, arquivos em DWG, PNG, ou estar memorizadas.
Esse modelo pode ser cópia fiel de uma referência ou uma
junção de milhões de referências observadas durante a vida [2].
Um modelo 3D é uma simplificação de objetos do mundo
real. Os modelos podem realizar planos detalhados, assim
como planos mais gerais, com uma visão panorâmica do
sistema [4]. Um bom modelo incluem detalhes e componentes
de grande importância e omite os componentes menores que
não necessitam de representação em determinado nível de
abstração, é importante determinar a quantidade de polígonos
ideal para representar um modelo real. Isto porque o processo
computacional é diretamente proporcional ao conjunto de
polígonos do modelo [3]. Na modelagem, podemos delimitar o
problema que estamos estudando, dividindo-o em vários
problemas menores, restringindo a atenção a um único aspecto
por vez até chegar à solução [1].
Modelagem de elementos é uma área de pesquisa atual e
com crescente importância para a Computação Gráfica, pois
pesquisadores da área estão constantemente tentando
identificar formas mais eficientes para produzir cenários cada
vez mais realísticos. Entretanto, para componentes de uma
subestação elétrica, que são muitos e complexos, não existem
modelos foto realísticos à disposição da academia e do
mercado [6, 7].
Neste contexto, este trabalho retrata a problemática e as
soluções encontradas na utilização de técnicas tridimensionais
na geração de ambientes virtuais interativos para as
subestações de uma Companhia Energética [6, 7]. O fator
motivador deste trabalho está relacionada ao trabalho de SRV
[6, 7], que foi observado a dificuldade ao representar os
equipamentos com nível de realidade alto e a dificuldade com
modo de modelagem de cada modelador. Foi observado que os
principais problemas encontrados na construção das
subestações estavam nos modelos ocasionando dificuldades de
processamento de uma subestação (pela quantidade de
polígonos na malhar de cada modelo) e difícil automação (pela
heterogeneidades na construção de cada modelo, com nome de
materiais incompatíveis e ou sem nome, materiais iguais com
nomes diferentes, Pivot invertido e em lugares errôneos, etc),
na construção do cenário.
O objetivo geral deste trabalho é investigar técnicas
Realidade Virtual (RV) que suportem a construção de uma
Subestação (SE) Virtual e permita uma modelagem 3D
eficiente de componentes de uma subestação elétrica. Os
modelos gerados devem ser simples e de processamento mais
rápido, que os tradicionais, e providenciando uma nova
metáfora de interação incorporadas aos modelos, quando
aplicadas ao treinamento de operadores e controle on-line de
manutenção de redes de distribuição [6, 7]. Sendo assim, os
relatos deste trabalho podem servir de contribuição a novos
estudos, pois com aumento das produções de ambientes

2. virtuais e a falta de trabalhos relacionados às técnicas de
modelagem 3D dificultam a elaboração e o desenvolvimento de
futuras pesquisas [8].
II.
METODOLOGIA
A. Definindo Software
Neste trabalho foi utilizado o software “Autodesk 3D Studio
Max”, para modelagem por ser um software versátil e por estar
sendo utilizado no projeto SRV [6, 7]. O Unity3D para
verificação das melhorias nos modelos, no processamento e
automação.
B. Modelos CAD 2D
A grande maioria da documentação do projeto original da
Companhia Energética foi construído em Microstation®
formatos antigos (DGN). Esses formatos de arquivo foram
importado para o AutoCAD Map 3D 2013® (figura 1 e figura
3), e cada primitivo que representa os componentes da
subestação de energia foi georreferenciada na sua posição
cartográfica real e escrito em um formato DWG®. Nestes
desenho CAD os símbolos representam os componentes
elétricos da subestação e se baseiam em primitivas básicas (ex.:
círculos, linhas, pontos, etc.) e outra parte em arquivos no
formato TIF, desenhos feitos a mão que foram digitalizados
(figura 2).
Fig. 2. Visão Lateral no Formato TIF da SE Emborcação
Esses desenhos são importantes para a modelagem dos
objetos, uma vez que permitem a construção dos modelos com
a precisão requerida. Os desenhos 2D servem de base para os
objetos tridimensionais a serem construídos, as visões laterais
possuem a forma básica e tamanhos reais de cada objetos,
como mostrados nas (fig. 1 e fig. 2), estes dados ajudam a
identificar o elemento na planta geral (fig. 3). Vale ressaltar
que estes arquivos possuem a forma que cada elemento se liga
a outro e como eles ficam posicionados no cenário (fig. 3).
Fig. 3. Planta Geral da SE Emborcação, Visão de Topo
C. Fotos da Subestação
Para garantir a precisão e semelhança, foi feito um
levantamento de fotos da subestação para fornecer o perfil real
e conexão entre seus elementos (por exemplo, cabos, conexões
elétricas, etc.) Este procedimento é como uma alternativa mais
barata e eficiente de digitalização 3D.
D. Convenção para Modelagem
Esta convenção foi criada a fim de homogeneizar os
métodos de modelagem da equipe de modelagem 3D, para
melhor representação de cada modelo, organização deles e
automatização na criação do cenário.
Fig. 1. Visão Lateral do Projeto da SE Emborcação
1) Geral
a) Foi estabelecido que os nomes dos arquivos FBX e
MAX dos modelos deveriam ser pré-estabelecidos pela equipe
de automação juntamente com a equipe organização da
modelagem.
b) Os arquivos entregues devem estar em um Arquivo
ZIP contendo também uma pasta chamada “textures”, esta
tendo os bitmaps das texturas.
c) Os nomes das texturas devem ser específicos dos
equipamentos seguidos de prefixos genéricos.
2) Materiais
a) Os materiais não devem ter nomes como Default o
correto será, por exemplo, MetalGenerico, IsoladorBranco,
Aluminio02, etc.
b) Não usar acentos, espaços ou hífens nos nomes dos
materiais o usar notação CamelCase o nomes sugeridos

3. c) No 3DS MAX, para a configuração dos materiais:
utilizando a operação Utilities→Condense Material Editor e
utilize o Slots disponível na janela Materials
3) Texturas
a) Localização
 Todas as texturas devem ser salvas em uma pasta
chamada textures, localizada na mesma pasta em que se
encontra o modelo em questão enviadas junto com o
elemento.
b) Nomes
 Não usar nomes como Untitled-3.jpg, textura.bmp,
chave.bmp o preferir nomes como Grama.jpg,
DetalhePainelChaveSeccionadora.jpg

Não usar acentos, espaços ou hifens nos nomes dos
materiais.
4) Unidades
a) É importante quando se utiliza a versão 2013 do
plugin de exportação FBX da Autodesk, que suporta caminhos
relativos para texturas.
b) O software de modelagem deve ser configurado para
utilizar o sistema métrico, com 1 unidade correspondendo a 1
metro.
Fig. 5. Posição do Pivot do Componente de Exceção
6) Ações extras
a) Conectores
 Deve-se criar com objetos simples, como um box,
conectores que indicam as extremidades que serão
usadas para o desenho dos cabos. Todos esses
conectores devem ser chamados de conector
(independentemente da quantidade).
b) Rótulo do Equipamento
 Todos os elementos deverão possuir um elemento
vazio, denominado target, destinado ao posicionamento
de um rótulo pela interface gráfica. Esse elemento vazio
deverá ser posicionado conforme a representação
abaixo:
c) 3DS MAX
 Acessar a opção Units Setup do menu Customize,
 Em Display Unit Scale escolher Metric e selecionar
Meters,

Clicar em System Unit Setup,
 Em System Unit Scale atribuir 1 unidade = 1 metro.
5) Centro do objeto (Pivot)
a) Objetos estáticos devem ter o ponto de origem
centralizado no plano XZ e com a coordenada Y
correspondendo ao nível mais baixo do objeto:
Fig. 4. Posição do Pivot do Componente
 EXCEÇÃO: Alguns elementos podem ter o ponto de
origem deslocado no eixo z, quando são usados como
componentes de um modelo (exemplo: pontes e torres
compondo um pórtico)
Fig. 6. Posição Target
 3DS MAX: Deve-se usar um objeto do tipo Dummy,
localizado na barra de ferramentas inferior do canto
superior direito em Helpers.
7) Ajustes Finais
a) Todos os elementos deverão estar “atachados”,
exceto os conectores, targets e as partes do modelo que
possuem movimentos, que deverão estar linkados ao objeto.
 Para o primeiro processo, utiliza-se a operação Convert
to → Editable Poly → Attach. Já para o segundo
processo, deve-se clicar no item Select and Link,
primeiro ícone da barra de ferramentas.
E. Modelagem
Neste tipo de sistema existem dois tipos de modelagem:
modelagem estrutural e modelagem de elementos dinâmicos,
modelos estruturais, por não sofrerem alteração de posição,
são modelados de maneira a otimizar o processo de
renderização. O planejamento da modelagem é fundamental
para garantir a versatilidade do modelo, deve se escolher
estrutura inicial e a sequência das outras estruturas, a criação de
planos, curvas e ou pontos de referência e o seu
posicionamento adequado devem ser realizados segundo
critérios estabelecidos acima.

4. Na modelagem otimizada é importante prever as aplicações
futuras do modelo, como as simulações do comportamento
mecânico, modificação da geometria e ou ângulos de algumas
estruturas, entre outros aspectos. Durante o processos de
modelagem deve se escolher usar o maior número de
primitivas e estas sendo modificadas no 3DS MAX com
objetivo de não perder a malha do objeto. Entre os
modificadores podemos citar os de operações booleanas (soma
e subtração de sólidos, união de sólidos, etc) e os que
simplesmente geram arestas, vértices e faces, e estas podem ser
modificadas sendo movidas, rotacionadas e ou escaladas
através de seu pivot. Porem deve se considerar que cada
modelo terá um processo de modelagem diferente para melhor
da malha.
Em todos os modelos também é aplicado um modificador
do software chamado de TurboSmoothque tem a função de
suavizar a malha dos modelos produzidos. O TurboSmooth
também é configurado de acordo com a necessidade de cada
projeto desenvolvido. Ao final os objetos que não tinha
animações foram “atachados” para diminuir a quantidade
chamadas do método draw da Engine de Jogos Unity3D.
Na fig. 7 é mostrado a fase de um componente de
modelagem 3D (Transformador) em andamento. O modelo foi
concebido usando as imagens de equipamentos, vista lateral e
folha de dados do fabricante:
É uma versão mais pormenorizada do modelo 3D, esta fase
é que os detalhes do objeto como parafusos e furos são
desenvolver a ser subsequentemente gerada uma NormalMap
textura.
b) Material e Texture Mapping objeto
Esta etapa é projetado para simular o material e textura dos
planos, que compõem o objeto. Este processo define as cores,
brilho e mapeamento dessas propriedades. Uma ferramenta de
edição de imagens foi desenvolvido para realizar esta etapa.
c) Criando a versão de Poucos Polígonos
É uma versão que tem menos detalhes, de modo que o
número de polígonos é reduzido consideravelmente e os
detalhes e realismo são preservados através do mapeamento da
textura (NormalMap) gerado a partir da versão do modelos de
muitos polígonos.
Além da remoção de detalhes do objeto (parafusos ",
projeta a estrutura formada por placas") é uma aplicação
interessante do modificador Optimize todo objeto. Esta função
é reduzir o número de polígonos de objetos, enquanto mantém
características importantes.
F. Texturização
O processo de criação de texturas se deu principalmente por
edição de fotografias das subestações como objetivo de obter o
maior grau de realismo. Além de aumentar o realismo dos
modelos, as texturas tiveram uma importante função também
na otimização. As texturas podem substituir em algumas partes
dos modelos, detalhes que deveriam ser modelados, caso não
fossem usadas texturas.
G. Animação
A animação no 3DS MAX é feita com o método de
gravação de frames por segundo, o usuário movimenta o corpo
enquanto o software captura e otimiza a curva do movimento, é
um trabalho complexo e minucioso.
III.
Fig. 7. Modelando um Transformador de Potência
Uma estratégia para uma maior otimização dos modelos é a
criação de modelos de baixa quantidade de polígonos através
do modelo com maior quantidade de polígonos, este criado
com os outros métodos citados acima, e ambos modelos são
utilizados de acordo com o grau de pormenor necessário para a
aplicação. Assim, se o ponto de vista do usuário requer uma
grande quantidade de apresentação de equipamentos no mesmo
ponto de vista da aplicação usa os modelos com poucos
polígonos para minimizar os esforços computacionais. Mas se
o usuário aproximar de um modelo, o software utiliza o modelo
de alta quantidade de polígonos para aumentar o nível de
detalhe da apresentação.
Durante esta fase, foi utilizado o 3D Studio Max 2013®,
com base nesta escolha algumas técnicas foram aplicadas para
obter estes parâmetros de redução, tais como:
a) Criar a versão de Muitos Poligonos
CONCLUSÕES
Atualmente a utilização de sistemas virtuais 3D, nos
ambientes educacionais, tem como objetivo facilitar a
aprendizagem, lazer e troca de conhecimentos, fazendo assim
deste um meio essencial de comunicação com o mundo externo
[8]. Este trabalho abordou conceitos e técnicas de
representação computacional que servem de alicerce para a
implementação de ambientes virtuais e informações visuais de
um modo geral, com ênfase à criação e manipulação dos
objetos tridimensionais e as tecnologias que os compõem,
comentando as formas de representação comumente
utilizadas e, em particular, com relação aos objetos
destinados a ambientes interativos, que exigem métodos
mais elaborados para representar o mundo real, ponderando as
limitações de processamento e aspectovisual realístico.
O processo demostrado no trabalho obteve relatos de que o
processo de modelagem tornou eficaz no processo de
construção das subestações da Concessionária de Energia como
é mostrado na Fig. 8 (esquerda) apresenta o objeto sem
otimização com 165,604 polígonos e Figura 9b (direita)

5. apresenta a otimização com 55,992 polígonos representando
uma redução média de 300%.
Fig. 9. Teste em Cena com Novos Mdelos
De acordo com os processos avaliativos que foram
aplicados durante a pesquisa pode-se concluir que o estudo
foi satisfatório, podendo ter futuramente ter melhorias com
estudos de caso com subestações completas no Unity3D.
REFERENCIAS
[1]
[2]
[3]
[4]
Fig. 8. Modelo não Otimizado e Modelo Otimizado
[5]
Outra característica observada nos cenários construídos
utilizando técnicas citadas a cima de modelagem, sem a uso da
Otimização, é mostrado nos dados obtidos na fig. 9 mostra
outro modelos com 6,420 polígonos:
[6]
[7]
[8]
[9]
SOUZA, Rafael. Modelagem 3d Realista. Curso Sinapse. Recife: 2010.
CALCIOLARI, FABIO. 3ds Max 2009 - Modelagem, Render, Efeitos e
Animação. São Paulo: Erica, 2009.
MURDOCK, KELLY L.3ds Max 2011 Bible. John Wiley Consumer,
2010.
BURDEA, G. & COIFFET, P., Virtual Reality Technology, John
Wiley & Sons, New York, NY, 1994.
REID, Denise. Benefits of a virtual play rehabilitation envronment
for children with cerebral palsy on perceptions of self- efficacy: a pilot
study.
Alexandre Cardoso, Edgard Lamounier Jr., José Newton Ferreira, Paulo
Prado, Gerson Flavio M. Lima, Leandro Mattioli ;A VR system to
control and operate electrical substations
Gerson Lima,Alexandre Cardoso, Edgard Lamounier Jr., Paulo Prado;
VRCEMIG: a Virtual Reality System for Real Time Control of Electric
Substations. Research Demonstration- VR2013- Orlando Florida – 1623 March 2013.
http://www.abed.org.br/congresso2010/cd/2942010181132.pdf
(07/10/2013).
M. Young, The Technical Writer’s Handbook. Mill Valley, CA:
University
Science,
1989