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Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido Fecha de envío:07/06/2017

Fecha de recepción: 07/06/2017 Fecha de aceptación: 07/06/2017

Implementación De Un Entorno De Realidad Virtual En 3D:

Para Facilitar Terapias De Rehabilitación De La Zona Cervical

IMPLEMENTATION OF A VIRTUAL REALITY ENVIRONMENT IN 3D:

TO FACILITATE REHABILITATION THERAPIES CERVICAL AREA

William Alejandro Moncada Cifuentes.1∗ Ing. Frank Nixon Giraldo2**

Resumen:

En el presente artículo, se describen el procedimiento y los componentes utilizados a

manera de guía para crear un entorno de desarrollo en un espacio 3D que contribuirá

a solucionar dolencias a nivel cervical. La implementación se realiza principalmente

bajo software utilizando dos potentes herramientas Blender y Python. A grandes

1∗

Estudiante Tecnología en Electrónica, Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Colombia.

E-mail: [email protected] 2

about:blank



rasgos se implementa un avatar dentro un entorno virtual el cual guiará al usuario para

realizar una serie de ejercicios del tipo pausas activas. Para realizar el seguimiento de

la terapia se crea un archivo en el cual se almacenan los datos del usuario, tales como

tiempo y conexiones realizadas. Para el desarrollo del entorno se utiliza el motor de

videojuegos de Blender (BGE), comandos de Python, bloques lógicos, audios en

formato OGG. Todo lo anterior con el objetivo de comprimir información relacionada

con fisioterapia para transformar cualquier ordenador en un espacio idóneo para

realizar ejercicios, que contribuirán a aliviar dolores de cuello y zona cervical.

Palabras clave: entorno 3D, iniciar sesión, Blender, terapias, cervicalgia.

Abstract:

In this article, describing the procedure and components used as a guide to create a

development environment in a 3D space that contribute to solve cervical diseases. The

implementation is mainly done under software using two powerful Blender and Python tools.

In general, an avatar is implemented within a virtual environment which will guide the user to

perform a series of exercises such as active pauses. To follow the therapy is created a file in

which the user's data is stored, the stories as the time and the connections made. For the

development of the environment we use the video game engine Blender (BGE), python



commands, logical blocks, audios in OGG format. All of the above with the aim of

compressing information related to physical therapy to transform any computer into an ideal

place to perform exercises, which help relieve neck pain and cervical area.

Key Words: 3D environment, login, Blender, therapies, neck pain.

1. Introducción

La cervicalgia es una de las denominadas enfermedades del siglo XXI[1], una mala higiene

postural, el estrés cotidiano entre muchos otras causas del ir y devenir del cotidiano de la

mayoría de las poblaciones actuales entre su rutina descuidan los buenos hábitos posturales

que permiten que las molestias no se transformen en algo más peligroso con el pasar del

tiempo.

Este proyecto tiene como finalidad ser una herramienta que permita facilitar la asimilación de

información relacionada con fisioterapias, sin llegar en ningún momento a reemplazar o

controvertir la opinión de un especialista, debe tomarse como una herramienta de apoyo a

este sector de la salud muchas relegado a un tercer plano tanto por dolientes como por no

dolientes de la cervicalgia, la misión de este trabajo se centra en cambiar la visión del público



en general sobre las pausas activas. Para que estas se conviertan en algo muchísimo más

amigable e interactivo, proponiendo una interfaz amena a manera de guía que permita al

usuario conocer algunos de los ejercicios debería realizar para aliviar sus molestias y cómo

deberían llevarse a cabo. Las pausas activas[2] (PA) son 2 tipos de ejercicios según las

principales clasificaciones, estos ejercicios son denominados: ejercicios de calentamiento y

ejercicios de estiramiento.

Bastante alejado de la creencia popular de cambiar la labor por un café u otros malos

hábitos como fumar, las pausas activas son interrupciones cortas de tiempo en las que se

realizan ejercicios de un bajo impacto en general no toman más de cinco (5) minutos y

pueden ser realizadas por la mayoría personas que no sufran de discapacidades o dolencias

limitantes para su desarrollo.

Para tales fines se crea un entorno de trabajo en 3D apoyándose en la herramienta para

creación de dichos entorno Blender [3], así como varios scripts desarrollados en Python,

grabaciones de audio propias y efectos visuales que logran un espacio más llamativo. Se

mantiene registro del tiempo empleado para realizar los ejercicios el cual es guardado en un

archivo de texto plano, permitiendo a la información ser visualizada por el usuario y tratada



por otro desarrollador según su conveniencia.

Cabe resaltar que todo se realiza bajo un entorno open source, tanto los archivos de audio

los cuales son implementados en formato OGG para garantizar la libertad en su

distribución[4], así como las fuentes, texturas utilizadas todas con un formato libre con sus

respectivas licencias y créditos son implementadas con completo conocimiento o permiso del

autor de cada uno de estos archivos para los caso en que el autor del presente artículo,

requiere la disposición de los mismos.

Con el fin de ambientar el espacio de trabajo se utilizan modelos en 3D de caracteres que en

este caso será el avatar, para el proyecto se utiliza un avatar de un hombre de mediana de

edad creado por el usuario TheTabkOmeter de la comunidad BlendSwap al cual se le

agradece su gentil colaboración en el proceso de texturizado. Para diseñar un personaje del

tipo avatar requerido se debe tener en cuenta dos (2) aspectos clave, un skinning (modelado

superficial del actor) un rigging[3] (esqueleto que permite generar movimiento al actor) *(Se

define actor al avatar que tendrá animación y movimiento dentro del juego) para dejar

claridad el proceso de skinning es el modelado de la piel (texturizado, color, creación

artística) y el rigging es el modelado funcional al cual se adhiere la capa de piel, permitiendo



ejecutar movimientos similares al de las articulaciones. Hay que precisar que el personaje

está diseñado bajo un concepto “low poly” un concepto muy frecuentemente utilizado en

programas de animación del estilo como Maya[5], o Unity[6], donde el personaje se realiza

ahorrando recursos (pocos polinomios) para garantizar que las acciones no sufran caídas en

el framerate (Cantidad de cuadros por segundo) el concepto es crucial en juego del tipo FPS

(First Person Shooter)[7] en el caso de este proyecto no es algo crítico.

Por otro lado se crea un entorno que ambiente la zona, también bajo el concepto “low poly”

para garantizar una fluidez de 24FPS (Frames per Second) velocidad por defecto trabajada

en el BGE[3], en este paisaje predomina el color verde y se asemeja a un parque de estilo

japonés aunque su función es meramente decorativa ya que no influirá directamente en la

ejecución del programa, ni afectara el comportamiento del avatar.

Dentro entorno se optó por la simplicidad del trabajo para que fuera lo más cómodo y sencillo

para el usuario por lo tanto todos los menús han sido creados para utilizar la menor cantidad

de órdenes manteniendo los objetivos por encima de todo. Para contextualizar un poco el

entorno de trabajo es diseñado por escenas donde se encuentran una o varias cámaras que

proporcionan la visión del usuario frente al escenario.



El objetivo del trabajo consiste en facilitar la implementación de terapias de estiramiento

preestablecidas (tanto los ejercicios como la duración de los mismos cumplen un estándar)

que alivien dolencias en la región lumbar superior, cuello, hombros y en menor medida

espalda medía. Todo esto desde una cómoda presentación a manera de videojuego, la

experiencia de usuario trata de ser lo más minimalista posible para que el programa pueda

ser ejecutado casi en cualquier máquina, tanto con Windows, Linux como con Mac OS,

lógicamente con unos requisitos mínimos de los que se tratará más adelante en este trabajo

En la actualidad se están ejerciendo importante avances en la creación de entornos virtuales

para el servicio de la salud, utilizando principalmente VR con dispositivos como el Oculus

Rift[8], o las Google CardBoard[9]. trabajos tremendamente ambiciosos que van desde

aplicaciones del tipo militar [10] hasta prácticas en animales[11] en las cuales se mezclan y

se introduce al sujeto en un entorno que altera la percepción de los sentidos[12][13],

logrando que la virtualidad se mezcle con la realidad palpable.

A nivel institucional, se han realizado unos tenues avances en este campo enfocados casi

todos a aulas de aprendizaje virtuales de alumnos de especialización para niños en



tempranas edades a los que se le da más un enfoque web en un dispositivo, finalmente al

consultar en la tienda de Google (PlayStore) se encontraron avances en procesamiento

digital de imágenes para diagnosticar padecimientos en la vertebras, pero ninguno prometía

una premisa que fuera más allá de un mero diagnóstico. Con esta última etapa en

investigación se determina un enorme vacío que es necesario suplir, en el campo de la

aplicación de dispositivos que usen entornos de trabajos virtuales 3D, para suplir esta

evidente necesidad de crear un entorno interactivo, que permita aprovechar el tiempo y guiar

al usuario sobre sencillos ejercicios, con una interfaz amigable, permitiendo aprovechar tanto

las pausas activas como el tiempo libre para solucionar las molestias relacionadas con

molestias cervicales.

2. Generalidades

En el desarrollo de este proyecto se utilizaron principalmente dos (2) herramientas, Blender y

[14]Python. La primera para el desarrollo artístico, creación de espacios visuales, creación

del personaje, manejo del movimiento, diseño de animaciones, y la segunda como

complemento a la funcionalidades del entorno 3D, registrar datos, ejecutar controladores,

programar acciones de alta complejidad. Son utilizados archivos con formato de audio para

guiar al usuario en algunas de las etapas de la ejecución del videojuego, así como

texturizado de superficies y animaciones con llamativos colores para obtener la atención del



espectador.

2.1 Tecnologías Utilizadas

El eje fundamental sobre el cual se sustenta este trabajo, es Blender un programa

multiplataforma, gratuito y de código abierto con una gran comunidad que contribuyó

enormemente para que este proyecto llegara a buen término. Este programa cuenta con

soporte para importar archivos de otras entornos para el desarrollo 3D más comerciales de

carácter más privativo como Maya o 3D Max. Blender cuenta con tres (3) grandes grupos de

herramientas, el primero orientador al motor de modelado utilizado principalmente en la

arquitectura, creación artística de entornos y personajes. El segundo (2) orientado a la

animación y el tercero (3) el utilizado en este proyecto el motor de videojuegos (BGE) [1].

A pesar de que la mayoría de entornos para el desarrollo de plataformas en 3D están

escritos en Python no todos permiten la facilidad de trabajar con el código, Blender es un

caso especial debido a que todas las órdenes de una u otra manera se pueden trabajar

desde consola permitiendo un control total del proyecto para usuarios medios y

experimentados en el uso del pseudo-lenguaje.



Más adelante se hablará más a fondo de estas “tecnologías” y las acciones que fueron

realizadas en cada una de ellas. En esta parte del trabajo solo se nombrarán con el objetivo

de contextualizar, se definen sus principales características para tener una noción de lo que

se tratará en páginas posteriores de este documento.

2.2 Características

Este diseño cuenta con unas características y requerimientos mínimos para que pueda ser

replicado en cualquier otro espacio a continuación se nombraran estos requerimientos.

1. GNU/Linux, FreeBSD, Mac OS o Windows.

2. Soporte para la aceleración OpenGL

● Procesador Dual Core 32 Bits a 2GHz con soporte SSE.

● 2 GB RAM.

● Resolución de 1280x768 a 24 bits.

● Mouse o Touchpad.

● OpenGL 2.1 compatible con 512MB de memoria de vídeo.



3. Desarrollo del tema

3.1 Blender

Anteriormente quedó definido que es Blender, ahora procederemos a explicar cómo se aplicó

este programa en el proyecto. Para empezar de manera ordenada se requiere entender el

objetivo del proyecto de manera resumida es simplemente crear un programa que colabore

en la implementación de terapias físicas. La idea trata busca llamar la atención de un público

que esté familiarizado con la tecnología para este público consumir contenido de manera

digital. Siguiendo es orden de ideas se busca atrapar la atención de este público, desde un

videojuego que sea totalmente gratuito, el cual se pueda trabajar/consumir bajo la mayoría

de plataformas de ordenados. La razón de utilizar Blender está enmarcada dentro de lo

anteriormente dicho, la herramienta permite que se conserve el carácter gratuito y libre del

proyecto, ser llamativo a la atención del usuario y poderse ejecutar bajo diferentes

plataformas.

Para el año 1998 Tom Roosendaal, socio fundador del estudio de animación Holandés

NeoGeo crea la compañía Not a Number (NaN) con la misión de crear una alternativa libre

que permitiera modelar y animar sin tener que gastar miles de dólares en costosas licencias.

Afortunadamente todo el trabajo dio fruto y vemos como 19 años después se mantiene



vigente en el mercado[3]. Blender trabaja con una licencia GNU General Public License

(GPL)[15] la misma que trabaja GNU/Linux lo cual lo hace totalmente libre y abierto al

mundo. Está totalmente integrado con Python aunque es capaz de ejecutar otros lenguajes

de programación. Como generalidades debemos resaltar motor de modelado, motor de

animación y motor de videojuegos (BGE).

Bajo el entorno de desarrollo de Blender es desarrollado la mayor parte de este proyecto con

algunas excepciones muy puntuales que en su momento se tocarán; avatar, entorno de

realidad, scripts, señales visuales y sonoras son ejecutadas desde el entorno. Todo se

ejecuta desde el módulo BGE utilizando unos controles mixtos entre LogicBricks y código

Python. Hay que resaltar que todo dentro de Blender se trabaja como objeto o propiedad de

objeto, lo que potencia y en ocasiones dificulta el trabajo pero se tocará más a fondo el tema

en páginas posteriores.

3.2. Python

Aunque implementado dentro de Blender de forma nativa se hace la distinción de

seudocódigo ejecutable por excelencia debido a que bajo este lenguaje se realiza tanto el

control de las cámaras, creación de archivos, transformación de variables y creación de



Menús dentro del entorno de trabajo. Python dentro de este proyecto es utilizado para crear

funciones que no están implementadas dentro la interfaz gráfica tales como crear archivos

para ejecutar de forma externa, permitir crear ejecutables para el juego, cambiar de cámara,

cálculo de tiempos entre otras muchas funciones.

3.3. Consideraciones Acerca del carácter libre del proyecto

Es importante destacar en esta sección consideraciones legales que deben hacerse cuando

se desea implementar un proyecto de carácter OpenSource, lo cual implica que NO se

pueden utilizar tecnologías privativas. En esta sección se darán algunas de las pautas

utilizadas durante el proyecto para que no se perdiera su cualidad de OpenSource. Todos los

audios y archivos de video fueron descargados de fuentes totalmente libre como YouTube

Audio Library verificando el tipo de licencia y si era necesario o no dar créditos.

Las grabaciones de voz y pistas de audio utilizan el formato .OGG[4] que garantiza que no se

utilizan tecnologías licenciadas de terceros que impidan su futura difusión. Las fuentes

utilizadas fueron descargadas desde la página DaFont.com cuidando en todo momento que

estas fueran 100% libres. La comunidad de BlendSwap permite trabajar con archivos de la



comunidad hechos en Blender siempre que se cite a su autor, esta comunidad trabaja

principalmente con la licencia Creative Commons[16] así que hay que prestar atención a que

la citación cumpla con los acuerdos de la licencia.

4. Resultados Obtenidos

El proyecto fue desarrollado a manera de videojuego, por lo tanto se crean varios menús

ordenados por escenas las cuales redirigen o ejecutan acciones específicas, la pantalla

inicial del programa presenta el registro del usuario. Este registro del usuario tiene como

finalidad registrar en un archivo de texto plano los accesos del usuario, la hora de conexión,

hora de salida. A continuación es presentada la pantalla de inicio, en donde se puede

observar un campo para introducir texto y elementos que presentan información acerca de la

pantalla es comportamiento es bastante sencillo. Se digita el nombre del usuario

posteriormente es guardada esta información dentro de un archivo de texto el cual es creado

dentro del directorio donde se encuentra el archivo .blend o en su defecto el ejecutable del

juego.



Figura 1: Pantalla principal

Tras realizar el registro del usuario, el usuario es redirigido a un menú donde se encuentran

tres botones que permiten ingresar a tres (3) secciones diferentes del programa. Estos

botones reciben el nombre de Jugar, cual tiene la función de ingresar al archivo principal del

juego donde se encuentra implementada la terapia de manera completa, se realizan los

ejercicios de manera secuencial la duración de todos los ejercicios toma un tiempo de

aproximadamente cinco (5) minutos, en los que es reproducido un archivo de audio como

fondo musical, con el fin animar al usuario durante la ejecución de los ejercicios.



Figura 2: Menú Principal

En la figura se puede apreciar un cuadro debajo del texto correspondiente a cada menú este

cuando tiene como función brindar una propiedad que permite detectar el movimiento del

cursor. Cuando el cursor se encuentra sobre el cuadro y es oprimido el botón izquierdo del

mouse, se ingresa al menú correspondiente. Estas funciones son controladas a partir de

“Logic Bricks” los cuales utilizan un conector de tipo AND para garantizar que solo se activará

la función cuando todas las condiciones tengan un valor verdadero. De otra manera se

mantendrá esta pantalla de manera indefinida hasta que alguna de las tres (3) condiciones

logre ser cumplida.



Cuando las condiciones para que se ejecute la opción “Single” han sido satisfechas el

programa redirige al usuario, a una pantalla con diez (10) opciones a elegir, cada opción es

un ejercicio en específico nombrado con carácter ilustrativo. Al igual que en el modo anterior

se cuenta con varios planos bajo los elementos de texto, los cuales permiten saber la

ubicación espacial del cursor e identificar entre las opciones cual es la deseada. En la parte

superior es visualizada una advertencia que nos indica que en cualquier momento es posible

acceder a la pantalla principal, utilizando la tecla „M‟ del teclado físico. La idea de esta

pantalla principalmente es que el usuario se prepare para el modo jugar.

Ilustración 1: Menú opción "Single"



Tras ingresar en cualquiera de las opciones a excepción de la acción de la tecla M, el usuario

es redirigido a una escena donde se encuentra, el avatar reproduce un comando de voz que

fue previamente grabado y editado con Audacity, realiza la acción correspondiente al

ejercicio seleccionado al terminar la ejecución de dicha rutina el usuario es regresado a

pantalla single para que elija cualquiera de las opciones disponibles.

Figura 3: Vistazo al personaje en Modo Single

El personaje en modo “Single” presenta la misma configuración del personaje del modo

“Jugar” presenta un cuerpo texturizado, con una serie de “huesos” encargados de simular el

movimiento que tendría un ser humano realizando los mismos ejercicios.



A continuación se visualizará la vista en tipo de malla del entorno de trabajo, en esta vista se

puede apreciar algunos de los polígonos utilizados en la creación del personaje, así como los

“huesos” resaltados en color naranja. En este modo de visualización facilita el trabajo con las

articulaciones cuando es necesario mover grupos de vértices o seleccionar un sector en

particular del área de trabajo.

Figura 4: Modo Single, cambiando modo de visualización

Para simular el movimiento humano al personaje fueron aplicadas una serie de Inversal

Kinematics (IK) que tiene la función de restringir el movimiento de las articulaciones creando



una cadena de movimiento donde por ejemplo, si la articulación del brazo es seleccionada el

hombro también será afectado por el movimiento de esta.

Para terminar por nombrar todos los elementos gráficos hablaremos de la función del botón

de “EXIT” en el menú principal, es botón tiene la finalidad de detener el juego para ello se

utiliza un actuador del tipo “game” que nos permite controlar la funciones en el BGE este

termina inmediatamente con el juego, además de esta función el elemento tiene asignada la

tarea de registrar la hora a la que el usuario se desconecta del juego y adicionar esta

información en un archivo de texto con nombre log.txt el cual es creado en el directorio donde

se encuentra el .blend o el ejecutable del juego según corresponda.

Figura 5: Logic Brick asignado a la opción EXIT



4 Conclusiones

Diseñar un videojuego es un proceso extremadamente largo, que requiere diseño

artístico, creación lógica y tiempo de sobra. La opción de utilizar elementos de

comunidad potencia tanto los tiempos como la calidad del desarrollo final, lógicamente

hay que tener en cuenta el carácter colaborativo del proyecto.

Diseñar a modo de videojuego facilita la asimilación de ideas, debido a que cerebro

humano se predispone a que será una tarea sencilla y placentera, conseguir que esta

predisposición no cambie es responsabilidad del desarrollador.

Al trabajar con la creación de archivos es importante tener en cuenta los permisos de

los directorios donde se trabaja y si estos son aplicables a todas las plataformas. Los

permisos de GNU/Linux son aplicados a todos los entornos con Windows solo son

aplicados a su plataforma.



Agradecimientos

Agradecimientos muy especiales al canal de YouTube físico molón por dar las bases que

sustentan este proyecto, al usuario TheTabkOmeter por prestar su personaje “Hector”

para que este proyecto llegara a buen puerto con una agradable estética. A la página

DaFont.com por ser el repositorio de fuentes más completo y libre de la web. A la

comunidad de G-Blender.org por sus acertados consejos que potenciaron en gran

medida el desarrollo de este proyecto. Finalmente a Blender Foundation por distribuir

esta herramienta sin la cual que ninguno de los elementos apreciados en este trabajo

serían posibles. ¡Que viva el Software Libre!

Referencias

[1] D. Vázquez Riveiro, “Cervicalgia crónica y ejercicio,” Rehabilitación, vol. 37, pp. 333–338, 2003.

[2] DANPER, “Pausas activas para ser más productivo en el trabajo,” Portafolio, 2015.

[3] Blender Foundation, “Blender,” Free and Open 3D Creation Software, 1995. [Online]. Available: http://www.blender.org/.

[4] I. Goncalves, S. Pfeiffer, and C. Montgomery, “Ogg Media Types,” RFC, 2008.

[5] D. Derakhshani, Introducing Maya 2011. 2010.

[6] Unity Technologies, “Unity Manual,” 5.3-N, 2016. [Online]. Available: http://docs.unity3d.com/Manual/PhysicsSection.html.

[7] S. Sampayo Vargas, J. R. Rankin, and P. F. Taylor, “Testing metaphorical educational FPS games,” Int. J. Comput. Games Technol., no. 1, 2009.

[8] Vrs.org.uk, “Oculus Rift Virtual Reality Headset,” Virtual Reality Society, 2016. [Online].



Available: http://www.vrs.org.uk/virtual-reality-gear/head-mounted-displays/oculus-rift.html.

[9] S. Spilka, “Google Cardboard and Mattel Partner on Modern View-Master,” PSFK, 2015. [Online]. Available: http://www.psfk.com/2015/02/google-cardboard-mattel-view-master.html?utm_source=Sailthru&utm_medium=email&utm_term=daily&utm_campaign=Daily 2015-02-16.

[10] I. Mahalil, M. E. Rusli, A. M. Yusof, M. Z. M. Yusoff, and A. R. R. Zainudin, “Study of immersion effectiveness in VR-based stress therapy,” Conf. Proc. - 6th Int. Conf. Inf. Technol. Multimed. UNITEN Cultiv. Creat. Enabling Technol. Through Internet Things, ICIMU 2014, pp. 380–384, 2015.

[11] A. C. M. Dumay and G. J. Jense, “Endoscopic surgery simulation in a virtual environment,” Comput. Biol. Med., vol. 25, no. 2, pp. 139–148, Mar. 1995.

[12] A. Bustos and C. Coll, “Los entornos virtuales como espacios de enseñanza y aprendizaje,” Rev. Mex. Investig. Educ., vol. 15, no. September, pp. 163–184, 2010.

[13] M. Bruce and H. Regenbrecht, “A virtual reality claustrophobia therapy system - implementation and test,” Proc. - IEEE Virtual Real., pp. 179–182, 2009.

[14] M. Anders, Blender 2.49 Scripting. 2010.

[15] M. Barbulescu, M. Marinescu, V. Marinescu, O. Grigoriu, G. Neculoiu, V. Sandulescu, and I. Halcu, “GNU GPL in studying programs from the systems engineering field,” in Proceedings - RoEduNet IEEE International Conference, 2011.

[16] M. Marandola, “El sistema de las Creative Commons,” El Prof. la Inf., vol. 14, no. 4, pp. 285–289, 2005.

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