e-ISSN: 1390-5902
CEDAMAZ, Vol. 13, No. 1, pp. 65–70, Enero–Junio 2023
DOI: 10.54753/cedamaz.v13i1.1841
Estudio e implementación de simulador de mapa topográfico interactivo
Study and implementation of an interactive topographic map simulator
Carlos Condolo-Castillo1, Rodolfo Merino-Vivanco 2, Jorge Carrión-González 3, Andy
Vega-León 4, Jonathan González-Espinosa 2y Alba Vargas-Naula 4
1Universidad Nacional de Loja, Loja, Ecuador
2Centro de Investigación, Innovación, Desarrollo de Prototipos Tecnológicos y Pruebas Electroenergéticas – I2TEC, Universidad
Nacional de Loja, Loja, Ecuador
3Carrera de Electricidad, Universidad Nacional de Loja, Loja, Ecuador
4Carrera de Telecomunicaciones, Universidad Nacional de Loja, Loja, Ecuador
*Autor para correspondencia: alba.vargas@unl.edu.ec
Fecha de recepción del manuscrito: 05/04/2023 Fecha de aceptación del manuscrito: 15/05/2023 Fecha de publicación: 30/06/2023
Resumen—Los dispositivos interactivos de simulación en 3D para topografía de realidad aumentada son de gran ayuda para crear modelos
topográficos y para la enseñanza de las ciencias de la Tierra. Esta implementación está constituida por dos etapas principales, la primera
etapa está formada por la construcción de la estructura de la caja de arena; la segunda etapa está constituida por el ajuste y calibración
del software de realidad aumentada, el mismo que proyectará la imagen del relieve sobre la superficie de arena. Este dispositivo será una
herramienta para crear nuevos medios de enseñanza que le permitan al docente impartir sus conocimientos de una forma más interactiva y
práctica en materias como petrografía, cartografía, sistemas de información geográfica, aplicación de softwares mineros, geotecnia minera,
etc. Este recurso se presenta para fomentar y fortalecer metodologías activas, basadas en el aprendizaje interactivo.
Palabras clave—Simulador 3D, Realidad aumentada, Curvas de nivel, Mapa topográfico, Aprendizaje interactivo.
Abstract—Interactive 3D simulation devices for augmented reality topography are very helpful for creating topographic models and for
teaching Earth sciences. This implementation is constituted by two main stages, the first stage is formed by the construction of the sandbox
structure; the second stage is constituted by the adjustment and calibration of the augmented reality software, which will project the image
of the relief on the sand surface. This device will be a tool to create new teaching resources that will allow teachers to impart their knowledge
in a more interactive and practical way in subjects such as petrography, cartography, geographic information systems, application of mining
software, mining geotechnics, etc. This resource is presented to promote and enhance active methodologies based on interactive learning.
Keywords—3D simulator, Augmented reality, Contour lines, Topographic mapping, Interactive learning.
INTRODUCCIÓN
Las formas de enseñanza existentes y la integración de
la tecnología en la educación, impactan directamen-
te en el aprendizaje de los estudiantes; por lo tanto, es vital
el planteamiento sobre nuevas formas de enseñar y aprender
(Ebrahimi, 2017; Nebrija, 2016).
Esta evolución en el contexto pedagógico ha obligado la
implementación de distintas tecnologías, una de ellas es la
Realidad Aumentada (RA) (Pérez et al., 2021). Sobre es-
te recurso tecnológico AlNajdi (2022), Montenegro-Rueda y
Fernández-Cerero (2022), Perez-Calañas et al. (2023), sugie-
ren que el uso de RA en la educación superior ha permitido
mejorar la experiencia de aprendizaje, aunque un factor muy
importante es verificar que los docentes se encuentren capa-
citados para la aplicación de esta tecnología, la percepción
que los estudiantes o usuarios tienen de ella y las limitacio-
nes que la misma pueda presentar.
Esta tecnología es un conjunto de elementos y dispositi-
vos que permite agregar información virtual a la información
física existente. Para que las aplicaciones de RA sean acce-
sibles es muy importante tener una red de comunicaciones
adecuada, debido a que las potencialidades de la RA radi-
can en acceder en tiempo real a la información digital com-
plementaria a la del mundo físico (Telefónica, 2011; Turner,
2022).
Un mapa topográfico muestra varias características natu-
rales y artificiales, desde el curso del agua hasta carreteras y
edificios; sin embargo, no se representan todas las curvas de
nivel, únicamente las que corresponden a unas altitudes de-
terminadas. Esas altitudes son arbitrarias y vienen definidas
por el tipo y escala del mapa que se vaya a utilizar (Giner &
Rodríguez, 2020). Este tipo de mapas es usado por personas
que trabajan en ciencias de la tierra, centros de operaciones
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ESTUDIO E IMPLEMENTACIÓN DE SIMULADOR DE MAPA TOPOGRÁFICO CONDOLO-CASTILLO et al.
de rescate, excursionistas, etc. La correcta lectura de estos
mapas requiere comprender que la información de elevación
continua se codifica mediante líneas de contorno, así como
la habilidad para visualizar el terreno en tres dimensiones a
partir de dichas líneas (Atit et al., 2016).
Los laboratorios son un mecanismo de apropiación del co-
nocimiento ya que unen la teoría y la práctica real (Urrea
Quiroga et al., 2013). La repotenciación de los espacios edu-
cativos (laboratorios, talleres, centros de simulación) de la
Universidad Nacional de Loja (UNL) es uno de los ejes a
los que se les ha dado atención prioritaria, ya que estos lu-
gares permiten que los estudiantes desarrollen sus destrezas
y habilidades prácticas de una forma eficiente, logrando que
en el futuro tengan un óptimo desenvolvimiento en el campo
laboral.
Esta investigación se desarrolla con la finalidad de solven-
tar una de las necesidades de la Carrera de Minas de la Fa-
cultad de la Energía, las Industrias y los Recursos Naturales
No Renovables (FEIRNNR) UNL, proponiendo la aplicación
de nuevas metodologías de enseñanza basadas en tecnología;
de esta forma, los estudiantes podrán captar los conocimien-
tos impartidos teóricamente en clases de una forma más di-
námica, reforzarán estos aprendizajes y lograrán una mejor
comprensión del tema.
El prototipo de simulador de mapa topográfico interactivo
es un recurso educativo y tecnológico que permite combinar
y moldear un entorno físico del mundo real con elementos
virtuales para simular varios fenómenos y/o riesgos geológi-
cos asociados a distintos procesos. Esto se realiza a partir de
la construcción de un modelo análogo, como una caja de are-
na o mediante una maqueta topográfica (Herranz et al., 2019;
Savova, 2016).
A partir de la revisión bibliográfica de los sistemas de si-
mulación en 3D interactivos para topografía, se analizan las
diferentes alternativas de software y los conceptos generales
de realidad aumentada; posteriormente, se desarrolla el dise-
ño de la caja de realidad aumentada, y se detalla de forma
breve los materiales y recursos necesarios para la construc-
ción del prototipo. Finalmente, se desarrollan los manuales
que permitan al usuario utilizar y brindar mantenimiento de
forma adecuada al simulador.
MATERIALES Y MÉTODOS
Para el desarrollo de la investigación se utilizó una varie-
dad de métodos y herramientas que permitieron el cumpli-
miento satisfactorio de las actividades planificadas.
Software
Paquete ARSandbox
Dentro del paquete se encuentran programas como Vrui
VR, Kinect 3D video capture Project y Sandbox, que se dis-
tribuyen de forma libre bajo la licencia GNU General Public
License en el portal del desarrollador (Herranz et al., 2019).
Linux
Para la implementación del proyecto se usó el sistema ope-
rativo Linux Mint versión 19.3, debido a su estabilidad, se-
guridad y, lo más importante, ya que se trata de un sistema
operativo de código abierto, el cual permite mayor manipula-
ción y una fácil instalación del software Sandbox de realidad
aumentada.
Solidworks
Este software se utilizó para el desarrollo del diseño del
dispositivo Sandbox de realidad aumentada, y así tener un
mayor control y versatilidad al momento de la creación y
edición del modelo de la caja de arena. También sirvió pa-
ra el diseño de los perfiles de cada una de las partes de la
estructura de la caja para facilitar su ensamblaje.
Hardware
Computadora
Tomando en cuentas las consideraciones de (Oliver Krey-
los, n.d.) se debe contar con una computadora con una tarjeta
gráfica de alta gama (que ejecute cualquier versión de Linux),
con un chip gráfico que podría ser una tarjeta Nvidia GeForce
y un procesador por encima de Core i3 7ma generación. La
computadora debe tener un buen CPU, pero hay cierta liber-
tad en cuanto a la RAM, debido a que 2GB son suficientes
para ejecutar el software AR Sandbox o en cuanto almace-
namiento, un disco duro de 20 GB es suficiente para instalar
Linux y el software AR Sandbox
En este caso se utilizó una laptop DELL Inspirion i7
7500u, la cual cuenta con las siguientes características ade-
cuadas para la implementación:
Intel Core i7 7500U 2.7GHz – Séptima Generación
RAM: 24 GB DDR4 / Disco Duro 1TB
Pantalla LED 15,6"HD 1366x768
Video AMD Radeon R5 M445 4GB ddr5 dedicados
DVD-RW, Teclado iluminado, Bluetooth 4.0.
Windows 10 Home
Cámara Microsoft Kinect 3D
Se trata de una cámara de profundidad con una percepción
en 3D que permite capturar el movimiento de las personas de
manera eficiente, mientras la cámara infrarroja que incluye
permite diferenciar la profundidad. El adaptador USB a 2.0
permite la conexión del dispositivo Kinect 3D a la compu-
tadora mediante el puerto USB.
En este proyecto se utilizó un sensor Kinect de primera ge-
neración 1414 que permite capturar el movimiento de las per-
sonas a través de más de 48 puntos de articulación, mediante
un algoritmo complejo de reconocimiento de imágenes. Es-
te dispositivo se usa para la generación del mapa topográfico
y recopilación de la información del relieve moldeado en la
caja de arena.
Proyector de video
Permite proyectar e interactuar con el mapa topográfico
generado en la superficie de la arena por el software AR-
Sandbox. En este caso se usó un proyector de alcance corto
y una relación de aspecto nativa de 4:3 para que coincida con
el campo de visión de la cámara Kinect.
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Caja de Arena
Se utilizó una caja de arena que se adapta a la distancia
de detección mínima y máxima de la cámara Kinect y, por lo
tanto, a la resolución deseada. El tamaño adecuado de la caja
de arena es de 40” x 30” o 1 m x 75 cm.
Para un fácil traslado, se realizó un diseño que posea rue-
das. La altura de la caja de arena es de aproximadamente 20
cm.
Estructura de aluminio
Se elaboró una estructura de aluminio colocada en la par-
te central de la caja para poder ubicar la cámara Kinect y el
proyector; éstos tendrán que ubicarse a una distancia deter-
minada para que el escaneo y la proyección se acople a las
dimensiones de la caja de arena (A 1 metro de distancia de la
superficie de arena).
Arena
La caja debe llenarse con arena a una profundidad de cerca
de 4” o 10 cm. La arena que se sugiere emplear es la arena
Sandtastik que posee excelentes propiedades de proyección
para que la imagen proyectada sobre ella se pueda visualizar
de una manera adecuada. La cantidad de arena a utilizar es
de 200 libras, aproximadamente.
Debido a la dificultad para la adquisición de dicho tipo de
arena en el país, se optó por utilizar un tipo de arena con
características similares.
Descripción general
En la Figura 1 se muestra el proceso que lleva a cabo el
software, el cual consta de 4 etapas principales.
Fig. 1: Diagrama de funcionamiento.
Configuración inicial
En esta etapa se configura la cámara Kinect con los pará-
metros de calibración de fábrica, y se determinad la fórmula
de conversión de profundidad en base a la distancia focal, al-
tura real del objeto y la altura de la imagen. Es importante
mencionar que el código está desarrollado en C++.
Mediante la función depth se obtiene el valor de profun-
didad, el cual trabaja bajo el método de luz estructura (Figu-
ra 2), adquiriendo la información de profundidad por medio
de la proyección de patrones regulares de puntos infrarrojos
que se proyectan sobre un objeto, los cuales son captados por
el sensor de profundidad infrarrojo. Posteriormente utiliza el
proceso de triangulación para determinar la distancia de un
punto en un espacio 3D a partir de la visión de dos o más
imágenes, es decir los valores de disparidad en cada punto.
Fig. 2: Método de luz estructurada (Kim & Choi, 2019)
Para calcular el plano de referencia o plano base es nece-
sario conocer las coordenadas y distancia de al menos tres
puntos, los mismo que se proporcionan mediante la especifi-
cación de la superficie y de sus esquinas. La ecuación 1 que
representa el plano base es la siguiente:
Ax +By +Cz +D=0 (1)
Asignación de colores
El software utiliza una combinación de varios shaders
GLSL (Lenguaje de sombreado OpenGL) para colorear la
superficie por elevación usando mapas de color personaliza-
bles. Este tipo de sombreado define los colores RGBA (Red
Green Blue Alfa) para cada pixel que se procesa. Los colo-
res RGBA están compuestos por rojo, verde, azul, alfa; en
donde el parámetro alfa es un número entre 0.0 (totalmente
transparente) y 1.0 (nada transparente) el cual es agregado
en un proceso posterior dependiendo de la profundidad del
pixel.
Calibración
Para la calibración se hace el reconocimiento de un ele-
mento de forma circular de 120 mm de diámetro de superfi-
cie blanca (Figura 3), comprobando si existe un elemento con
dichas características dentro de la superficie; una vez recono-
cido, almacena el punto de enlace recién capturado y pasa a
un nuevo punto, este proceso se repite entre 12 a 36 veces
dependiendo de la calidad de calibración que se quiera tener.
RESULTADOS
El prototipo está constituido por una barra de aluminio, la
misma que soporta el sensor Kinect y el proyector. También
se puede apreciar la caja de arena, en la misma que se pro-
yecta sobre la arena la imagen de los mapas generados por el
software (Figura 4).
El resultado de la funcionalidad del prototipo de mapa to-
pográfico interactivo se muestra en la Figura 5, en donde se
observa la proyección del relieve que se moldea en la su-
perficie de la arena, la cual ha sido modificada mediante la
manipulación de la misma.
La superficie de la arena puede ser modificada por el usua-
rio, sin restricción alguna, para generar una diversidad de re-
lieves; que van desde superficies muy bajas hasta elevaciones
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