BEATRIZ MIHO ANAMI BOAS PRÁTICAS DE REALIDADE AUMENTADA APLICADAS À EDUCAÇÃO

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1 BEATRIZ MIHO ANAMI BOAS PRÁTICAS DE REALIDADE AUMENTADA APLICADAS À EDUCAÇÃO LONDRINA PR 2013

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3 BEATRIZ MIHO ANAMI BOAS PRÁTICAS DE REALIDADE AUMENTADA APLICADAS À EDUCAÇÃO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Bacharelado em Ciência da Computação da Universidade Estadual de Londrina para obtenção do título de Bacharel em Ciência da Computação. Orientador: Prof. Dr. Alan Salvany Felinto LONDRINA PR 2013

4 Beatriz Miho Anami Boas práticas de realidade aumentada aplicadas à educação/ Beatriz Miho Anami. Londrina PR, p. : il. (algumas color.) ; 30 cm. Orientador: Prof. Dr. Alan Salvany Felinto Universidade Estadual de Londrina, Realidade aumentada. 2. Tecnologia educacional. I. Prof(a). Dr(a). Alan Salvany Felinto. II. Universidade Estadual de Londrina. III. Faculdade de Ciencia da Computação. IV. Boas práticas de realidade aumentada aplicada à educação CDU 02:141:005.7

5 BEATRIZ MIHO ANAMI BOAS PRÁTICAS DE REALIDADE AUMENTADA APLICADAS À EDUCAÇÃO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Bacharelado em Ciência da Computação da Universidade Estadual de Londrina para obtenção do título de Bacharel em Ciência da Computação. BANCA EXAMINADORA Prof. Dr. Alan Salvany Felinto Universidade Estadual de Londrina Orientador Prof. Dr. Segundo Membro da Banca Universidade Estadual de Londrina Prof. Msc. Terceiro Membro da Banca Universidade Estadual de Londrina Londrina PR, 24 de novembrode 2013 LONDRINA PR 2013

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7 Este trabalho é dedicado às crianças adultas que, quando pequenas, sonharam em se tornar cientistas.

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9 AGRADECIMENTOS Agradeço a todos que contribuiram para a realização deste trabalho.

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11 Nenhum homem realmente produtivo pensa como se estivesse escrevendo uma dissertação. Albert Einstein

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13 ANAMI, B. M.. Boas práticas de realidade aumentada aplicadas à educação. 49 p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação). Bacharelado em Ciência da Computação Universidade Estadual de Londrina, RESUMO Existem diversos sistemas de realidade aumentada que visam aprimorar o aprendizado por parte dos alunos. Porém, somente o uso da tecnologia não proporciona ganho significativo para a aquisição de conhecimento. Pretende-se, através do estudo da literatura existente, formular um conjunto de boas práticas na concepção de sistemas de realidade aumentada aplicadas à educação e empregá-las em uma aula de equações lineares, onde será utilizada uma ferramenta de realidade aumentada para a visualização de gráficos em 3 dimensões. O projeto, além de agregar conhecimento ao aluno, servirá de base para futuros trabalhos na área de realidade aumentada para o Departamento de Ciência da Computação da Universidade Estadual de Londrina. Palavras-chave: realidade aumentada, tecnologia educacional.

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15 ANAMI, B. M.. Best practices of augmented reality applied to education. 49 p. Final Project (Undergraduation). Bachelor of Science in Computer Science State University of Londrina, ABSTRACT There are many augmented reality systems that aim to improve students gain of knowledge. However, the use of technology itself does not necessarily means improvement in learning. Through the study of existing literature, there will be set a series of best practices to plan and develop augmented reality tools for education that are more significant for learning. The results will be shown in a class about linear equations, where a tool of augmented reality will be used to plot three dimensional graphs. All the conclusions reached by this project will possibly be taken for future developments in the field of augmented reality at Universidade Estadual de Londrina in the Computer Science department. Keywords: augmented reality, educational technology.

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17 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 Reality-virtuality continuum de Milgram Figura 2 Sensorama Figura 3 O HMD de Ivan Sutherland Figura 4 Videoplace Figura 5 Vista de gráfico sobreposto através do HMD no KARMA

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19 LISTA DE TABELAS

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21 SUMÁRIO Introdução I Preparação da pesquisa 23 1 Objetivos Justificativa II Revisão de Literatura 29 3 Realidade Aumentada Definição e conceitos Breve histórico Tecnologias Display Head mounted displays Handled displays Projection displays Input Tracking sensors Aplicações Medicina Manufatura Entretenimento Militar Educação Ferramentas para desenvolvimento de sistemas de realidade aumentada ARToolKit OpenCV Realidade aumentada aplicada à educação Aspectos pedagógicos Teorias cognitivas Vantagens Quando a realidade aumentada é uma boa opção

22 5 Uso da realidade aumentada na matemática Construct 3D Proposta de um sistema para visualização de sistemas de equações lineares com tres incógnitas Ferramentas IIIResultados 43 7 Resultados da pesquisa Boas práticas de sistemas de realidade aumentada em educação Significancia da ferramenta desenvolvida Conclusão Referências

23 21 INTRODUÇÃO A realidade aumentada é a impressão de elementos virtuais em ambientes reais, acrescentando informações ou dados ao mundo real. No âmbito da educação, a realidade aumentada pode ser utilizada de várias formas, como por exemplo, estimulando o estudante na análise do mundo real ao ofertar informações suplementares, objetos virtuais, ligadas ao ambiente real. Ela pode também se estender na integração do mundo real com recursos de aprendizado digitais, por exemplo, possibilitando a visualização de fenômenos que não podem ser reproduzidos em ambiente real. E, por fim, a manipulação de materiais virtuais em uma variedade de perspectivas [1]. Porém, de acordo com [1], a tecnologia envolvida no processo de criação de um ambiente de realidade aumentada, por si só, não oferta grandes benefícios à educação. A tecnologia deve servir de apoio e oferecer recursos para um aprendizado significativo. Logo, a realidade aumentada deve ser tratada mais como um conceito na educação do que uma tecnologia, já que o foco está no aprendizado resultante da tecnologia envolvida no processo. O presente trabalho é, portanto, uma abordagem da realidade aumentada que seja significativa para a educação em geral, através da definição de um ambiente de aprendizado e implementação de uma ferramenta que exemplifique os estudos realizados. Ainda que a realidade aumentada não seja um assunto recente, os principais desenvolvimentos na área de educação se concentram nas duas última décadas, citados por [2] em trabalhos correlatos e em [1]. Logo, um estudo da relevância dos métodos e ferramentas de realidade aumentada utilizadas em educação se faz necessário, para que a tecnologia possa ser bem empregada no cotidiano de ensino.

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25 Parte I Preparação da pesquisa

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27 25 1 OBJETIVOS Os objetivos do trabalho são: Construção de uma lista de boas práticas na utilização de tecnologias de realidade aumentada aplicadas na educação; Aplicar as boas práticas, definidas anteriormente, em uma aula de equações lineares, onde será utilizada uma ferramenta de realidade aumentada que desenhe os gráficos das equações em 3D; Proporcionar uma base de conhecimento para futuros desenvolvimentos na área de realidade aumentada para o grupo de pesquisa em mídias digitais da Universidade Estadual de Londrina.

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29 27 2 JUSTIFICATIVA Ao expor as boas práticas de aplicação da realidade aumentada na educação, espera-se que o aluno e os leitores do trabalho possam compreender as dificuldades na agregação da tecnologia de realidade aumentada no cotidiano de ensino e os benefícios que ela traz ao estudante quando projetada e desenvolvida de forma adequada. A contribuição à área de pesquisa é o documento que poderá ser utilizado de base para o desenvolvimento de novas ferramentas eficientes de realidade aumentada no ensino de diversas disciplinas, sendo adaptada de acordo com a necessidade de cada situação. Além disso, a pesquisa servirá de base para futuros desenvolvimentos do grupo de estudos de mídias digitais da Universidade Estadual de Londrina.

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31 Parte II Revisão de Literatura

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33 31 3 REALIDADE AUMENTADA Neste capítulo, serão abordados os conceitos e definições de realidade aumentada propostos por diversos autores. Será apresentada, também, uma breve história da evolução da realidade aumentada e o estado da arte das tecnologias em hardware e software para a concepção de sistemas de realidade aumentada e as áreas onde esta tecnologia está sendo aplicada. 3.1 DEFINIÇÃO E CONCEITOS A realidade aumentada é uma tecnologia que permite a projeção de dados e informações virtuais em objetos do mundo real [3]. Ela é classificada como uma variação da realidade virtual. Porém, enquanto a realidade virtual transporta o usuário a um ambiente completamente sintético, a realidade aumentada apenas aprimora a realidade. Para melhor elucidar os conceitos relativos à virtualidade, foi definido o realityvirtuality continuum (contínuo da virtualidade) [4], onde a relidade aumentada e virtual não são antagônicas, e sim parte de um contínuo, ilustrado pela Figure 1 a seguir: Figura 1 Reality-virtuality continuum de Milgram Fonte: [4] Dentro do reality-virtuality continuum existem 4 grandes categorias de classificação da virtualidade: Real environment (ambiente real): o extremo esquerdo do contínuo, é a visão de um ambiente formada apenas por objetos reais; Augmented reality (realidade aumentada): o mundo real é o ambiente principal e é aumentado através de dados gerados por computador; Augmented virtuality (virtualidade aumentada): o mundo virtual é o ambiente principal e é aumentado por objetos do mundo real;

34 32 Capítulo 3. Realidade Aumentada Virtual environment (ambiente virtual): é um ambiente completamente formado por objetos virtuais. A realidade é completamente substituída por um ambiente totalmente sintético. Os sistemas de realidade aumentada são caracterizados por três propriedades: Combinação de objetos reais e virtuais em um ambiente real; Execução em tempo real com interatividade; Alinha os objetos reais e virtuais entre si. O sistema é caracterizado desta maneira, para que a realidade aumentada não seja limitada a apenas um tipo de tecnologia [5]. 3.2 BREVE HISTÓRICO O primeiro registro do uso da realidade aumentada data de 1962, onde o cinegrafista Morton Heilig desenvolveu um simulador de motocicleta, denominado Sensorama (Figure 2), que envolvia o usuário em um ambiente de tecnologia multi-sensorial, com recursos visuais, auditivos, vibração e cheiro. Em 1966, Ivan Sutherland inventou o optical see-through HMD (head-mounted display), uma tecnologia de display utilizada em realidade aumentada e virtual. Será melhor definida na próxima seção. Dois anos depois ele criou o primeiro sistema de realidade aumentada, entitulado The Sword of Damocles (Figure 3), que utilizava o HMD. No ano de 1975, Myron Krueger criou um sistema de realidade aumentada que, pela primeira vez, permitia que os usuários interagissem com objetos virtuais. O videoplace (Figure 4). Quase duas décadas depois, Tom Caudell e David Mizell receberam o mérito pela definição do termo realidade aumentada durante uma pesquisa de desenvolvimento de um software que facilitasse o processo de produção da Boeing, através da sobreposição do arranjo de cabos, facilitando o trabalho de montagem. Eles também são reconhecidos pelo início das discussões das vantagens da realidade aumentada sobre a realidade virtual [7]. Na mesma época, o grupo de pesquisadores Steven Feiner, Blair MacIntyre e Doree Seligman, apresentaram o KARMA (Knowledge-based Augmented Reality for Maintenance Assistance), que é um protótipo de um sistema que se utiliza de um HMD para explicar a manutenção de uma impressora para o usuário final [8]. A Figure 5 apresenta a visualização da impressora através do HMD pelo sistema KARMA.

35 3.3. Tecnologias 33 Figura 2 Sensorama Fonte: [6] Em 1994, Paul Milgram e Fumio Kishino apresentaram o conceito de realityvirtuality continuum em [4], já apresentado na seção anterior (Figure 1), e define que a realidade aumentada e virtualidade aumentada estão inseridas neste continuum, a primeira mais próxima ao mundo real e a segunda mais próxima do ambiente virtual. A primeira aparição dos marcadores, foi em 1996, desenvolvido por Jun Rekimoto no protótipo NaviCam. O marcador, que será discutido na próxima seção, é uma das formas de apresentar os objetos ou informações digitais no espaço real. Ronald Azuma, no ano seguinte, publicou o primeiro survey na área de realidade aumentada, [9], onde definiu a realidade aumentada de forma que é utilizada até hoje. No ano de 2001, Azuma em [5], atualizou o survey. 3.3 TECNOLOGIAS Em [10] são citadas as principais tecnologias, dispositivos e equipamentos utilizados em sistemas de realidade aumentada, os equipamentos para exibição (display), computador e dispositivos de entrada (input) e rastreamento (tracking).

36 34 Capítulo 3. Realidade Aumentada Figura 3 O HMD de Ivan Sutherland Fonte: [6] Display Os equipamentos de display são principalmente os See-through display e o Monitorbased display. O primeiro mostra ao usuário o mundo real já sintetizado pelo mundo virtual, ou seja, o usuário tem uma única imagem do mundo onde o ambiente real e virtual já estão integrados. Já o Monitor-based display, permite a visualização dos ambientes real e virtual separadamente. Um Head-mounted device é um dispositivo de See-through display utilizado como um óculos ou um capacete. Ele permite a visualização em Video-see through system, utilizado, em geral, quando é necessário um sistema de aperfeiçoamento de imagem, e Optic-see through system, que permite a sobreposição de informações na visualização do mundo real. Os hand held displays, são dispositivos portáteis, providos de uma câmera, que se utilizam da técnica de Video-see through. São exemplos de Handled displays os Smartphones, PDAs e Tablets que contenham uma câmera. Uma outra forma de exibir informações gráficas em objetos físicos ou no ambiente real, porém sem a necessidade de carregar ou vestir um equipamento é o Spatial display,

37 3.3. Tecnologias 35 Figura 4 Videoplace Fonte: [6] que se utiliza de projetores de vídeo e hologramas, por exemplo. O Projection display é um tipo de Spatial display, utilizado para projetar imagens em 3D no ambiente real, criando um objeto de aparência realista Head mounted displays Hand held displays Spatial displays Input O último equipamento citado por [10], foi o Pinch Gloves, que são luvas para a captação de movimentos utilizados para interagir com os objetos virtuais. Não somente os Pinch Gloves podem ser utilizados como formas de interagir com o ambiente virtual, mas também objetos e dispositivos que possam mandar sinais de posição e orientações para imagens de câmera.

38 36 Capítulo 3. Realidade Aumentada Figura 5 Vista de gráfico sobreposto através do HMD no KARMA Fonte: [8] Tracking sensors 3.4 APLICAÇÕES Medicina Manufatura Entretenimento Militar Educação 3.5 FERRAMENTAS PARA DESENVOLVIMENTO DE SIS- TEMAS DE REALIDADE AUMENTADA ARToolKit Ferramenta ARToolKit OpenCV Ferramenta OpenCV para processamento em real time environment

39 37 4 REALIDADE AUMENTADA APLICADA À EDUCAÇÃO Dentro do contexto de educação, o texto de [1] demonstra que a realidade aumentada oferece ao usuário conteúdos de aprendizagem em perspectiva 3D, aprendizagem ubíqua, colaborativa e situada, senso de presença, imediatismo e imersão pelo usuário, visualização do que é invisível e uma ligação entre a aprendizagem formal e informal. Através do estudo de artigos publicados anteriormente, [1] mostra que os sistemas de realidade aumentada ajudaram os estudantes a desenvolver habilidades e conhecimentos de maneira mais efetiva em relação a outros tipos de tecnologias de aprendizado, proporcionam também o aumento do interesse e motivação do aluno no aprendizado, favorecendo o desenvolvimento de novas habilidades e ganho de conhecimento mais preciso sobre o tópico. Além disso, os sistemas de realidade aumentada, ofereceram uma solução para áreas de conhecimento onde o aprendizado depende do entendimento de conceitos abstratos, criando a visualização virtual de experiências, conceitos ou fenômenos que não podem ser vistos no mundo real. 4.1 ASPECTOS PEDAGÓGICOS [3] [10] [11] [12] Teorias cognitivas [13] Vantagens São várias. 4.2 QUANDO A REALIDADE AUMENTADA É UMA BOA OPÇÃO

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41 39 5 USO DA REALIDADE AUMENTADA NA MA- TEMÁTICA 5.1 CONSTRUCT 3D [14]

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43 41 6 PROPOSTA DE UM SISTEMA PARA VISUA- LIZAÇÃO DE SISTEMAS DE EQUAÇÕES LI- NEARES COM TRES INCÓGNITAS Através dos conceitos apresentados será formulado um sistema de realidade aumentada que projete em um marcador definido, resultados de equações de primeiro grau com tres incógnitas. 6.1 FERRAMENTAS Visual C++ ARToolKit

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45 Parte III Resultados

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47 45 7 RESULTADOS DA PESQUISA 7.1 BOAS PRÁTICAS DE SISTEMAS DE REALIDADE AU- MENTADA EM EDUCAÇÃO Lista com as boas práticas em RA. 7.2 SIGNIFICANCIA DA FERRAMENTA DESENVOLVIDA Análise da ferramenta implementada.

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49 47 CONCLUSÃO No conclusion yet.

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51 49 REFERÊNCIAS 1 WU, H.-K. et al. Current status, opportunities and challenges of augmented reality in education. Computers & Education, Elsevier Science Ltd., Oxford, UK, UK, v. 62, p , mar SAYED, N. A. M. E.; ZAYED, H. H.; SHARAWY, M. I. Arsc: Augmented reality student card. Computers & Education, v. 56, n. 4, p , CUENDET, S. et al. Designing augmented reality for the classroom. Computers & Education, ISSN Disponível em: < /science/article/pii/s >. 4 MILGRAM, P. et al. Augmented reality: A class of displays on the reality-virtuality continuum. In:. [S.l.: s.n.], p AZUMA, R. et al. Recent advances in augmented reality. IEEE Comput. Graph. Appl., IEEE Computer Society Press, Los Alamitos, CA, USA, v. 21, n. 6, p , nov FURHT, B. (Ed.). Handbook of Augmented Reality. [S.l.]: Springer, ISBN SUNG, D. The history of augmented reality Disponível em: < 8 FEINER BLAIR MACINTYRE, D. S. S. Knowledge-based Augmented Reality for Maintenance Assistance. Disponível em: < /karma/karma.html>. 9 AZUMA, R. A Survey of Augmented Reality KESIM, M.; OZARSLAN, Y. Augmented reality in education: Current technologies and the potential for education. Procedia - Social and Behavioral Sciences, v. 47, p , PENGCHENG, F.; MINGQUAN, Z.; XUESONG, W. The significance and effectiveness of augmented reality in experimental education. In: E -Business and E -Government (ICEE), 2011 International Conference on. [S.l.: s.n.], p BILLINGHURST, M.; DüNSER, A. Augmented reality in the classroom. Computer, IEEE Computer Society, Los Alamitos, CA, USA, v. 45, n. 7, p , ISSN CARMICHAEL, G.; BIDDLE, R.; MOULD, D. Understanding the power of augmented reality for learning. In: BASTIAENS, T.; MARKS, G. (Ed.). Proceedings of World Conference on E-Learning in Corporate, Government, Healthcare, and Higher Education Montréal, Quebec, Canada: AACE, p Disponível em: < 14 KAUFMANN, H.; SCHMALSTIEG, D. Mathematics and geometry education with collaborative augmented reality. Computers & Graphics, v. 27, p , 2003.