K-Learning Felipe Martins dos Santos Fernando Hattori Joel Edu Sánchez Castro Miguel Angel Galarreta Valverde

Transcrição

1 K-Learning Felipe Martins dos Santos Fernando Hattori Joel Edu Sánchez Castro Miguel Angel Galarreta Valverde

2 Introdução A geometria espacial tem grande importância no ensino da matemática, pois facilita e estimula a observação entre os diversos objetos, as semelhanças e diferenças entre eles criando um ambiente propício para o ensino de números e medidas e outros conceitos matemáticos [ENGER et. al., 2004]. E quando ainda pequena, a criança inicia o aprendizado sobre o espaço que o rodeio, inicialmente, considerando o próprio corpo como ponto de referência, portanto, esse aspecto pode ser trabalhado desde de muito cedo. Então, o uso de computadores propicia um ambiente de visualização melhorado, com possibilidade de manipulações e transformações dinâmicas. E a educação não pode, portanto, ignorar as novas tecnologias e, sim, utilizá-las como elemento potencializador do aprendizado e desenvolvimento dos alunos, ainda mais quando estes já são grandes usuários de tecnologias de modo geral e estão bastante acostumados com o ambiente virtual [ENGER et. a., 2004]. Este presente trabalho, pretende desenvolver e analisar uma ferramenta de construção de formas e cenários na terceira dimensão feita para crianças. Assim, entretendo e educando, essa aplicação incentivará a imaginação e estimulará o aprendizado da geometria. O projeto recebeu o nome de K-Learning (ou Kids- Learning). A sessões seguintes pretendem expor os objetivos do trabalho, alguns detalhes da implementação (como: papéis dos membros do grupo e ferramentas utilizadas), os resultados obtidos e possíveis trabalhos futuros. Tanto em relação à aplicação criada quanto ao próprio conhecimento e experiência obtidos durante o desenvolvimento. Objetivo geral Utilizar os conceitos de computação gráfica para o proveito da sociedade, ajudando a educação de crianças. Objetivos específicos Desenvolver um programa que sirva como ferramenta às crianças para a modelagem dos objetos gráficos 3D de maneira simples e que entretenha. Utilizar a teoria de computação gráfica para desenvolver um aplicativo capaz de modelar figuras e formas básicas 3D, transformá-las e apresentar técnicas como a

3 iluminação de objetos, texturas, desta forma, fomentando a criatividade das crianças que utilizem este programa. Especificação do papel de cada integrante Conforme foi declarado no relatório anterior, o desenvolvimento foi realizado por todos os integrantes. As reuniões continuaram ocorrendo frequentemente e o que foi desenvolvido por cada integrante é especificado a seguir. Felipe Martins dos Santos: Responsável algumas tarefas relacionadas à interface gráfica, aplicação de textura em alguns dos objetos e implementação da modelagem CSG. A operação de União foi a única alcançada conforme o desejado. Fernando Hattori: Responsável por organizar o código, aperfeiçoar a forma como as transformações eram implementadas e por definir como a câmera é manipulada. Além de ter tentado corrigir os problemas na seleção de objetos. Joel Edu Sánchez Castro: Responsável por aperfeiçoar a interface gráfica, enriquecer os modelos fornecidos pela aplicação e corrigir os problemas de seleção de objetos. Miguel Angel Galarreta Valverde: Responsável por aperfeiçoar a interface gráfica e implementar o armazenamento e recuperação de objetos de uma cena em um arquivo. Programas e Bibliotecas Implementadas O K-Learning está sendo desenvolvido com a linguagem de programação Java 6 e utiliza a API JOGL (Java OpenGL). A API JOGL permite que através de aplicações escritas em Java seja possível acessar recursos OpenGL. A linguagem Java foi escolhida por tornar mais simples o desenvolvimento de interfaces gráficas. O desenvolvimento foi realizado com a utilização da IDE NetBeans. O projeto possui funções como inserir objetos na cena, realizar algumas transformações geométricas, colorir objetos, inserir textura em objetos, ajustar a iluminação e realizar a união de dois objetos. O projeto está dividido em pacotes onde cada pacote agrupa classes Java com responsabilidades similares. Os pacotes do projeto atualmente são: Core Possui as classes principais para a montagem de uma cena. Dentre elas uma classe chamada CameraVirtual que representa a câmera, FonteDeLuz que representa a instância de luz da cena (utilizamos apenas LIGHT0). A aplicação

4 utiliza o modelo de tonalização de Gouraud e isso é definido na classe FonteDeLuz. Além dessas, existe a KLearning que é a classe onde ocorrem tratamento de eventos de mouse e teclado, inclusão de componentes das janelas e por fim, KGLListener que é a implementação dos métodos do JOGL e mais alguns métodos utilitários como o de seleção de objetos. As classes KLearning e KGListener permitem que o usuário selecione objetos na cena para aplicar as operações comuns (colorir, aplicar transformações, etc). A seleção de objetos por mouse foi corrigida. CSG Inclui as classes que abstraem as operações de CSG. Foi criada uma classe chamada GeometriaSolidoConstruida que extende a classe básica Objeto no pacote modelos. Existem ainda as classes UniãoCSG, SubtraçãoCSG e IntersecçãoCSG que estendem a classe GeometriaSolidoConstruida e cada uma representa uma operação. Essas classes são instanciadas a partir de dois objetos. As operações SubtraçãoCSG e IntersecçãoCSG não funcionam conforme o esperado devido a dificuldades no aprendizado e manipulação do Stencil Buffer do OpenGL. A união funciona corretamente pois depende apenas do algoritmo de visibilidade (Z-Buffer) e dos objetos que serão utilizados. Imagens Inclui os arquivos de imagem utilizados na interface gráfica da aplicação. Panels Possui classes que agrupam os painéis que formam a janela. A classe PainelHorizontal agrupa os botões no topo da tela, e as classes PainelObjetosGraficos, PainelObjetosPredesenhados e PainelTransformações variam no espaço vertical ao lado do Canvas de acordo com o que é clicado no PainelHorizontal. O PainelTransformações agrupa as interfaces de Translação, Rotação e Escala. Foi escolhida essa maneira de organizar a aplicação para tornar o código mais fácil de manter e com a interface mais simples. Transformações Pacote depreciado e removido da aplicação. As transformações agora são representadas em uma matriz 4x4 que cada objeto modelado possui. Assim, para realizar translações, multiplicações e rotações basta carregar a matriz atual do objeto, realizar a operação e salvar a nova matriz na própria instância. Modelos Possui classes que incorporam os modelos básicos do JOGL (Cubo, Esfera, Chaleira, etc). Foram adicionados elementos que atraem crianças enquanto desenham em folhas de papel (Carro, Casa, Pessoa, Árvore e a Chaleira

5 que já é fornecida no OpenGL). Foram adicionados também modelos que representam partes dos modelos básicos. Dentre eles: metade de uma esfera, metade de um cilindro, um quarto de uma esfera, um quarto de um cilindro, etc. A classe OrigemSistemaCartesiano desenha a origem do sistema de coordenadas da cena que está sendo desenhada e mapeia os eixos x, y, z com as cores vermelho, verde e azul respectivamente. A visualização dos eixos é opcional. Texturas Inclui os arquivos de textura básicos utilizados na aplicação. Util Inclui classes utilitárias. Possui a classe para gerenciar arquivos de textura (classe GerenciadorDeTexturas), a classe que realiza cálculos comuns em Computação Gráfica como identificar vetores e vetores normais em uma face a partir de alguns de seus vértices (Matematica) e a classe Imagem que abstrai imagens dos botões pertencentes a interface. Resultados Experimentais A ferramenta apesar de não estar completa, já possibilita a modelagem de algumas cenas com complexidade razoável. Entretanto, a ferramenta ainda não é totalmente adequada para crianças com idade entre 6 e 12 anos apesar de ser bem simples de se utilizar. Desafios Durante a elaboração do trabalho encontramos muitos desafios que não foram previstos e analisados apropriadamente no inicio da elaboração, muitos deles foram simples obstáculos e alguns de eles verdadeiros problemas, e acabaram tomando muito tempo resolvendo-os, porém o protótipo atingido até o momento é satisfatório. Alguns desafios mais importantes encontrados no presente trabalho estão listado a seguir. Seleção de objetos - A seleção de objetos foi um dos nossos maiores problemas devido a dificuldades na utilização do Z-buffer do próprio OpenGL por alguns problemas de perspectiva. Estes problemas foram resolvidos e a funcionalidade implementada somente depois de muito tempo gasto em pesquisa e teste. A grande dificuldade na utilização do Z-buffer nos levou à tentativa de criar um método de seleção do zero, utilizando a teoria de perspectiva e câmera aprendidos em sala de aula, porém a tentativa falhou em parte, pois não foi possível utilizá-la,

6 mas foi possível visualizar a solução para o problema do algoritmo utilizando as ferramentas do próprio OpenGL. JOGL vs OO Um dos desafios encontrados foi o fato do JOGL, apesar de ser um pacote de ferramentas para a linguagem Java (orientada a objetos), possui quase nenhum conceito de orientação a objetos, dificultando o uso do paradigma adequadamente, tornando o desenvolvimento mais difícil que o esperado. CSG (stencil buffer) Essa funcionalidade é realmente necessária para esta aplicação, mas devido a grande dificuldades na utilização do stencil buffer, somente parte foi implementada. Estruturação de dados dos objetos Um dos objetivos deste trabalho foi criar um programa formal que sirva de base para possívels outros projetos, estruturando o JOGL em objetos e permitindo que estes objetos sejam manipulados o mais parecido com o paradigma orientado a objeto possível, facilitando processos como por exemplo salvar ou carregar estes objetos. Trabalhos futuros Como possíveis trabalhos futuros, pode-se apontar: Melhoria sobre a interface (IHC) - a interface ainda não é muito apropriada para as crianças, apesar de já possuir algumas características para tanto, sobretudo com aquelas que não possuem experiência em computadores, as crianças gostam de ambientes coloridos e chamativos para desenvolver todas suas habilidades, entre as melhorias recomendadas seriam a manipulação das transformações geométricas no programa, este seria mais interativo se a criança poderia manipular o objeto com o próprio mouse. Outra melhoria neste mesmo aspecto poderia ser a manipulação das texturas no programa, agora estão sendo lidas desde arquivos, seria mais interessante mostrar elas de um jeito mais fácil para uma criança. K-Learning possui uma estrutura bem estável, onde é possível adicionar ou alterar interfaces com facilidade. Constructive Solid Geometry - o trabalho realizado no CSG não foi o esperado por o grupo devido à magnitude de esta área, as crianças poderiam aprender muito sobre a manipulação de objetos e aprender sobre operações de conjuntos com objetos 3D. Sombras e transparência - Este trabalho serviria muito às crianças a

7 perceber a iluminação nos matérias na vida real, e perceber as diferenças entre os materiais metálicos, dielétricos e compostos. Gravidade O aprendizado da criança está relacionado também com o comportamento dos objetos na vida real, a criança poderia aprender mais sobre a natureza dos objetos com relação a seu peso. Um exemplo prático deste trabalho poderia ser o empilhamento de objetos. Fontes de Luz - O K-Learning somente utiliza uma fonte de luz, seria interessante ter mais fontes de luz na cena, assim brincar com a iluminação e as distintas propriedades da luz.

8 Referências COHEN, M.; MANSSOUR, I. H.. OpenGL - Uma Abordagem Prática e Objetiva. 1. ed. São Paulo: Novatec, DRUIN, A., BEDERSON, B. B., HOURCADE, J. P., SHERMAN, L., REVELLE, G., PLATNER, M., and WENG, S. Designing a digital library for young children. In Proceedings of the 1st ACM/IEEE-CS Joint Conference on Digital Libraries (Roanoke, Virginia, United States). JCDL '01. ACM, New York, NY, ENGERS, E. M. B.; MALFATTI, S. M.; BRANCHER, J.; NUNES, M. A. S. N.. Aplicacaõ de uma proposta pedagoća para a utilizacaõ do aplicativo LOGO3D no processo de ensino-aprendizagem da geometria.. In: Simpośio Brasileiro De Informa tica a Educacaõ - SBIE 2004, 2004, Manaus. Simpośio Brasileiro De Informa tica a Educacaõ - SBIE 2004, FOLEY, J. D., VAN DAM, A., FEINER, S. K., and HUGHES, J. F. Computer Graphics: Principles and Practice (2nd Ed.). Addison-Wesley Longman Publishing Co., Inc FOLEY, J. D. and WALLACE, V. L. The art of natural graphic man-machine conversation. SIGGRAPH Comput. Graph. 8, 3 (Sep. 1974), GIOCA, M. I.. O jogo e a Aprendizagem na Crianca de 0 a 6 anos. Universidade da Amazonia. Beleḿ-Para, GOMES, J.M. and VELHO, L., Fundamentos da Computação Gráfica, Série de Computação e Matemática, IMPA, MCCRACKEN, C. R.. Issues in computer graphics education. In ACM SIGGRAPH 2006 Educators Program (Boston, Massachusetts, July 30 - August 03, 2006). SIGGRAPH '06. ACM, New York, NY, MYERS, B., HOLLAN, J., CRUZ, I., BRYSON, S., BULTERMAN, D., CATARCI, T., CITRIN, W., GLINERT, E., GRUDIN, J., and IOANNDIS, Y. Strategic directions in human-computer interaction. ACM Comput. Surv. 28, 4 (Dec. 1996),