Utilização de Realidade Aumentada na construção de materiais didáticos para o Ensino Fundamental.

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1 Utilização de Realidade Aumentada na construção de materiais didáticos para o Ensino Fundamental. Heder Luiz Martins Junior (UEPG) Lucas Vieira Werner (UEPG) Maysa Lovatto Lopes (UEPG) Rennan Rodrigues da Silva (UEPG) Denise do Rocio Maciel (UEPG) Diolete Marcante Cerutti (UEPG) Tatiana Montes Celinski (UEPG) Resumo: O Museu da Computação vem desenvolvendo atividades que relacionam o processo de ensinoaprendizagem a novas tecnologias. Através do kit de realidade aumentada (RA) desenvolvido por dois acadêmicos do curso de Bacharelado de Informática como parte do trabalho de conclusão de curso em 2010, o museu da computação vem elaborando oficinas e estudo de novos projetos sobre este recurso. Os novos projetos visam desenvolver novos kits de desenvolvimento e otimizar os resultados do modelo já desenvolvido. Este artigo tem como objetivo apresentar os resultados das oficinas com o kit desenvolvido em 2010 e discutir um modelo de um novo kit Palavras-chave: Museu da Computação, Realidade Aumentada, Interação Humano-Computador, Atividade Extensionista, Informática na Educação. 1. Introdução O Museu da Computação propicia espaços de reflexão sobre a computação, onde estudantes, pesquisadores e comunidade interagem para reconstruir a linha do tempo e compreender os aspectos envolvidos entre sociedade, computadores e a tecnologia. Através dessa proposta buscamos mostrar de forma visual, interativa e prazerosa a evolução dos computadores, suas tecnologias e refletir sobre os impactos que esta evolução causa nos processos sociais atuais. Enquanto espaço de ciência, o Museu da computação da UEPG proporciona aos alunos de escolas públicas, privadas e a comunidade em geral, incluindo professores e alunos a conhecer e aprender sobre a história do computador e incentivá-los a refletir sobre o uso das tecnologias de informação e o futuro. O Museu divide-se em espaço físico e virtual. O primeiro disponibiliza mostras do acervo de artefatos tecnológicos antigos, oficinas e workshops. Já o espaço virtual é disponibilizado na Internet através de um sítio que enfatiza conteúdos sobre as tecnologias relacionadas ao

2 computador, e seu relacionamento com conhecimento científico, permitindo refletir sobre o impacto que as atividades descritas causam nos processos sociais atuais (CERUTTI, 2011). O Museu Virtual permite aos usuários visualizar conteúdos, no entanto, surgiu a necessidade de tornar mais interativa à atividade para incentivar a divulgação. Para tanto, utilizou-se o conceito da área de design de interação, onde Preece et al (2005,p.28) argumenta que o design de produtos interativos deve fornecer suporte às atividades cotidianas, seja no trabalho ou no lar. Sendo um dos objetivos do Museu engajar alunos da graduação em atividades de desenvolvimento pedagógico interativo para o Museu, este artigo apresenta o estudo apresentado por acadêmicos do último ano do curso de Bacharelado em Informática que resultou em um trabalho de conclusão de curso para os mesmos. O material envolveu uso da tecnologia de realidade aumentada como ferramenta interativa para disponibilizar o conteúdo histórico sobre o computador para crianças do ensino fundamental. Mesmo após o término do trabalho de conclusão de curso supracitado, o Museu se manteve aperfeiçoando o material. Inicialmente o material tem como foco os alunos. No entanto, através de questionários entregues aos professores durante as atividades notaram-se sugestões para que o mesmo material fosse utilizado também com conteúdos específicos de cada matéria, onde o professor pudesse trocar o conteúdo conforme sua preferência. Visando essa necessidade, o presente artigo vem propor, a criação de uma interface gráfica para que usuários iniciantes possam modificar os conteúdos conforme suas necessidades. 2. Objetivos Apresentar a realidade aumentada como uma tecnologia de interação do Museu Virtual para manipulação de conteúdos às crianças do Ensino Fundamental e uma nova proposta de interface para o aplicativo de realidade aumentada do museu virtual da computação. 3. Referencial teórico: Realidade Aumentada Após ser realmente aderido o termo realidade aumentada em 1992, esta nova maneira de interação entre o ser humano e máquinas vem mostrando-se cada vez mais presente em todos os tipos de mídias e tecnologias. Misturando o mundo virtual ao mundo real, abre-nos a possibilidade de interagir de diferenciadas formas, de uma maneira a expandir a interação entre esses dois mundos olhando a realidade de uma maneira uma pouco mais digital. Seguindo um modelo baseado em sobreposições de objetos virtuais com objetos da vida real esta tecnologia pode ser utilizada, por exemplo, no entretenimento e em marketing, na melhoria de processos da medicina e da indústria e no auxílio na aprendizagem de conteúdos em salas de aula. A RA pode ser definida como uma realidade mista, para isto,ela necessita de três componentes básicos, sendo eles, a combinação da realidade real e virtual, possuir uma interatividade em tempo real e ser registrada em três dimensões (AZUMA, 1997, p. 356). Adaptando para as tecnologias atuais e sendo relativo à maneira como planeja-se utilizar este método, também existe a necessidade de um objeto real com alguma referência, que possa ser interpretado para a criação do objeto virtual. Assim, tem-se uma câmera ou algum aparelho que possa capturar imagens e um software que possa mesclar esta imagem capturada e interpretar o código referenciado. A RA seria assim uma diferenciada interface que foge dos padrões, em que a realidade real é implementada como novos objetos de uma realidade virtual. Há dados a respeito de sistemas que implementavam este método de interação antes dos anos 90. O primeiro, conhecido como HEAD-MOUNTED DISPLAY (mostrador montado na cabeça), mesmo sendo posto em prática no ano de 1968 conseguia realizar a alocação de informações virtuais, sobre objetos físicos, sendo criado por Ivan Sutherland. Posteriormente

3 á adesão do termo Realidade Aumentada, um projeto dessa área em aparelhos móveis foi lançado baseados em um GPS, cujo principal intuito era prestar assistência a deficientes visuais, utilizando a metodologia de sobrepor imagens capturadas com informações sonoras. Segundo Hautsch (2009) a popularização da Realidade Aumentada expandiu-se há pouco tempo, com o uso constante de código em duas dimensões (2D). Estes foram desenvolvidos para suprir a limitação dos códigos de barra, otimizando a tarefa. Neste caso com a vantagem de uma capacidade de armazenamento muito superior através de sua leitura. Neste caso, a realidade aumentada é combinada com o código de 2 dimensões e um software que possua capacidade de leitura dos mesmos. O funcionamento da realidade aumentada baseia-se na tomada de marcações de campo, etiquetas, imagens e qualquer padrão que possa ter seu movimento capturado como referência. Um software de realidade aumentada deve ser programado para identificar estas referências e assim saber o que fazer a partir de ações já pré-definidas. Hautsch (2009) explica que de uma maneira mais generalizada podemos definir os passos da utilização do funcionamento de um software de realidade aumentada como: 1. Captura através de uma câmera ou qualquer outro dispositivo de captura de imagem. 2. As imagens são transmitidas em tempo real para o software. 3. O software reconhece a imagem, já programada em seus dados. 4. O software identifica a ação a ser tomada através da imagem enviada, sendo esta ação já predefinida. 5. O dispositivo de saída constrói o objeto virtual(ou ação a ser tomada ) sobre a imagem real e exibe este conjunto. 4. Ferramentas para desenvolvimento de RA Há diversas ferramentas disponíveis no mercado como ArtoolKit, ARToolKit Plus, ARTag, Dart, OSGART entre outras. Neste trabalho, foram abordadas duas, as quais foram selecionadas por serem a base de desenvolvimento do material do Museu: o Ezlflar utilizado diretamente através de seu site (www.ezflar.com) e o ARToolkit obtido através de download pelo site (www.hitl.washington.edu/artoolkit/download). Nesta seção aborda-se o funcionamento das mesmas e sequencialmente a aplicação no projeto do Museu. A ferramenta ARToolKit consiste em uma biblioteca em Linguagem C através da qual é possível gerar interfaces de realidade aumentada. Utilizando o método de visão direto por vídeo, detecta imagens através de marcadores. Permite também capturar imagens por visão direta ótica. O aplicativo Ezflar é uma biblioteca desenvolvida pelo jornal O Estado de São Paulo através da qual é possível desenvolver aplicações de realidade aumentada sem a necessidade de programação. Possui código em Actionscript3 e foi criado com base em bibliotecas como FLARManager, FLARToolkit e Papervision3D. O fato de o ArtoolKit disponibilizar código aberto(consularo,2004) é considerado um diferencial positivo para quem possui conhecimento técnico para otimizar a ferramenta. Conquanto, tal característica representa um empecilho para usuários sem conhecimento técnico. Por conta da problemática, atualmente já encontram-se disponíveis aplicativos derivados do programa, alguns exemplos: Sacra: Disponibilizado oficialmente em 2008, pelo aluno Rafael Santin orientado pelo professor Cláudio Kirner, iniciou seu desenvolvimento em 2004 quando durante um curso sobre ARToolKit notou a dificuldade de alguns participantes em instalar e configurar o

4 aplicativo. Diferencia-se do ARToolkit, pois métodos que antes eram realizados através de programação foram substituídos por configuração utilizando arquivos de textos e pastas. Abaixo o Artool book, livro no qual o usuário configura textos, imagens,objetos ilustrativos e em três dimensões (3D) e sons. Sequencialmente (centro e direita) kitsol RA formado por livro e marcadores que exibe o Sol, Mercúrio, Vênus, Terra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano, Netuno e Plutão em 3D (Figura 1). Figura1- A esquerda Artool-book. Ao centro e a direita Sol- RA. Fonte:http://www.ckirner.com/sacra/aplica/gel-ra/index.php?page=artoolbookv2. Flaras: Elaborado a partir da ferramenta FLARToolkit (ARToolkit com Flash) e Sacra. Difere-se por resultar em uma aplicação que não necessita de instalação. Pode ser disponibilizada em um servidor de internet (online) ou distribuída para uso local (execução no navegador do usuário). Abaixo ilustrações da Hipermídia online sobre animais utilizada para auxiliar alunos e professores no estudo de algumas classes/filos (Figura 2). Sequencialmente Livro Interativo e Inclusivo de lançamento oblíquo que através de marcadores nivelados apresentam conteúdo sonoro no intuito de gerar inclusão de deficientes visuais (Figura 3). Figura 2-Hipermídia online sobre animais. Fonte:

5 Figura 3 -Livro Interativo e Inclusivo de lançamento oblíquo Fonte: - Limitações da RA baseada em visão computacional O ArtoolKit utiliza visão computacional (calcula o ponto de vista da câmera em relação a um marcador) para realizar a sobreposição de objetos virtuais com o mundo real. Conforme material disponível no endereço eletrônico. No entanto, a tarefa se depara em limitações que influenciam diretamente o sucesso de aplicações de RA (CONSULARO, 2004). Os objetos só podem ser exibidos se os marcadores forem rastreados por completo, o que influencia no tamanho dos marcadores e consequentemente no tamanho do objeto virtual e seus movimentos que são ligados de forma proporcional. Há limite na inclinação dos marcadores com relação ao eixo óptico da câmera. Quanto maior o tamanho do marcador maior a distância na qual o mesmo poderá ser detectado, mas há dificuldade para realizar o rastreamento dos mesmos. Além disso, padrões repletos de detalhe têm eficácia reduzida. Outro aspecto é a iluminação, a qual pode criar reflexões e regiões brilhantes nas marcas do papel tornando difícil a detecção pelo software. 5. Resultados: como foi produzido e aplicado o primeiro material pedagógico 5.1. Material A opção por utilizar o ARToolKit deu-se por conta de serem gratuitas para fins não comerciais além de possuir código aberto possibilitando adaptar as aplicações da ferramenta. A fim de minimizar algumas limitações da realidade aumentada, na confecção dos marcadores optou-se por disponibiliza-los em forma de cubos (Figura 4), pois os mesmos mantém a figura plana o que facilita a leitura pela câmera, e evitam que as crianças coloquem os dedos sobre o marcador impossibilitando a leitura.

6 5.2. Oficinas Figura 4 - Cubos utilizados durante as oficinas práticas. Fonte:http://www.uepg.br/proex/anais/trabalhos/281.pdf Esta atividade extensionista é desenvolvida por quatro alunos sendo dois do curso de Engenharia de Computação e dois do curso de Bacharelado em Informática. As oficinas começaram em março de 2012 e utilizaram a primeira versão do material com realidade aumentada (utilizando o ARToolkit e os cubos mostrados na Figura 4). Foram realizadas até o momento (maio de 2013) quatro oficinas com três escolas públicas para alunos do quarto e quinto ano do ensino fundamental, uma oficina com alunos do terceiro ano do ensino médio e três mostras em eventos de extensão. As oficinas totalizaram a participação de 86 alunos do ensino fundamental e os eventos de extensão aproximadamente 150 participantes (alunos, professores e comunidade em geral) Atualmente as oficinas são realizadas em escolas públicas e privadas da região de Ponta Grossa. Durante a atividade, os alunos são informados sobre o projeto e orientados sobre o uso do aplicativo. Para realizar a atividade são necessários 16 alunos divididos igualmente em quatro equipes. Para cada integrante da equipe é entregue um cubo com seis marcadores que devem ser posicionados em frente a câmera até que seja exibida figura para análise. Durante a atividade o aluno precisa definir se a figura visualizada é da área de informática e se é um equipamento antigo ou não. Além disso, é realizada competição na qual a equipe que definir as figuras de forma mais eficiente e eficaz é a vencedora. Os alunos são observados durante a interação com o aplicativo. Após a exposição os alunos são convidados a responder uma rápida avaliação sobre a oficina e o aplicativo. Um aspecto a ser considerado é que o objetivo da atividade vai além de gerar conhecimento, ela também estimula o senso crítico, a competitividade e a colaboração entre a equipe. Assim, a fim de desenvolver a nova versão do material de realidade aumentada, possibilitando que os professores possam otimizar o aplicativo de acordo com a sua preferencia, foi realizado um estudo sobre os conceitos envolvidos e as ferramentas que serão utilizadas. As características da proposta inicial são descritas nos tópicos a seguir. 6. Conceito Interface Gráfica (GUI) É visível a todos que muitos dos programas que conhecemos agem com os usuários através da troca de informações. O meio pelo qual a parte humana solicita ao programa a execução de tarefas, alguma resposta, ou qualquer comunicação entre as partes é feita pela Interface (PREECE et al, 2005). Muitas vezes confundida com o próprio programa, a Interface tem

7 grande peso na aceitação de um software, já que, com certeza, clientes são atraídos pela facilidade de manipulação, telas atraentes com bom design,bem como pelos componentes visuais auto-explicativos. Essas características mencionadas mostram a necessidade de uma boa interface para um software. Ambiente gráfico é um software feito para facilitar e tornar prática a utilização do computador através de representações visuais do sistema operante. Segundo Deitel (2003). Interface gráfica do utilizador, ou GUI (Graphical User Interface), é um tipo de interface do utilizador que permite a interação com dispositivos digitais através de elementos gráficos como ícones, janelas, menus e ponteiros e outros indicadores visuais. Desse ponto de vista o problema básico e fundamental da área: a transformação de dados em imagem. Figura 5 -Computação gráfica Legenda: conversão de dados em imagem. O objetivo do protótipo de uma interface para a tecnologia ArtoolKit é tornar a ferramenta viável para professores sem o auxílio de um programador para iniciar o aplicativo e montar o seu próprio conjunto de imagens. A tela inicial do aplicativo foi feita como o máximo de simplicidade, com o intuito de facilitar a usabilidade, baseando-se apenas em botões descritivos, contrário ao projeto inicial, em que o responsável precisa abrir a pasta raiz do arquivo e explorar por todas as pastas para encontrar o arquivo responsável pela reprodução do vídeo e captura dos marcadores. A plataforma de desenvolvimento escolhida foi Java, devido a facilidade de acesso a biblioteca gráficas. 7. Criação Interface Java Em Java, as classes nas quais nos baseamos para criação de interfaces gráficas, bem como para fornecer-lhes funcionalidade, estão agrupadas em dois grandes pacotes: java.awt (pacote do núcleo) e javax.swing (pacote de extensão) Swing Criado em 1997 incluindo os componentes GUI já existentes desde a versão 1.2 de JAVA, a maioria dos componentes são escritos e manipulados e exibidos completamente em Java, sem auxílio, sendo conhecidos como Java puros, os quais são considerados simples e fornecem funcionalidade e aparência uniforme em todas as plataformas (DEITEL, 2003) (Figura 6).

8 Figura 6 - Aparência interfaceswing. Legenda: Aparência interface Swing ou aparência de metal, pois sua aparência independe do sistema em que está rodando AWT Os componentes GUI do AWT Abstract Windowing Toolkit ( Figura 7) apareceram em Java na versão 1.0, recursos da plataforma do usuário. Dessa forma, a aparência dos componentes difere quando executados em diferentes sistemas operacionais, projetado para que cada máquina virtual implemente a interface do software. Isso pode ser desejável uma vez que permite o software utilizar os componentes GUI com que já está familiarizado, porém o layout pode se alterar ao variar a plataforma (FRIENDLY, 2003). Figura 7- Comparação interface AWT e Swing.

9 8. Layout inicial Todo o layout foi planejado de maneira que tivesse um diálogo simples e natural de maneira que fale a língua do usuário. O layout foi todo produzido na linguagem Java, mais especificamente na biblioteca javax.swing, devido a sua característica chamada de aparência de metal, que significa que sua aparência não se altera indiferentemente do sistema operacional, para evitar que haja alterações e o usuário não compreenda o funcionamento do programa.. Figura 8 - Layout inicial 9. Funcionalidade O primeiro botão, será responsável pela reprodução do vídeo, ou seja, a implementação da realidade mista. Sua funcionalidade consiste basicamente em abrir o aplicativo simplevrml, e na sequência trazer ao usuário as configurações de câmera, que já são definidas pelo aplicativo e apenas precisa de uma simples confirmação. Para compilar este projeto em Java é necessário o uso da biblioteca glut.h, e o pacote opengl.lib, implementada pela biblioteca jogl.h. O estudo foi feito baseando-se em figuras 2D, em caso de figuras 3D e animações as bibliotecas openvrml.lib, libpng.lib, lipjpeg.lib, zlib.lib, artln.lib e libarvrmld.lib deveriam ser adicionadas.

10 10. Considerações Finais Ao analisar as oficinas do projeto Meseu da Computação desenvolvidas notou-se facilidade e grande interesse da parte tanto dos alunos como dos professores. O projeto além de apresentar a tecnologia da realidade aumentada, foi capaz de despertar o interesse para a interação da informática com o ambiente educacional. Dentre as escolas nas quais a oficina foi desenvolvida muitas solicitaram manter-se informadas sobre novas tecnologias. Apesar dos bons resultados a aplicabilidade do projeto encontra-se limitada devido a necessidade de equipamentos informáticos como câmeras digitais. Materiais que, em algumas escolas, nem sempre estão disponibilizados para os alunos. Os acadêmicos envolvidos no projeto Museu da Computação almejam que a nova interface seja compreensível para os usuários a fim de divulgar a tecnologia, simplificar o aprendizado de conteúdos complexos e incentivar a interação da informática junto aos meios de aprendizagem. Referências AZUMA, R. T. et al. Recent Advances in Augmented Reality. IEEE Computer Graphics and Applications, v.21, n.6, p AZUMA, R. T. A Survey of Augmented Reality, UNC Chapel Hill, In Presence: Teleoperators and Virtual Environments, CERUTTI, D. M.L., CELINSKI, T.M., IELO, F. G. P. F., DUDA R., VILLALBA, R. D. A., MELO, G. A.Museu da Computação da UEPG. Ensino-Pesquisa-Extensão e o Museu Virtual In: CBEU Congresso Brasileiro de Extensão Universitária, 2011, Porto Alegre. CONSULARO, L.A.; CALONEGO JR, N.; DAINESE, C.A.; GARBIN, T. R.; KIRNER, C.; TRINDADE, J.; FIOLHAIS, C. - ARToolKit:Aspectos Técnicos e Aplicações Educacionais. In: Cardoso, A.; Lamounier Jr, E. editores. Realidade Virtual: Uma Abordagem Prática. Livro dos Minicursos do SVR2004, SBC, São Paulo, 2004, p DEITEL, H. M., DEITEL P. J. Java Como Programar. Bookman, Quarta Edição, 2003 FRIENDLY, L., CAMPIONE, M., WALRATH, K., HUML, A.The Java Tutorial.Sun Microsystems, Terceira Edição, Disponível para download e online em HAUTSCH, O. Como funciona a realidade aumentada", maio de 2009, disponível online em PREECE, J. et al.design de interação: além da interação humano computador.porto Alegre: Bookman, 2005.

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