UM ESTUDO SOBRE AS INTERFACES NATURAIS

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1 UM ESTUDO SOBRE AS INTERFACES NATURAIS Dante Alves Medeiros Filho Universidade Estadual de Maringá - UEM Departamento de Informática - DIN dantefilho@gmail.com Anderson Vieira Universidade Estadual de Maringá UEM Departamento de Informática - DIN me@4nderson.com.br Resumo: O avanço tecnológico ocorrido tanto em hardware como em software facilitou o surgimento de dispositivos com telas Multitouch e de sensores que possibilitam a captação de movimentos dos seres humanos como o Kinect. Este contexto também auxiliou o desenvolvimento de interfaces mais imersivas que utilizam habilidades naturais das pessoas. Estas interfaces são atualmente conhecidas pelo pseudônimo de Interfaces Naturais do Usuário que apresentam novas características de interação quando comparadas a outros tipos de dispositivos computacionais de interação humano-computador. Este artigo tem como objetivo a conceituação das Interfaces Naturais do Usuário assim como apresentar algumas de suas características, tecnologias envolvidas e sua relação com outros tipos de interação humano-computador. Palavras chave: Natural User Interface, Multitouch, Kinect. Abstract: The development of hardware and software facilitated the emerging of devices with multi-touch screens and sensors that enable the capture of human motions like Kinect. This context also helped the development of more immersive interfaces that capture human motions. These interfaces are currently known by "Natural User Interfaces" which introduces new interaction when compared to other types of computing devices for human-computer interaction. This paper aims conceptualization of Natural User Interfaces as well as presenting some of its features, technologies involved and their relationship to other types of human-computer interaction. Keywords: Natural User Interface, Multitouch, Kinect.

2 1. Introdução As Interfaces Naturais do Usuário (do inglês NUI - Natural User Interfaces) são um novo paradigma na Interação Humano Computador que designam interfaces onde as interações são realizadas a partir de ações naturais dos seres humanos, sem a necessidade de periféricos para a entrada de dados, ou caso existam, estes estejam em segundo plano. Pode-se interagir com as NUIs utilizando diversas modalidades de entrada como toque, comandos gestuais, rastreamento de movimentos, comandos de voz, canetas, entre outros. Interfaces naturais têm o objetivo de reduzir a curva de aprendizagem entre o utilizador e a interface, traduzindo gestos corporais em ações e comandos. O desenvolvimento deste tipo de interface está relacionado diretamente à evolução de equipamentos eletrônicos com novos meios de interação. Um exemplo da aplicação de NUIs são os dispositivos móveis. A incorporação de telas Multitouch e detectores de movimento nos dispositivos móveis permitiram o desenvolvimento de novas formas de interação, melhorando assim a experiência do usuário. Neste sentido, o presente trabalho apresenta um estudo introdutório sobre Interfaces Naturais do Usuário em que mostra sua evolução, características e suas relações com outros tipos de interação humano-computador. 2. Interfaces Naturais do Usuário A Interação Humano Computador apresenta uma evolução na qual se destacam: Interface em Lote (Batch Interface), Interface de Linha de Comando (CLI - Command Line Interface), Interface Gráfica (GUI - Graphical User Interface) e a Interface Natural (NUI). A Interface baseada em Lotes era a forma como as pessoas interagiam nos estágios iniciais de desenvolvimento do computador. Nesta fase da interface do usuário eram utilizados cartões perfurados como dispositivo de entrada e uma impressora de linha como dispositivo de saída. Em uma Interface de Linha de Comando o usuário digita comandos para dizer ao computador o que ele deve fazer. Esta forma de interação é extremamente poderosa e rápida, porém implica que o usuário entenda a finalidade de cada comando e seus parâmetros. Segundo Liu (2010) diz que a Interface de Linha de Comando é o verdadeiro início da interação humano-computador. A Interface Gráfica substitui os comandos pela manipulação direta, permitindo que o usuário interaja com o sistema apontando, movendo ou conectando representações de objetos na tela

3 do computador. As interfaces gráficas baseadas no contexto WIMP (Window, Icon, Menu, Pointer) são as mais comuns atualmente, nestas utiliza-se o mouse ou outro dispositivo similar para manipular os elementos na tela tornando a interação mais intuitiva. Myers, Hudson e Pausch (1999) já defendiam que as técnicas convencionais de GUI eram inadequadas para alguns dos tipos de plataformas interativas que começavam a surgir, como dispositivos de computação ubíqua e interfaces de usuário baseadas em reconhecimento por voz e gestos. A NUI surge a partir da evolução tecnológica e da introdução de novos dispositivos que possibilitam novas formas de interação. Widgor e Nixon (2011) defendem que a NUI não é uma interface natural, mas sim uma interface que faz o usuário sentir e agir naturalmente. Uma maneira fácil de lembrar isso é mudar a maneira de dizer "interface natural", não é uma interface natural, mas sim uma interface de usuário natural. Segundo BLAKE (2011), NUIs são interfaces projetadas a fim de reutilizar habilidades já existentes do usuário para interação direta com o conteúdo. Nesta definição há três ítens importantes sobre Interfaces Naturais do Usuário. Em primeiro lugar, NUIs são projetadas, isto significa que estas exigem planejamento prévio e é necessário certificar-se de que a aplicação seja apropriada para o usuário, conteúdo e contexto. Nada deve ser feito ao acaso, é necessário conhecer o trabalho a ser executado pelos projetistas na criação de tais interações e a prioridade do projeto deve ser a mesma dada ao desenvolvimento. Em segundo lugar, NUIs reutilizam habilidades existentes. Os usuários são especialistas em muitas habilidades adquiridas pelo fato de serem humanos, as quais foram praticadas durante anos, tais como a comunicação, tanto verbal quanto não-verbal e interações com o meio ambiente. Com o avanço da computação e das tecnologias de entrada de dados é possível aproveitar estas habilidades não computacionais. NUIs fazem isso permitindo que os usuários interajam com computadores e demais dispositivos usando ações intuitivas como tocar, gesticular e falar, apresentando interfaces que os usuários entendam por meio de metáforas projetadas a partir de experiências com o mundo real. Em terceiro, NUIs tem interação direta com o conteúdo. Interfaces gráficas por definição utilizam janelas, menus e ícones como elementos primários da interface, onde a interação é realizada a partir de periféricos. Em contraste a isso, a frase interagir diretamente com o conteúdo nos diz que o foco das interações é o conteúdo e interagindo diretamente com ele. Isso

4 não significa que a interface não possa ter controles, como botões ou caixas de seleção quando necessário. Significa apenas que os controles devem ser secundários ao conteúdo e a manipulação direta com o conteúdo deve ser o método de interação primária. 2.1 Características LIU (2010) apresenta as seguintes características para as Interfaces Naturais: Centrado no Usuário, é uma interface onde as necessidades, desejos e limitações dos usuários recebem ampla atenção em cada estágio do projeto. É um processo que requer a análise e previsão de como os usuários utilizarão a interface, além de testes reais com usuários reais para testar a validade de suas premissas com relação ao comportamento do usuário. Multi-channel, é uma interface que pretende fazer uso de habilidades sensoriais e motoras ao mesmo tempo, para capturar características complementares de intenção do usuário para aumentar a naturalidade da interação humano-computador. Habilidades sensoriais humanas são visão, audição, tato, olfato e equilíbrio. Para as habilidades motoras utilizam-se as mãos, boca, olhos, cabeça, pés, corpo, e assim por diante. Este processo se reflete em um aumento da percepção por parte do dispositivo sobre a intenção do usuário, tornando o processo de comunicação mais fácil. Inexata, é uma interface que compreende as intenções do usuário. Tecnologia interativa exata é uma tecnologia que deve explicar completamente a finalidade de interacção com o utilizador, teclado e mouse são obrigados a precisão de entrada. Mas as ações ou pensamentos das pessoas não são muito precisos, de modo que a interface deve entender a solicitação do usuário, e até mesmo corrigir alguns erros no processo de comunicação, a fim de compreender quais são as verdadeiras intenções do usuário. Grande Largura de Banda, é uma interface capaz de captar uma grande quantidade de informação. Ao utilizar o teclado como dispositivo de entrada por exemplo, a entrada de dados é muito baixa. Mas, utilizando uma interface natural no processo de interação, o utilizador pode usar a voz, gestos e expressões faciais simultaneamente. Isso significa que a quantidade de informações para capturar é maior. Interação Baseada em Voz, é uma interface que utiliza interações baseadas em voz no processo de comunicação com o usuário. A linguagem é reconhecida como sendo a

5 maneira mais natural, conveniente e eficiente de compartilhamento de informações. Usando este canal, a experiência de comunicação é mais natural e confiável. Interação Baseada em Imagem, é uma interface que integra interações baseadas em imagem no processo de comunicação com o usuário. Estas interfaces são baseadas no comportamento humano a partir da análise de imagem. Atualmente este processo pode ser dividido em três níveis: processamento de imagem (nível mais baixo), reconhecimento de imagem (nível superior), percepção da imagem (o nível mais alto). Primeiro, a imagem é processada a fim de melhor compreender o seu significado e, dependendo da percepção e análise de imagem, a interface em conjunto com o sistema transmite a ação resultante. Interação Baseada em Comportamento, é uma interface que utiliza interações baseadas em comportamento no processo de comunicação com o usuário. Estas interfaces reconhecem o comportamento humano através das características de posicionamento, controle, movimento e expressão de partes do corpo humano, entendendo quais são as ações que tal comportamento descreve. 2.2 Diretrizes para Interações Naturais Blake (2011) apresenta quatro diretrizes para o desenvolvimento de Interações Naturais derivadas de uma compreensão da cognição humana e da interação natural que podem ser aplicadas a qualquer tipo de interface natural do usuário, independentemente da modalidade de entrada, são elas a Experiência Instantânea (Instant Expertise), Carga Cognitiva (Cognitive Load), Aprendizagem Progressiva (Progressive Learning) e Interação Direta (Direct Interaction). A Experiência Instantânea afirma que deve-se projetar interações que reutilizam as competências existentes. Ao fazer isso, você pode tirar proveito das habilidades já existentes dos usuários e criar especialistas instantâneos. Tanto no mundo real quanto em interfaces de usuário, a parte mais difícil é o processo de aprendizagem. Uma vez que uma habilidade é aprendida fica muito mais fácil exercê-la. Os usuários já possuem centenas ou milhares de habilidades, muitas das quais já utilizam desde a infância. Se for possível tirar proveito de um conhecimento existente, os usuários não terão de aprender algo novo, eles só têm de aplicar a habilidade para a nova situação. Há duas maneiras de criar especialistas instantâneos utilizando as habilidades que os usuários já têm: reutilizar habilidades específicas de domínio (Caso a

6 aplicação seja para pessoas com conhecimento de domínio específico, então pode-se descobrir algumas habilidades para usar com base nas atividades que os usuários executam dentro desse domínio) e reutilizar habilidades humanas comuns (Para esta abordagem deve assumir que os usuários são seres humanos a assim reutilizar habilidades simples que estes usuários tenham desenvolvido tomando parte na experiência humana). A Carga Cognitiva afirma que as interações devem ser simples e que utilizem habilidades inatas e simples. Isto tem duas vantagens, primeiro, a interface terá uma carga cognitiva baixa e será mais fácil de usarem segundo lugar, a interface será mais rápida para aprender, mesmo que algumas ou todas as habilidades sejam completamente novas. Caso não seja possível utilizar habilidades simples existentes, deve-se priorizar o ensino de novas habilidades simples, em vez de reutilizar habilidades complexas. O ensino e a utilização de novas habilidades simples, exige menos esforços e é mais natural do que a reutilização de habilidades complexas. A Aprendizagem Progressiva indica que a curva de aprendizagem deve ser suave, partindo das tarefas básicas para tarefas avançadas. Na vida real o aprendizado ocorre progressivamente a partir de habilidades básicas e, eventualmente, dominam-se as habilidades mais avançadas. Interfaces naturais devem habilitar o usuário a aprender e avançar progressivamente de iniciante a especialista. Ao mesmo tempo, a interface não deve dificultar a execução de tarefas avançadas por usuários experientes. Uma maneira para lidar com tarefas avançadas é dividi-los em sub-tarefas que utilizem habilidades simples. Por fim, a Interação Direta afirma que as interfaces devem ser projetadas para utilizarem interações diretas, de alta frequência e adaptadas ao contexto. Nossa interação com o mundo real tem estas qualidades, então isso irá resultar em interfaces mais fluidas e naturais, permitindo que os usuários acessem diversos recursos sem sobrecarrega-los, apresentando-os de uma só vez. 3. Tecnologias 3.1 Multitouch Desde a introdução do computador como item fundamental na sociedade, a forma de interação não mudou, as pessoas continuam a usar teclado ou mouse como método de entrada principal. Huang e Pavlovic (1995) já defendiam que para melhorar o uso dos computadores seria necessário aperfeiçoar o processo de comunicação entre pessoas e computadores.

7 Uma das primeiras tecnologias que apoiaram o desenvolvimento dos princípios das interfaces naturais, foi a Multitouch ou multitoque. Segundo HAN (2005) esta tecnologia se refere à capacidade de uma superfície detectar e reconhecer a presença de dois ou mais pontos de contato com esta. Usando essa tecnologia, os usuários podem interagir diretamente com os elementos gráficos que aparecem em sua tela, podendo realizar ações facilmente com a utilização dos dedos através de gestos bastante intuitivos. Segundo Watson (1993), manipulação direta é um dos conceitos mais importantes da interação humano computador. A intenção é permitir ao usuário manipular diretamente os objetos apresentados a ele, em vez de utilizar um sistema intermediário. Quanto mais o usuário tem que pensar sobre a interface, mais distante ele vai se sentir da tarefa. De acordo com Kin, Agrawala e Derose (2009) interfaces Multitouch suportam interações directtouch (toque direto), bimanual (com as duas mãos), e multifinger (com vários dedos). A interação direct-touch refere-se à capacidade de tocar uma área específica diretamente na tela, bimanual refere-se à interação realizada com as duas mãos, e a interação multifinger refere-se à utilização de vários dedos na interação, mas não necessariamente com as duas mãos. 3.2 Kinect O Kinect é um dispositivo lançado pela Microsoft em 2010 para o console de jogos eletrônicos Xbox 360, que possibilita entre suas capacidades, a leitura de movimentos e o mapeamento do esqueleto humano. O sensor do Kinect possibilitou que jogadores do console Xbox 360 pudessem jogar sem a necessidade de controles, apenas utilizando movimentos corporais, gestos, fala e comandos de voz (Xbox, 2010). A Microsoft lançou em 2012 um sensor Kinect específico para Windows, pois os destinados ao Xbox 360 não possuem licença para serem utilizados no desenvolvimento de aplicações. O Kinect para Windows é um dispositivo físico que fornece às empresas e desenvolvedores a possibilidade de criar aplicações interativas que reconheçam movimentos naturais das pessoas, gestos e comandos de voz. Dentre os dispositivos que surgiram para prover a criação de Interfaces Naturais, o Kinect se destaca pelo desempenho e pelo baixo custo. Segundo descreve a Microsoft (2012) a tecnologia deve entender-nos intuitivamente. Ela deve trabalhar para nós, não o contrário. Para este fim, o Kinect para Windows está ajudando a transformar a maneira como as pessoas interagem com os

8 computadores, dando a empresas e desenvolvedores as ferramentas para criar soluções inovadoras que permitem aos usuários se comunicar naturalmente com os computadores simplesmente gesticulando ou falando. 5. Conclusão Interfaces Naturais estão cada vez mais presentes no dia a dia das pessoas, pois proporcionam uma experiência mais próxima das interações humanas nas relações sociais e com o meio ambiente, tornando quase transparente a interface entre homem e maquina. Na medida em que a tecnologia avançar e a produção de hardware e software acompanharem este avanço de modo que seja viável comercialmente, certamente trará para o cotidiano das pessoas novas experiências de interação, cada vez mais naturais. Nota-se que interfaces naturais devem apresentar características diferentes das interfaces tradicionais. Deve-se entender o usuário, quais tarefas devem ser realizadas e o contexto de aplicação para que a interface seja capaz de extrair as habilidades humanas necessárias para que a experiência do usuário seja a mais natural possível. 6. Referências Blake, J. Natural User Interfaces in.net. Manning Publications Company, Han, J. Y. Low-Cost Multi-Touch Sensing through Frustrated Total Internal Reflection Disponível em < TouchInterface_FTIR.pdf> Acesso em 13 de outubro de Huang, S. T.; Pavlovic V. Hand gesture modeling, analysis and synthesis Disponível em < Acesso em 25 de agosto de Kin, K.; Agrawala, M.; DeRose, T. Determining the Benefits of Direct-Touch, Bimanual, and Multifinger Input on a Multitouch Workstation Disponível em < Acesso em 26 de outubro de Liu, W. Natural User Interface Next Mainstream Product User Interface Disponível em < Acesso em 09 de outubro de Microsoft. Kinect for Windows features Disponível em < Acesso em 30 de outubro de 2013.

9 Myers, B.; Hudson, S. E.; Pausch, R. Past, Present and Future os User Interface Software Tools Disponível em < Acesso em 21 de setembro de Watson, R. A Survey of Gesture Recognition Techniques Technical Report Disponível em < Acesso em 10 de outubro de Wigdor, D.; Wixon, D. Brave NUI world: designing natural user interfaces for touch and gesture, Morgan Kaufmann, Xbox. O efeito Kinect Disponível em < Acesso em 30 de outubro de 2013.