Interface 3D para Acessar Conteúdo Digital

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1 Interface 3D para Acessar Conteúdo Digital Eduardo Magalhães Sampaio, Thomas de Araújo Buck UNIFACS - Universidade Salvador NUPERC - Núcleo de Pesquisa em Redes e Computação Rua Ponciano de Oliveira, 126. Rio Vermelho. CEP Salvador, BA edmsampaio@yahoo.com.br, thomas@unifacs.br Resumo. Neste artigo discutiremos a proposta de um sistema que tem como foco tridimensionalizar aulas através de uma sintaxe e de um sistema visual para ser usado como ambiente de apoio à aprendizagem. O objetivo do software é mostrar que, além da possibilidade de se ler um material, pode-se criar um ambiente virtual e através deste transmitir o conhecimento do material de uma forma similar àquela feita em aulas presenciais. 1. Introdução Segundo Aristóteles, todos os homens, por natureza, anseiam por conhecimento. E existem tentativas de se preencher esta carência de instrução pelos mais diversos aspectos. O conceito de Ensino à Distância (EAD), quebrando o clássico paradigma de professor na sala de aula, é um processo de educação que tem sido progressivamente mais usual. Presentemente, o conhecimento disponibilizado aos estudantes de EAD está na forma de mídias, como arquivos de texto, de áudio e vídeo. Todavia, por qual motivo não podemos agora disponibilizar este material para o aluno de EAD de uma forma tridimensional, dando a percepção de que ele está freqüentando uma sala de aula? Esta é uma pendência que, através do software que será apresentado neste artigo, tentaremos solucionar. Para a construção de tal software, foi feita, previamente, uma apreciação do estado da arte, seguida de uma busca por tecnologias que fossem compatíveis com as nossas necessidades. Este software deveria operar na maior quantidade de dispositivos factíveis através da internet, suprimindo qualquer inconveniente para o usuário final, e integrar-se com sistemas de gerenciamento de conteúdo, como o Moodle [1] ou Plone [2]. Além disso, deveria ser desenvolvido com o uso de padrões globalmente aceitos e consolidados. Futuramente, o uso de uma ferramenta de autoria facilitará para o produtor de conteúdo, eliminando o máximo de código possível, fazendo com que ele unicamente se preocupe com o conhecimento que ele for inserir no sistema. Para debater esta necessidade, organizamos o artigo da seguinte maneira: a seção 2 apresenta o objetivo do sistema proposto; os fundamentos do sistema se encontram na 270

2 seção 3, juntamente com seus pontos destacados; resumidamente, na seção 4, abordamos um pouco da pesquisa feita para a construção do sistema; a seção 5 discute a arquitetura do sistema com as linguagens, padrões usados e a sintaxe interna do software; na seção 6 discutimos um exemplo de uso do sistema; e, por fim, na seção 7 são apresentadas as considerações finais. 2. Objetivo do Sistema O objetivo do sistema é criar um ambiente tridimensional que possua um avatar, representando o professor. Este avatar, através de gestos e de fala, tentará transmitir o conteúdo de uma aula para o usuário, no nosso caso, um aluno. Com isso, estaremos disponibilizando uma nova opção para que o usuário possa usufruir do conteúdo. Nós observamos que o EAD utiliza textos, áudios e imagens, entretanto de uma forma não acoplada. Através do sistema, estes meios de transmissão de informações estariam unidos e dentro de um ambiente virtual, conceito este a ser discutido durante o texto. Queremos deixar claro que o propósito do software não é substituir de forma alguma os métodos atualmente utilizados na metodologia de EAD, e sim fornecer uma nova opção de mídia dentre as existentes atualmente. Ao invés de ler um texto com o conteúdo, o usuário poderá assistir e escutar este conteúdo animado através do sistema. 3. Fundamentos do Sistema Durante a elaboração do sistema, encontramos três pontos que merecem destaque. A partir destes conceitos é que definimos a estrutura do software a ser produzido. Estes pontos serão discutidos a seguir Ambiente Virtual A utilização do ambiente virtual terá como objetivo uma experiência mais próxima do real que outros métodos de transmissão de informação, uma vez que o virtual "não se trata de modo algum de um mundo falso ou imaginário. Ao contrário, a virtualização é a dinâmica mesma do mundo comum, é aquilo através do qual compartilhamos uma realidade" [3] Avatar O uso de humanóides virtuais, neste artigo denominado de avatares, foi encontrado em todos os sistemas que pesquisamos. Os avatares, apesar de não muito detalhados, ao menos devem realizar gestos de locomoção pelo cenário para transmitir um certo realismo durante seu deslocamento. O avatar terá a finalidade de representar o professor na sala de aula Transmissão de Conteúdo O ambiente virtual precisa também transmitir as informações para o usuário. Os métodos normalmente utilizados para esta tarefa são texto, áudio e imagens. Os textos podem estar em forma de legenda, localizados normalmente na parte inferior da tela ou 271

3 em forma de balões na cabeça dos avatares. Já o áudio pode ser sincronizado com movimentos labiais dos humanóides virtuais ou não. As imagens já fazem parte naturalmente do mundo virtual, que trabalha com elas para gerar esse ambiente imersivo. 4. Pesquisa Realizada Antes da construção do sistema aqui discutido, uma pesquisa entre interfaces e linguagens existentes foi realizada a fim de facilitar a sua implantação. Falaremos brevemente de algumas dessas ferramentas pesquisadas, como mostra a Figura 1. (a) Lively (b) Second Life (c) ExitReality (d) Open Cobalt (e) Adobe Flash (f) O3D Figura 1. Ferramentas pesquisadas. Iniciamos a pesquisa procurando interfaces existentes. Mesmo que o propósito dessas interfaces não estivesse relacionado com o nosso, o objetivo era tentar adequar a parte visual para usar no nosso sistema. Dentre as pesquisadas podemos citar a Lively [4], Figura 1(a), que foi descontinuada; Second Life [5], mundo virtual bastante conhecido, Figura 1(b); ExitReality [6], que prega a criação de mundos 3D de qualquer página da Internet, Figura 1(c); e Open Cobalt [7], browser com o foco em ambientes colaborativos, Figura 1(d). Todas essas interfaces, com suas respectivas vantagens, não foram aproveitadas devido a problemas como: serem limitadas ou genéricas demais, dificuldades na implementação do nosso código, e outros detalhes discutidos em [8]. A pesquisa continuou então com a procura de ferramentas como Adobe Flash [9], Figura 1(e) e O3D [10], Figura 1(f), dentre outras analisadas em [8]. Depois desta análise feita e das ferramentas escolhidas, conseguimos dar início à construção do sistema. Na seção seguinte explicamos cada um dos pontos chaves deste sistema, bem como as escolhas realizadas. 272

4 5. Arquitetura do Sistema Depois desta análise feita sobre as interfaces e linguagens, conseguimos dar início à construção do sistema. Nesta seção explicamos cada um dos pontos chaves deste sistema Sintaxe Utilizada Para permitir um sistema flexível, dando a possibilidade de programá-lo sem a necessidade de reprogramá-lo, decidimos implementar uma sintaxe que tem o objetivo de customizar o ambiente e permitir a inserção do conteúdo da aula, assim como indicar os gestos que o professor deve realizar. Uma sintaxe derivada do XML (Extensible Markup Language) [11] foi criada, por ser um padrão amplamente usado e pela interoperabilidade. É possível, através dela, indicar o ambiente no qual será ministrada a aula e o avatar que representará o professor. Este procedimento ficará mais claro na seção 5.5. A sintaxe funciona como uma ponte, que liga o conteúdo já produzido pelo autor com o sistema, que irá apresentar esses dados em três dimensões. No momento, a criação da sintaxe é um processo que o autor deverá realizar, mas que poderá ser automatizado por futuras ferramentas de autoria. A sintaxe permite que o autor, se desejar, possa fazer suas customizações de forma simples, pois esta possui poucos atributos necessários para a customização Parser O software, para conseguir transformar a sintaxe utilizada para o ambiente virtual, precisa de uma rotina que faça esta tradução. Como a linguagem da sintaxe é baseada em XML, fomos capazes de selecionar um dos dois tipos de API (Application Programming Interface) [12] normalmente utilizadas: a DOM (Document Object Model) [13]; e a SAX (Simple API for XML) [14]. Para realizar esta decisão, levamos em conta o benefício que cada API traria, assim como a sua utilização de memória, acarretando um melhor desempenho. No nosso caso, SAX funciona perfeitamente, pois precisamos varrer todo o documento e montar a cena sem a necessidade de armazenar o documento na memória, característica essa da API DOM. À medida que elementos são encontrados, a cena é construída e não mais precisaremos dessa informação novamente. Além disso, SAX não gastará a memória armazenando estes dados, conferindo melhor desempenho ao sistema Sistema Visual Para a criação do sistema visual, utilizamos a linguagem X3D (Extensible 3D) [15], que é uma tecnologia para distribuição de conteúdo interativo em 3D, que evoluiu da última versão da Virtual Reality Modeling Language (VRML) [16]. Ela se estabeleceu como um padrão ISO que provê a um sistema, maneiras de armazenar, resgatar e reproduzir gráficos em tempo real contidos em aplicações. Essa linguagem foi produzida com o intuito de ser usada em uma gama de dispositivos e aplicativos de áreas como a 273

5 engenharia, para visualizações científicas, apresentações em multimídia, e a própria Internet. O fato da linguagem X3D ser tão abstrata é que possibilita seu desenvolvimento em vários periféricos. Através de um protocolo de manipulação para o grafo de cena, denominado Scene Access Interface (SAI) [17], o usuário poderá interagir com o ambiente através de códigos via script ou de aplicativos externos. Isso permite que o X3D possa ser integrado com outros aplicativos que sigam as especificações dessa interface Formato H-Anim O formato H-Anim, desenvolvido pelo Humanoid Animation Working Group [18], é um padrão internacional que representa uma abstração para modelar humanóides em três dimensões [19]. A importância da utilização deste padrão é a compatibilidade entre o uso de qualquer humanóide no nosso software sem a necessidade de modificar nada além da referência do arquivo do novo humanóide que deverá substituir o professor. Os movimentos criados para um desses humanóides serão totalmente compatíveis com qualquer outro. Isto trouxe uma facilidade no decorrer da construção do software, pois existem movimentos e os próprios humanóides disponíveis para uso, tirando a obrigatoriedade de construir um modelo e implementar todos os movimentos do mesmo. H-Anim interpreta o humanóide como um conjunto de joints e segments, que são as estruturas básicas. A quantidade e a funcionalidade destes depende de qual implementação dos Levels of Articulation (LoA) esteja em uso. Na versão 1.1, H-Anim disponibiliza quatro tipos de LoA [20]. A diferença em cada um deles está no nível de detalhamento. No nosso sistema, utilizamos o LoA1, que permite o uso de um humanóide simples com 18 joints Criação e Descrição de um Arquivo Syntax Como descrito anteriormente, a existência da cena depende do conteúdo do arquivo denominado de Syntax. O arquivo básico é composto pela tag <syntax>, que identifica o começo do arquivo, e pela tag <head>, que separa o conteúdo para iniciar a cena dos comandos a serem executados na cena. A seguir, faremos uma descrição de algumas das tags do arquivo Syntax utilizadas para criar uma cena com movimentos do professor, gerar falas, exibir imagens e iniciar a cena. Note que, quando for mencionado "parâmetro X3D", estamos nos referindo aos parâmetros da linguagem X3D localizados arquivo X3D usado para montar a cena ou o professor Tag <head> <head> separa o conteúdo importante para configuração da cena. Deve vir logo em seguida da tag <syntax> e deve conter as tags <env> <prof> e <pause> apenas uma vez cada. A descrição de cada uma dessas tags vem a seguir Tag <env> Esta tag determina o ambiente. Através do parâmetro src, devemos indicar o local onde está o arquivo no formato X3D que contém o ambiente onde a aula deverá ocorrer. Isto nos dá uma flexibilidade de poder usar qualquer ambiente, apenas 274

6 alterando este parâmetro, sem precisar mexer em nenhum outro local. Devemos especificar também o parâmetro imgdef, que deverá ter o nome de algum objeto neste arquivo cujo parâmetro X3D DEF seja igual, pois, ao usar a tag <img>, a imagem fornecida será exibida nesse local. Normalmente devemos preencher este parâmetro com o objeto que, na cena X3D fornecida, represente o quadro do professor Tag <prof> É a tag que especifica peculiaridades do avatar que representa o professor. O src deve indicar o caminho do arquivo que possui o avatar no formato X3D, seguindo o padrão H-Anim. Não existe uma verificação para saber se o arquivo fornecido está no padrão H-Anim, mas os movimentos descritos durante o arquivo não irão ser executados, gerando erros na cena. Deve-se preencher também o def, que precisa ser compatível com o parâmetro X3D DEF dentro do arquivo do avatar, indicando o nó que agrupa todas as partes H-Anim do avatar. E, para adequar o avatar à cena, temos os parâmetros pos, dim e dir, que respectivamente devem receber três inteiros cada um, indicando a posição, dimensão e orientação do avatar Tag <pause> Esta tag permite que, a cada execução de um novo comando, o sistema execute o intervalo de tempo fornecido através do parâmetro value Tag <motion> É a tag que possibilita a execução dos movimentos no avatar, através do parâmetro anim, que, atualmente, está apto a executar as seguintes animações: Jump, StretchLeftArm, Run, Stand e Walk. Através dos parâmetros pos e dir, informamos a posição e a orientação final do avatar ao término da execução deste comando. Podemos informar a duração deste movimento através do parâmetro dur, que recebe um número inteiro, determinando os segundos. Também temos o parâmetro pause, que funciona da mesma maneira que o value da tag <pause>. Este valor será incrementado ao valor estabelecido pela tag <pause> apenas nesta ocasião. E, caso seja necessário executar o próximo comando sem ter de esperar o término deste, temos o parâmetro, que por padrão é falso, async, que determina este comportamento. Por exemplo, se o professor precisar andar e falar ao mesmo tempo, devemos criar a tag <motion> com async="true" para que o sistema possa executar logo após o inicio do movimento de andar a próxima tag. Se o professor necessitar andar até certo ponto e depois começar a realizar a próxima ação, async="false" deverá ser usado. Note que, o valor da tag <pause> definida na tag <head> ainda será executado em qualquer uma das situações. No entanto, async="true" não terá efeito caso o próximo comando seja da mesma tag, pois isto poderia fazer com que o avatar falasse duas frases ao mesmo tempo, ou se locomover para dois pontos diferentes no mesmo instante Tag <text> Originalmente usada para escrever textos na tela em forma de legendas, esta tag deverá possuir no parâmetro value a sentença que o professor deverá falar naquele momento. Assim como <motion>, ela também possui os parâmetros async e pause, que funcionam da mesma maneira. No momento estamos cogitando em mudar o nome da tag para que seu uso fique mais claro. 275

7 Tag <img> Usada para exibir alguma imagem na cena. Caso não seja definido nenhum valor para o parâmetro def, será utilizado o objeto X3D definido na tag <env> pelo parâmetro imgdef para exibir a imagem, que deve ser definida pelo src. Também possui o parâmetro pause, com a mesma funcionalidade encontrada nas tags <motion> e <text>. 6. Exemplo de Uso Seja a seguinte situação: o conteudista deseja mostrar na sua aula de matemática a tabela de multiplicação do número nove. Primeiramente ele deve elaborar o arquivo com o conteúdo, os gestos e uma imagem que represente a tabela de multiplicação, como mostra a Figura 2. Figura 2. Arquivo Syntax O primeiro comando da Figura 2, <syntax> indica o início do arquivo. Logo após está o <head>, que serve para agrupar os comandos de configuração da cena, descritos anteriormente. Na linha sete indicamos que o arquivo display.jpg, que pode ser visto na Figura 3, será exibido no quadro da cena. Figura 3. Arquivo display.jpg 276

8 Ele contém a tabela de multiplicação do número nove. Em seguida, temos uma série de comandos de fala e de gestos. Na linha nove, o avatar deverá girar 90 graus no sentido horário, durante 1 segundo, utilizando a animação Stand. Depois ele deverá se deslocar até a coordenada (-20, 1, -120), durante 2 segundos, usando a animação Walk. Depois o avatar deve girar 90 graus no sentido anti-horário e, na linha 12, o avatar executa a animação StretchLeftArm ao mesmo tempo que começa a falar a primeira linha da tabuada de multiplicação, devido ao parâmetro async= true. Esta demonstração dura aproximadamente 50 segundos, e, na Figura 4, encontra-se uma imagem aleatória da mesma. O vídeo na integra, desta animação, encontra-se acessível em Figura 4. Imagem da sequência onde o avatar ensina a tabuada do 9 7. Considerações Finais Apesar de existirem muitos sistemas parecidos, nenhum dos pesquisados tinha como foco a utilização para substituir os materiais de leitura. Este trabalho conseguiu estabelecer esta meta e fornece uma maneira simples de criar uma cena e de dar vida ao representante do professor, além de fornecer ao usuário uma nova maneira de poder interpretar conteúdos disponibilizados por professores. Por causa de sua forma lúdica, o público-alvo do sistema está mais focado nas crianças e adolescentes. Mas isto não impede que ele seja usado para trabalhar com conteúdo de nível superior, por exemplo. O trabalho precisa, também, ser testado por um público que esteja disposto a receber informações através de voz, imagem e movimentos de um avatar que, atualmente, está longe de ser realista. Como trabalhos futuros, podemos incluir um meio de transformar os tipos mais comuns de materiais disponibilizados em meios digitais (arquivos pdf, powerpoint, etc.) num arquivo Syntax, pronto para ser utilizado pelo sistema. Também poderemos deixar o avatar mais interativo e inteligente, implementando um chatterbot, que tem a função de dialogar com o usuário, para que ele seja capaz de interagir através de perguntas e respostas. 277

9 Agradecimentos Os autores deste artigo gostariam de agradecer a FAPESB Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado da Bahia pelo apoio dado no desenvolvimento desta pesquisa. Referências [1] Moodle.org: open-source community-based tools for learning., Junho 2009, 1. [2] Plone CMS: Open Source Content Management., Junho 2009, 1. [3] LEVY, P., O que é o virtual?. São Paulo: Editora 34, [4] Lively - 3D Avatars and Rooms, Junho 2009, 1. [5] Virtual worlds, avatars, 3D chat, online meetings - Second Life Official Site, Junho 2009, 1 [6] ExitReality - The Entire Web in 3D, Junho 2009, 1 [7] The Open Cobalt Project, Junho 2009, 1 [8] Sampaio, E., Buck, T., Interface 3D Aplicada em EAD, Em processo de submissão ao SBIE. [9] ADOBE FLASH CS4 PROFESSIONAL, Julho 2009, 1 [10] O3D API - Google Code, Julho 2009, 1. [11] Extensible Markup Language (XML) 1.0 (Fifth Edition), Julho 2009, 5. [12] QuickStudy: Application Programming Interface (API), Julho 2009, 1. [13] W3C Document Object Model, Julho 2009, 5. [14] Simple API for XML (SAX), Julho 2009, 5. [15] Brutzman, D., X3D: extensible 3D graphics for web authors, Elsevier, Amsterdam, 2007, p.441. [16] VRML Virtual Reality Modeling Language., Junho 2009, 1. [17] Extensible 3D (X3D), ISO/IEC :2004, 4 Concepts.,

10 X3DAbstractSpecification_+_Amendment1_to_Part1/Part02/concepts.html, 2009, 1. [18] Humanoid Animation Working Group., Junho 2009, 1. Junho [19] ISO/IEC FCD 19774:200x Introduction., Anim200x/ISO_IEC_FCD_19774/Introduction.html, Junho 2009, 1. [20] Specification for a Standard Humanoid -- Appendices, Julho 2009,