Ambiente Virtual de Aprendizagem Multimídia por Streaming e Realidade Virtual

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1 Ambiente Virtual de Aprendizagem Multimídia por Streaming e Realidade Virtual Benjamin G. Moreira 1, Fernando M. de Azevedo 1, Fabiano L. S. Garcia 2 1 Instituto de Engenharia Biomédica - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) Florianópolis SC - Brasil 2 Mediasoft Softwares e Produções Multimídia Ltda, Florianóplis SC - Brasil {benjamin,azevedo}@ieb.ufsc.br, garcia@mediasoft.com.br Abstract. The objective of this paper is to demonstrate a virtual environment using streaming of audio and video. This resource is used to live transmissions classes, providing recorded classes and communication between users. The virtual environment also includes the possibility of use of virtual reality, through of 3D classroom, for student s interaction, use of 3D objects and animations in Flash format. Resumo. Este trabalho demonstrar a estruturação de um ambiente virtual que utiliza recurso de streaming de áudio e vídeo, sendo este recurso utilizado para a realização de aulas ao vivo, disponibilização de aulas gravadas e para comunicação entre os usuários. O ambiente virtual também compreende a possibilidade de uso de realidade virtual, através de salas de aula em 3D, para interação entre alunos, utilização de objetos 3D e animações Flash. 1. Introdução A educação extrapola o ambiente escolar e esse não é o único ambiente de aprendizagem, responsável pela formação e socialização do aluno. Outros agentes educacionais são responsáveis pela educação, como a comunidade, a interação com outros indivíduos e os meios de comunicação. Esses agentes fazem parte do ambiente de aprendizagem, influenciando e mudando comportamentos [Caetano 2006]. Com uma abundância de novos espaços eletrônicos de interação e a explosão da Educação a Distância (EaD), existe a tendência de que esses espaços eletrônicos sejam cada vez mais utilizados para facilitar a aprendizagem, tanto como suporte para distribuição de materiais didáticos, quanto como complemento aos espaços presenciais de aprendizagem. Nesse sentido existem os ambientes de suporte a EaD. Os ambientes de suporte a EaD facilitam ao professor depositar material didático e programar formas de interação com os alunos. Vale lembrar que, a efetiva contribuição no processo ensino-aprendizagem depende muito das estratégias pedagógicas que o professor utiliza. Sendo assim, ambientes simples podem ser tão eficazes quanto os de maiores recursos, porém, a praticidade dos últimos pode facilitar o seu uso e auxiliar mais no processo de ensino aprendizagem, tanto pelo número de ferramentas disponíveis, como através do emprego de múltiplas mídias [Caetano 2006]. Existe um explosivo avanço no desenvolvimento de aplicações de rede que

2 transmitem e recebem conteúdo multimídia pela Internet. Novas aplicações, também conhecidas como aplicações de mídia contínua, como entretenimento, telefonia IP, rádio pela Internet, sites multimídia, teleconferência, jogos interativos, mundos virtuais, ensino à distância e outros, são anunciadas constantemente [Ross e Kurose 2001]. O ambiente e as estruturas encontrados nas tecnologias de informação e comunicação são particularmente apropriados para abordagens de aprendizagem colaborativa, que enfatizem a interação no grupo. Questões como dependência física em relação à quantidade de participantes, espaço geográfico de interação e sincronismo para ocorrência da comunicação tornam-se mais flexíveis e mais viáveis do que a promoção de encontros presenciais [Harasim 1989]. Dentre as tecnologias disponíveis está a de streaming de dados e a realidade virtual (RV). A utilização da tecnologia de streaming permite que o usuário possa visualizar os arquivos sem estes tenham sido completamente descarregados do servidor permitindo ao usuário visualizar o conteúdo de acordo com que eles forem sendo baixados. Nesse processo, é necessário apenas um tempo de espera inicial para o processo de sincronização e criação de uma memória temporária (buffer). Sendo assim, o streaming não cria uma cópia dos arquivos baixados [Adão 2006]. A tecnologia de streaming é constantemente utilizada para disponibilização de áudio e vídeo pela internet e permite também a transmissão ao vivo através da rede. Quanto a RV, existem várias definições, mas em geral, "refere-se a uma experiência imersiva e interativa baseada em imagens gráficas 3D geradas em tempo real por computador. [...] de um mundo real ou apenas imaginário" [Braga 2001]. Para [Braga 2001], com a RV presente na educação, é possível descobrir, explorar e construir conhecimento sobre os lugares. O grande potencial da RV está exatamente nessas possibilidades, não se restringindo apenas através de aulas ou objetos físicos, mas também através da manipulação virtual do alvo a ser explorado, analisado e estudado. Por esse motivo a RV representa um grande salto na educação, quando nos permite experiências com o conhecimento de forma imersiva e interativa. Esse trabalho propõe o desenvolvimento de um ambiente multimídia que faz uso da Internet e possibilita o uso de RV e streaming de áudio e vídeo, possibilitando a disponibilização de aulas ao vivo e gravadas, bem como objetos 3D desenvolvidos em VRML (Virtual Reality Modelling Language). Além disso, o ambiente tem por objetivo se integrar em sistemas de controle de usuários já existentes em instituições, ou outro ambiente de aprendizagem. 2. Metodologia Para alcançar o objetivo de desenvolver um ambiente 3D, com recursos multimídia, para auxílio nas aulas, interatividade dos usuários e disponibilização de material, o desenvolvimento deste trabalho implica na utilização de uma variedade de ferramentas e tecnologias para atingir três objetivos principais: (1) Disponibilizar um ambiente web para gerencia de conteúdo e comunicação não-instantânea; (2) Prover recurso de áudio e vídeo por streaming; e (3) Disponibilizar um ambiente 3D.

3 O desenvolvimento desse ambiente engloba a integração de diversas tecnologias sendo essas divididas e descritas como se segue: Tecnologia de streaming de áudio e vídeo: sendo utilizada a solução provida pelo protocolo Real-Time Messaging Protocol (RTMP); Tecnologia de RV: utilizando o Mediaplataform, fornecido pela empresa Mediasoft [Mediasoft 2008]; e Desenvolvimento web: sendo utilizado, no lado servidor, a linguagem PHP e bancos de dados PostgreSQL e MySQL (sendo o MySQL necessário para o Mediaplataform), enquanto no lado cliente um conjunto de HTML e JavaScript. RTMP é um protocolo desenvolvido pela empresa Adobe usado para transmitir em tempo real objetos, vídeo e áudio entre aplicações utilizando o Flash Player e um servidor [Adobe 2008]. O servidor de mídia da Adobe que faz uso do RMTP é o Flash Media Server (FMS). O servidor de streaming FMS permite que usuários publiquem e recebam conteúdo por streaming, sendo esse gerado e oferecido no formato Flash Video (FLV). FLV é o nome dado ao formato usado para disponibilizar vídeo através do Flash Player, podendo ser embutidos em arquivos SWF (formato dos arquivos criados com o uso da tecnologia Flash [Adobe 2008]. O formato FLV além de ser utilizado para o streaming multimídia, também contem um algoritmo de compressão que reduz significativamente os arquivos distribuídos. Antes da transmissão do vídeo através de um computador na rede, ele precisa ser comprimido. A compressão é importante porque o vídeo não comprimido consome uma quantidade muito grande de armazenamento e largura de banda [Ross e Kurose 2001]. Uma alternativa ao uso do FMS é o servidor chamado Red5. O Red5 é encontrado gratuitamente e se constitui de um projeto de código aberto que utilizada o protocolo RMTP [Red5 2008]. Com o objetivo de minimizar custos, o ambiente foi desenvolvido utilizando o servidor Red5. Com relação à tecnologia de RV, foi utilizado o Mediaplataform que é um ambiente virtual em rede e possui as características de compartilhamento de dados e suporte a objetos interativos que podem ser controlados de forma colaborativa pelos usuários conectados ao sistema. A ferramenta tem por objetivo permitir a interação de usuários, a troca efetiva de informação e o acesso a diversas mídias [Rosa Junior 2006]. O Mediaplataform consiste de um sistema servidor, controlado via internet e uma aplicação cliente. O sistema servidor permite o controle de usuários, objetos e mundos e prove a comunicação entre os usuários. A aplicação cliente permite o uso dos ambientes e objetos 3D por parte dos usuários. O cliente do Mediaplataform aceita a utilização de elementos 3D desenvolvidos na linguagem VRML. Segundo [Braga 2001], VRML é uma linguagem para descrever ambientes virtuais e simulações e sem custo. Através da linguagem VRML, todos os aspectos do ambiente virtual, a interação e a interconexão podem ser especificados. Atualmente o cliente do Mediaplataform somente suporta o formato VRML em decorrência de uma dependência do plugin chamado Cortona. Sendo assim, ainda não é

4 possível utilizar modelos no formato X3D (sucessor do VRML) já que o Cortona não implementa o suporte ao formato. 3. Resultados O ambiente Web permite a gerência da turma por parte do professor e através são disponibilizados materiais, agendadas aulas ao vivo e realizadas comunicações off-line (fórum de discussão e ferramenta de recados). O ambiente ainda permite a disponibilização do cronograma das aulas, ementa, agenda de avaliações. Embora permita o acompanhamento das aulas, é preferível que as aulas sejam acompanhadas através do ambiente 3D. A Figura 1 ilustra a tela principal do ambiente Web. Figura 1. Visão geral do ambiente Web. Não existe cadastro de alunos, professores disciplinas turmas em si. Esses dados devem ser disponibilizados através de algum sistema de cadastro já disponível na instituição, podendo fazer uso de visões (views) desses dados. Essa característica permite a integração do ambiente sem necessidade de duplicação de informações. Caso a instituição já possua um Ambiente Virtual de Aprendizagem, esse trabalho pode servir para ampliar os recursos. O funcionamento geral do ambiente 3D tem início com a apresentação de um corredor (Figura 2) onde estão dispostas portas que levam as salas de aula de cada disciplina oferecida. Essas portas são adicionadas dinamicamente de acordo com as turmas definidas para a aplicação. Figura 2. Corredor de acesso as salas de aula.

5 Ao entrar em uma sala de aula, o usuário tem a possibilidade de explorar completamente o ambiente, podendo acessar seus materiais (dispostos em estantes), as aulas já gravadas, acompanhar aulas ao vivo e, estando outros usuários na mesma sala, conversar com eles (via ferramenta de bate-papo). Para realização de aulas ao vivo está disponível na sala de aula uma tela de projeção que contém uma apresentação da aula a ser transmitida e a captura da imagem e som provida pela webcam/microfone do professor. A Figura 3 ilustra essa funcionalidade. Uma tela de projeção semelhante a da realização de aulas ao vivo é utilizada para o acompanhamento de aulas já gravadas. Figura 3. Visão geral do acompanhamento de uma aula ao vivo. Para realização de uma aula ao vivo, o professor precisa inicialmente agendar essa aula no ambiente Web, enviando a apresentação que será utilizada, o dia e horário de realização. A apresentação deve ser enviada no formato de arquivo do Flash (swf) o que é facilmente realizável exportando a apresentação a partir do aplicativo Impress, do OpenOffice. Esse aplicativo permite abrir arquivos criados utilizando o Microsoft PowerPoint (mais popular), podendo ser aproveitadas apresentações já existentes. Quando é chegada a data e hora especificadas, o ambiente permite que o professor comece a transmitir e a aula ao vivo e os alunos acompanharem. Além de transmitir o áudio e vídeo, quando o professor avança ou retrocede a apresentação, os alunos terão também, a apresentação que estão acompanhando, sendo avançadas e retrocedidas. Por fim, ao terminar a transmissão, esta passa a ser disponibilizada para acompanhamento posterior dos alunos. A Figura 4 ilustra a tela de aula ao vivo visualizada pelo professor, sendo sua diferença para dos alunos, que acompanham as aulas, a inexistência dos botões de controle na parte inferior. Figura 4. Tela de realização/gravação de uma aula.

6 As salas de aula também permitem a incorporação de outros objetos 3D para exploração, bem como animações desenvolvidas em Flash. Os objetos 3D são vinculados a uma aula através do ambiente Web, a partir do agendamento da aula. Momentos antes do início da aula agendada os objetos são inseridos na sala de aula. Objetos como partes do corpo humano podem ser utilizados, por exemplo, para a aprendizagem da anatomia humana. Outra possibilidade está em prover objetos 3D mais interativos com o intuito de ensinar através da experimentação tornando estes alternativas à prática real, podendo trazer conceitos abstratos em eventos práticos sem os problemas relacionados ao mundo real como segurança e tempo de uso. A utilização de animações desenvolvidas em Flash é outra possibilidade da ferramenta. É possível, por exemplo, utilizar uma charge animada disponível na internet para tratar de assuntos contemporâneos, mapas geográficos que permitam interação, para aulas sobre geografia, animações sobre estruturas biológicas, ao qualquer vídeo didático convertidos para o formato de arquivo do Flash (formato SWF). O uso de animações em Flash é vantajoso se for levado em conta o custo de desenvolvimento com relação aos modelos 3D, sem contar que existem diversas animações disponíveis na internet, muitas delas interativas, ao contrário de modelos 3D. Outra característica do ambiente é que, estando usuários on-line, estes podem conversar entre si através de um comunicar por voz, que também utiliza o protocolo RMTP. Para seu uso são mostrados os usuários que estão online e, sendo escolhido um deles, este recebe um aviso solicitando o início da conversa. Este tendo aceitado é iniciada uma sessão onde se pode conversar utilizando seus microfones. Uma diferença com relação à realização das aulas é que as conversas não são gravadas. A Figura 5 mostra os passos na utilização desse recurso. São mostrados os usuários que estão online no momento e, clicando em um disponível é enviada uma requisição para esse. Uma vez aceita a requisição tem-se início a conversa, que pode ser encerrada por qualquer um dos usuários. Figura 5. Estados para realização de comunicação com áudio entre os usuários. A característica de comunicação instantânea por voz somente está disponível no ambiente web. No ambiente 3D essa comunicação é realizada na forma de texto. A comunicação por voz também está restrita a apenas comunicação entre dois usuários, não sendo possível conferências. 4. Discussões e conclusões Esse trabalho apresenta o desenvolvimento de uma plataforma para apoio a aprendizagem utilizando recurso multimídia e de realidade virtual. Segundo [Braga 2001] o uso da RV se instalará no ensino superior. Esta visão parece ser correta, tanto

7 pela infra-estrutura dos alunos, preparação dos professores com relação a EaD, como também pelo desenvolvimento dos objetos e ambientes utilizando RV. Nesse sentido, a possibilidade de utilizar animações feitas em Flash se configura em uma facilidade, não sendo tão difícil seu desenvolvimento, quanto o desenvolvimento de VRML, e também podendo ser encontradas na internet. A realização de uma aula online é facilitada pela reutilização de apresentações anteriormente preparadas e sua forma de gravação é fácil e dispensa o uso de softwares específicos, sendo necessário apenas um navegador de internet. Somente o uso de um navegador de internet permite o acompanhar as aulas e acessar os materiais, o que se configura em uma boa opção quando alunos ou professores precisam participar das aulas, por exemplo, em uma lan house. A instalação do aplicativo Mediaplataform se faz necessário para o uso da RV, com as salas 3D e visualização de objetos 3D. Para a realização do streaming de áudio e vídeo, a opção pelo Red5 foi avaliada pois poderia não atender aos requisitos do projeto. Sendo assim, alguns testes foram realizados com o Red5 para verificar sua possibilidade de uso. Estes testes avaliaram o Red5 como suficiente para a aplicação e mostraram que seu uso é recomendado para muitas aplicações, o que é bom devido a sua disponibilização gratuita. A utilização de streaming de áudio também se mostrou interessante no ambiente pois aumenta a comunicação entre os alunos já que evita a escrita para sua realização e também uniu a tecnologia de presença o que é uma tendência. Essa comunicação ainda está restrita entre dois usuários ao mesmo tempo (e apenas uma comunicação por vez para cada usuário), sendo então interessante aprimorar a implementação permitindo a funcionamento como uma conferência. É importante ressaltar a importância da disponibilização de largura de banda para prover o serviço de streaming, bem como a largura de banda disponível para o receptor. Para esse trabalho foi utilizado os vídeos com tamanho de 160x120 pixels, 10 framerates por segundo e 70% de qualidade de imagem. Essa configuração gerou arquivos com tamanho médio aproximado de 1,10 MB por minuto. Essa configuração foi a considerada satisfatória pois uma configuração menor degrada muito a qualidade do vídeo, enquanto uma configuração maior gera arquivos muito grandes. Por fim, ainda faltam experimentações para definir a efetividade da solução apresentada, mas é importante investir nessa alternativa pois, aparentemente, possibilita vantagens em alguns aspectos educacionais. References Adão, C. M. C. J. (2006) Tecnologias de Streaming em Contextos de Aprendizagem, Dissertação da Universidade do Minho, Departamento de Sistemas de Informação, Escola de Engenharia. Adobe (2008). Adobe Flash Media Server products, abril. Braga, M. (2001) Realidade Virtual e Educação, Revista de Biologia e Ciências da Terra, ISSN , volume 1, número 1.

8 Caetano, K. C. (2006) Desenvolvimento e avaliação de um ambiente de aprendizagem virtual em administração em enfermagem, Dissertação da Universidade de São Paulo, Escola de Enfermagem. Camstudio What is it?, junho. Harasim, L. (1989) On-Line Education: A New Domain, In: Mason, R. e Kaye, A. Mindweave: Communication, Computers and Distance Education, Pergamon Press. Mediasoft Mediaplataform, Agosto. Red5 (2008) Red5: Open Source Flash Server Open Source Flash, Agosto. Rosa Junior, O. (2003), LRVCHAT3D, desenvolvimento de um ambiente virtual tridimensional multiusuário para Internet, Dissertação da Universidade Federal de Santa Catarina, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Produção, Florianópolis. Ross, K. W. e Kurose, J. F. (2001) Computer Neworking: a top-down approach featuring the Internet, Addison Wesley.