AMBIENTE DE REALIDADE MISTA 3D COLABORATIVO: MRCS-CARLAB3D

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1 AMBIENTE DE REALIDADE MISTA 3D COLABORATIVO: MRCS-CARLAB3D Frederico Menine Schaf, Carlos Eduardo Pereira Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) Av. Osvaldo Aranha 103, Porto Alegre, RS, Brasil s: Abstract This work presents an proposed architecture for Computer Supported Collaborative Environments (CSCEs) to aid education and training in the control engineering and also results of the proposed architecture based developed prototype. Current advances in social networks, virtual environments, Web technologies and 3D Worlds has shed the light on learning technologies. Employing virtual worlds as breeding grounds to create an infinite range of learning and didactical materials are becoming more and more common as educational institutions realize the hidden potential of this endeavor. The exploration of mixed reality for combinations of real and simulated experiments and devices has an interesting future for maximizing resources and expanding learning scenarios. Description of the MRCS-CARLab3D - an virtual 3D environment, enhanced with real experiments coupling, learning materials, autonomous student tutoring and collaboration support tools will be presented so as the concepts and technologies involved. Keywords Virtual Learning Environments, Collaboration Support, Remote Experiments, Mixed Reality. Resumo Este trabalho apresentará uma proposta de arquitetura para ambientes computacionais de suporte colaboração para auxiliar o ensino e o treinamento em áreas multidisciplinares de engenharia de controle e automação e também alguns resultados da aplicação desta arquitetura em um protótipo. Os avanços recentes de redes sociais, ambientes virtuais, tecnologias da Web e de mundos virtuais 3D proporcionam novas possibilidades de emprego de tecnologia ao ensino. O emprego de ambientes computacionais virtuais como áreas de desenvolvimentoparacriação de infinidade de materiais educacionais e didáticos está se tornando cada vez mais frequente ao passo que instituições de ensino percebem o potencial por trás da tecnologia envolvida. A exploração da realidade mista de modo a combinar experimentos e equipamentos reais com simulações computacionais tem um futuro promissor no que tange a maximização de recursos e a expansão de cenários didáticos e pedagógicos. Descrições do protótipo desenvolvido, chamado de MRCS-CARLab3D - um ambiente virtual 3D aprimorado com ligações com experimentos reais, hospedando materiais educacionais, e suporte a tutoriamento autônomo serão apresentados e as tecnologias envolvidas descritas. Keywords Remotos. Ambientes Virtuais de Aprendizagem, Suporte à Colaboração, Realidade Mista, Experimentos 1 Introdução O uso de tecnologia na educação ainda é um tema muito debatido e polêmico, historicamente. Hoje em dia é absolutamente imprescindível a utilização de computadores em qualquer área de pesquisa, sobretudo na informática e nas engenharias. Linhas de pesquisa como controle e automação se baseiam principalmente em ferramentas computacionais para o desenvolvimento de sistemas e novas e melhores tecnologias. A educação embora sempre um passo atrás das últimas novidades tecnológicas irá se adaptar lentamente a tecnologias desenvolvidas para o ensino. O emprego de ambientes virtuais para o ensino, em evolução em diversas instituições, tem sido encorajado tanto pelas universidades quanto pelo próprio Ministério da Educação (MEC) brasileiro através da Secretaria de Ensino àdis- tância (SEED). Estes, quando empregados ao ensino são chamados de ambientes virtuais de aprendizagem (AVAs). A expansão da Internet, acessível a um número cada vez maior de estudantes (inclusão digital), proporciona que novas tecnologias de educação sejam utilizadas, como o uso de laboratórios remotos e ferramentas de ensino àdistância (EAD), que são uma alternativa para atender às demandas por mais laboratórios (Cooper, 2000) e porvagaseminstituições de ensino superior. Experimentos remotos, baseados na Web, possuem diversos aspectos positivos para a implantação, pois utilizam frequentemente equipamentos industriais de alto custo, que requerem uma área específica para a instalação. Este tipo de experimento é acessível a um maior número de estudantes, pois possui tanto flexibilidade espacial (acessível fora da instituição de ensino), quanto temporal (podem ser acessados 24 horas nos 7 dias na semana). Embora os laboratórios remotos estejam aumentando o alcance dos laboratórios comuns, o uso destes para EAD deve estar ligado a materiais educacionais que ilustrem o funcionamento do experimento, já que o instrutor não acompanhará aexperiência remota simultaneamente. O desenvolvimento de AVAs, acessíveis através da Internet, também possibilita que cursos atendameestejamdisponíveis a um número maior de alunos. Estes por sua vez, podem ser direcionados paraoensinodaexperiência usada no laboratório remoto. Os professores ligados a estes cursos nem sempre estão disponíveis, gerando a necessidade de desenvolvimento de ambientes virtuais de aprendizagem algum grau de autonomia. Outra necessidade comum de ambientes 682

2 virtuais, tanto para ensino quanto para outros propósitos é enriquecer o conteúdo e chamar/prender a atenção dos usuários. Uma alternativa para estes ambientes, que geralmente possuem interface Web tradicional, é o emprego de interfaces tridimensionais assim suprindo necessidades psicológicas, lúdicas e sociais. O presente artigo está dividido da seguinte forma: na seção2é feito o embasamento teórico dos ambientes computacionais virtuais; na seção 3é apresentada a arquitetura proposta utilizada na criação do MRCS-CARLab3D; naseção seguinte opróprio protótipo é descrito; finalmente seguido pelas conclusões na seção 5. 2 Ambientes Computacionais/Virtuais Há uma grande conexão entre simulação e virtualidade, uma vez que qualquer coisa virtual não é real e por consequencia simulada. Ambientes computacionais são espaços controlados por computador que por sua vez muitas vezes reproduzem ambientes reais. O uso de ambientes virtuais acessíveis a Web possibilita que recursos, tanto humanos quanto tecnológicos, distribuídos/dispersos fisicamente possam ser centralizados ou integrados num único ambiente (virtual) comum e acessível às diversas partes envolvidas. Por si só, o uso de ambientes virtuais para comunicação/integração já implica em colaboração e/ou cooperação de recursos. De acordo com os seus propósitos há uma gama diversa de ambientes virtuais. Neste trabalho serão abordados, nas próximas subseções, os AVAs, as redes sociais, e os mundos virtuais 3D. 2.1 Ambientes Virtuais de Aprendizagem (AVAs) AVAs são ambientes computacionais desenvolvidos com o intuito de facilitar o EAD. Geralmente os AVAs possuem capacidade de gerenciar e hospedar material de ensino, cursos, mídias eletrônicas, tutoriais, etc. Também oferecem suporte para controle e administração de usuários, diferentemente de uma página da Web onde todo material está disponível abertamente. AVAs também oferecem ferramentas simples de edição de materiais didáticos baseados na Web e alguns módulos de comunicação e colaboração entre usuários, como: fóruns, chats, perfis de usuários, troca de arquivos, etc. Para o ensino a distribuição física possibilita a colaboração entre alunos, professores e instituições antes distantes. Maneiras de tornar a colaboração parte da metodologia de ensino são comumente relacionadas à pedagogia construtivista. Embora o EAD possua diversas vantagens, édifícil criar ambientes virtuais que transmitam as mesmas percepções detectadas por professores em aulas presenciais, como por exemplo, nível de atenção dos alunos, etc. Mesmo assim outros sinalizadores podem ser utilizados nos ambientes virtuais para aumentar a percepção entre professores e alunos, etambém entre alunos, já queestessão encorajados a contribuírem colaborativamente durante a aprendizagem. 2.2 Redes Sociais Embora explicitamente as redes sociais não tenham nenhum impacto na educação, estas possuem uma característica importante na criação de laços sociais. Estes laços por sua vez promovem o contato (comunicação), a troca de interesses comuns (compartilhamento) que são estritamente necessários para a cooperação e a colaboração de usuários pela rede. Portanto, características sociais aplicadas a ambientes de ensino/aprendizagem, treinamento e também de trabalho são essenciais e parte psicológica intrínseca do relacionamento humano. Esta característica existe comumente no dia-a-dia interpessoal e precisa ser transportada para os ambientes computacionais. Notadamente diversas implementações de redes sociais são exemplos e estão disponíveis na Web, como: Facebook, Orkut, LinkedIn, etc. 2.3 Mundos Virtuais 3D Ambientes computacionais que simulam a realidade com mundos virtuais 3D estão presentes em diversos ramos: comercial, industrial, educacional e entretenimento. No ramo do entretenimento os ambientes virtuais multiusuários (MUVEs - Multiuser Virtual Environments) e os Jogos RPG online (MMORPGs - Massively Multiplayer Online Role-Playing Games) possuem milhares de implementações com tecnologias gráficas 3D que atingem inclusive as produções cinematográficas. Algumas destas tecnologias, com desenvolvimento mais avançado no entretenimento, estão sendo empregadas tanto na educação quanto no treinamento. Há na comunidade científica uma linha especial de pesquisa para jogos sérios (serious games) (Michael and Chen, 2005) e há diversos estudos de implementação de jogos eletrônicos 3D empregados na educação de engenheiros (Mayo, 2007). Metaversos, ou seja, meta universos são os chamados mundos virtuais que simulam mundos reais. Kemp and Livingstone (2007) reportam o uso do Second Life 1 (SL), uma conhecida implementação comercial de rede social 3D, em combinação com o AVA (MOODLE 2 ) formando o assim chamado projeto SLOODLE. Esteprojeto visa propiciar um ambiente com interface mais

3 amigável aos usuários para colaboração e visualização de material de ensino. Aspectos e experiências do pacote SLOODLE no SL foram abordados por Kirriemuir (2007) que desenvolveu um mundo chamado VirtuAlba e empregou este no ensino universitário no Reino Unido. 3 Arquitetura Proposta para ACSCs De forma a garantir que usuários dispersos se comuniquem colaborando em prol comum é proposta uma arquitetura para ambientes computacionais de suporte a colaboração (ACSCs). Nela estão estruturados o maior número de conceitos e funcionalidades associados à ambientes colaborativos. Características de CSCW (Computer Supported Cooperative Work) (Grudin, 1988), CSCL (Computer Supported Cooperative Learning) (Stahl et al., 2006), entre outras foram combinadas e organizadas em módulos. Isto traz diversos benefícios para o projeto de ACSCs: modularidade, distribuição de recursos, reusabilidade, interoperabilidade, entre outros. A Fig. 1 ilustra a os módulos e suas possíveis interconexões num diagrama idealizado da arquitetura. Os módulos estão ligados entre si conceitualmente usando uma interface de comunicação. Para esta arquitetura são apresentadas diversas interfaces de comunicação. A escolha entre uma ou outra tecnologia não é foco deste estudo e sim a interoperabilidade entre as escolhas. Assim, um único módulo middleware é idealizado. Este possuindo conexão com todos outros módulos da arquitetura proposta. Figura 1: Proposta de arquitetura para ARMC. Nas próximas sub seções serão abordadas as funcionalidades que contribuem mais significativamente para o modelo da arquitetura proposta. 3.1 Experimentos Remotos É de conhecimento geral que laboratórios possibilitam aplicação e testes de conhecimentos teóricos em situações práticas (Auer et al., 2003), i.e., experimentação. O ensino de sistemas de controle e automação exige o contato de alunos com situações reais para permitir um confronto da teoria clássica e moderna com a prática. Do ponto de vista pedagógico, a utilização de laboratórios pelos alunos proporciona conceitos de: aprendizado ativo, aprendizado distribuído e aprendizado de grupo. Os experimentos remotos 3 são alternativas para laboratórios reais com equipamentos de alto custo (Cooper, 2000). Esta alternativa de laboratórios proporciona aos alunos a segunda melhor alternativa de estar lá (SBBT - second best of beeing there (Atkan et al., 1996)). Proporcionam também que tecnologias de ponta sejam utilizadas também para EAD, e diminuem a lacuna entre o ensino clássico e as práticas industriais. 3.2 Realidade Mista Realidade mista foi definida por Milgram (1995) e engloba: ambientes virtuais, virtualidade aumentada (augmented virtuality), realidade aumentada (augmented reality) e ambientes reais. Segundo Billinghurst and Kato (1999), realidade mista é comumente entendida como uma integração transparente ao usuário (seamless) entre os mundos real evirtual. A implementação de um sistema de realidade mista se dá damesmaformaqueosexperimentos reais remotos com funcionalidades virtuais (por exemplo, medidores virtuais). Uma vez que experimentos de realidade mista exigem a integração entre dispositivos reais e virtuais, pontes entre sinais físicos reais e sinais virtuais (isto é, informação) são necessárias. Uma proposta de interface para integração entre sistemas reais e virtuais é o conceito de hyper-conexões (Bruns, 2005). Experimentos de realidade mista combinam vantagens de simuladores com experimentos reais. Vantagens clássicas dos simuladores, como o controle do tempo simulação e execução passo a passo, possuem características didáticas muito atrativas e servem para ilustrar melhor o funcionamento de equipamentos/experimentos reais, em contrapartida o realismo da experiência física também é apreciado. Partes simuladas podem oferecer as mesmas vantagens dos simuladores com a capacidade de instanciar diversos modelos (replicas) simultaneamente. Assim, um dos módulos mais importantes da arquitetura, que proporciona conexões entre os mundo virtual e o real, éomódulo de realidade mista. Este módulo proporciona o controle de experimentos e o controle de espaços compartilha- 3 também chamados de WebExperiments ou Weblabs. 684

4 dos. Os conceitos de SBBT, haptics (sensibilidade ao toque) e hyper-conexões e hyper-bonds estão diretamente associados a este módulo pelas funcionalidades que ele suporta. 3.3 Interface Social 3D De forma a enriquecer o conteúdo e chamar/prender a atenção de alunos/usuários de ambientes virtuais, que geralmente possuem interface Web tradicional, o emprego de interfaces tridimensionais são encorajadas, pois suprem necessidades psicológicas, lúdicas e sociais. Interfaces Web tradicionais criam efeitos psicológicos negativos aos usuários, pois faz com que estes se sintam meros observadores sem corpo (Kirriemuir, 2007). Em ambientes tridimensionais (mais frequentes em jogos eletrônicos de primeira pessoa ), participantes do ambiente são representados por projeções corporais, avatars, o que permite um efeito psicológico de presença (mesmo que virtual) no ambiente. Outros avatars também podem eventualmente estar presentes aumentado assim o sentimento de presença e a imersividade do ambiente. Édifícil conceber a colaboração entre usuários de um sistema virtual sem que se possam formar laços sociais (amizades). Desta maneira características de redes sociais são importantes e devem ser incorporadas a ambientes virtuais. Tarefas lúdicas possuem reconhecidamente a capacidade de prender mais a atenção de alunos que leituras, exercícios de repetição, etc. Da mesma forma, interfaces lúdicas aplicadas a tarefas virtuais além enriquecer a representação, prendem a atenção dos alunos. Sendo assim, ambientes virtuais devem incorporar ferramentas de comunicação e promover intercâmbio de idéias entre os usuários. A arquitetura proposta possibilita a representação gráfica através de duas possíveis interfaces: a interface 3D social que éum módulo da arquitetura; e a interface tradicional 2D da Web. O módulo interface 3D social se espelha em funcionalidades de implementações dos mundos 3D com suporte social (vide Seção 2.3). 3.4 Suporte à Colaboração Embora tanto a interface social como os ambientes virtuais ofereçam infra-estrutura de comunicação para que usuários colaborem, o processo de colaboração é extremamente delicado e exige que os usuários tenham consciência das ferramentas disponíveis no ambiente e das ações de outros usuários, para a colaboração (Gutwin and Greenberg, 2002). Esta consciência pode ser adquirida com o tempo de uso do ambiente, exigindo paciência e concentração dos usuários. Para evitar que usuários possam rapidamente se frustrar pelo não conhecimento do ambiente (ou sistema), i.e., pela falta de consciência, um auxílio aprimorado à colaboração é proposto. Alguns trabalhos pesquisados referenciam este auxílio como suporte a consciência de colaboração (collaboration awareness support) (Neale et al., 2004). Devido a complexidade da implementação de tal suporte e visando modularizar e distribuir o processamento das informações coletadas, a utilização de sistemas multiagentes (Multiagent Systems - MAS) é proposta e apresentada na arquitetura como um módulo. Diversas pesquisas apontam que MAS são apropriados para tarefas concorrentes que necessitam de distribuição e monitoramento. Alguns trabalhos inclusive relatam combinações de MAS com AVAs tanto para tratamento/coleta de informações quanto para filtrar automaticamente indicadores de problemas de aprendizado (Scutelnicu et al., 2007). 3.5 Tutores Autônomos Da mesma forma que o suporte à colaboração os tutores autônomos estão representados no módulo MAS. Aproveitando as mesmas funcionalidades do suporte à colaboração os tutores se diferenciam pela informação coletada, que são as interações dos usuários com os materiais educacionais e com o experimento de realidade mista. Sugestões emétricas de experiências são comunicadas aos usuários através de seu tutor (agente). Um agente de monitoramento é disparado para cada usuário conectado ao sistema. Os tutores diferentemente do suporte à colaboração possuem uma representação gráfica 3D no metaverso proposto, i.e., propõe-se um avatar controlado autonomamente por agentes, chamados de bots. Istotornatam- bém mais fácil o contato (psicológico) dos alunos com os tutores que respondem a certos diálogos escritos no chat e a interações efetuadas no ambiente. 4 MRCS-CARLab3D Para validar a arquitetura proposta encontra-se em desenvolvimento o laboratório virtual 3D com suporte a realidade mista e à colaboração dos usuários, o MRCS-CARLab3D (protótipo). Como permitido pela arquitetura, existem duas interfaces de usuário possíveis, o MOODLE, AVA, e o OpenSim 4, interface social 3D. O controle e o gerenciamento de usuários é interligado através do uso do mesmo repositório de dados, neste caso o banco de dados MySQL 5. Todas as ferramentas e implementações de software empregadas no protótipo são livres, algumas até de códigoaberto, para propósitos não comerciais com exceção dos gerenciadores de experimento da planta FF e da planta térmica que foram desenvolvidos

5 bilidade dos projetos. Como especificado pela arquitetura, os agentes coletam informações de interações armazenadas no repositório dos usuários com o sistema. A partir destes dados inferem modificações do contexto do sistema e sugestões aos usuários. Tutores autônomos e suporte àco- laboração estão programados usando o JADE e PHP com Java. Alguns dos conceitos e tecnologias empregados no do protótipo estão ilustrados no diagrama da Fig. 3. Modificações e programações extras no OpenSim como automação de avatars (bots) são possíveis usando a biblioteca de LibOpenMetaverse 8 baseada na tecnologia.net ededistribuição livre. Através desta biblioteca informações de interações e modificações do metaverso (in-world) são capturadas. 5 Conclusões Figura 2: Interface social 3D do MRCS-CARLab3D (snapshots). anteriormente (Schaf and Pereira, 2009) e utilizam o Elipse SCADA 6 que tem licença comercial. A Fig. 2 ilustra a interface 3D deste protótipo, com avatars do usuário e do(s) tutores, adicionalmente a algumas simulações, modelos criados no metaverso desenvolvidos no OpenSim, e mesclas de experimentos reais associados com contrapartes virtuais seguindo a estratégia de componentes intercambiáveis (Schaf and Pereira, 2009). Omódulo de realidade mista foi desenvolvido em sua maior parte por programas escritos em linguagens de programação PHP e Java. Estes funcionam como gerenciadores de experimentos. O gerenciador de experimento previamente desenvolvido usando o Elipse SCADA também foi integrado. Todos gerenciadores possuem interface de comunicação com repositório de dados e alguns oferecem serviços da Web como XML-RPC e sockets no modelo cliente-servidor. No módulo sistemas multiagente foi empregado o JADE 7 (Java Agent Development Environment) comoframework para desenvolvimento dos agentes que édecódigo aberto e livre. A comunicação entre agentes segue especificações FIPA, padronizadas pela IEEE, o que garante interoperabilidade entre outras ferramentas e a reusa Conforme apresentado o trabalho demonstra uma solução para aprimorar o interesse dos alunos de automação e controle de nossa instituição. Embora seja muito difícil provar a eficácia de qualquer estratégia onde se emprega tecnologia na educação (Pinelle et al., 2003; Neale et al., 2004) em combinação com o ensino tradicional, alguns estudos incentivam e apontam para um futuro promissor do chamado blended learning. Também é de conhecimento que a infraestrutura de rede atual não permite grandes taxas de transmissão capazes de controlar tais experimentos sem atrasos consideráveis. Para nosso estudo foi constatado um atraso médio de 1,5s para operações de controle com realidade mista, e de 1s para o controle totalmente simulado. Para cenários onde somente equipamentos 8 Figura 3: Diagrama de implementação da interface 3D. 686

6 reais são empregados nos experimentos (presentes somentenoservidor)ocontrole(feitopelocontrolador) não foi afetado pelo atraso, somente a visualização e as operações de controle feitas durante o processo pelos usuários. Isto garante que o controle ocorra sem problemas, pois os processos dos experimentos desenvolvidos possuem uma dinâmica considerada lenta. As ferramentas desenvolvidas, como os módulos: MAS, Mixed Reality, Repositório de Dados etambém o middleware se baseiam em tecnologias amplamente consagradas e que oferecem interoperabilidade e integração com outros sistemas deixando a possibilidade de expansão e reusabilidade do projeto. Após terminados os testes com o protótipo é planejadooempregodosistemanoensinodealgumas disciplinas dos cursos de enge-nharias elétrica e de automação. Futuras métricas e estatísticas de usodosistemaserão coletadas e análises indicarão a efetividade do sistema. Agradecimentos Este trabalho é parcialmente financiado pela CAPES e CNPq. Os autores também agradecem a parceria frutífera dos parceirosde projeto RExNet e principalmente aos pesquisadores alemães do ArtecLab da Universidade de Bremen. Referências Atkan, B., Bohus, C., Crowl, L. A. and Shor, M. H. (1996). Distance learning applied to control engineering laboratories, IEEE Transactions on Education 39: Auer, M., Pester, A., Ursutiu, D. and Samoila, C. (2003). Distributed virtual and remote labs in engineering, IEEE International Conference on Industrial Technology 2: Billinghurst, M. and Kato, H. (1999). Collaborative mixed reality, Proceedings of the International Symposium on Mixed Reality pp Bruns, F. W. (2005). Hyper-bonds - distributed collaboration in mixed reality, Annual Reviews in Control 29: Cooper, M. (2000). The challenge of practical work in a euniversity - real, virtual and remote experiments, Proc. of the Information Society Technologies Conference. Gutwin, C. and Greenberg, S. (2002). A descriptive framework of workspace awareness for real-time groupware, Computer Supported Cooperative Work (CSCW) 11(3-4): Kemp, J. and Livingstone, D. (2007). Putting a second life metaverse skin on learning management systems, Proceedings of the Second Life Education Workshop at Second Life Community Convention. Kirriemuir, J. (2007). The second life of UK academics, Ariadne Magazine (53). Mayo, M. J. (2007). Games for science and engineering education, Commun. ACM 50(7): Michael, D. R. and Chen, S. L. (2005). Serious Games: Games That Educate, Train, and Inform, Muska & Lipman/Premier-Trade. Milgram, P. (1995). Merging real and virtual worlds, Proceedings of the IMAGINA. Neale, D. C., Carroll, J. M. and Rosson, M. B. (2004). Evaluating computer-supported cooperative work: Models and frameworks, Proceedings of the 2004 ACM conference on Computer Supported Cooperative Work pp Pinelle, D., Gutwin, C. and Greenberg, S. (2003). Task analysis for groupware usability evaluation: Modeling shared-workspace tasks with the mechanics of collaboration, ACM Transactions on Computer-Human Interaction 10: Schaf, F. M. and Pereira, C. E. (2009). Integrating mixed reality remote experiments into virtual learning environments using interchangeable components, IEEE Transactions on Industrial Electronics 56: Scutelnicu, A., Lin, F., Kinshuk, Liu, T., Graf, S. and McGreal, R. (2007). Integrating JADE agents into MOODLE, Proc. of the International Workshop on Intelligent and Adaptive Web-based Educational Systems pp Stahl, G., Koschmann, T. and Suthers, D. (2006). Computer-supported Collaborative Learning: An historical perspective, Cambridge University Press, R. K. Sawyer. Grudin, J. (1988). Why CSCW fail? Problems in design and evaluation of organizational interfaces, Proc. of the Second Conference on Computer Supported Cooperative Work pp