ARTool-Book: Ferramenta para Geração de Livros Interativos com Realidade Aumentada

Transcrição

1 ARTool-Book: Ferramenta para Geração de Livros Interativos com Realidade Aumentada Eduardo S. Okawa ICE / DMC / UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá Itajubá, Brasil dudu.unifei@gmail.com Claudio Kirner, Tereza G. Kirner ICE / DMC / UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá Itajubá, Brasil ckirner@gmail.com, tgkirner@gmail.com Resumo Este artigo tem como objetivo apresentar o ARTool- Book, uma ferramenta de software para apoiar a criação de livros didáticos com Realidade Aumentada. A ferramenta é orientada para usuários que não têm experiência de programação, como é o caso da grande maioria dos professores do ensino fundamental e médio. A estrutura e organização da ferramenta são detalhadas e seu uso na construção de um livro é explorado. Palavras-Chave- Artool-Book; realidade aumentada; livro com realidade aumentada; livro didático interativo. I. INTRODUÇÃO Nos últimos anos, muitos produtos e sistemas computacionais têm sido introduzidos nas salas de aula, com o objetivo de melhorar a qualidade do ensino e o nível de aprendizagem de crianças, adolescentes e adultos. Computadores pessoais, lousas interativas, projetores, jogos educacionais e software, nas mais diferentes áreas de estudo são exemplos desses recursos tecnológicos, que vêm sendo cada vez mais disseminados no ambiente educacional. Não obstante a disseminação de novas tecnologias, a figura do livro didático permanece, como um material de ensino tradicionalmente utilizado desde os primórdios da história. Acompanhando a tendência de uso de tecnologias computacionais na área educacional, a Realidade Aumentada (RA) tem contribuído para a criação de livros impressos, enriquecidos com objetos e recursos visuais, sonoros e de animação, que propiciam interação e imersão dos estudantes nos temas tratados [9]. A tecnologia de RA vem sendo empregada para desenvolver aplicações educacionais [1], permitindo aos usuários (professores e alunos) não apenas visualizar os conteúdos enfocados, como também explorar esses conteúdos e realizar ações sobre eles, em tempo real [9]. De acordo com o tradicional Horizon Reports, que aponta anualmente os temas de maior impacto para a educação, nos seus relatórios de 2010 e 2011, previu que o uso da RA em educação alcançará ampla divulgação dentro dos próximos 2 a 3 anos [6], [7]. Pesquisas têm indicado a boa aceitação e eficácia dos livros com RA, em diferentes áreas do ensino [2], [4], [5], [8], [16]. No entanto, para uma efetiva disseminação dos livros com RA no ambiente escolar, é necessário tornar a criação desses livros mais fácil, de forma que os educadores sejam capazes de construir os livros de seu interesse, usando sua experiência didática aliada a uma ferramenta de software que dê suporte à geração dos livros. Vale destacar que as ferramentas de autoria disponíveis atualmente, como SACRA [10] e BuildAR [3], envolvem um grau de dificuldade que inibe a sua utilização por parte de usuários não especialistas. Este artigo tem como objetivo apresentar o ARTool- Book, uma ferramenta de software para apoiar a criação de livros didáticos com RA. A ferramenta é orientada para usuários que não têm experiência de programação, como é o caso da grande maioria dos professores do ensino fundamental e médio. A seção II contém os trabalhos relacionados, que subsidiaram o desenvolvimento da ferramenta. A seção III descreve a ferramenta ARTool-Book. A criação de um exemplo de livro com apoio da ferramenta e o uso do livro, são apresentadas na seção IV e V, respectivamente. Por fim, as conclusões do trabalho são destacadas na seção VI. II. TRABALHOS RELACIONADOS A. Livros Didáticos com RA A literatura relata uma série de livros interativos com RA, desenvolvidos para propósitos educacionais. A nível internacional, destacam-se o Magic Book [2], o AR-Dehaes [8] e o Livro de Cores [16], todos fortemente baseados em interações envolvendo marcadores. No Magic Book [2], os usuários podem ler o conteúdo do livro da maneira tradicional, folheando as suas páginas. Adicionalmente, usando a tecnologia de RA, eles podem ver objetos 3D saindo das páginas e enriquecendo os conteúdos apresentados. O AR-Dehaes [8] foi desenvolvido para auxiliar estudantes universitários a visualizarem, executarem tarefas e entenderem conceitos complexos da engenharia espacial, como: superfícies, planos, vértices, projeções, etc. O Livro de Cores [16] propõe-se a apoiar crianças na aprendizagem da teoria das cores. Um modelo tridimensional de um camaleão é usado para experimentar as cores primárias e a mistura delas, para composição de cores secundárias e nuances de cores. No Brasil, há várias iniciativas para se aplicar RA na área de educação, que incluem a produção de livros interativos, como o SOL-RA [11], o LIXPRA [15] e o GeoAR [13]. O Sistema Solar com Realidade Aumentada - SOL-RA [11] apresenta um sistema solar interativo com RA, usando recursos de imagens, animações, sons e interações com

2 múltiplos marcadores, visando facilitar o conhecimento no contexto da estrutura e comportamento do sistema solar, para uso educacional. O Livro Interativo de Xadrez Potencializado com Realidade Aumentada - LIXPRA [15] ensina xadrez com o auxilio de RA. As páginas se dividem basicamente nas peças que compõem o jogo. Cada peça é exemplificada e seu movimento é mostrado por meio de animações com RA. Depois que o aprendiz conhece os movimentos das peças, ele pode jogar livremente o xadrez. O GeoAR [13] é um livro com RA para o ensino e aprendizagem de tópicos de geometria referentes às principais figuras geométricas, incluindo: retângulo, quadrado, triângulo, classificação dos triângulos quanto aos lados, classificação dos triângulos quanto aos ângulos, trapézio, pentágono e círculo. A utilização do GeoAR compreende o uso conjugado do livro impresso e do software aplicativo que implementa os conceitos e ações constantes no livro, com recursos de RA. Além dos trabalhos destacados acima, aspectos importantes sobre implementação e uso de livros com RA são discutidos em Dias [4], Dunser e Hornecker [5] e Oliveira [12]. B. Ferramentas de Autoria de RA O ARTooKit [14] é uma biblioteca desenvolvida na linguagem C, criada para desenvolvimento de aplicações de RA. Com ela, um programador pode criar ambientes reais com elementos virtuais inseridos, utilizando marcadores de referência. Para visualizar o ambiente de RA, é necessário dispor-se de um monitor com webcam ou um capacete (HMD). Uma evolução do ARTooKit é o FlarToolKit, que é uma biblioteca do ARToolKit com Flash. A construção de um livro com essas ferramentas requer conhecimento em programação, o que restringe o seu uso por professores interessados em aplicações educacionais com RA. O Sistema de Autoria Colaborativa com Realidade Aumentada - SACRA [10] é uma ferramenta de autoria de RA, que permite a criação de aplicações por meio de alterações de arquivos de texto (txt). Nesses arquivos, constam linhas que descrevem o posicionamento onde o objeto 3D deve ser posicionado, a rotação do objeto, a localização de arquivos de áudio, além de dimensão e escala. O SACRA oferece facilidades, mas, para usuários não especialistas, como professores, ele ainda é complexo e trabalhoso. O BuildAR [3] possibilita criar aplicações de RA, incluindo funções para cadastrar marcadores, adicionar objetos 3D e visualizar os objeto criados. A utilização do BuildAR requer um conhecimento da ferramenta e sua utilização não é trivial para usuários não especialistas. Os estudos realizados apontaram o potencial que os livros interativos com RA possuem como recurso educacional e a viabilidade de sua utilização para apoiar o ensino e aprendizagem dos mais diferentes temas. Além disso, verificou-se a não existência de ferramentas de alto nível, que possam contribuir efetivamente para a criação desses livros por professores, sem exigir conhecimento relacionado a programação. Tais constatações levaram ao desenvolvimento da ferramenta ARTool-Book, aqui apresentada. III. DESENVOLVIMENTO DO ARTOOL-BOOK A. Apresentação da Ferramenta O ARTool-Book é uma ferramenta de autoria de livros interativos com RA, desenvolvido com o sistema SACRA. Trata-se de uma ferramenta de alto nível, cujo objetivo é apoiar professores e educadores na geração de livros com RA de conteúdos específicos, de acordo com a necessidade e o interesse desses educadores. A Figura 1 situa o ARTool-Book em relação às camadas de hardware e software a ele relacionadas. De acordo com a figura, na primeira camada (mais interna) situa-se o hardware, que, para os propósitos da ferramenta, envolve um microcomputador com câmera de vídeo. Na segunda camada, situam-se o Sistema Operacional (Windows) e a linguagem de programação C/C++. Na terceira camada, está o ARToolKit, que é uma biblioteca de classes desenvolvida em C. Na quarta camada, situa-se o Sistema SACRA, que foi desenvolvido a partir das bibliotecas do ARToolKit. Na quinta camada está a ferramenta ARTool-Book, construída com base em uma configuração do SACRA, seguindo uma pré-definição das configurações de posicionamento, escala e rotação de objetos do SACRA. Por fim, a sexta camada refere-se ao conteúdo do livro a ser criado pelos usuários (professores), a partir do ARTool-Book. A Figura 1 ilustra o ARTool-Book como software de alto nível, direcionada a usuários não especialistas em programação. Figura 1. ARTool-Book entre as camadas de recursos computacionais.

3 B. Componentes do ARTool-Book A ferramenta ARTool-Book permite a geração de livros interativos com RA, dispondo dos seguintes tipos de componentes, descritos a seguir: placas virtuais, objetos virtuais e sons. 1) Placas virtuais. As placas virtuais são objetos 3D, em cujas faces podem ser inseridas imagens (uma em cada face). Essas imagens são informações preparadas pelo usuário que está criando um livro. O formato da imagem deve ser jpg. As placas têm o movimento rotacional que as acompanham, podendo ser acionadas no momento de interação das esferas dos marcadores Controle e do marcador impresso na página do livro. A Figura 2 ilustra uma placa virtual contendo informações em duas de suas faces. Figura 3. Aviões. 3) Som. Os sons são armazenados em arquivos de formato wav, que podem tanto ser preparados pelo usuário que está criando o livro (narrações gravadas), quanto podem ser toques musicais obtidos em bibliotecas de sons. Existe uma quantidade significativa de programas que geram arquivos de som do tipo especificado, além de bibliotecas, o que favorece o usuário. As narrações podem ter tempo ilimitado, devendo ser inseridas no instante da exibição das placas e/ou dos objetos. IV. USO DA FERRAMENTA ARTOOL-BOOK Figura 2. Placa virtual. 2) Objetos virtuais. Os objetos virtuais são um atrativo a mais nas páginas que o desenvolvedor do livro pode ter. É possível incluir objetos dos mais diversos tipos e conteúdos, como, por exemplo, objetos geométricos, planetas, animais, etc. Esses objetos podem ser construídos ou obtidos em bibliotecas específicas, muitas das quais são disponibilizadas livremente na internet. O formato requerido para os objetos é wrl. A Figura 3 contém objetos obtidos em uma biblioteca de aviões. A. Edição do Template do Livro Inicialmente, o usuário do ARTool-Book deve preparar o conteúdo desejado e incluí-lo no template do livro. Para isso, pode ser utilizado um editor de texto, como o Word. Para preparar a capa do livro, é necessário inserir informações em três campos: o título do livro, o subtítulo e o nome do autor. A capa de um livro sobre aviões é mostrada na Figura 4. Figura 4. Capa do livro exemplo.

4 Concluída a capa, o próximo passo na criação do livro refere-se à preparação das suas páginas. Cada página possui três campos a serem preenchidos: o de título da página, o da figura e o de conteúdo da página. O campo de conteúdo localiza-se abaixo do marcador de Referência. O usuário que está criando o livro deve preparar todas as páginas que desejar, uma a uma. Um exemplo de página do livro sobre aviões é exibido na Figura 5. D. Edição dos Recursos de Som Para inserir narrações ou sons em geral, o usuário necessita verificar em qual instante o som deverá ser acionado, podendo ocorrer três alternativas: (1) Inserir o som no instante da primeira interação entre o marcador Controle com o marcador da página em questão. Nesse mesmo instante aparecerá a placa virtual. (2) inserir o som no instante da nova interação entre os marcadores, o que fará a placa girar em torno do seu próprio eixo. (3) Inserir o som no instante da terceira interação do marcador, em que aparecerá o objeto 3D. O ARTool-Book possibilita a inclusão de até três sons por página. Com o arquivo de som em mãos, deve-se nomeá-lo, de acordo com a página em que o som deve ser acionado (por exemplo, audio2.1.wav) e, em seguida, sobrescrevê-lo no lugar do arquivo já existente na pasta SACRA/áudio. A Figura 6 ilustra a criação e inserção das placas virtuais, objetos e sons, com a nomenclatura dos arquivos adotada pela ferramenta. (b) Nomenclatura das imagens Figura 5. Página do livro exemplo. B. Edição das Placas Virtuais As placas virtuais são objetos 3D que possibilitam a inserção de imagens informativas em suas faces. Para preparar ou alterar as placas virtuais, deve-se criar uma imagem com as informações necessárias, no formato jpg, usando-se um editor de imagem. Para inserir a imagem, ela deve ser depositada na pasta SACRA/Wrl/template. Dentro dessa pasta, são depositados os arquivos correspondentes a cada página, sendo necessário substituir o arquivo da pasta pelo novo arquivo criado. Para alterar a imagem da primeira placa, basta atentar-se para a nomenclatura dos arquivos por exemplo, pagina2.jpg refere-se à imagem da placa da página 2. C. Inclusão dos Objetos 3D Para inserir os objetos 3D, o usuário deve, inicialmente, nomear o arquivo do objeto 3D, de formato wrl, com o nome da página em questão (por exemplo, pagina2.2.wrl). Em seguida, deve substituir o arquivo antigo, que está na pasta SACRA/Wrl/template, pelo novo arquivo, referente à página que está sendo criada. (a) Nomenclatura dos arquivos virtuais (a) Nomenclatura dos arquivos de som Figura 6. Inserção de imagens, objetos e sons. V. USO DO LIVRO INTERATIVO COM RA Para utilizar o livro, é necessário dispor-se de uma webcam e um monitor, acoplados ao computador. O primeiro passo para utilizar os recursos de RA do livro, é posicionar uma página na frente da webcam, de forma que o marcador Referência, impresso em cada página do livro, fique dentro do campo de visão da webcam. Inicialmente, o ponto de acionamento estará desativado, como mostrado na Figura 7.

5 Figura 7. Marcador Desativado. Para acionar o marcador referência, inserido na página, a tecla a deve ser pressionada. Se o marcador focou com a esfera verde, significa que o marcador está ativado, como mostrado na Figura 8. Figura 9. Placa virtual e o som 1 acionados. Colidindo mais uma vez a esfera do marcador Controle com a do marcador da página, a placa virtual mostrará um movimento rotacional (ver Figura 10) e, ao mesmo tempo, um som (som 2) será ativado. Figura 8. Marcador ativado. Após a ativação do marcador, é necessário colidir a esfera do marcador Controle com a esfera do marcador impresso na folha. Feito isso, aparecerá a placa virtual com informações referentes à página em questão, conforme exemplificado na Figura 9. No mesmo instante em que a placa virtual aparecer, um som será acionado. Figura 10. Placa virtual em movimento rotacional e o som 2 ativado. Acionando a esfera do marcador da página pela terceira vez, aparecerá o objeto 3D, que, nesse caso, é um modelo de avião. Junto com esse objeto, será ativado também o som 3. A Figura 11 ilustra essas ativações.

6 Figura 11. Objeto 3D acionado com o som 3. Na quarta interação com a esfera, o marcador retorna à cena inicial, mostrada na Figura 8. A versão preliminar da ferramenta ARTool-Book (com o nome de GeL-RA) está disponível na internet ( podendo ser obtida e utilizada na geração de livros interativos. VI. CONCLUSÃO Este artigo discutiu a ferramenta ARTool-Book, cujo propósito é apoiar usuários não especialistas em programação, na criação de livros didáticos com RA. Com isso, pretende-se contribuir para que os próprios professores, principalmente os que atuam no ensino fundamental e médio, possam criar livros interativos com RA que sejam de seu interesse. A ferramenta ARTool-Book foi desenvolvida com base no Sistema SACRA e os principais aspectos de sua implementação e utilização foram discutidos. A versão preliminar está disponível, devendo ser refinada a partir de resultados de testes sobre sua utilização, envolvendo professores. Esses testes deverão ser realizados até o final desse semestre, envolvendo professores do ensino fundamental e médio de escolas públicas de Itajubá. Algumas melhorias, já indicadas para a ferramenta, a partir de avaliações informais, envolvem: a disponibilização de uma opção de animação para os objetos; e o desenvolvimento de uma interface que permita inserir, trocar e remover as imagens, sons e objetos 3D, de forma mais transparente por parte dos usuários. REFERÊNCIAS [1] M. Billinghurst, Augmented reality in education, New Horizons for Learning, Acesso em 20/07/2011, disponível em: [2] M. Billinghurst, H. Kato, and I. Poupyrev, The MagicBook - moving seamlessly between reality and virtuality, IEEE Computer Graphics and Applications, vol. 21, n. 3, pp [3] BuildAR, HITLabNZ Acesso em 07/09/2011, Disponível em: < [4] Dias, Technology enhanced learning and augmented reality: an application on multimedia interactive books, International Business & Economics Review, v.1, n.1, [5] Dunser, and E. Hornecker, Lessons from an AR book study, Proceedings of the 1st International Conference on Tangible and Embedded Interaction, New York: ACM Press, 2007, pp [6] Educase Learning Initiative. The Horizon Report, 2010 Edition Acesso em 20/07/2011. Disponível em: [7] Educase Learning Initiative. The Horizon Report, 2011 Edition, Acesso em 20/07/2011. Disponível em: [8] J. M. Gutierrez et al., Design and validation of an augmented book for spatial abilities development in engineering students, Computers & Graphics, v. 34, n. 1, 2010, pp [9] K. E. Hamilton, Augmented reality in education, Proceedings of the SXSW Interactive Acesso em 20/07/2011. Disponível em: [10] C. Kirner, and R. Santin, Interaction, collaboration and authoring in augmented reality environments, Proc. XI Symposium on Virtual and Augmented Reality, Porto Alegre: SBC, 2009, pp [11] E. S. Okawa, C. Kirner, e T. G. Kirner, Sistema solar com realidade aumentada, Anais do VII Workshop de Realidade Virtual e Aumentada - WRVA 2010, Porto Alegre: SBC, pp [12] F. C. Oliveira, e C. Kirner, Uso do Livro Interativo com Realidade Aumentada em aplicações educacionais, Anais do IV Workshop de Realidade Virtual e Aumentada - WRVA 2007, Porto Alegre: SBC, 2007, pp [13] F. M. V. Reis, e T. G. Kirner, Desenvolvimento de um Livro com Realidade Aumentada para o Ensino de Geometria, Anais do VIII Workshop de Realidade Virtual e Aumentada WRVA 2011, SBC: Porto Alegre, 2011, PP [14] R. Santin, C. Kirner, ARToolKit: Conceitos e Ferramenta de Autoria Colaborativa, In: Siscouto, R., R. Costa (Org.), Realidade Virtual e Aumentada: Uma Abordagem Tecnológica, SBC, Porto Alegre, 2008, p [15] R. C. Souza, e C.Kirner, Livro Interativo de Xadrez Potencializado com Realidade Aumentada, Anais do VII Workshop de Realidade Virtual e Aumentada - WRVA 2010, Porto Alegre: SBC, 2010, pp [16] G. Ucelli, G. Conti, and R. de Amicis. "The Book of Colours: an Augmented Reality-based Learning Tool for Children". Proceedings of the CAL'05 Virtual Learning, Bristol UK, AGRADECIMENTO Os autores agradecem ao CNPq (projeto Ambiente Temático Interativo com Realidade Aumentada - Proc /2009-7) pelo apoio financeiro, que propiciou o desenvolvimento do trabalho.