Uma Estratégia de Desenvolvimento de Sistemas para Mobile-learning usando Realidade Aumentada

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1 Uma Estratégia de Desenvolvimento de Sistemas para Mobile-learning usando Realidade Aumentada Pedro Henrique Cacique Braga, Alexandre Cardoso, Edgard Afonso Lamounier Jr. Grupo de Realidade Virtual e Aumentada Universidade Federal de Uberlândia Uberlândia MG - Brasil cacique@mestrado.ufu.br, {alexandre, lamounier}@ufu.br Abstract This article discusses current practices in mobilelearning and presents a strategy for developing educational applications associated with Augmented Reality. Work related to distance education and practice of creating threedimensional designs. As concept proof of the technic discussed an application was created to teach basic mechanics. Keywords: m-learning; augmented reality; mobile; I. INTRODUÇÃO É notório o crescimento da tecnologia para dispositivos móveis. No final de 2010, o Brasil contava com 202,9 milhões de acessos do Serviço de Telefonia Móvel Pessoal, registrando um crescimento de 16,7% em relação ao ano anterior. Com esse resultado, o país permaneceu em quinto lugar no ranking mundial de acessos da telefonia móvel, atrás apenas de China, Índia, Estados Unidos e Rússia. Em 2010, o Brasil apresentou uma taxa de 104,7 acessos móveis pessoais a cada 100 habitantes [1]. Com o intuito de atender a tais exigências do progresso, foram criados diversos métodos e ferramentas de ensino que realizam a conexão entre Tecnologia e Educação. Ambientes Virtuais de Aprendizagem (AVAs) são sistemas computacionais utilizados para o Ensino a Distância (EAD), modalidade de ensino com crescimento eminente. Estes ambientes fazem parte do conjunto de técnicas do modelo de ensino não presencial, conhecido como e-learning. Quando este modelo é utilizado em dispositivos móveis, passa a ser conhecido como mobile-learning, ou simplesmente m-learning. Realidade Aumentada (RA) pode ser definida como a inserção de objetos virtuais no ambiente físico, mostrada ao usuário, em tempo real, com o apoio de algum dispositivo tecnológico, usando a interface do ambiente real, adaptada para visualizar e manipular os objetos reais e virtuais [2]. O fato de a Realidade Aumentada trazer elementos virtuais para o ambiente real faz com que a interação entre usuário e sistema seja bastante amigável, dispensando longos treinamentos do usuário. A combinação de técnicas de visão computacional e computação gráfica possibilita a interação correta entre os ambientes reais e virtuais [3]. O potencial para aplicações de RV e RA se expande na mesma medida em que evolui a capacidade de processamento de computadores e placas gráficas. Integrar informações virtuais e reais em um mesmo ambiente é uma forma bastante eficiente de colocar o aluno diante de conteúdos ou pessoas distantes ou inacessíveis, sem retirarlhe as percepções relativas do ambiente real que o envolve [4]. A Educação ganhou novas perspectivas com a aprendizagem baseada nas tecnologias interativas. As pessoas passaram a ter acesso ao conhecimento de maneira mais livre, sem mediação necessária de um professor presente [4]. Com base nos dados apresentados, é de fácil percepção a boa receptividade da tecnologia móvel pelos brasileiros, bem como o crescimento da educação a distância no país e do uso de RA na educação. Este artigo apresenta uma aplicação de m-learning utilizando Realidade Virtual e Aumentada para o ensino. Como prova de conceito, a aplicação foi validada com o estudo de caso para ensino de Física no Ensino Médio, abordando tópicos de Mecânica Fundamental. II. TRABALHOS CORRELATOS A. M.I.T. Magic Paper O trabalho desenvolvido pelo Massachusetts Institute of Technology em 2006 conhecido como Magic Paper consiste em um sistema de criação de modelos bidimensionais com interações físicas [5]. O sistema foi desenvolvido para uso em computadores pessoais com mouses ou mesas digitalizadoras como hardware de entrada ou para dispositivos com telas capazes de reconhecer o toque, como lousas digitais.

2 O Magic Paper recebe como dados de entrada, esboços de objetos em duas dimensões e os transforma em figuras geométricas com características físicas. Estas podem ser inseridas desenhando códigos e símbolos que as representem. Uma seta para baixo, por exemplo, simboliza a ação da gravidade sobre o ambiente. A Figura 1 apresenta em (a) a etapa de criação do ambiente e em a execução das leis físicas sobre os elementos criados. São explorados elementos como blocos, molas, cilindros e bolas (representados por circunferências), que podem ser conectados ou dispostos isoladamente no cenário. O controle da animação é feito através de barras de ferramentas contidas no software e contam com técnicas que facilitam a compreensão das mesmas, garantindo a melhor visualização do espaço. O Magic Paper apresenta algoritmos de correção do traçado, aproximando o esboço ao elemento geométrico bidimensional. Apesar da vasta biblioteca de elementos físicos e de forças de interação, a interação com o usuário é limitada ao uso do mouse ou do simples toque da caneta, não apresentando interações gestuais. O ambiente criado limita-se ao tamanho fixo do quadro, não permitindo a expansão do mesmo através de técnicas como alteração da escala dos elementos. B. In-Place 3D Figura 1. Magic Paper: (a) Desenho do sistema; Animação do modelo físico. O In-Place 3D é um framework para autoria de cenas tridimensionais para Realidade Aumentada baseado em desenhos à mão livre. Com este framework, é possível transformar esboços em sistemas em três dimensões com a (a) Figura 2. InPlace3D: (a) Autoria do sistema mecânico, esboçado no papel; Ambiente de Realidade Aumentada construído com base no modelo desenhado. possibilidade de interação, permitindo ao usuário controlar as etapas da animação, bem como alterar as propriedades físicas dos elementos contidos no ambiente [6]. Desenvolvido pelo Hit Lab New Zealand em 2009, o In- Place 3D faz uso de técnicas de processamento de imagens e Realidade Aumentada, bibliotecas de desenvolvimento de ambientes e interações físicas. Os esboços são feitos com base no desenho em perspectiva ortogonal. São usadas técnicas de processamento de imagens e reconhecimento de padrões para reconhecimento dos símbolos desenhados e capturados por uma câmera comum. A Figura 2 apresenta em (a) a autoria de um sistema mecânico, criado sobre um marcador especial que delimita o espaço da cena. Em tem-se o ambiente virtual gerado e inserido no ambiente real sobre o marcador. O tratamento das imagens permite a criação de elementos sólidos baseados em triedros e tetraedros e forças interativas como atrito, gravidade e velocidade. A criação do modelo é gerada e mostrada no vídeo sobreposta à imagem da câmera. Os movimentos e transformações dos objetos são feitos com a adição de marcadores de controles à cena e a movimentação da câmera. O framework de desenho é genérico e, portanto, pode ser utilizado para diferentes casos de uso. Sua utilização gerou diferentes publicações em áreas de ensino e criação de mundos virtuais. A cena virtual não se limita ao marcador, apenas o utiliza como orientador no espaço. Entretanto, assim como o Magic Paper, o InPlace 3D tem espaço limitado para criação do modelo mecânico. A interação com o ambiente, realizada através da câmera, é melhor utilizada em um ambiente controlado, com uma câmera fixa. Para dispositivos móveis, esta forma de interação deve ser repensada para que aborde os conceitos de interação gestual, utilizando o toque do usuário e a orientação do dispositivo. C. ILoveSketch Trata-se de um software desenvolvido por Seok-Hyung bae, Ravin Balakrishnan e Karan Singh, capaz criar ambientes tridimensionais baseados em esboços feitos em dispositivos de captura por toque [7]. Este sistema pode ser usado com navegação 2D ou 3D e cria curvas NURBS. Foi desenvolvido para profissionais do design, possibilitando a interação do usuário com seus modelos 3D com gestos comuns, existentes em uma biblioteca coesa de gestos. A aplicação diferenciada do software é a navegação e criação de elementos usando um ambiente tridimensional. Desenho e transformações dos mesmos se misturam em um ambiente sólido e consistente. São trabalhados gestos como ponto, curva, laço, loop, entre outros, para desenho, transformação e movimentação do ambiente.

3 (a) Figura 3. ILoveSketch (a) Criação do esboço; Trabalhos finais gerados. Todos os traços do usuário são tratados a fim de melhorar o desenho e torná-lo mais uniforme com os padrões de projeto. São evitadas as redundâncias de traços, para que não haja ambiguidade no processamento dos dados, deixando os contornos definidos. O ambiente conta com as principais ferramentas de transformação dos modelos, que alteram suas propriedades geométricas e estéticas. Assim como os grandes editores de modelos 3D, o ILoveSketch propõe diferentes câmeras e perspectivas de vistas. Apesar das boas ferramentas de desenho, o software não conta com ferramentas para animação e a interação do usuário com o modelo limita-se à mudança de pontos de vista, não permitindo a visualização dos efeitos gerados pelas forças aplicadas ao modelo. O espaço de criação pode ser aumentado, através de gestos, mas não há interação entre os elementos criados. Estes se comportam como elementos estáticos. A Figura 3apresenta a utilização do software para criação de desenhos tridimensionais. III. ARQUITETURA DO SISTEMA PROPOSTO O sistema proposto permite elaborar ambientes aumentados, com objetos virtuais dotados de propriedades físicas, a partir do esboço e concepção em um modelo de interface 2D para dispositivos móveis. A Figura 4 apresenta a arquitetura do sistema. Figura 4. Arquitetura do Sistema Porposto A arquitetura é centrada em um Módulo Gerenciador, responsável pela conexão entre as bibliotecas e as interfaces. O conjunto de bibliotecas necessárias para a execução do sistema está dividido em duas bases de dados: Biblioteca de Objetos Virtuais Contêm as formas geométricas primitivas em duas e três dimensões, as bibliotecas específicas da linguagem para desenho 2D e criação de mundos virtuais. Banco de Dados da Aplicação Nele estão contidas as formas 2D e 3D específicas para cada aplicação, bem como as engines necessárias para o desenvolvimento da mesma, como bibliotecas de física dos materiais, por exemplo. O Módulo Gerenciador tem acesso somente de leitura dos bancos de dados, garantindo sua integridade. Observa-se que o projeto da aplicação deve prever as bibliotecas necessárias, que não podem ser alteradas durante sua execução. A comunicação entre usuário e Módulo de Gerenciamento é feita por duas GUIs, uma para a criação e concepção do ambiente bidimensional e outra para a representação do ambiente aumentado. Observando os padrões de visualização da informação para dispositivos móveis, estabeleceu-se a criação de interfaces fluidas para que o usuário tenha maior controle sobre o que será ou não exibido na tela. Na interface 2D, os elementos encontram-se a princípio em barras ocultáveis que contêm as bibliotecas de objetos bidimensionais. Estes objetos podem ser arrastados para a área de composição do ambiente. Os métodos atuais de interação com dispositivos móveis podem ser agrupados em três grupos: gestos, toque e toques múltiplos (gesture, touch e multitouch). Os primeiros são caracterizados pelo movimento dos dedos em contato com a tela do dispositivos. Métodos de toque são semelhantes aos métodos de clique do mouse. Por fim, métodos de toques múltiplos caracterizam-se por aceitar múltiplas entradas de toque. A quantidade de toques aceitos é dependente da qualidade do hardware. Com base no padrão de desenvolvimento para dispositivos móveis, o controle das ações na interface bidimensional deve ser realizado com base nos conceitos de transformações por gestos, isto é, são utilizados controles dos tipos SWIPE (clique e arraste), TAP (clique), RESIZE (swipe com dois toques simultâneos), DRAG AND DROP (arrastar e soltar) e DOUBLE TAP (clique duplo). Aplicações criadas para dispositivos específicos devem observar a estrutura do aparelho e os controles que o mesmo permite, assim como a estrutura da linguagem adotada. Os painéis de biblioteca e controles auxiliares podem ser ocultados ou exibidos através do menu principal que, por via de regra, é associado a um dos botões físicos ou Área de Composição Bibliotecas Controles Auxiliares virtuais do dispositivo. A posição de tais painéis pode ser definida pelo usuário ou pelo desenvolvedor. Os objetos virtuais são então criados e o módulo responsável pela interface 3D deve apresentá-lo ao usuário. A GUI 3D deve apresentar apenas a informação obtida pela câmera do dispositivo. Uma vez acionada, a interface busca o marcador de RA pré-determinado e insere sobre ele o conteúdo do mundo virtual. Na interface 3D o painel de bibliotecas é oculto, deixando visível apenas o painel de controles auxiliares, que neste

4 caso apresentará os controles de animação. A área de Composição é então substituída pela imagem da câmera, ou seja, a imagem do mundo real, onde serão inseridos os elementos virtuais. Independentemente da linguagem adotada, das bibliotecas e dos dispositivos, sugere-se o uso dos padrões apresentados a fim de padronizar os projetos de aplicativos em m-learning. Novos painéis podem ser inseridos ao sistema de acordo com as funções necessárias em cada aplicativo, entretanto, estes devem apresentar ao usuário a opção de ser exibido ou ocultado. Objetiva-se com essas diretrizes a criação de um design minimalista, que apresente apenas as informações estritamente necessárias, mas garanta ao usuário o acesso às informações que julgar importantes em cada visualização. IV. ESTUDO DE CASO Utilizando aspectos de Mecânica Fundamental, o usuário foi capaz de reproduzir as situações comuns aos livros didáticos. Para isso, criam-se os elementos principais usados no ensino de Mecânica Fundamental. Com um simples movimento de arrestar e soltar, o aluno pôde compor o ambiente e os elementos contidos nele. A Figura 5 apresenta alguns elementos do simulador. Figura 5. Elementos Físicos Para adicionar um elemento ao ambiente, basta carregalo do painel Biblioteca para o painel Ambiente. As propriedades dos elementos podem ser editadas de duas maneiras: clique duplo ou clique contínuo sobre o elemento. O primeiro método abre o painel de propriedades físicas, que é distinto para cada componente. O segundo habilita o usuário a alterar as propriedades geométricas de cada objeto. A Figura 6 exemplifica em (a) as propriedades do elemento Plano Inclinado e em a sua alteração de escala. Figura 7. Cena virtual composta pelo usuário. Figura 8. Sistema em Realidade Aumentada: (a) Marcador; Ambiente 2D; (c) Execução do aplicativo; (a) Figura 6. Alteração de propriedades (a) Físicas; Geométricas. Usando os mecanismos de inserção e alteração de propriedades o usuário pôde, então, reproduzir em seu dispositivo móvel o ambiente proposto no livro didático ou outro à sua escolha. A Figura 7 apresenta um sistema físico criado com os elementos disponíveis no simulador. A Figura 8 mostra em (a) um exemplo de marcador de RA, em um sistema criado em duas dimensões e em (c) o mesmo sistema em 3D sobre o marcador. Elaborado o ambiente aumentado, o aluno teve a possibilidade de visualizar os gráficos gerados pelas equações do movimento, comprovando de forma interativa a posição, velocidade e aceleração de cada elemento em cada intervalo de tempo. Os vetores das forças relacionadas podem ser exibidos ou ocultados para que o aluno experimente diferentes etapas do processo cognitivo. Além de visualizar o sistema físico, o aplicativo simula diferentes configurações de forças físicas que atuam sobre o sistema. O aluno pode alterá-las em tempo real e verificar as reações dos objetos virtuais. Novas forças podem ser

5 acrescentadas com um simples arrastar e soltar de objetos da biblioteca. Uma vez soltas na ambiente principal, passam a interagir com os objetos de maneira a simular suas respostas reais. Foram observadas as principais características de diferentes trabalhos na área, como os apresentados anteriormente. O aplicativo criado possibilita ao aluno uma experiência de criação de ambientes aumentados em um dispositivo móvel. V. CONCLUSÕES O sistema criado possibilita interagir, em ambiente aumentado, com o conteúdo de uma dada disciplina ou área de conhecimento. A imersão com o ambiente tridimensional permite que os conceitos de movimentos dinâmicos, bem como os gráficos gerados por eles sejam melhor percebidos, garantindo ao aluno maior aproveitamento da disciplina. A estratégia proposta para criação de aplicativos para m- learning é genérica e facilmente adaptável a cada contexto. A divisão da arquitetura em blocos possibilita a inserção de novas bibliotecas referentes aos assuntos abordados sem que todo o aplicativo precise ser refeito. Com o sistema proposto, a informação torna-se descentralizada, pois cada aluno pode vê-la em seu próprio dispositivo e contribuir com a construção coletiva do modelo tridimensional. A comunicação entre os dispositivos em uma rede local possibilita ao grupo construir o conhecimento de maneira interativa, não apenas expositiva. A constante evolução dos dispositivos e das plataformas móveis requer maior atenção sobre a tecnologia adotada no desenvolvimento do sistema. Faz-se importante o uso de linguagens interpretadas pelo maior número de usuários, ou mesmo a adaptação do software para os principais ambientes utilizados pelo público alvo. A escolha do sistema e da linguagem adotados para criação das aplicações deve ser feita levando em consideração o desempenho das animações tridimensionais e a facilidade de acesso aos dispositivos pelo público alvo. tempo para a criação, execução e análise do ambiente virtual. VII. REFERÊNCIAS [1] ANATEL, Agência Nacional de Telecomunicações. Relatório Anual 2010, disponível em < Acessado em 16 de agosto de [2] KIRNER, C.; KIRNER, T.G. Virtual Reality and Augmented Reality Applied to Simulation Visualization. In: El Sheikh, A.A.R.; Al Ajeeli, A.; Abu-Taieh, E.M.O.. (Ed.). Simulation and Modeling: Current Technologies and Applications. 1 ed. Hershey- NY: IGI Publishing, 2008, v. 1, p [3] AZUMA, R. T. Tracking Requirements for Augmented Reality, Communications of the ACM, 36(7):50-51, July, [4] TORI, R. Educação sem distância: as tecnologias interativas na redução de distâncias em ensino e aprendizagem, Editora Senac São Paulo, [5] DAVIS, R., Magic Paper:Sketch-Understanding Research, IEEE Computer Society, [6] BERGIG, O., HAGBI J., EL-SANA, J., BILLINGHURST, M., In-Place 3D Sketching for Authoring and Augmenting Mechanical Systems, 8 th IEEE International Symposium on Mixed and Augmented Reality (ISMAR 2009), 2009, p [7] BAE,S., BALAKRISHNAN, R., SINGH, Karan, ILoveSketch: As-natural-as-possible system for creating 3D curve models, ACM Symposium on User Interface Software and Technology, Monterey, CA, USA, VI. TRABALHOS FUTUROS Como trabalhos futuros sugere-se a criação dos ambientes utilizando técnicas de processamento de imagens, com as quais o aluno pode desenhar em um papel o ambiente, ou mesmo tirar uma foto da página do livro e obter assim, os dados do sistema a ser criado. A utilização de tais trabalhos torna-se inovadora no seu uso em dispositivos móveis. Sugere-se também a criação de ambientes aumentados que não necessitem de marcadores para a exibição dos objetos virtuais e que levem em consideração as características do ambiente como agentes de alteração do sistema. Finalmente, podem ser elaboradas em aplicações que sejam executadas em um servidor remoto, pelo qual alunos em diferentes localidades possam contribuir ao mesmo