Sistema Solar com Realidade Aumentada

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1 Sistema Solar com Realidade Aumentada Eduardo S. Okawa, Claudio Kirner, Tereza G. Kirner ICE / DMC / UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá [email protected], [email protected], [email protected] Resumo O Sistema Solar é um ambiente cheio de mistérios, que tem sido estudado por astrônomos e especialistas ao longo do tempo, usando telescópio e material especializado. No entanto, o usuário comum costuma ter um acesso bastante restrito a essas informações, limitando-se a textos, figuras e, mais recentemente, a vídeos e aplicações de realidade virtual. A realidade aumentada amplia esse escopo, permitindo a visualização tridimensional do Sistema Solar em miniatura, usando interações intuitivas no ambiente do usuário. Esse trabalho apresenta o desenvolvimento do SOL-RA, uma aplicação de realidade aumentada para apoiar a exploração do Sistema Solar, para professores, estudantes e interessados. A aplicação foi implementada por meio da ferramenta SACRA e integra recursos de imagem, som, animação e interação com múltiplos marcadores. Desta forma, o Sol-RA atinge seu propósito, que é visualizar demonstrações, propiciar explorações, disponibilizar exercícios de fixação e apoiar trabalhos colaborativos sobre o tema. 1. Introdução O estudo dos planetas vem fascinando as pessoas, desde o início da humanidade, e neste contexto, o Sistema Solar apresenta grande interesse. Tradicionalmente, o estudo do Sistema Solar tem sido realizado por astrônomos e especialistas, usando telescópios e equipamentos especiais. Para o usuário comum, existem recursos de texto, imagem e vídeo, que favorecem o entendimento da estrutura e comportamento dos planetas. Algumas iniciativas com o uso do computador incluem aplicações com multimídia, Realidade Virtual (RV) e, mais recentemente, Realidade Aumentada (RA). O uso da RA permite uma visualização e interação do usuário de maneira natural e intuitiva. Este trabalho tem como objetivo apresentar o desenvolvimento de um Sistema Solar Interativo com Realidade Aumentada (o Sol-RA), usando recursos de imagem, animação, som e interação com múltiplos marcadores. Trata-se de uma aplicação educacional, que visa contribuir para o aprendizado do Sistema Solar. 2. Trabalhos relacionados Existem diversos trabalhos que utilizam RV e RA, abordando o Sistema Solar. O Sistema Solar Virtual [3] foi um projeto desenvolvido por professores e alunos da 5ª série do ensino fundamental, que consistiu em se criar um Sistema Solar com RV, incluindo avatares e outros objetos tridimensionais (3D). Houve grande integração entre alunos e professores na elaboração do projeto, cujo intuito era propiciar o estudo dos planetas, de maneira não convencional. Outro trabalho utilizando RV para explorar conceitos da astronomia é descrito em [8]. O trabalho incluiu a criação de uma página na Internet, que disponibilizou informações para o estudo dos corpos celestes, permitindo interação com os objetos 3D, construídos com a linguagem VRML. Além disso, o trabalho fornece informações sobre o desenvolvimento do protótipo apresentado, sua finalidade, interface, utilização e questões de ensino-aprendizagem. A maioria das aplicações com RA fazem uso de marcadores. Entre elas, há um livro com o marcador impresso [4], utilizando RA para mostrar as órbitas de cada planeta e suas dimensões, porém sem interação do usuário com os objetos. Outro trabalho, descrito em [5], permite uma interação do usuário com os planetas, limitando-se, no entanto, ao posicionamento dos planetas no sistema solar. O Discover the Planets [6], que também aborda o Sistema Solar com RA, mostra os corpos celestes e o sol sobre um marcador, de maneira pouco interativa. Nesta aplicação, destacam-se dois pontos positivos: a possibilidade de se obter informações sobre os planetas, quando estes são acionados, e de se visualizar o tamanho relativo de um planeta em relação a outro, quando estão próximos. O Sistema Sol-RA, discutido neste trabalho, difere dos demais aqui apresentados, na medida em que: Faz reuso de marcador, mostrando cenas estáticas e animadas em sequência, que podem ser acionadas por outro marcador; Utiliza som para esclarecer e ajudar o usuário na interação com o sistema e para informar sobre a cena que está sendo visualizada;

2 Propicia a fixação do aprendizado, com exercícios interativos em 3D, que podem ser salvos, visualizados e revisados posteriormente; Contém um livro que complementa informações sobre o Sistema Solar, incluindo marcadores em suas folhas e permitindo diferentes interações com o cenário 3D visualizado; Possibilita a escolha de diferentes níveis de utilização, como Nível Iniciante e Avançado. a aproximação do marcador Inspeção para a ativação do objeto e do som de um ponto. Os planetas poderão ser estáticos ou animados, de acordo com a definição do desenvolvedor. 3. Sistema de Autoria Colaborativa com Realidade Aumentada O SOL-RA foi desenvolvido com o suporte do Sistema de Autoria Colaborativa com Realidade Aumentada (SACRA). Esta é uma ferramenta para desenvolvimento rápido de aplicações de RA, envolvendo imagens, sons e animação, sem a necessidade de programação. A ferramenta é baseada no software ARToolKit [9] [11] e permite a utilização de múltiplos marcadores, divididos em duas categorias [1],[2]: marcadores de ambiente e marcadores de ações (inspeção, controle, status, apagamento, cópia, transporte e rastro), conforme ilustra a Figura 1. Além disso, existe um marcador de referência (Ref1), que permite trabalhos colaborativos entre diferentes usuários que estejam usando o mesmo marcador, em outros computadores. Figura 1. Ferramenta SACRA [7] Para desenvolver aplicações, o usuário deverá preencher pastas com arquivos de modelos 3D, sons e textos de configuração por ele elaborados. O SACRA utiliza pontos virtuais no ambiente, associados a cada um dos objetos 3D e sons, que podem ser ativados pelo marcador Inspeção. Além disso, permite a associação de uma lista de objetos 3D com seus respectivos sons a um ponto, de forma a ativá-los em sequência, com o marcador Controle. A Figura 2 apresenta uma lista de planetas que são mostrados um a um sobre o marcador, quando acionados pelo marcador Controle. A Figura 4 ilustra Figura 2. Sequência de planetas O SACRA suporta também alguns comandos por teclado. Desta forma, é possível, com um conjunto reduzido de marcadores e teclas, construir e utilizar aplicações relativamente sofisticadas de RA. O conjunto de marcadores disponíveis no SACRA auxilia tanto o desenvolvedor quanto o usuário final. O marcador Inspeção faz a ativação do objeto que se encontra no marcador de Referência, onde aparecerá o objeto 3D. O marcador Controle faz a mudança de um objeto que está sendo visualizado pelo próximo. O marcador Cópia duplica o objeto. O marcador Transporte leva o objeto para qualquer área dentro do campo de visualização da webcam. O marcador Apagador apaga os objetos, quando acontece a colisão entre sua esfera e a esfera do objeto que se quer apagar. O marcador Status mostra alguns dados importantes do objeto, como a distância do objeto ao ponto central [1], [2]. 4. Visualização e interação 4.1. Uso de marcadores soltos Os marcadores apresentados na Figura 3, foram os mais utilizados no projeto. Com eles, pode-se interagir de forma eficiente com os objetos em 3D. Eles são, respectivamente: Ref2 (onde aparecerá o objeto), Inspeção (ativa o objeto), Controle (muda para o

3 próximo objeto), Transporte (transporta o objeto) e Cópia (copia o objeto). utilizando o Controle mais uma vez, a visualização retornará para o primeiro elemento, que é o Sol Livro com realidade aumentada Figura 3. Marcadores Ref2, Inspeção, Controle, Transporte e Cópia. A ativação do Ref2 (marcador que retem o objeto) é feita pelo marcador Inspeção. Para isso, é necessário a colisão da esfera azul com a esfera cinza, conforme mostrado na Figura 4. Esse processo ativará o objeto dentro do marcador. O Sistema Sol-RA compreende um livro para estudo do Sistema Solar, potencializado com RA. Em cada folha do livro há um marcador impresso e, ao redor do marcador, ficam as informações de cada planeta. Após a leitura das informações por parte do usuário, é possível ver o planeta da página sair de dentro do livro, ativado pelo marcador Inspeção. Para fazer a ativação, devese colidir a esfera do marcador Inspeção com a esfera do marcador de Referência impresso no livro. Usando-se o Controle, é possível ativar a placa virtual de informação e o som. O áudio fornece informações sobre o planeta em questão e guia o usuário nos procedimentos de interação com o Sol-RA. Todos os planetas apresentam informações, em placas virtuais dispostas ao lado de cada planeta. Para poder observar o objeto em movimento, é necessário utilizar o marcador Controle ; caso se queira repetir a operação, será necessário aproximar o marcador Inspeção duas vezes para desativar e ativar a cena. As páginas finais do livro apresentam exercícios de fixação de conteúdo, usando os marcadores Inspeção e Controle. As Figuras 6, 7, 8 e 9 ilustram o funcionamento da aplicação de RA dentro do livro. Figura 4. Ativando o marcador Ref2. Na Figura 5, o planeta Terra está ativo e em movimento. Figura 6. Marcador Inspeção acionando o marcador Ref2 impresso no livro. Figura 5. Ref2 depois de ser ativado. Para visualizar os próximos objetos, utiliza-se o marcador Controle. Após ter acionado todos os astros,

4 Se ele desejar verificar a resposta global, ele deverá repetir a operação para cada esfera, antes de voltar a mostrar o eixo com todos os planetas e fazer a comparação dos dois conjuntos. Figura 7. Sol com as placas informativas. Jogo de Perguntas e Respostas. Neste caso, conforme a Figura 9, será apresentado um planeta qualquer e três opções, em forma de caixa, na cor vermelha, para o nome do planeta. Com o marcador Controle, deve-se clicar (aproximar) sobre a caixa vermelha correta. Para a verificação da reposta, é necessário clicar no ponto identificado como resposta, dentro do retângulo azul. Figura 9. Jogo de perguntas e respostas Figura 8. Sol em movimento dentro do livro Exercícios de fixação da aprendizagem Os exercícios de fixação têm o intuito de fazer com que o usuário exercite o conhecimento obtido, de forma interativa e dinâmica, o que contribui para uma aprendizagem eficaz. Para isso, foram desenvolvidos um Jogo da Memória e um Jogo de Perguntas e Respostas. Jogo da Memória. No jogo da memória, após a ativação do marcador Ref2 com o marcador Inspeção ou com uma tecla de atalho, serão mostrados os planetas em um eixo, de forma ordenada, com uma esfera em frente a cada um. Ao se usar o marcador Controle no eixo dos planetas, eles desaparecerão. Em seguida, ao se usar o marcador Controle sequencialmente, em cada esfera, serão apresentados todos os planetas, cabendo ao usuário parar naquele que ele achar que é o correto para a posição. Se ele quiser conferir se a resposta individual está correta, ele poderá acionar o eixo dos planetas, fazendo-os aparecer para realizar a comparação. 5. Discussão do Projeto O projeto consiste em apresentar, de forma interativa, todos os planetas do sistema solar, iniciandose pelo Sol e finalizando pelo planeta anão [10]. Os meios utilizados para aprendizagem são o livro com RA, o áudio e os objetos em 3D, por meio dos marcadores. O projeto Sol-RA procurou integrar ferramentas, como RV, RA, áudio, animação e exercícios interativos, com foco na aprendizagem. Inicialmente o projeto pretendia apenas mostrar os planetas, mas foi visto que já existem demonstrações deste tipo. Percebeu-se, então, que seria necessário aprimorar as idéias. O projeto foi ganhando consistência com a incorporação de mais funções, tais como a inserção de informações dentro da modelagem, por meio de marcadores 3D e sonorização. Foram incluídos também outros elementos para a aprendizagem, que são os exercícios, importantes para a fixação do conteúdo. Para trazer mais consistência ao trabalho, foi desenvolvido um livro, com informações adicionais sobre o tema, com marcadores dentro dele, unindo assim ainda mais o real e o virtual. Além disso, foram criadas versões dos ambientes virtuais para visualização com RV (Figura 10).

5 7. Informações sobre o Projeto Este trabalho foi realizado no âmbito do projeto Ambiente Temático Interativo com Realidade Aumentada, com bolsa de iniciação científica, financiado pelo CNPq (Proc /2009-7) e FAPEMIG (Proc. APQ ). 8. Referências Figura 10. Sistema solar em realidade virtual. Considerando-se que existem diferentes tipos de usuários, com expectativas distintas, foram disponibilizadas três opções de utilização do Sol-RA: Sol-RA Iniciante: O módulo iniciante contém textos 3D e sons, que dão informações sobre o sistema solar e guiam o usuário na utilização do Sol-RA com os marcadores. Sol-RA Avançado: Corresponde à versão iniciante sem as instruções de utilização, tornando a aplicação mais confortável para quem já conhece o sistema. Livro Sol-RA: É um livro que contém o estudo sobre o Sistema Solar, compreendendo desde curiosidades até informações mais complexas. Ele faz uso de marcadores impressos em suas páginas, de onde sairão os objetos 3D e os sons. 6. Conclusão Este trabalho abordou o desenvolvimento do Sistema Solar com Realidade Aumentada (Sol-RA), explorando textos, sons, imagens, animações e exercícios para fixação de aprendizagem sobre o tema. O projeto utilizou a ferramenta SACRA como base para o seu desenvolvimento, o que permitiu utilizar marcadores para mostrar e interagir com os cenários 3D estáticos e animados. A integração de recursos foi importante para a obtenção de ambientes mais interativos e motivadores, para o usuário final. A principal contribuição do projeto refere-se à integração de recursos (textos, sons, imagens e animações) e sua utilização para fornecer informações sobre o Sistema Solar. Complementarmente, buscou-se apoiar o usuário na manipulação do sistema, facilitando a utilização nas fases iniciais. Como continuação do projeto Sol-RA, pretende-se implementar novas interações, pontos de vista específicos e novos exercícios de fixação. O sistema Sol-RA será disponibilizado para uso livre e espera-se que ele ajude professores, alunos e demais interessados a entender melhor o Sistema Solar e facilitar a aprendizagem sobre este tema. [1] R. Santin, SACRA - Sistema de Autoria em Ambiente Colaborativo com Realidade Aumentada, Dissertação Ciência da Computação, UNIMEP, Piracicaba, [2] SACRA, Software, tutoriais e aplicações. Disponível em: < Acesso em: 22 ago [3] Ciências na Escola, Sistema Solar Virtual. Disponível em: < Acesso em: 25 ago [4] Augmented Reality Science Book, Solar System, Diponível em: < Acesso em: 25 ago [5] Mindspace solutions, Solar System Builder. Disponível em:< html>. Acesso em: 25 ago [6] Dailymotion, Discover the Planets - Augmented Reality. Disponível em: < Acesso em: 25 ago [7] C. Kirner, R. Santin, Interaction, Collaboration and Authoring in Augmented Reality Environments, Proceedings of XI Symposium on Virtual and Augmented Reality, Porto Alegre: SBC, 2009, p [8] K.S. Aquino, W.A. Silva, E.A. Lamounier, M.W. Ribeiro, A. Cardoso, N. Fortes, Uma ferramenta para o auxilio ao ensino da astronomia para alunos do ensino fundamental utilizando a Realidade Virtual como tecnologia. Disponível em: < Acesso em 25 ago [9] 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 [10] E. Martioli, O rebaixamento de Plutão. Disponível em: < 7&id=310>. Acesso em: 23 ago [11] M. Billinghurst, and H. Kato. Collaborative Augmented Reality, Communications of the ACM, Jul. 2002, p