Aplicação de Astronomia com Realidade Aumentada Online

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1 Aplicação de Astronomia com Realidade Aumentada Online Cristina de Souza Rezende; Claudio Kirner; Tereza Gonçalves Kirner Programa de Pós-Graduação Mestrado Profissional em Ensino de Ciências Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI Itajubá, Brasil crismestadounifei@yahoo.com.br; ckirner@gmail.com; tgkirner@gmail.com Abstract O estudo de astronomia, particularmente sobre as constelações, é instigante para muitas pessoas, porém apresenta dificuldades, por envolver a identificação das estrelas e suas posições relativas, que se alteram constantemente, ao longo do ano. A fim de contribuir para este problema, o presente trabalho discute o desenvolvimento e avaliação de uma aplicação de realidade aumentada online, usando uma ferramenta de software gratuita e aberta, contendo imagens, visualização tridimensional, narrações e vídeos. Com isto, espera-se colaborar para um melhor entendimento sobre o tema (constelações), ao mesmo tempo em que disponibiliza um recurso educacional na área de astronomia. Palavras Chaves: Aplicação de realidade aumentada; Aplicação educacional de astronomia; Estudo de constelações. I. INTRODUÇÃO A astronomia é uma ciência que depende muito da observação e entendimento do céu e do comportamento dos astros, ao longo do tempo. O sistema solar e as constelações são, particularmente, objetos de interesse de muitas pessoas, que poderiam se beneficiar de recursos interativos de software, para aprofundarem-se nesses temas. As constelações, por serem mais visíveis, complexas e fascinarem as pessoas, foram escolhidas como tema para o desenvolvimento de uma aplicação de Realidade Aumentada (RA) online. A aplicação, denominada ConstellAR - Constellation with Augmented Reality [1] pretende apoiar usuários não especialistas em astronomia, que desejam aprender sobre a constituição do céu, comportamento dos astros e estrelas, fatos históricos e curiosidades. A aplicação foi construída com a ferramenta FLARAS de autoria de aplicações de RA online [2], que facilita e agilizam a geração, disponibilização e utilização de aplicações, nos mais diferentes domínios. Um fator importante, que foi determinante para a escolha do FLARAS, foi sua capacidade de disponibilizar as aplicações na internet (online), de forma que, para usá-las, as pessoas não necessitam instalar a ferramenta. Basta imprimir ou capturar a imagem do marcador com um celular, acessar a aplicação através do link, posicionar o marcador em frente a webcam e passar a interagir com a aplicação. O usuário pode, assim, ativar os pontos de interesse no céu, recebendo informações visuais bidimensionais (2D) e tridimensionais (3D), estáticas e animadas, além de narrações sonoras que explicam as situações acessadas. Tal facilidade de uso e a intensiva interação propiciada são essenciais para motivar o usuário e mantê-lo na aplicação, unindo aspectos de entretenimento e de aprendizagem. Este trabalho aborda o desenvolvimento da aplicação ConstellAR e sua avaliação, conduzida junto a participantes de um evento de astronomia promovido pelo Laboratório Nacional de Astronomia, pico dos Dias, Brasópolis, MG, em setembro de Na seção II do artigo são destacados os principais fundamentos sobre o tema e trabalhos relacionados. A seção III descreve o desenvolvimento da aplicação. A seção IV apresenta uma experiência de avaliação da aplicação ConstellAR. Por fim, a seção V contém as conclusões do trabalho. II. TRABALHOS RELACIONADOS Nos espaços formais, tradicionalmente, o estudo das constelações tem sido realizado com o apoio de diagramas, fotografias, filmes e observação do céu, a olho nu ou com o auxílio de telescópios. O uso de aplicações computacionais pode auxiliar substancialmente esse estudo, em função da facilidade e agilidade de acesso às informações. Neste sentido, surgiram aplicações com multimídia e hipermídia, algumas disponíveis na internet [3], [4] que, embora úteis, são limitadas quanto aos aspectos de visualização e interação. Aplicações de realidade virtual na astronomia [5], pelo fato de gerarem representações 3D, propiciaram uma forma inovadora de estudar o tema; porém, pela exigência de equipamentos e software especializados, não se popularizaram. Mais recentemente, têm surgido diversas aplicações sobre constelações para tablets, como SkyMap, Sta Walk, Distant Suns, Sky Safari, etc. [6], algumas com RA baseadas em posições de GPS. No entanto, todas elas necessitam ser instaladas antes de serem usadas e possuem interação limitada [7]. A aplicação enfocada neste trabalho apresenta vantagens em relação às demais existentes, pelos seguintes motivos: (a) apresenta uma integração de mídias interativas, como textos,

2 imagens, som e narrações, animações e vídeos; (b) permite adaptação, uma vez que a aplicação e a ferramenta de autoria são abertas e disponíveis na internet; (c) a ferramenta de autoria adotada para desenvolvimento da aplicação é de fácil utilização; (d) a aplicação explora o conceito de hipermídia dentro do ambiente de RA; (e) é uma aplicação executada online, sem necessitar instalação de softwares e complementos. forma que, depois de ativada a aplicação, a exposição do marcador no campo de visão da webcam fará aparecer os elementos virtuais sobre a cena real. A movimentação do marcador movimentará também a cena virtual, deslocamentos, zoom e inclinações. III. DESENVOLVIMENTO DA APLICAÇÃO E DE CONTEÚDO A. Visão Geral O desenvolvimento da aplicação ConstellAR envolveu um conjunto de recursos, como: a ferramenta de autoria de aplicações de RA online FLARAS [2]; imagens sobre as constelações; narrações que explicam as constelações; vídeos sobre o tema; ambientes 3D estáticos e animados sobre as constelações. A ferramenta FLARAS, gratuita e de código aberto, possui características que facilitam e agilizam a produção e adaptação de aplicações de RA online interativas. Sua versão 2.0, atualmente disponível, permite criar aplicações que, quando usadas em monitores ou projetores, podem interagir com o uso do mouse para selecionar e ativar elementos do ambiente de RA. O FLARAS é baseado em pontos espaciais, aos quais são associados objetos ou cenas virtuais, sonorizados e animados. Cada ponto pode conter uma lista de objetos ou cenas, que pode ser percorrida para frente ou para trás, com o uso dos botões do mouse, mostrando sempre o objeto ou cena da posição corrente. A interface do FLARAS, que deve ser instalada no computador do desenvolvedor, pode ser vista na Fig. 1. A área da esquerda serve para a visualização do ambiente de RA, durante a criação da aplicação. O menu superior, à esquerda, contém funções úteis ao projeto, como abertura e salvamento de arquivos ou projetos, ajuste de visualização, etc. A área da direita apoia a elaboração do projeto, mostrando um grafo de pontos e cenas do ambiente de RA, bem como detalhes sobre o posicionamento e conteúdo a ser inserido em cada ponto e cena. Figura 2. Marcador utilizado. B. Estrutura usada para Geração da Aplicação A fim de facilitar o desenvolvimento da aplicação ConstellAR, foi adotado o template PeR-AR, criado com o FLARAS, para apoiar uma aplicação de perguntas e respostas [8]. O template incorpora uma estrutura de sete pontos (ver Fig. 3), duas áreas de visualização de imagem e texto e um espaço de visualização 3D (Fig. 4). Figura 3. Visão do Template mostrando os pontos. Figura 4. Estrutura das áreas do Template. Figura 1. Interface da ferramenta FLARAS 2.0 [2]. Para que o ambiente virtual apareça sobreposto ao ambiente real, é necessário o uso de um marcador (Fig. 2), de A estrutura de pontos (denominados botões) apresenta cinco botões na parte inferior e um na parte superior do marcador. O botão inferior, à esquerda, (Q) serve para apresentar explicações ou perguntas, na área de visualização esquerda, enquanto que o botão inferior da direita (A)

3 apresenta explicações ou respostas na área de visualização da direita. Os três botões inferiores centrais (A, B, C) correspondem a opções de respostas, quando perguntas e respostas estiverem sendo utilizadas. O botão superior (3D) serve para mostrar objetos e cenas tridimensionais estáticas ou animadas, no meio e acima das áreas de visualização, Pequenas alterações nessa estrutura e inclusão de conteúdos sobre constelações resultaram na aplicação ConstellAR. C. Produção do Conteúdo da Aplicação O conteúdo da aplicação ConstellAR é composto de imagens (com e sem textos acoplados), vídeos, objetos e cenas 3D, além de narrações verbais que podem ser associadas aos elementos anteriores. As imagens podem ser obtidas em páginas ou repositórios na internet, preparadas ou capturadas pelo usuário/criador da aplicação, segundo o formato JPEG ou equivalente. Os vídeos podem ser obtidos em repositórios na internet (como o Youtube), preparados ou capturados pelo usuário/criador da aplicação, segundo o formato FLV ou MP4. Os objetos 3D podem ser obtidos em repositórios na internet (como o Armazém 3D) do Gloogle/Trimble [9] ou preparados por meio de um software de modelagem 3D, no formato Collada (DAE) ou KMZ. Há vários softwares de modelagem 3D que exportam no formato Collada. No caso do formato KMZ, recomenda-se o uso do software Sketchup [10], versão 7 ou inferior, por questões de compatibilidade. As animações são implementadas pela ferramenta FLARAS, durante a inserção de conteúdo. Uma alternativa viável é usar o software Vivaty [11], para produzir as modelagens 3D, exportando-as para 3DS binário. Compactando-se o arquivo (zip) e incluindo-se as texturas, o arquivo resultante pode ser lido pelo FLARAS, mostrando o objeto correspondente. Um exemplo de visualização 3D, incluída na ConstellAR é a da constelação de Aquário, ilustrada nas Fig. 5 e 6. A visualização mostra, em um primeiro momento, a constelação; em seguida, o usuário, ao avançar na visualização, vê a imagem da constelação e as estrelas acima dela, o que pode ser visualizado de diferentes pontos de vista. Finalmente, o usuário poderá avançar na visualização mais uma vez, e verá somente as estrelas em movimento. Figura 5. Visualização da Constelação de Aquário (1) Figura 6. Visualização da Constelação de Aquário (2) Uma vez preparado todo o conteúdo da aplicação, abre-se o template PeR-AR e passa-se a inserir as imagens, vídeos e objetos 3D, associando-se as narrações correspondentes e gerando as animações, quando for o caso. A Fig. 7 mostra telas com conteúdo do ConstellAR. Figura 7. Telas de conteúdo do ConstellAR. Quando a aplicação estiver pronta, ela deverá ser salva e publicada (usando comandos do menu superior) e disponibilizada em um servidor na internet, para que possa ser acessada e utilizada por usuários finais interessados. Em suma, o procedimento para criação de um conteúdo específico, usando o template descrito, compreende as seguintes etapas: Realizar o download e extração dos arquivos através do endereço dado em [8]; Encontrar a pasta textures e abrir as imagens A0 e Q0, que são os templates utilizados. Copiar e colar em um arquivo de power point e, sobre o template, encaixar as novas imagens. Utilizar um programa de captura de imagem para obter as novas imagens das texturas, salvando-as nesta pasta; Preparar os arquivos de áudio, do conteúdo previamente selecionado, o que pode ser feito com um recurso de narração e captura de voz, e salvando estes arquivos na pasta áudios; Fazer o download de objetos tridimensionais, acessando armazéns de imagens 3D disponíveis gratuitamente na internet. Os arquivos devem ser convertidos para o formato ZIP e salvos na pasta dae; O usuário pode salvar ou editar vídeos, incluindo-os à aplicação;

4 Abrir a aplicação flarasproject, encontrar as pastas denominadas point, que estão relacionadas a cada botão de acesso. Nelas se encontram os arquivos Scene, que devem ser substituídos pelos novos arquivos de textura; Após terminar, salvar o projeto; O software FLARAS, permite a publicação do projeto, como uma página HTML, opção que pode ser utilizada pelo usuário para publicar sua aplicação on-line. Os arquivos a serem substituídos devem manter as mesmas extensões, como, por exemplo: para arquivo de áudio, extensão mp3; para arquivo de imagem, extensão JPEG. D. Utilização da Aplicação Para utilizar, o usuário deverá imprimir o marcador e clicar no link referente à aplicação, em uma página web. Uma janela da aplicação será aberta, solicitando autorização para funcionar. Clicando-se em autorizar, o usuário verá a janela de vídeo aberta, mostrando a visão da webcam. Normalmente, o usuário se vê, em função da posição da webcam estar apontada para ele. Neste momento, ele deverá mostrar o marcador para a webcam, o que fará aparecer a estrutura dos botões, os quais poderão ser ativados pelo mouse, resultando no funcionamento da ConstellAR (ver Fig. 5). Adicionalmente, há algumas teclas de atalho no teclado que agilizam a execução de determinadas funções. Após utilizar a aplicação, bastará fechá-la, para que sua execução seja finalizada. IV. AVALIAÇÃO DO USO DA APLICAÇÃO A avaliação da aplicação foi realizada em uma apresentação no evento Portas Abertas, promovido pelo Laboratório Nacional de Astrofísica (LNA), situado no Pico dos Dias, em Brasópolis, MG, em setembro de O LNA abriu seus espaços à visitação pública, recebendo professores, estudantes e interessados em geral da região. A aplicação ConstellAR foi disponibilizada para uso pelos visitantes, com a tutoria de dois colaboradores de apoio do evento, que repassaram informações básicas de interação com o software. A Fig. 8 mostra o LNA e a aplicação ConstellAR sendo utilizada. Para a avaliação da aplicação, foram coletados dados por meio de um questionário, respondido por visitantes que a utilizaram. O questionário incluiu questões que visavam reconhecer atributos de usabilidade, com destaque para recursos de interação da aplicação [12], [13]. Dos questionários preenchidos, foi selecionada uma amostragem aleatória não intencional de 10 participantes, com idades variadas. Destes, 60 % eram do sexo feminino e 40% do sexo masculino, com o mesmo percentual para visitantes e estudantes, respectivamente. Destes, 70 % afirmaram que não haviam tido nenhum tipo de contato com aplicações de RA. Os participantes foram orientados a responder o questionário, de maneira a exprimir as impressões que tiveram ao interagir com a aplicação. As questões analisaram aspectos relativos à manipulação; facilidade ou dificuldade de interação; obtenção de informações; captura, fixação e visualização dos objetos com o marcador. A Fig. 9 apresenta os resultados obtidos quanto aos aspectos analisados Manipulação Informação Captura Fixação Visualização Figura 9. Resultados da avaliação da aplicação. Facilidade Dificuldade Indiferente A avaliação também inspecionou um valor para experiência de uso, interação tátil, visual, auditiva e virtual, solicitando que os participantes estabelecessem uma associação do uso da aplicação com situações atitudinais e com as possíveis áreas em que a aplicação poderia ser adotada. Para aferição destes itens, foi utilizada uma escala de Likert [14] de cinco pontos, associada às definições de acordo com a Tabela I. TABELA I. Nota VALORES ADOTADOS PARA A ESCALA Definições 1 Discordo Plenamente 2 Discordo Parcialmente 3 Indeciso 4 Concordo Parcialmente 5 Concordo Planemente Figura 8. Demonstração da aplicação no LNA. Os participantes da avaliação, ao interagir com a ferramenta, em sua maioria, reconheceram que as experiências de interação tátil, visual e virtual são

5 predominantes, demonstrando que o uso da aplicação é fácil e intuitivo. Porém, a interação auditiva apresentou resultados mais baixos. Este resultado pode ser explicado pelo fato que, como foi uma apresentação ao ar livre e havia um contingente alto de pessoas, os ruídos interferiram na qualidade deste atributo. A Fig. 10 apresenta o gráfico que sumariza os resultados obtidos pela análise dos atributos de interatividade da aplicação ConstellAR. Figura 10. Resultado geral da avaliação dos aspectos interatividade. Ao solicitar que o usuário indicasse uma nota, à aplicação, 60% dos participantes deram nota 5 e 40% nota 4, o que sugere uma aceitação bastante satisfatória quanto ao uso da ConstellAR. Os participantes validaram a experiência de uso da aplicação, inferindo uma nota que apresentou a média de 4,6 pontos, dentro do valor máximo de cinco pontos. A Figura 11 mostra que não houve variância significativa dos resultados. Figura 11. Variação dos resultados da avaliação de interação. Os usuários correlacionaram a aplicação ConstellAR a situações de aprendizagem, experiência, memorização, interação, controle e coordenação. Ao responderem para quais áreas poderia ser utilizadas aplicações desta natureza, 80% destacaram a área educacional e os demais 20% com áreas comerciais, industriais, de saúde e de jogos. V. CONCLUSÃO Este trabalho apresentou o desenvolvimento da aplicação de RA online ConstellAR, que explora as constelações, por meio de mídias integradas, envolvendo imagens, vídeos, objetos 3D e animações, associadas a descrições textuais e narrações verbais, ativadas no ambiente de RA. ConstellAR é tipicamente um software educacional, que visa apoiar a obtenção e construção de conhecimento, na área de astronomia, tanto em ambientes formais, quanto nos ambientes não formais como é o caso desta pesquisa. A aplicação foi desenvolvida com o software de autoria de aplicações de RA online, usado em conjunto com o template PeR-AR. O template foi adaptado, de forma a atender certas especificidades incorporadas ao ConstellAR, e o conteúdo sobre constelações foi preparado e inserido no template. A aplicação ConstellAR foi exposta em um evento de astronomia, sendo utilizado pelos participantes do evento. Nesta ocasião, os participantes que usaram a aplicação realizaram também a sua avaliação. Quanto ao desenvolvimento, a ferramenta FLARAS mostrou-se de fácil utilização na adaptação do template, inserção do conteúdo e geração da aplicação ConstellAR, para disponibilização na internet. Quanto à geração do conteúdo da aplicação, o processo seguido mostrou-se simples e acessível, mesmo para um desenvolvedor não especializado em informática. Tal característica sugere que aplicações como a ConstellAR podem ser construídas por professores do ensino fundamental e médio, que poderão adequar seus conteúdos programáticos, gerando recursos educacionais que poderão beneficiar a aprendizagem dos alunos. As teorias pedagógicas, construtivistas e psicológicas, ao tratarem das habilidades espaciais e consideradas quanto à perspectiva do uso de ambientes com RA, reforçam uma aprendizagem melhor e mais dinâmica, proveniente da combinação de estratégias de ensino holísticas e analíticas. A avaliação da aplicação envolveu a consideração de atributos relativos aos recursos táteis, visuais, auditivos e virtuais. Os resultados indicaram que os aspectos sonoros foram prejudicados, devido ao ambiente público, em que a experiência avaliativa ocorreu. Isso poderá ser corrigido com o uso de caixas de som mais potentes e fones de ouvido. Os aspectos visuais também poderão ser melhorados, se a aplicação for usada em ambientes mais apropriados, além de se poder investir no design da aplicação, com uso adequado de cores, imagens e objetos 3D, tamanho dos textos, etc. Foi possível observar que o grau de motivação e de entendimento do assunto, por parte dos participantes da avaliação, foi elevado, podendo-se destacar também que eles poderão acessar novamente a ConstellAR, de sua casa, via internet. O objetivo desta pesquisa foi de validar a experiência de uso de um aplicativo de RA, que proporciona aprendizagem,

6 ao mesmo que entretém, considerando um ambiente imersivo interativo, de propósito educacional, focado na experimentação do usuário. Apesar de existirem aplicações sobre constelações na internet, para uso em tablets, elas precisam ser instaladas e não adotam uma variedade de mídias, além de serem limitadas quanto à facilidade de interação. A solução de tais deficiências foi priorizada ao longo do desenvolvimento da ConstellAR, tendo-se chegado a bons resultados. No momento, a equipe de desenvolvimento do FLARAS está considerando a geração de uma ferramenta equivalente, para ambientes de tablets. Desta forma, a ConstellAR (e outras aplicações educacionais que vêm sendo criadas) poderá ser disponibilizada para uso nestes novos ambientes. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem: ao Governo do Estado de Minas Gerais, Brasil, pela concessão de afastamento para cursar Mestrado (Processo /2011-5); a CAPES, pela concessão da bolsa CAPES-REUNI; ao CNPq, pelo financiamento ao Projeto AIPRA (Processo /2010-2), e ao Laboratório Nacional de Astrofísica LNA Pico dos Dias, que possibilitou a exposição e avaliação da aplicação ConstellAR. REFERÊNCIAS [1] C. S. Rezende, ConstellAR: Aplicação de Realidade Aumentada na Astronomia, [2] R. C. Souza, H. D. F. Moreira e C. Kirner, FLARAS 2.0 Flash Augmented Reality Authoring System, Disponível em < Acesso em 28 set [3] Google Inc. - Google Sky, Disponível em < Acesso em 28 set [4] Astronomy Online - Cosmology, Disponível em < mology&subcate=cm01>. Acesso em 29 set [5] R. Mintz, S. Litvak, and Y. Yair, Y. 3D-Virtual Reality in Science Education: An Implication for Astronomy Teaching, Journal of Computers in Mathematics and Science Teaching, V. 20, N. 3, 2001, pp [6] S. Klimenko, S. Virtual Planetarium: Learning Astronomy in Virtual Reality, In L. Cantoni and C. McLoughlin (Eds.), Proceedings of World Conference on Educational Multimedia, Hypermedia and Telecommunications, Chesapeake, VA: AACE, 2004, pp [7] Iphoneness. 15 Best Astronomy Applications for iphone, Disponível em: < Acesso em 28 set [8] C. Kirner, PeR-RA: Perguntas e Respostas com RA, [9] Google (2012). Armazém 3D do Google. Disponível em < Acesso em 21 ago [10] Sketchup. Disponível em < Acesso em 28 set [11] Vivaty Inc. Vivaty Studio, Disponível em < 3d/files/downloads/VivatyStudio.ex>. Acesso em 21 ago [12] C.S. Rezende, T.G. Kirner e C. Kirner, Uso de recurso interativo multimídia (RI-Mult) em ensino e aprendizagem, In: Anais da 7ª Conferencia Ibérica de Sistemas y Tecnologías de Información CISTIS, Madrid, ES, 2012, Tomo II, pp [13] F. M. V. Reis, e T. G. Kirner, Percepção de Estudantes quanto à Usabilidade de um Livro Interativo com Realidade Aumentada para a Aprendizagem de Geometria, RENOTE - Revista Novas Tecnologias na Educação, V. 10, N. 1, 2012, p [14] J. C. R. Pereira, Análise de Dados Qualitativos. São Paulo: EdiUsp, 2004.