Educ-AR: Uma Ferramenta para apoio a Educacao utilizandoRealidade Aumentada

Lucas F. Oliveira1, Rummeningge R. Dantas2, Aquiles M. F. Burlamaqui2

1Departamento de Computacao – Universidade do Estado do Rio Grande do Norte (UERN)Natal - RN - Brazil

2Escola de Ciencia e Tecnologia – Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN)Natal – RN – Brazil

{luksrn,rudson,aquiles}@natalnet.br

Abstract. The article presents a software tool that uses augmented reality tech-niques to enhance the visual experience of various subjects taught in the class-room through the visualization of 3D models. The tool also allows communica-tion with collaborative virtual environments, as proposed by the Working GroupMixed Reality.

Resumo. O artigo apresenta uma ferramenta de software que utiliza tecnicas derealidade aumentada para aprimorar a experiencia visual de diversos assuntosministrados na sala de aula atraves da visualizao de modelos 3D. A ferramentatambem permite a comunicacao com ambientes virtuais colaborativos, como oproposto pelo Grupo de Trabalho Realidade Mista.

1. Introducao

A realidade aumentada e uma sub-area da computacao grafica. Seu campo de estudo e oaprimoramento do mundo real atraves de imagens virtuais. Com a realidade aumentada epossıvel trazer para o ambiente real elementos virtuais. Atualmente ja podemos encontrarusos da suas tecnicas em diversas areas, inclusive na educacao [Kiyoshi Kiyokawa 2002].

Com o uso da realidade aumentada e possıvel aprimorar o exercıcio de umaapresentacao presencial, atraves de modelos 3D que sao exibidos de forma sobrepostaao ambiente de apresentacao. Podemos ver a realidade aumentada como uma nova ferra-menta no apoio da atividade docente, uma vez que realca a percepcao do aluno e enfatizainformacoes que nao sao percebidas diretamente pelo uso dos seus proprios sentidos.

Algumas pesquisas comprovam que, com o uso de tecnicas de realidade vir-tual e aumentada, e possıvel influenciar positivamente o processo de aprendizado[Alexandre Cardoso 2008]. Dentre as principais justificativas temos a motivacao dos es-tudantes, ocasionada pela utilizacao de novas tecnologias, e o aprendizado baseado emexperiencias de 1o pessoa, que sao aquelas na qual o indivıduo conhece o mundo atravesde sua interacao com ele.

Outro experimento foi realizado com alunos do ensino medio durante aulas dequımica [Byrne 1996]. Eles foram divididos em dois grupos: o primeiro assistiam aulasque utilizavam aplicativos baseados em realidade virtual, para analise e visualizacao de

moleculas, enquanto segundo grupo utilizavam processos tradicionais. Quando submeti-dos a uma avaliacao, os estudantes do primeiro grupo apresentaram um melhor desem-penho, demonstrando que a interatividade proporcionada durante a aula influencia noaprendizado.

Neste contexto, este artigo tem como objetivo descrever uma ferramenta de apoioao ensino que deve ser de facil uso para professores com pouco conhecimento em in-formatica e desejam utilizar destas tecnicas para melhorar suas aulas. Este artigo esta or-ganizado da seguinte manteira: Na secao 2, sao descritas algumas iniciativas que utilizamda realidade aumentada para apoiar o ensino. Em seguida, apresentamos uma comparacaoentre os trabalhos e nossa proposta. Na secao 4 apresentamos o ambiente do GT Reali-dade mista, onde a ferramenta Educ-AR esta sendo utilizada. Na secao 5 apresentamosalgumas funcionalidades presentes na versao atual do Educ-AR. Por fim, as conclusoesobtidas apos o desenvolvimento do mesmo.

2. Trabalhos RelacionadosAs iniciativas que utilizam da realidade aumentada para apoiar o ensino sao apli-cadas tanto no nıvel de ensino basico, fundamental e superior. Para criancas em fasede alfabetizacao existe o projeto SICARA - Aritmetica[Kirner 2008]. O objetivo daaplicacao e permitir que criancas possam aprender operacoes basicas de aritmetica medi-ante o uso da realidade aumentada.

Para os alunos de ensino fundamental existe a aplicacao Orbitario para apoiar osconceitos introdutorios da Mecanica Quantica[Trindade J. 2004]. A escolha dessa area sedeve ao fato da dificuldade que os alunos encontram durante a aprendizagem dos assuntosrelacionados, pois estao ligados com a necessidade de “ver o invisıvel”.

No campo do ensino superior existe o ARHeartViz[Arthur Bastos 2010]. Nesseprojeto e proposto o uso de tecnicas de realidade aumentada para criar novas formasde visualizacao de sinais cardiologicos, com objetivo de facilitar o entendimento dasinformacoes por estudantes da area.

Um projeto mais abrangente e o SICARA- Livro LIRA[Kirner 2008]. Ele tem porobjetivo a geracao de material didatico com conteudos visuais baseados em tecnicas de re-alidade aumentada. O livro contem paginas com marcacoes estampadas. Cada marcacaopossui uma associacao com um objeto 3D.

2.1. Comparacoes e PropostaAs aplicacoes descritas anteriormente possuem algumas semelhancas. No projetoSICARA e Orbitario, e possıvel interagir com os modelos atraves da proximidade comoutros marcadores, denominados marcadores de controle. Decorrente desta proximi-dade, no Orbitario e possıvel visualizar atomos com diferentes variacoes de densidadeeletronica.

Quando se trata de representacao de modelos, nenhum dos trabalhos relacionadoscomenta sobre a possibilidade de submissao de novos modelos. No SICARA - Aritmeticavarias equacoes pre-definidas sao exibidas em um mesmo marcador, sem possibilidadede facil customizacao. Alem disso, nenhuma das ferramentas possuem uma interfacepara customimzacao de marcadores, disponibilizando apenas padroes ja definidos pelaaplicacao.

A distribuicao dos softwares para a comunidade interessada tambem apresentaproblemas. Apenas o projeto Aritmetica possui os binarios disponıveis para download,porem a instalacao nao e simples. Alem disso, a aplicacao possui portabilidade apenaspara o Windows.

Desse modo, estamos propondo uma ferramenta mais abrangente, capaz de ex-ibir diferentes modelos em diferentes marcadores. Estes modelos 3D podem ser ani-mados para representar diferentes estados e, o usuario podera associar um marcador aomodelo virtual de acordo com sua preferencia. A ferramenta tambem e capaz de trocarinformacoes com o ambiente virtual multi-usuario, exibindo os modelos 3D tambem emum ambiente virtual.

Como esta nova ferramenta possui um foco educacional e possıvel, por exemplo,utiliza-la para criacao de materiais didaticos semelhantes ao Livro LIRA, criando mar-cadores customizados e definindo quais modelos 3D devem aparecer. Com a utilizacao demodelos animados, poderıamos interagir com eles com um marcador de controle, ativandodiferentes animacoes para representar, por exemplo, variacoes de densidade eletronica oudiferentes expressoes aritmeticas.

3. O GT - Realidade MistaO GT-Realidade Mista e uma iniciativa do laboratorio Natalnet da Universidade Federaldo Rio Grande do Norte, em parceria com a Universidade Federal da Paraiba e a Uni-versidade do Estado do Rio Grande do Norte, financiada pela Rede Nacional de Ensino ePesquisa. Este projeto propoe a criacao de um sistema para apresentacoes de RealidadeMista. A Figura 1 ilustra um caso de uso em que o sistema pode ser utilizado, neste casoum ambiente educacional.

Figura 1. Arquitetura do GT-Realidade Mista para um ambiente educacional.

O ambiente consiste de uma sala de aula convencional. Alem do projetor utilizadoconvencionalmente, a arquitetura propoe a utilizacao de um projetor adicional para exten-der o real com informacoes da sala de aula virtual. Atraves dessa expansao os alunosvirtuais podem se manifestar atraves de animacoes que serao percebidas pelo professor,por exemplo, levantar o braco para informar que existe uma duvida.

Os alunos virtuais residem em uma sala de aula virtual. Este ambiente permiteaos alunos remotos acompanharem a aula atraves da exibicao de um vıdeo em tempo realdentro do ambiente virtual. Para interagir com o mundo real, o aluno dispoe de umainterface de bate-papo.

Completando o modelo proposto, temos o ambiente com realidade aumentada.Neste caso, atraves de uma camera modelos virtuais 3D sao sobrepostos em papeis commarcacoes especiais em um video, que pode ser apresentado no projetor, proporcio-nando uma melhor visualizacao do assunto ministrado. Ainda e possıvel que os mode-los exibidos pelo professor tambem aparecam no ambiente virtual com transformacoesgeometricas equivalentes. A ferramenta descrita neste artigo esta sendo desenvolvidapara atender os requisitos deste ultimo ambiente, o da realidade aumentada.

4. A ferramenta Educ-AR

A ferramenta desenvolvida neste trabalho, denominada Educ-AR, tem como pre-requisitos uma base de dados que contem todas as informacoes necessarias, tais comoprofessores cadastrados, aulas disponıveis, modelos 3D e associacoes entre marcadores emodelos. Esta base de dados e populada atraves de um portal Web. E atraves dessa inter-face que os usuarios cadastrados (professores) tem acesso as opcoes de gerenciamento deaulas e tambem as ferramentas de software necessarias, inclusive a Educ-AR. O softwareEduc-AR e disponibilizado via JNLP[Oracle 2006], tendo como dependencia uma versaocompatıvel da Java Runtime Environment (JRE).

Figura 2. Interface principal do Educ-AR representando de duas moleculas.

Ao executar o arquivo JNLP que descreve a aplicacao, o Java WebStarter[Oracle 2006] ira obter todas as dependencias utilizadas pelo sistema, como porexemplo o Java 3D [Henry Sowizral 2002], e bibliotecas nativas especificas do sistemaoperacional do cliente. Ao inicializar a aplicacao, sera solicitado ao servidor os modeloscadastrados para uma determinada aula e, tambem os padroes necessarios para exibir estesmodelos de maneira transparente ao usuario. A Figura 2 ilustra a aplicacao em execucao,exibindo o modelo de uma molecula do etanol e uma molecula da agua sobreposto em ummarcador.

O Educ-AR tambem permite realizar algumas interacoes com os modelos. Atravesdessa interacao e possıvel alterar a escala dos modelos, rotacionar e ativar animacoes(se disponıvel). Na versao atual do sistema e permitido dois meios de interacao, porteclado e atraves de um marcador especial. A interacao por teclado ocorre quando ousuario pressiona algumas teclas determinadas pela aplicacao realizando uma acao emtodos os modelos presentes na cena. Ja a interacao por marcador ocorre pela proximidadede um marcador especial, denominado marcador de interacao. O marcador de interacaonao exibe modelos mas a aplicacao percebe sua presenca e realiza acoes nos modelosproximos.

O software tambem permite que outras aplicacoes exibam os mesmos objetos comtransformacoes geometricas semelhantes em abientes virtuais. A Figura 3 apresenta o am-biente virtual do GT-Realidade Mista exibindo os mesmos modelos que sao apresentadospelo professor no Educ-AR. No momento em que o modelo nao estiver mais visıvel naapresentacao, ele tambem sera removido do ambiente virtual.

Figura 3. Ambiente virtual do GT-realidade mista exibindo em tempo real os mes-mos modelos que sao apresentados durante a aula pelo professor no modulorealidade aumentada.

Por fim, para auxiliar o gerenciamento de marcadores utilizados pela aplicacao,o modulo tambem conta com uma opcao para geracao de novos padroes. Esta funciona-lidade e disponıvel caso o professor deseje criar um padrao personalizado que podem serutilizados para exibir os seus modelos 3D, em vez de utilizar marcadores padroes. AFigura 4 apresenta a interface de criacao de marcadores.

Figura 4. Interface de criacao de novas marcacoes. O marcador resultante eapresentado na janela do lado direito.

5. ConclusaoNeste artigo foram apresentadas algumas funcionalidades da ferramenta Educ-AR, quepermite a exibicao de modelos virtuais utilizando tecnicas de realidade aumentada, exi-bindo os mesmos tambem no ambiente virtual do GT-realidade mista. Com esta fer-ramenta professores podem utilizar de modelos virtuais para enriquecer e melhorar aexplicacao de assuntos abstratos de diversas areas. Na area da Biologia, professores ealunos podem utilizar da ferramenta para visualizar o DNA, na area da anatomia pode-semelhorar a visualizacao de orgaos, tais como o coracao e o cerebro.

Deve-se ressaltar que a utilizacao de tecnologias na educacao nao pode ser con-siderada por si so uma solucao eficiente. Contudo, um estudo de caso realizado noSENAI[Rojer Luz 2008] mostrou que em sua maioria os alunos aprovaram a utilizacao detecnicas de realidade aumentada para auxiliar o ensino. Destacaram ainda que a exposicaodos conteudos ficou mais interessante e atrativa. Quanto aos professores, todos ficaramsatisfeitos com a aplicacao proposta no estudo de caso, mostrando que esta abordagemdeve ser considerada como uma solucao viavel.

O Educ-AR foi desenvolvido como parte do projeto GT-Realidade Mista e de-monstra grande potencial de se tornar uma ferramenta disponıvel para toda a comunidadeinteressada.

AgradecimentosOs autores agradecem a Rede Nacional de Ensino e Pesquisa por financiar este projeto.

ReferenciasAlexandre Cardoso, E. L. (2008). Aplicacoes na educacao e treinamento. Realidade

Virtual e Aumentada. Uma abordagem tecnologica. X Symposium on Virtual and Aug-mented Reality.

Arthur Bastos, Alexandre Cardoso, A. A. (2010). A utilizacao de realidade aumentadano aprendizado e interpretacao de dados cardiologicos. XII Symposium on Virtual andAugmented Reality.

Byrne, C. (1996). The Use of Virtual Reality as an Educational Tool. PhD thesis, Univer-sity of Washington.

Henry Sowizral, Kevin Rushforth, M. D. (2002). The java 3d api specification.

Kirner, C. (2008). Sicara - sistema complexo aprendente: Um ambiente de realidadeaumentada para educacao.

Kiyoshi Kiyokawa, Mark Billinghurst, J. P. (2002). Experiments with face-to-face col-laborative ar interfaces.

Oracle (2006). Javatm web start version 1.5.0 - farequently asked questions (faq).

Rojer Luz, Marcos Ribeiro, W. S. (2008). Analise de aplicacoes de realidade aumentadana educacao: Um estudo de caso no senai dr/go. 5o Workshop de Realidade Virtual eAumentada.

Trindade J., Kirner C., F. C. (2004). Orbitario: Exploracao de orbitais hidrogenoides comrealidade aumentada.