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Aplicaes Mveis com Realidade Aumentada para Potencializar Livros

Marco Aurlio Galvo Universidade Federal de So Paulo magalvao@unifesp.br

Ezequiel Roberto Zorzal Universidade Federal de So Paulo ezorzal@unifesp.br

Resumo: Algumas pessoas tm dificuldade em assimilar o contedo de livros didticos e de literatura. Elementos grficos e sonoros podem auxiliar na compreenso do contedo. A utilizao de recursos multimdia para a transmisso da informao uma estratgia cada vez mais utilizada. Essa estratgia prev a abordagem de um contedo a partir de textos, grficos, sons, imagens, animaes e simulaes que prendem a ateno do leitor e possibilitam uma melhor interao com o contedo exposto. O objetivo desse trabalho foi propor ferramentas de interatividade em livros didticos e de literatura a partir do uso de Realidade Aumentada em dispositivos mveis baseados nos sistemas operacionais Android e iOS. Dois estudos de caso foram elaborados, sendo o primeiro um teste com a ferramenta para o enriquecimento de um livro de histrias infantil e o segundo estudo de caso uma aplicao da Realidade Aumentada sobre um livro didtico de Geometria Analtica, onde foi possvel constatar a utilidade da ferramenta no ensino da disciplina, atravs de visualizao tridimensional e interao em tempo real, duas coisas difceis de obter com um livro comum.

Palavras-chave:Realidade Aumentada, dispositivos mveis, aprendizado, educao.

Mobile Applications with Augmented Reality for Books Enhancement

Abstract: Some people have difficulty in assimilating the content of textbooks and literature. Graphics and sound can help in understanding the content. The use of multimedia resources for the transmission of information is a strategy increasingly used. This strategy provides an approach to content from the text, graphics, sounds, images, animations and simulations that hold the reader's attention and allow a better interaction with the content displayed. The aim of this study was to propose interactivity tools in textbooks and literature from the use of Augmented Reality on mobile devices based on Android OS and IOS. Two case studies were developed, the first being a test tool for the enrichment of a storybook childhood and a second case study application of Augmented Reality on a textbook of analytical geometry, where it was possible to verify the usefulness of the tool the teaching of the subject through three-dimensional visualization and interaction in real time, two things difficult to achieve with an ordinary book.

Keywords:Augmented Reality, mobile devices, learning, education.

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1. INTRODUO

Os livros ao redor do mundo desde sculos atrs at os tempos modernos compartilham o mesmo objetivo: transmitir informaes ao leitor. Sejam elas didticas, no caso de livros de aprendizado escolar ou de linguagem tcnica, ou em forma de histrias, no caso de livros de contos de fico.

No entanto, existem informaes difceis de transmitir a partir de um livro. No caso da matemtica, pode ser cansativo para algum que est aprendendo geometria analtica estudar as alteraes sobre frmulas de superfcies de revoluo com um livro, sem poder visualizar as formas tridimensionais, o que poderia ser realizado com um software especializado em um computador pessoal, permitindo ao leitor ir alm dos exemplos apresentados pelo autor do livro.

Recentemente, a evoluo tecnolgica propiciou a viabilizao da Realidade Aumentada, que consiste na sobreposio de objetos virtuais gerados por computador em um ambiente real, utilizando para isso algum dispositivo tecnolgico (Milgram, 1994) (Azuma et al., 2001). Por meio desta tecnologia possvel estimular e aumentar a capacidade de transmisso de informaes de um livro, de forma a melhorar a percepo do leitor sobre o tema proposto, trazendo informaes para o espao real com a utilizao de marcadores de papel impressos no livro e um dispositivo mvel com um software instalado.

Este artigo apresenta a implementao de dois estudos de caso onde a Realidade Aumentada trouxe melhorias na cognio das informaes de dois livros de reas diferentes. No primeiro estudo de caso foi elaborado um livro de histria infantil, que com o auxlio da Realidade Aumentada foram propostas interatividade do leitor com a histria a partir da visualizao do cenrio tridimensional e com recursos multimdia, como sons, msicas e animaes. J o segundo estudo de caso trata-se da utilizao da Realidade Aumentada como auxlio na compreenso de contedo abordado em sala de aula para estudantes da disciplina de Geometria Analtica.

Constatou-se que um dos principais problemas nessa disciplina a abordagem de contedo relacionado a objetos tridimensionais e a dificuldade de apresentar o aluno esse tipo de objeto com a utilizao de lousas ou livros, pois estes no so capazes de fornecer a percepo de objetos tridimensionais por serem bidimensionais. Outro problema observado a dificuldade do aluno em perceber o resultado de modificaes nas variveis das frmulas de objetos tridimensionais. Portanto, para auxiliar a compreenso do leitor de um hipottico livro de Geometria Analtica, foi proposta a insero de marcadores de Realidade Aumentada nas pginas de um livro quando o autor desejar exibir exemplos de objetos tridimensionais.

2. TRABALHOS RELACIONADOS

Tipicamente para utilizar a tecnologia de Realidade Aumentada necessrio ter um computador com acesso a webcam, algumas placas pequenas retangulares com desenhos (conhecido como marcadores) e um software que permite o desenvolvimento e aplicaes de Realidade Aumentada. Para isso, basta o usurio colocar o marcador no campo de viso da webcam, que no monitor ser possvel ver o marcador e sobre ele um objeto virtual, ao movimentar o marcador o objeto virtual tambm se movimentar.

Com o objetivo de avaliar as potencialidades das aplicaes desenvolvidas para o uso de Realidade Aumentada com livros foram analisados alguns trabalhos existentes,

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procurando ressaltar seus processos de interaes, suas estruturas pedaggicas e suas principais caractersticas.

Alguns projetos foram desenvolvidos pensando em utilizar a Realidade Aumentada juntamente com o livro tradicional. O Magic Book (Billinghurst et al., 2001) um projeto criado em conjunto com a Universidade de Washington (EUA) e a Universidade de Canterbury (Nova Zelndia), e visa unir a facilidade e a naturalidade de um livro convencional com o dinamismo e a riqueza da Realidade Aumentada. O livro contm marcadores em suas pginas que, ao serem folheadas pelo aluno que utiliza culos especiais, possibilitam a visualizao de imagens tridimensionais animadas sobre o livro. possvel utilizar o Magic Book sem os culos, e, nesse caso, o aluno pode folhear o livro e apresent-lo a uma webcam para visualizar no monitor as imagens tridimensionais sobre o livro.

O projeto LIRA-ESPEC (Kirner et al., 2006) um livro de Realidade Aumentada para crianas portadoras de necessidades especiais que visa desenvolver um livro tradicional incrementado com caractersticas capazes de potencializar os sentidos, ao ser colocado no campo de viso de uma webcam anexada a um computador. Neste projeto foram desenvolvidas aplicaes interativas voltadas aprendizagem, atravs de estmulos visuais, sonoros e tteis.

J o projeto LIDRA (Livro Didtico com Realidade Aumentada) (Forte et al., 2006), utiliza um livro com temas comuns do currculo escolar, abordando a rea da matemtica e de cincias. A cada captulo do livro marcaes so associadas a objetos tridimensionais, alm de narraes explicativas e sons caractersticos dos objetos. Assim, este trabalho explora a Realidade Aumentada, a fim de prop-la como ferramenta prtica em sala de aula.

O projeto LIPRA um livro interativo potencializado com RA, que aborda alguns aspectos bsicos do jogo de xadrez, como o nome das peas, a movimentao, a captura e os xeques. Cada um desses temas abordado em um mdulo diferente (Souza e Kirner, 2012).

A utilizao das aplicaes em Realidade Aumentada citadas at agora so de uso para computadores de mesa ou notebooks o que limita o usurio a um espao restrito pelos equipamentos. Visando uma melhor utilizao da Realidade Aumentada novas tecnologias tem sido alvo de estudo. A tecnologia da computao mvel encontra-se com um grau de evoluo constante, propiciando assim um novo conceito de aprendizagem chamado de Mobile Learning ou M-Learning. Seu grande potencial encontra-se pelo uso de dispositivos de comunicao sem fio como parte de um modelo de aprendizagem integrado (Denk et al., 2007).Vrios aparelhos celulares assim como PDAs, Tablets e iPads, so capazes de suportar um sistema baseado em Realidade Aumentada pelo fato de terem um bom poder de processamento. Desta forma possvel utilizar a filmadora do prprio dispositivo para capturar o ambiente real e utilizando tambm o display do prprio dispositivo com os objetos virtuais adicionados.

Alguns projetos foram desenvolvidos em Realidade Aumentada utilizando dispositivos mveis, um bom exemplo o Layar desenvolvido pela empresa de mesmo nome Layar (Layar, 2012), disponvel para usurios de smartphones, iPhones e dispositivos Android. O Layar uma aplicao de Realidade Aumentada que permite visualizar informaes digitais sobrepostas a um ambiente real atravs do auxilio de cmeras, Global Positioning System (GPS), bssolas e acelermetros. Desta forma possvel visualizar informaes de pontos tursticos, lojas, redes sociais entre outros.

O Wikitude World Browser desenvolvido pela empresa Wikitude (Wikitude, 2012), um aplicativo capaz de encontrar, por exemplo, bares, restaurantes, bancos, casas de shows e muitos outros servios apenas com a cmera do seu dispositivo mvel,

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permite tambm que voc mude o que voc esta vendo, acrescentando novas imagens na tela, misturando imagens reais e objetos virtuais, criando assim uma nova imagem, uma imagem virtual.

Singh et al. (2004) apresentam dois aplicativos mveis. O primeiro permite que crianas visualizem seus personagens de desenhos favoritos tridimensionais sobre livros ou revistas. Estes personagens tridimensionais so construdos na cena real capturada pela cmera do dispositivo mvel. O segundo um aplicativo de recados com Realidade Aumentada, que combina a funo bluetooth dos celulares modernos com a cmera, para poder disponibilizar mensagens em forma de recados auto-adesivos tridimensionais.

O projeto visa utilizar a tecnologia de Realidade Aumentada em um livro, porm, a captura de vdeo, o processamento das imagens e a reproduo com os suplementos da Realidade Aumentada, podem ser feitos utilizando dispositivos mveis. A escolha dos dispositivos mveis em relao aos outros sistemas computacionais convencionais, como os computadores pessoais, devida melhoria na mobilidade oferecida ao leitor.

3. MATERIAIS E MTODOS

Para o desenvolvimento das aplicaes deste artigo foram utilizadas as ferramentas de cdigo aberto FLARToolkit (Saqoosha, 2009), que baseada no ARToolkit (Augmented Reality Toolkit) (Kato et al., 2000) criada para auxiliar no desenvolvimento de aplicaes de Realidade Aumentada, e a biblioteca Papervision3D, utilizada para auxiliar na manipulao de objetos tridimensionais.

O funcionamento do FLARToolkit se baseia nos ciclo de: i) Captura: Imagens so capturadas, tipicamente de uma cmera em dispositivos mveis; ii) Tratamento: A imagem sofre um tratamento de alto contraste; iii) Anlise: A imagem em alto contraste analisada em busca de padres, que so em forma de marcadores envoltos por um quadrado de traado grosso pr-cadastrados na ferramenta; iv) Projeo: So realizados clculos sobre a posio do marcador encontrado em relao cmera, rotao, direo e ngulo. Todos estes resultados so inseridos em uma matriz de tamanho 4x4 chamada de Matriz de Transformao; v) Exibio: O objeto tridimensional associado ao marcador projetado sobre o mesmo, com o auxlio da Matriz de Transformao calculada no passo anterior, mostrando ao usurio uma sobreposio do objeto tridimensional sobre a imagem original capturada da cmera do dispositivo, e assim, voltando ao primeiro passo do ciclo.

Nesse artigo foram utilizados um computador e dois dispositivos mveis equipados com as plataformas Android e iOS. A linguagem de programao adotada nesse trabalho foi a ActionScript3, e as bibliotecas FLARToolkit, para identificao dos marcadores, e Papervison3D, para visualizao dos modelos tridimensionais sobre os marcadores. Adicionalmente, foram utilizados os programas: i) Blender, para a criao dos modelos tridimensionais; ii) Photoshop, para a criao dos marcadores; e iii) Adobe Flash CS 5.5, para compilao do cdigo desenvolvido.

3.1 PRIMEIRO ESTUDO DE CASO: REALIDADE AUMENTADA PARA LIVROS INFANTIS

Para o primeiro estudo de caso foi elaborado um livro infantil de uma histria bblica. Foram criados oito marcadores que representaram os personagens da histria, sobre os quais a aplicao desenvolvida nesse trabalho projetou os objetos tridimensionais. Os marcadores foram dispostos na parte inferior de cada pgina do

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livro, mantendo o espao necessrio para a interao (Figuras 1 e 2). Esse estudo foi realizado com o intuito de aprimorar o conhecimento das ferramentas utilizadas e compreender a utilizao do FLARToolkit com a linguagem Actionscript3.

Figura 1. Pginas do livro infantil elaborado, com a disposio dos marcadores em destaque nas pginas.

Figura 2. Utilizao do aplicativo de Realidade Aumentada sobre o livro infantil.

A manipulao do aplicativo simples, j que o mesmo no possui interface grfica com o usurio, apresentando apenas as imagens da cmera. As histrias tambm podem ser enriquecidas com mais interaes entre a Realidade Aumentada e o leitor, atravs da deteco de mltiplos marcadores simultneos ou detectando a aproximao de dois marcadores entre si resultando em animaes e efeitos sonoros especficos, como msicas, vozes ou a narrao da histria.

3.2 SEGUNDO ESTUDO DE CASO: REALIDADE AUMENTADA PARA LIVROS DIDTICOS

A partir desta aplicao, pode ser possvel ao aluno da disciplina de Geometria Analtica compreender o estudo das superfcies de revoluo mais facilmente, alterando os valores da frmula e acompanhando o resultado destas alteraes em tempo real com o uso da Realidade Aumentada em um dispositivo mvel, facilitando assim a compreenso do contedo abordado atravs de interatividade com Realidade Aumentada.

Para o desenvolvimento deste segundo estudo de caso, foram escolhidas trs superfcies de revoluo, a saber: i) parabolide elptica; ii) hiperbolide de duas folhas; e iii) elipside. A interface da aplicao consiste em um boto de ajuda localizado no

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topo, a partir do qual so apresentadas as instrues de uso e os crditos do projeto; um quadro localizado no canto inferior esquerdo, onde so exibidas as frmulas da superfcie de revoluo; e uma rea especfica para botes de interao no canto inferior direito. A Figura 3 apresenta a interface da aplicao desenvolvida com a superfcie de revoluo parabolide sobreposta ao marcador.

Figura 3. Tela da aplicao de auxlio geometria analtica.

A Figura 4 apresenta uma possibilidade de uso da aplicao. Com a insero de uma marca sobre um livro de Geometria Analtica possvel interagir com a representao apresentada.

Figura 4. Utilizao da aplicao com um dispositivo mvel.

A aplicao foi desenvolvida com o intuito de fornecer dois tipos de interao com o usurio, que podem ser alternadas com o boto no canto inferior direito da tela. O primeiro mtodo de interatividade atravs de um marcador de papel adicional com o qual seria possvel a interao do usurio com a frmula da superfcie de revoluo. Quando o marcador de papel adicional for detectado pela cmera do dispositivo, possvel alterar o valor da frmula rotacionando o marcador.

Para alternar entre as variveis a, b e c das frmulas, o usurio utiliza um dedo para obstruir o reconhecimento do marcador adicional e ocluir o objeto por 3 segundos. Aps esse tempo, a varivel a ser manipulada alternada. O mesmo artifcio de ocluso utilizado para trocar a superfcie de revoluo a ser manipulada. Ao obstruir o marcador principal por 3 segundos, o objeto trocado, assim como sua frmula.

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Outro tipo de interao que elimina o uso da marca adicional atravs de botes na interface do usurio (uso de touchscreen). Atravs deles seria possvel alterar a superfcie de revoluo estudada, a varivel controlada e o valor das variveis da frmula individualmente.

4. RESULTADOS

Com a concluso do desenvolvimento no primeiro estudo de caso, foi possvel aprender o uso das ferramentas utilizadas na programao e a confeco dos marcadores de papel, assim como o processo de reconhecimento dos mesmos pela aplicao. Foram utilizados como exemplo alguns modelos tridimensionais para ilustrar a histria infantil e alguns marcadores prprios. Foram criados dez marcadores de papel, representando os elementos da histria, e modelos tridimensionais representando os diversos personagens (Figura 5), criando todo o ambiente de Realidade Aumentada projetado sobre o livro exemplo.

Figura 5. Exemplos dos modelos para ambientar a histria com Realidade Aumentada.

Para a anlise do segundo estudo de caso, foram conduzidas avaliaes de usabilidade com cinco alunos voluntrios da disciplina de Geometria Analtica. O questionrio abordou a eficincia do sistema, fornecendo as opinies dos usurios em relao experincia de interao, aspectos visuais e dificuldades encontradas.

Os testes permitiram avaliar as caractersticas gerais da aplicao em termos de eficcia, eficincia e satisfao.

Com relao ao questionrio, que se refere escala de usabilidade do sistema, optou-se por utilizar o teste de usabilidade SUS (System UsabilityScale). O SUS um teste normalizado da Digital Equipment Corporation, constitudo por apenas 10 itens, no entanto apresenta bons resultados de fidelidade mesmo em amostras de pequena dimenso (Tullis&Stetson, 2004). Alm disso, o SUS disponibilizado gratuitamente, simples de usar e fornece, para cada questionrio, uma pontuao entre 0 e 100. Cada item do SUS compreende diferentes aspectos da reao do usurio com o sistema. Usou-se uma escala de Likert1 numerados de um (discordo fortemente) a cinco

1A escala de Likert (Likert, 1932) um tipo de escala de resposta psicomtrica usada comumente emquestionrios, e a escala mais usada em pesquisas de opinio. Ao responderem a um questionrio baseado nesta escala, os perguntados especificam seu nvel de concordncia com uma afirmao.

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(concordo fortemente) para avaliar questes relacionadas s experincias de interao e aos aspectos visuais do sistema.

Todos os usurios entrevistados responderam o questionrio aplicado. A mdia da pontuao obtida nas pesquisas realizadas aos usurios para a escala do SUS foi de 77.5%. Este resultado pode ser considerado satisfatrio, uma vez que a pontuao da escala do SUS considera zero (0) como o valor mais baixo para o nvel de usabilidade e cem (100) como o valor mais alto. A Figura 6 ilustra a distribuio das pontuaes obtidas na escala de usabilidade do SUS.

Figura 6. Escala de Usabilidade SUS.

5. CONSIDERAES FINAIS

A Realidade Aumentada uma tecnologia com vasto campo de explorao, contribuindo de maneira significativa na rea educacional. Ela garante um grande potencial na criao de livros interativos, permitindo uma interao natural de fcil adaptao e permite que os usurios tenham uma viso enriquecida e ampliada do ambiente. possvel enriquecer a informao transmitida pelo autor do livro com o uso de recursos multimdia e objetos tridimensionais.

De acordo com a avaliao do questionrio preenchido pelos usurios voluntrios, o objetivo do sistema foi atingido ao prover usabilidade integrado tcnicas de Realidade Aumentada.

6. TRABALHOS FUTUROS

Diversos aspectos que foram abordados neste trabalho podem ser estendidos visando acrescentar novas facilidades e aumentar o desempenho das aplicaes desenvolvidas. Uma sugesto para trabalhos futuros seria a realizao de novos estudos de casos longitudinais, envolvendo especialistas na anlise e no domnio da disciplina de Geometria Analtica, com o objetivo de verificar e aperfeioar fatores relacionados a construo de novas funcionalidades a aplicao.

Outra possibilidade seria a avaliao da contribuio do sistema para o processo pedaggico dos alunos, por meio do acompanhamento em sala de aula com o auxlio de um professor da rea. Esta avaliao poderia ser executada a partir da separao aleatria dos alunos em dois grupos, sendo que um grupo teria aulas com o auxlio do sistema e o outro grupo teria as mesmas aulas, porm sem o auxlio do sistema. Aps esta etapa, os dois grupos seriam avaliados quanto aos conhecimentos obtidos com as aulas. Por fim, com apoio de especialistas, seria feito um estudo para identificar se houve algum progresso nos alunos que utilizaram o sistema como ferramenta de apoio durante as aulas.

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7. AGRADECIMENTOS

Os Autores agradecem ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientfico e Tecnolgico (CNPq - Brasil) pelo apoio financeiro oferecido atravs do Programa Institucional de Bolsas de Iniciao Cientfica (PIBIC).

8. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

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