1 Projeto - Sistema Multimídia – 2014/2 Equipe 02 (nomes

FURB – Universidade Regional de Blumenau
DSC – Departamento de Sistemas e Computação
Grupo de Pesquisa em Computação Gráfica, Processamento de Imagens e Entretenimento Digital
Disciplina: Sistemas Multimídia - prof. Dalton Solano dos Reis
Projeto - Sistema Multimídia – 2014/2
Equipe 02 (nomes): JEFFERSON CRISTIAN GUBETTI / JONATHAN RODRIGUES EV /
PRISCILA KORNELY ASSINI
Título: PROJEÇÃO DE OBJETOS GRÁFICOS EM 3D NO VISEDU-MAT
Problema: Atualmente existe uma dificuldade em relação a visualização de superfícies 3D nas
atuais projeções 2D, pois para alcançar um resultado mais próximo ao real são
utilizados truques que enganam a visão humana para enxergar os objetos na
terceira dimensão. Além de nem sempre funcionar como esperado, algumas
pessoas não conseguem de forma alguma serem "enganadas" por esses truques.
Dúvidas referentes ao projeto:
● O resultado será satisfatório (não causará desconforto nos usuários com uso
prolongado)?
● Todos os tipos de óculos funcionarão bem?
● É possível usar projeção holográfica para melhorar a representação das superfícies em
3D?
● Qual será o Custo x Benefício dos equipamentos necessários (projetor, óculos) para
obter resultados aceitáveis?
● Existe documentação suficiente das tecnologias adotadas? Elas suprirão as dúvidas
que aparecerem durante o desenvolvimento?
Objetivos: Incluir ao VISEDU-MAT: Visualizador de Material Educacional, Módulo de
Matemática a opção de projeção 3D de objetos gráficos.
Relevância: A relevância do projeto encontra-se no fato de complementar o VISEDU-MAT
com o módulo de projeção 3D, tornando a plataforma mais atrativa e
possivelmente ampliando o público de usuários, visto que a projeção 3D ainda é
pouco explorada nas áreas educacionais, e apresenta grande potencial para
facilitar a aprendizagem de diversos assuntos.
Hardware escolhido:
● Projetor MX720 da BenQ, com uma resolução XGA (1024 x 768), 3.500 ANSI
Lumens e um alto contraste de 13.000:1
● Óculos Ativo: G05-DLP 3D
● Óculos Anaglifo
● Óculos Polarizado (ou passivo)
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Etapa 02 (N3)
A seguir serão descritos conceitos teóricos relacionados ao projeto de pesquisa
proposto.
2.1 CENÁRIO DO TRABALHO PROPOSTO
O trabalho apresentado propõe-se em incluir a opção de projeção em 3D na ferramenta
VISEDU-MAT para auxiliar e facilitar a aprendizagem de seus usuários.
2.2 TRABALHOS CORRELATOS
Foram selecionados como trabalhos correlatos a este, o Eureka.in, a empresa
Creatura3D e o Three.js.
2.2.1 EUREKA.IN
Criado pela empresa XD EDUCATION, o Eureka.in é considerado o mais abrangente
e inovador software educativo disponível no mercado mundial, disponibilizando mais de
2.500 Objetos de Aprendizagem bilíngue (Português/Inglês) em vídeos 3D e 3D
Estereoscópico com textos, imagens, simulações interativas, laboratórios virtuais, testes e
links de internet para disciplinas de Matemática, Química, Física e Biologia. São mais de 500
simulações interativas e 250 aplicações 3D Estereoscópicas (vídeos e simulações) distribuídas
entre as disciplinas (XD EDUCATION, 2012).
É um produto que segue os parâmetros curriculares exigidos pelo MEC e auxilia o
professor na explicação de um conteúdo de difícil compreensão dos alunos, criando um
ambiente motivador e atraente.
Após estudos realizados, conforme Figura 1, a empresa afirma que com a utilização
dos Objetos de Aprendizagem de uma forma plena - com utilização de vídeos em 3D e 3D
Estereoscópicos, textos e imagens, simulações e interatividade - garantem uma retenção da
informação muito superior aos métodos tradicionais.
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Figura 1 - Estudo realizado sobre a taxa de Retenção da Memória.
Fonte: XD EDUCATION (2012).
Além deste software a empresa também trabalha com a locação e venda de projetores e
óculos para instituições de ensino. Sendo representantes oficiais das marcas de projetores
BenQ (marca do projetor que será utilizado para fazer demonstrações do trabalho proposto) e
NEC, e das marcas de óculos 3D - tecnologia ativa e passiva - XpanD e Volfoni.
2.2.2 CREATURA3D
A empresa Creatura3D é focada em agências de marketing promocional e empresas, e
atua no mercado a mais de oito anos. Tendo como objetivo a criação de animações produzidas
com efeito 3D, que geram uma incrível sensação de experiência real, disponibilizando às
empresas uma forma diferencial de apresentar ideias, produtos e conceitos (Creatura 3D,
2009).
Sua especialidade é em conteúdo estereoscópico que está disponível nas tecnologias
mais populares da atualidade: 3D Polarizado, 3D Anaglyph e agora também nas novas TV
3D, que não precisam de óculos para visualização do efeito. Entre seus produtos, encontramse uma animação 3D com efeito polarizado e ator virtual para a convenção anual de vendas da
Lacta de 2008, animação 3D para divulgação de lançamentos da empresa Nokia em 2008,
entre outros.
2.2.3 THREE.JS
O Three.js é uma biblioteca que permite a criação de animações em 3D utilizando a
linguagem JavaScript como parte de um site, sem depender de plugins do navegador. Isto é
possível graças ao advento de WebGL.
Sua versão inicial foi lançada por Ricardo Cabello para GitHub em abril de 2010.
3
Algumas características do Three.js são:
●
É executado em todos os navegadores suportados por WebGL;
●
Está disponível sob a licença MIT e está hospedado em um repositório no GitHub;
●
Renderers: Canvas, SVG e WebGL;
●
Efeitos: anaglyph, cross-eyed e parallax barrier;
●
Cenas: adicionar e remover objetos em tempo de execução;
●
Câmeras: perspectiva e ortográfica;
●
Geometria: avião, cubo, esfera, toro, texto 3D e muito mais; modificadores: torno,
extrusão e tubo;
●
Carregadores de dados: binário, imagem, JSON e cena;
●
Apoio: documentação da API está em construção, fórum público e wiki em pleno
funcionamento;
●
Exemplos: mais de 150 arquivos de exemplos de codificação mais fontes, modelos,
texturas, sons e outros arquivos de suporte.
2.2.4 COMPARAÇÃO ENTRE OS TRABALHOS CORRELATOS
No Quadro 1 pode ser observado as principais características entre o trabalho proposto
e os correlatos.
Características
Proposto
óculos ativo
óculos passivo
(polarizado)
óculos anaglifo
sem óculos
Eureka.in
Creatura3D
X
X
X
Three.js
X
X
X
X
X
Quadro 1 – proposto versos correlatos
2.3 CONCEITOS RELACIONADOS A SISTEMAS MULTIMÍDIA
A seguir serão apresentados conceitos necessários para a realização do projeto,
referentes a estereoscopia e técnicas para sua visualização, além de uma breve explicação
sobre o hardware que será utilizado.
2.3.1 ESTEREOSCOPIA
Estereoscopia é definida como a visualização de um mesmo foco por dois mecanismos
de captação de imagens. No caso da visão humana, cada um dos olhos capta uma imagem,
que o cérebro interpreta combinando-as para gerar uma “única imagem”. Para criar um efeito
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de proporção e profundidade, uma imagem estereoscópica é projetada a partir de duas
imagens levemente distintas, possuindo pequenas diferenças no que diz respeito ao
enquadramento (MALARD, 2008). Existem técnicas para facilitar a percepção destes efeitos,
tais como iluminação, perspectiva, oclusão e sombra (MASCHIO, 2008).
2.3.2 TÉCNICAS PARA VISUALIZAÇÃO
O efeito de estereoscopia pode ser reproduzido utilizando algumas técnicas diferentes,
onde cada técnica depende de um hardware específico. A seguir serão apresentadas as
principais técnicas de visualização de imagens estereoscópicas.
2.3.2.1 ESTÉREO POR DISPARIDADE CROMÁTICA (ChromaDepth)
Esta forma se baseia no uso das cores para definir a profundidade dos elementos. As
lentes dos óculos com esta tecnologia tem a propriedade de desviar a luz de acordo com a sua
cor, proporcionando a disparidade entre a visão do olho esquerdo e direito necessária para o
efeito tridimensional.
Nesta técnica todos os objetos em cores quentes (próximas ao vermelho) parecem estar
mais perto do observador, enquanto os objetos de cores azuis (cores frias) parecem estar mais
distantes. As demais cores reproduzem a profundidade entre as cores vermelha e azul,
gradativamente, conforme pode ser visto na Figura 2.
Figura 2 - Óculos com filtro ChromaDepth e diferença na distância percebida para diferentes cores.
Fonte: (SISCOUTTO et al, 2006, p. 232)
Esta técnica tem um baixo custo, porém não permite o uso das cores de forma natural e
de fácil controle, ou seja, as cores dos objetos em uma cena devem ser escolhidas conforme o
padrão de profundidade de cada cor.
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2.3.2.2 EFEITO PULFRICH
Se baseia na característica da visão humana de perceber luz menos intensa de forma
mais lenta. Para criar o efeito tridimensional é usado um filtro que torna a visão mais escura
para um dos olhos, assim ao observar uma animação os olhos têm uma velocidade diferente
de percepção, tendo um pequeno deslocamento entre as imagens vistas por cada olho, gerando
então a sensação de profundidade.
Os problemas desta técnica são a falta de um controle maior da profundidade e a
limitação de só funcionar com cenas em movimento (SISCOUTTO et al, 2006, p. 231). Na
Figura 3, a esquerda pode-se ver o óculos com filtro em uma das lentes para criar o efeito
Pulfrich e a direita quadros de uma animação, assim o olho sem filtro percebe o quadro atual
2 e o olho com filtro ainda está visualizando o quadro 1.
Figura 3 - Exemplo do efeito Pulfrich
Fonte: (SISCOUTTO et al, 2006, p. 231)
2.3.2.3 ANAGLIFO
A técnica do anaglifo utiliza a divisão da imagem em seu espectro de cor, onde aloca
uma gama de cores para o olho esquerdo e outra gama complementar para o olho direito. Para
visualizar uma imagem em anaglifo deve-se usar um óculos especial com filtros que permitem
somente a passagem das cores alocadas para cada olho. O filtro mais comum é utilizar o
vermelho em uma das lentes e o azul ou ciano na outra lente. É uma técnica de baixo custo,
pois o óculos é relativamente simples, e não é necessário um equipamento de projeção
especial. Na Figura 4, podemos notar a sua esquerda um anaglifo clássico com imagem em
escala de cinza quando visto a olho nu, e na sua direita um óculos especial para visualização
de anaglifos, com filtro vermelho e azul.
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Figura 4 - Exemplo de anaglifo
Fonte: (TOMOYOSE, 2010, p. 41)
2.3.2.4 CROSS-EYED
Método que dispensa o uso de qualquer equipamento externo para reproduzir o efeito
de estereoscopia. A técnica consiste em projetar imagens duplicadas com ângulos diferentes,
de modo a ficarem uma no lado da outra. Para visualizar a estereoscopia, o observador terá
que cruzar a visão, simulando o efeito de estrabismo. A Figura 5 é de uma imagem preparada
para o uso desta técnica.
Figura 5 - Imagem cross-eyed
Fonte: (AEGIANDYAD, 2014)
2.3.2.5 OBTURADOR (SHUTTER VIEW)
Tecnologia que utiliza para seu funcionamento óculos obturadores. Também chamado
de 3D ativo, pois os óculos estão sincronizados com o dispositivo que projeta as imagens. Seu
funcionamento consiste em bloquear uma das lentes (que é realizado pelo dispositvo projetor)
enquanto é exibido um efeito estereoscópico para a outra lente. Enquanto o efeito é exibido,
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as lentes do lado direito e esquerdo alternam entre bloqueada e visível diversas vezes por
segundo, gerando para o espectador o efeito estereoscópico.
Esta é uma das tecnologias que se comparada com as demais, alcança melhor
qualidade nos efeitos gerados. Porém, possui um custo elevado, já que necessita de um
equipamento de projeção específico (monitor, televisão, projetor), além dos próprios óculos
obturadores serem o modelo de óculos de maior custo, e em muitos casos não possuem
compatibilidade com outros equipamentos de projeção ativa.
2.3.2.6 POLARIZADOR
Tecnologia que faz uso de óculos polarizado, também denominado passivo. O
princípio da técnica é a polarização da luz, realizado pelos óculos. A projeção exibe imagens
duplicadas, com as luzes ortogonalmente polarizadas, e cada lente do óculos filtra uma
imagem diferente, criando no espectador a sensação de estereoscopia.
2.3.2.7 PARALLAX BARRIER
Tecnologia que dispensa o uso de óculos, podendo ser identificado o efeito 3D a olho
nu, porém necessita de hardware específico na tela, além do software estar preparado, para
que o efeito seja bem sucedido. Duas perspectivas de imagens são projetadas entrelaçadas na
tela ao mesmo tempo, exibidas em faixas verticais. Uma camada com uma barreira, chamada
de barreira parallax, precisa existir na tela para que o efeito funcione, pois ela é reponsável
por filtrar a imagem que cada olho está enxergando. Com perspectivas diferentes sendo
identificadas por cada olho, como em qualquer tecnologia de visualização 3D, o cérebro fica
encarregado de montar a cena em 3 dimensões. Na Figura 6 é possível notar as características
desta tecnologia.
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Figura 6 - Exemplo parallax barrier
Fonte: (STRICKLAND, 2011)
A maior desvantagem dessa tecnologia está no fato que ela funciona em um ângulo de
visão relativamente estreito, onde o espectador precisa ficar o mais próximo do centro da tela
e respeitar uma certa distância dependendo do tamanho da tela. Se ele estiver muito para a
esquerda ou muito para direita começa a confundir o cérebro, pois ele será capaz de visualizar
as duas imagens ao mesmo tempo.
2.3.3 HARDWARE
Essa seção apresenta as características dos hardwares que são utilizados no trabalho
proposto para reproduzir o efeito 3D.
2.3.3.1 PROJETOR MX720 BENQ
É um projetor 3D com resolução XGA (1024 x 768), alto contraste de 13.000:1, sua
tela pode ser projeta no range de 37” até 300” e sua frequência vertical é de até 120Hz. Possui
diversos conectores de entrada e saída, como: entrada de computador (D-sub); saída para
monitor (D-sub); vídeo composto (RCA); entrada USB (mini B); entrada RJ45, porém a mais
importante é a entrada HDMI (por estar presente na maioria dos dispositivos e apresentar uma
qualidade superior de imagem e áudio). Suas conexões podem ser observadas na Figura 7.
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Figura 7 - Projetor MX720 da BENQ
Fonte: BENQ BRASIL (2009).
2.3.3.2 ÓCULOS ANAGLIFO
Utilizado para perceber o resultado de projeções estereoscópicas anaglifas, cada lente
do óculos funciona como filtro, sendo composta por duas cores diferentes, comumente ciano e
e vermelho. É o tipo de óculos mais simples para uso em estereoscopia, logo, o de menor
custo. A Figura 8 mostra um modelo de óculos anaglifo.
Figura 8 - Exemplo de óculos anaglifo
Fonte: Aliexpress (2014).
2.4 AMBIENTES UTILIZADOS NO DESENVOLVIMENTO
Para o desenvolvimento do projeto será utilizado a API Three.js, construída com
JavaScript, e de código aberto, que utiliza as tecnologias WebGL e HTML5 para a construção
de ambientes gráficos, incluindo a possibilidade de utilizar estereoscopia. É necessário um
bom grau de conhecimento de JavaScript para utilizar a API Three.js de modo a aproveitar
seus recursos.
2.5 REQUISITOS PRINCIPAIS DO PROBLEMA A SER TRABALHADO
A ferramenta proposta deverá seguir os seguintes requisitos:
a) Permitir a projeção de figuras geométricas em 3D (Requisito Funcional - RF);
b) Permitir que o usuário inclua e remova objetos da cena (RF);
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c) Permitir que o usuário salve uma cena (RF);
d) Utilizar a API Three.js no desenvolvimento de cenas com estereoscopia (RNF);
e) Utilizar óculos do tipo anaglifo para visualizar o efeito de estereoscopia (RNF).
2.6 ESPECIFICAÇÃO
Abaixo, na Figura 9, é possível observar o diagrama inicial das classes do trabalho
proposto.
Figura 9 – Diagrama de classes da aplicação.
Fonte: Elaborada pelo autor na ferramenta Sketchboard (2014).
Etapa 03 (N4)
A seguir serão descritos conceitos relacionados com a implementação do projeto de
pesquisa proposto.
3.1 IMPLEMENTAÇÃO
A implementação da inclusão da opção de projeção de objetos gráficos em 3D
Anaglifo no VISEDU-MAT foi feita no ambiente de desenvolvimento online chamado
Koding, que disponibiliza uma máquina virtual rodando a versão 14.04 do sistema
operacional Ubuntu. Foi utilizado a biblioteca gráfica 3D chamada tree.js, mais
especificamente a classe AnaglyphEffect. Abaixo serão apresentados e explicados alguns
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trechos de códigos desenvolvidos e adaptados.
● Import da classe AnaglyphEffect disponível na biblioteca tree.js;
● Checkbox para habilitar/desabilitar o efeito anaglifo e slider para selecionar qual o
Field of View (FOV) da cena com o efeito anaglifo ativo (necessário para ajustar
quando um zoom é aplicado na cena);
● Função que altera o estado do slider conforme o checkbox estiver selecionado, além de
alterar a descrição da cena entre “3D” e “3D Anaglifo”;
● Criação de um novo renderizador para a cena, que instância um objeto da classe
AnaglyphEffect do tree.js;
● Conforme o checkbox estiver selecionado o render será escolhido em tempo de
execução;
Além disso, foram realizados alguns ajustes na classe AnaglyphEffect para que ela
permitisse um FOV dinâmico para a cena renderizada com o efeito 3D Anaglifo. Sendo
assim, nesse projeto é possível alterar a opção da distância entre os objetos das duas câmeras
que representam ambos os olhos humanos, dessa forma, independente do zoom aplicado na
cena é possível ajustar essa distância de modo que a projeção em 3D Anaglifo fique
confortável para cada usuário.
3.2 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Com os resultados obtidos na implementação do projeto foi possível fazer a projeção
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3D utilizando a técnica do anaglifo, conforme esperado. Como dito anteriormente, este
método possui um custo baixo e um resultado satisfatório. O lado positivo é que pelo baixo
custo, existe mais possibilidade de instituições de ensino utilizá-lo na aprendizagem. Porém, o
lado negativo é que esse método causa desconforto e cansaço visual se utilizado por um
tempo prolongado, além de não causar nos usuários a sensação de estereoscopia de modo tão
intenso quanto técnicas mais sofisticadas.
3.3 CONCLUSÕES
A projeção de objetos em 3D ajuda bastante na aprendizagem, tornando alguns
assuntos de diversas disciplinas mais fáceis de serem entendidos e por vezes mais
interessantes. Porém, é necessária atenção ao implementar softwares de ensino, pois
dependendo da técnica utilizada os custos do software e aparelhos atrelados podem variar
bastante e nem todas instituições de ensino têm a possibilidade de gastar com esse tipo de
tecnologia.
3.4 EXTENSÕES
Uma possível extensão para o projeto seria a implementação da projeção utilizando
outras técnicas, para que possam ser comparadas quanto a eficiência da sensação 3D,
desconfortos com o uso prolongado e custo. Outra extensão seria desenvolver um cálculo que
ajuste o FOV da cena em 3D Anaglifo automaticamente, sem que o usuário precise ajustar
manualmente até ter a sensação de visualizar a cena gráfica em 3D. Além disso, como a
biblioteca Tree.js oferece diversos tipos de implementações, seria interessante utilizar o sideby-side para verificar a qualidade da representação do VISEDU-MAT no projetor 3D.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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<http://aegiandyad.deviantart.com/art/Ash-And-Poplar-Autumn-Sunset-In-Lloyd-Park491183066>. Acesso em 28 out. 2014.
ALIEXPRESS. 10pcs red blue 3D glasses dimensional anaglyph movie. [S.I.], 2014.
Disponível em: <http://pt.aliexpress.com/item/10pcs-Red-Blue-3D-Glasses-DimensionalAnaglyph-Movies-Free-shipping/452201883.html>. Acesso em: 22 out. 2014.
BENQ BRASIL. [S.I.], 2009. Disponível em:
<http://www.benqbrasil.com.br/product/projector/mx720/specifications/>. Acesso em: 22 out.
2014.
CREATURA 3D: esteroscopia, 3D polarizado, 3D anaglyph, TV3D. [S.I.], 2009. Disponível
em: <http://www.creatura3d.com/efeito3d.html>. Acesso em: 21 out. 2014.
KODING: Say goodbye to your localhost and code in the cloud. [S.I.], 2014. Disponível em:
<https://www.koding.com/>. Acesso em: 29 nov. 2014.
MALARD, Maria L. Princípios teóricos da estereoscopia. Escola de Arquitetura da UFMG,
Belo Horizonte, 2008. Disponível em:
<http://www.arq.ufmg.br/eva/aivits/Princ%EDpios%20Te%F3ricos%20da%20Estereoscopia.
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MASCHIO, Alexandre V. A Estereoscopia: Investigação de aquisição, edição e exibição de
imagens estereoscópicas em movimento. [S.I.], 2008. Disponível em:
<http://www.faac.unesp.br/Home/Pos-Graduacao/Design/Dissertacoes/alexandre.pdf>.
Acesso em: 22 out.2014.
SISCOUTTO, Robson A. et al. Fundamentos e Tecnologia de Realidade Virtual e
Aumentada - Livro do Pré-Simpósio, VIII Symposium on Virtual Reality. Porto Alegre:
SBC, 2006. c. 13, p. 221-245.
SKETCHBOARDME: Visual communication with remote teammates. [S.I.], 2014.
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STRICKLAND, Jonathan. How nintendo 3DS works: the parallax barrier. [S.I.], 2011.
Disponível em: <http://electronics.howstuffworks.com/nintendo-3ds5.htm>. Acesso em: 29
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TOMOYOSE, Alexandre N. Comparação e classificação de técnicas de esteroscopia para
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Politécnica da Universidade de São Paulo. Departamento de Engenharia de Computação e
Sistemas Digitais, São Paulo.
14
TREEJS: Javascript 3D library. [S.I.], 2014. Disponível em: <http://www.treejs.org/>.
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XD EDUCATION: Tecnologia e educação. [S.I.], 2012. Disponível em:
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WIKIPEDIA. Three.js. [S.I.], 2014. Disponível em:
<http://en.wikipedia.org/wiki/Three.js> . Acesso em: 22 out. 2014.
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FICHA DE AVALIAÇÃO
A
SP
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V
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N2
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O problema está claramente formulado?
O objetivo está claramente definido e é passível de ser alcançado?
Apresenta um grau de relevância em computação que justifique o desenvolvimento?
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O cenário descrito demonstra aonde o trabalho está inserido?
São apresentados 3 trabalhos correlatos?
As principais características entre o trabalho proposto e os correlatos foram descritas?
Conceitos relacionados a Sistemas Multimídia são suficientes e têm relação com o tema proposto?
O ambiente a ser utilizado foi detalhado?
Os requisitos a serem desenvolvido foram claramente descritos?
É apresentado o diagrama/fluxograma e este é coerente com o trabalho proposto?
Av
ali Et
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N4
São descritos os principais trechos de códigos utilizados na implementação?
São apresentados os resultados dos testes/avaliações fazendo comentários sobre os mesmos?
As conclusões/extensões estão descritas?
Ge
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As referências bibliográficas são apresentadas e obedecem às normas da ABNT?
As informações retiradas de outros autores estão devidamente citadas no texto?
A exposição do assunto é ordenada (organização, apresentação gráfica, idéias e linguagem)?
Co
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17