Sistema Solar com Realidade Aumentada

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
2. Trabalhos relacionados
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.
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;
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.
 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
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.
4.2. 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,
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.
4.3. 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).
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.558842/2009-7) e
FAPEMIG (Proc. APQ-03643-10).
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, 2008.
[2] SACRA, “Software, tutoriais e aplicações”. Disponível
em: <http://www.ckirner.com/sacra>. Acesso em: 22 ago.
2010.
[3] Ciências na Escola, Sistema Solar Virtual. Disponível em:
<
http://www.slideshare.net/coelhoelectrico/sistema-solarvirtualx3d>. Acesso em: 25 ago. 2010.
[4] Augmented Reality Science Book, Solar System,
Diponível em: <http://vimeo.com/13102880>. Acesso em: 25
ago. 2010.
[5] Mindspace solutions, Solar System Builder. Disponível
em:<http://www.mindspacesolutions.com/html/solar_builder.
html>. Acesso em: 25 ago. 2010.
[6] Dailymotion, Discover the Planets - Augmented Reality.
Disponível em:
<http://www.dailymotion.com/video/xbhzjo_imaginalitydiscover-the-planets-au_tech>. Acesso em: 25 ago. 2010.
[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. 210-220.
[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:
<http://www2.fc.unesp.br/wrva/artigos/50125.pdf>.
Acesso em 25 ago. 2010.
[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. 3-13.
[10] E. Martioli, O rebaixamento de Plutão. Disponível em:
<http://www.comciencia.br/comciencia/?section=8&edicao=2
7&id=310>. Acesso em: 23 ago. 2010.
[11] M. Billinghurst, and H. Kato. Collaborative Augmented
Reality, Communications of the ACM, Jul. 2002, p. 64-70.