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Universidade Federal de Pernambuco NEHTE / Programa de Pós Graduação em Letras CCTE / Programa de Pós Graduação em Ciências da Computação
Aprendendo pela Interação: uma experiência com o uso de interfaces tangíveis e realidade aumentada voltada
para curvas de níveis
Ruan Palmeira
Jordan Lira (UFPB)
Tatiana Tavares (UFPel)
Resumo Como visualizar o funcionamento de uma bacia hidrográfica? Imagens de mapas topográficos ajudam, mas ainda não conseguem representar como é a dinâmica da água entre os lagos, rios e seus afluentes. A análise de dados volumétricos exige que o aluno faça uso de sua imaginação para compreender essas estruturas, fato cotidiano no aprendizado de disciplinas como: Geografia, Topografia, Geologia e Hidrografia. As tecnologias digitais oferecem formas interativas para visualizar diversos tipos de dados, especialmente, dados complexos como os volumétricos. Computação gráfica, realidade virtual e dispositivos de interação são facilidades que podem beneficiar o aprendizado e ampliar as dimensões do ensino. Nesse projeto, exploramos a Realidade Aumentada através da construção de um sistema tangível que permite aos usuários a interação com modelos topográficos e hidrográficos. A solução adotada utiliza caixa de areia, projetor, Kinect, um computador e o software Augmented Reality Sandbox para permitir a modelagem de mapas de elevação de cores e linhas de contorno topográficas. A solução foi construída e levada à apreciação de mais de 100 usuários em uma feira de tecnologia realizada em maio de 2015. Os resultados dessa experiência são apresentados. Palavras-chave: realidade aumentada, interface tangível, teste de usuário. Abstract How to view the functioning of a watershed? Images of topographic maps can help, but can not represent how the dynamics of water between the lakes, rivers and their tributaries work. The volumetric data analysis requires the student to make use of their imagination to comprehend these structures; this is a daily fact in learning subjects such as, Geography, Topography, Geology and Hydrography. The interactive digital technologies offer ways to display various types of data, especially, complex data such as the volumetric. Graphics computer, virtual reality and interaction devices are facilities that can benefit the learning and expand the dimensions of
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education. For this project we explore Augmented Reality by building a tangible system that allows the users to interact with topographic and hydrographic models. The chosen solution uses sandbox, projector, Kinect, a computer and the Augmented Reality Sandbox software to allow modeling of colors elevation maps and topographic contour lines. The solution was built and taken for consideration of more than 100 users at a technology fair held in May 2015. The results of this experiment are presented. Keywords: augmented reality, tangible interface, user testing
Introdução
O impacto que as novas tecnologias vêm causando nos mais variados setores
da sociedade é, em grande parte, muito benéfico para o desenvolvimento dos seres
humanos. Na área da educação, em particular, é possível perceber que os novos
processos de ensino, que fazem uso de equipamentos eletrônicos, propiciam a
aprendizagem, incorporando-se aos tradicionais recursos metodológicos utilizados
atualmente. [01]
Diversas disciplinas exigem que o aluno faça uso de sua imaginação para
compreender diferentes conceitos e estruturas, fato cotidiano no aprendizado das
ciências da Terra. Esse fato pode ser claramente observado no estudo de uma bacia
hidrográfica, por exemplo. Nesse tipo de estudo, o aluno faz uso de imagens de mapas
topográficos e hidrográficos para visualizar o funcionamento de uma bacia
hidrográfica, mas essas imagens não conseguem representar como é a dinâmica da
água entre os lagos, rios e seus afluentes.
Uma solução para contornar essa dificuldade seria oferecer ao aluno um meio
no qual ele possa visualizar, analisar e até mesmo interagir com essas informações.
Esse é o propósito do projeto Augmented Reality Sandbox, que dá aos seus usuários a
capacidade de interagir com mapas topográficos e hidrográficos em tempo real. Esse
sistema possui uma Interface Tangível na qual seus usuários podem manipular uma
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caixa de areia, formando assim mapas de elevação de cores, linhas de contorno
topográficas e a simulação de como seria a dinâmica das águas nesse ambiente. [02]
O intuito desta experiência é investigar como a possibilidade real de interagir
com mapas geográficos, a partir da experimentação da solução aqui descrita, interfere
no aprendizado dos alunos. Para investigar a interferência no aprendizado dos alunos
com esse tipo de interação, é necessário começar apresentando o tipo da interface na
qual os alunos irão submeter-se.
1. Interfaces Tangíveis
O conceito de Bits Tangíveis (Tangible Bits), criado em 1997 pelo grupo de
mídias tangíveis do MIT apresenta uma nova forma de Interação Humano Computador
(HCI), baseada na visão do paradigma da Computação Ubíqua e da pesquisa sobre
Realidade Aumentada. Essa nova forma de interação chamada de Interfaces de
Usuário Tangíveis (TUIs), resumidamente chamada de Interfaces Tangíveis, são as
interfaces nas quais o mundo físico é acoplado às informações digitais, fornecendo aos
seus usuários a possibilidade de manipular essas informações diretamente. [03; 04]
Com o passar dos anos, o conceito e as propriedades desse tipo de interface
foram melhorando e tornando-se mais concisos, através de pesquisas e experimentos
feitos não somente pelo grupo original, mas também por outros pesquisadores que
tomaram como base os resultados prévios. Um dos vários resultados obtidos através
dessas pesquisas, foi a compreensão de que as Interfaces Tangíveis diferem das
Interfaces Gráficas de Usuário (GUIs), principalmente pela eliminação da distinção
entre dispositivos de entrada e dispositivos de saída. [05]
No ano de 2004, o pesquisador Kenneth P. Fishkin definiu uma taxonomia para
a análise das Interfaces Tangíveis, fundamentada em dois atributos: a metáfora e a
personificação da interação. Quanto maiores forem os níveis desses atributos em um
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sistema, o mais tangível ele será. O atributo da personificação serve para definir o
quão próximo está o dispositivo de entrada (objeto físico) ao de saída do sistema
(objeto virtual), sendo definido em quatro níveis [06]:
Personificação Completa: o dispositivo de entrada é o mesmo que o
dispositivo de saída, ou seja, a saída do sistema
é exibida no próprio dispositivo de entrada;
Personificação Próxima: o dispositivo de saída está diretamente próximo ao
de entrada, mas são distintos;
Personificação Ambiental: o dispositivo de saída está no mesmo ambiente
em que o usuário está, mas não é possível tocá-
lo fisicamente, ou seja, ele pode ser um som ou
uma luz por exemplo;
Personificação Distante: o dispositivo de saída está distante do usuário, em
outra tela ou até mesmo em outro cômodo.
Já o atributo da metáfora serve para definir o quão próximo está o dispositivo
de entrada com algum objeto do cotidiano, a partir das semelhanças de suas
características, sendo definido em quatro níveis [06]:
Metáfora Ausente: o dispositivo de entrada não possui nenhuma
semelhança com algum objeto do cotidiano;
Metáfora Nominal ou Verbal
NOMINAL: o dispositivo de entrada possui alguma semelhança com o
objeto virtual seja ela física, de aparência ou sonora. Mas as ações feitas
em um deles não são analogamente refletidas no outro;
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VERBAL: o dispositivo de entrada não possui nenhuma semelhança com
objeto virtual, mas as ações feitas em um deles são analogamente
refletidas no outro;
Metáfora Nominal e Verbal: existe uma analogia entre o dispositivo de
entrada e o objeto virtual, mas eles
continuam sendo diferentes. Tendo como
única semelhança, as ações feitas em um
deles.
Metáfora Completa: o dispositivo de entrada é totalmente semelhante ao
objeto virtual, e as ações feitas em um deles são
diretamente e exatamente refletidas no outro.
Analisando a interface do projeto base [02], que será detalhada na seção 4.4, é
possível observar em quais categorias dos atributos das Interfaces Tangíveis ela se
encaixa. Com relação ao atributo da Personificação, é possível perceber que a interface
possui a Personificação Próxima, pois o dispositivo de saída desse sistema, que é a
imagem exibida pelo projetor, está em contato direto com o dispositivo de entrada
que é a areia presente na caixa de areia. Já se tratando do atributo da Metáfora, a
interface se encaixa no atributo da Metáfora Completa pois como a areia forma uma
paisagem (dispositivo de entrada) e objeto virtual também, as ações feitas na areia,
são exatamente refletidas no objeto virtual.
2. Experiência de Usuário
Segundo a definição do ISO 9241-210 o termo experiência de usuário inclui
“percepções de uma pessoa e as respostas que resultam do uso ou utilização prévia de
um produto, sistema ou serviço” (tradução livre) [07]. Logo, um bom sistema de
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análise de usuário deverá observar não apenas a satisfação do usuário, mas os seus
sentimentos da pré-utilização do produto.
O AttrakDiff, é uma ferramenta conhecida no uso de avaliação de experiência
de usuário. As suas perguntas são de contexto emocional á prática, e ele é considerado
uma ferramenta totalmente desenvolvida para análise de experiência de usuário por
formulários. [08] Por isso ele foi escolhido como base para a nossa análise da
experiência de usuário.
3. Estudo de Caso: Avaliação do projeto Augmented Reality
Sandbox
Figura 1: Processo de Design
Fonte: Interaction-Design.org. Design Process. Disponível para acesso em:
https://scontent-mia1-1.xx.fbcdn.net/hphotos-xat1/t31.0-8/p600x600/11412249_10154313015982228_4397613785755231170_o.jpg
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3.1 Público-Alvo (User Research)
Conforme o propósito do software utilizado na solução, que é o ensino e a
visualização de conceitos geográficos, geológicos e hidrológicos, o público-alvo deste
software é bastante vasto, incluindo: exposições itinerantes de ciência; estudantes do
Ensino Fundamental, Médio e Superior; departamentos universitários de ciências da
terra; entre outros.
3.2. Análise (Analysis)
De acordo com o as informações contidas no site oficial, o projeto foi inspirado
em um vídeo de um grupo de pesquisadores checos, no qual era apresentado um
protótipo inicial de uma caixa de areia com Realidade Aumentada. A ideia do vídeo foi
aprimorada, tendo como objetivo a criação de um sistema de Realidade Aumentada
para a criação de modelos topográficos, cujas informações são digitalizadas em tempo
real para um computador e em seguida utilizadas como fundo para uma variedade de
efeitos gráficos e simulações. A ideia final foi obter um sistema autônomo que pudesse
ser utilizado com pouca supervisão. [02]
3.3. Design (Design)
O design do hardware do projeto foi feito pelo especialista em projeto Peter Gold
do departamento de Geologia da Universidade da Califórnia, podendo ser resumido da
seguinte forma:
As informações sobre as profundidades da paisagem são capturadas pelo Kinect à
uma taxa de 30 quadros por segundo, sendo utilizadas em um filtro de avaliação
estatístico constituído por um buffer de tamanho configurável por quantidade de pixels
(por padrão são utilizados 30 posições, que constitui 1 segundo de atraso) e de uma
combinação de funções que criam o mapa de elevação de cores com suas respectivas
curvas de níveis. A superfície topográfica resultante é então projetada pelo projetor, no
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mesmo ponto de visão de captura do Kinect, sobrepondo a areia, combinando a topografia
da projeção com à da areia. Em paralelo, uma função que cria uma simulação de água é
executada com base nas informações presentes no buffer. [02]
3.4. Protótipo (Prototype)
O protótipo utilizado nesse experimento foi feito com base nas instruções contidas
no site oficial do projeto [02]. Os componentes de hardware necessários para a criação de
um protótipo de acordo com as instruções deviam ser posicionados de acordo com a
Figura 2, sendo eles os seguintes:
Um computador que possua uma boa placa de vídeo, rodando qualquer versão
do sistema operacional Linux ou Mac OS X;
Um Microsoft Kinect de primeira geração;
Um projetor de dados digitais (data show);
Uma caixa de areia com um suporte para montar o Kinect e o projetor acima da
mesma;
Areia.
Figura 2: Layout do protótipo
Fonte: Oliver Kreylos. Layout do protótipo.
Disponível para acesso em: http://idav.ucdavis.edu/~okreylos/ResDev/SARndbox/Instructions.html
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Inicialmente foi feito o ajuntamento dos componentes de hardware necessários
citados anteriormente para a montagem do protótipo.
Figura 3: Suporte com o Kinect e o projetor montados.
Fonte: Autores (2015)
Figura 4: Caixa de areia de alumínio
Fonte: Autores (2015)
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Figura 5: Areia.
Fonte: Autores (2015)
Figura 6: Protótipo montado em processo inicial de calibração
Fonte: Autores (2015)
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Após a montagem dos componentes, foi feita a instalação dos softwares
descritos nas instruções do site para começar os ajustes iniciais do protótipo: o
alinhamento e a calibração do Kinect e do projetor. Durante esses ajustes surgiram
alguns problemas com a calibração do Kinect, impossibilitando temporariamente a
execução correta do protótipo. Realizando mais algumas tentativas e utilizando o
fórum de dúvidas, cujo endereço está disponível nas instruções, os problemas com a
calibração foram resolvidos, modificando a distância entre os equipamentos e a caixa
de areia, além da troca do projetor por outro, mais potente. Com a função de melhorar
a aparência e o manuseio do protótipo, foram acrescentados um tecido para forrar a
caixa de areia e um conjunto de brinquedo contendo um pá e um ciscador, o que além
de deixar o equipamento mais atrativo para o público infanto-juvenil, tornou o mesmo
utilizável para os voluntários que não se interessaram em manipular a areia
diretamente.
3.5. Testes com Usuários (User Testing)
Com o protótipo em funcionamento, o mesmo foi levado à feira de tecnologia
EXPOTEC realizada em maio de 2015 na cidade de João Pessoa na Paraíba, para serem
realizados os testes com usuários. Durante a feira a solução foi testada por mais de
100 pessoas, dentre as quais, 130 foram convidadas à responder um formulário digital
elaborado para analisar a Experiência de Usuário que as mesmas tiveram. As perguntas
feitas no formulário foram criadas com base nas que estão presentes na ferramenta de
avaliação da Experiência de Usuário AttrakDiff. Elas têm como intuito a medição das
percepções obtidas pelos usuários sobre o sistema, em um total de 28 perguntas no
estilo da escala de divididas em 3 categorias: Qualidade Pragmática, Qualidade
Hedônica e Apelo [09]. Das 28 perguntas do AttrakDiff, foram utilizadas apenas 24,
removendo as que apresentaram ambiguidade, na língua portuguesa, ou que não
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fossem relevantes para esse experimento, acrescentando-se em contrapartida
algumas perguntas básicas para identificar algumas características dos usuários.
Figura 7: Protótipo na EXPOTEC.
Fonte: Autores (2015)
3.5.1. Análise dos Resultados
Das 130 pessoas que foram convidadas à responder o questionário com relação
à experiência como usuários do experimento, 5 delas não aceitaram os termos de
consentimento do formulário, logo, suas respostas não foram contabilizadas.
Resultado que pode ser visto no Gráfico 1. Ao analisar os resultados das 125 pessoas
que aceitaram os termos, foi possível identificar que elas possuíam em sua maioria,
idades entre 17 e 28 anos (76,80%) como é mostrado no Gráfico 2.
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O grau de instrução predominante dos usuários foi Ensino Superior Incompleto
(68,80%), como pode ser visto no Gráfico 3, tal grau se encaixa exatamente em um dos
grupos do público-alvo deste experimento.
Gráfico 1: Termos de Consentimento.
Fonte: Autores (2015)
Gráfico 2: Faixa etária dos usuários
Fonte: Autores (2015)
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Gráfico 3: Grau de Ensino dos usuários.
Fonte: Autores (2015)
Tendo identificado os usuários, o passo seguinte foi analisar as respostas das
perguntas com relação às três categorias citadas anteriormente. No formulário, cada
uma dessas perguntas possuía sete alternativas, variando entre os valores 1 e 7. Nas
extremidades desses valores foram colocados os adjetivos opostos presentes nas
categorias do AttrakDiff, formando assim uma Escala de Diferencial Semântico [10]. As
porcentagens de cada alternativa das perguntas podem ser visualizadas na Tabela 1
que foi organizada com os adjetivos na extremidade direta, e seus antônimos na
extremidade esquerda.
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Quadro 1: Porcentagens das respostas
Fonte: Autores (2015)
A partir do Quadro 1, para facilitar a análise desses resultados, foi criado outro
quadro contendo uma representação da média das respostas de cada pergunta que
pode ser vista no Quadro 2.
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Quadro 2: Porcentagens das respostas
Fonte: Autores (2015)
Com exceção das perguntas: Técnico-Humanizado e Imprevisível-Previsível,
feitas sobre a solução apresentada, que receberam respostas neutras (a solução não
tendia para nenhum dos extremos), todas as outras perguntas receberam respostas
positivas, tendendo para a extremidade dos adjetivos.
Considerações finais
Com base nos resultados é possível perceber que o uso das Interfaces Tangíveis
é bastante convidativo na área da educação. Nossos dados coletados mostram que
muitos estudantes de ensino superior, médio e fundamental tiveram experiências
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positivas ao utilizar o equipamento, isso mostra que o equipamento poderia ser
utilizado em sala de aula, para tornar uma aula mais didática e atrativa.
Novas tecnologias estão cada vez mais presentes no cotidiano, ferramentas
com interface tangíveis está cada vez mais deixando de ser um conceito e se tornando
realidade. O Augmented Reality Sandbox é um exemplo de um equipamento de baixo
custo e de diversas aplicações. Sua utilização simples e agradável, como mostra neste
artigo, pode trazer mais atenção a esta tecnologia que pode se tornar um dia, parte do
nosso futuro.
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