ANÁLISE DE REQUISITOS DE UMA FERRAMENTA 3D PARA DESENVOLVIMENTO DA COGNIÇÃO ESPACIAL Rodrigo Duarte Seabra Eduardo Toledo Santos Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Departamento de Engenharia de Construção Civil, Brasil
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RESUMO A habilidade de visualização espacial representa um importante componente da inteligência humana. Deficiências nas habilidades espaciais de muitos estudantes fazem com que estes tenham grande dificuldade na aprendizagem de disciplinas básicas como Geometria Descritiva e Desenho Técnico. Os avanços tecnológicos têm permitido o uso de ferramentas inovadoras no processo de ensinoaprendizagem. Nesse sentido, este trabalho apresenta a Análise de Requisitos (a 1ª etapa de um modelo de desenvolvimento de sistemas), de uma ferramenta didática para apoio ao ensino de Geometria Descritiva com base em técnicas de Realidade Virtual, segundo critérios de usabilidade e enfoque no usuário. Palavras-chave: Habilidade de Visualização Espacial, Realidade Virtual, Geometria Descritiva, Análise de Requisitos.
ABSTRACT The spatial visualization skill represents an important component of human intelligence. Deficiencies in the spatial skills make it difficult to learn basic disciplines as Descriptive Geometry and Technical Drawing for many students. Technological advances allow the use of innovative tools in the teach-learning st
process. In this direction, this work presents a Requirements Analysis (the 1 step in a systems development model), for a didactic tool based on VR, to support Descriptive Geometry teaching, according to criteria of usability and focus on the user. Key-words: Spatial Visualization Skills, Virtual Reality, Descriptive Geometry, Requirements Analysis.
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Introdução
As habilidades espaciais, em particular a de visualização, são intensamente requeridas por inúmeras profissões artísticas, técnicas e científicas [1]. Muitos estudos mostram a grande variabilidade desta habilidade na população e que há diferença significativa e consistente entre os gêneros, com menor nível de habilidade espacial no sexo feminino [1, 2, 3, 4]. Além do gênero, as diferenças na habilidade de visualização espacial têm sido atribuídas a outras variáveis, incluindo o desenvolvimento cognitivo, experiências espaciais e aptidão [5]. Sabe-se também que a Geometria Descritiva (GD), dentre outras disciplinas essenciais à Engenharia e Arquitetura, requer esta habilidade e que o estudo da GD ajuda a desenvolver a visualização. A baixa habilidade de visualização espacial pode ser fator de dificuldade e desestímulo à aprendizagem desta e de outras importantes disciplinas, básicas e aplicadas, em cursos de Engenharia e outros. Dessa forma, a procura de mecanismos que eliminem estas barreiras e promovam a habilidade de visualização espacial é importante tema de pesquisa científica. Nesse sentido, esse trabalho propõe o desenvolvimento, a partir de uma metodologia que privilegia aspectos de usabilidade, de uma ferramenta didática baseada em Realidade Virtual, proporcionando situações que facilitem o ensino e a aprendizagem de Geometria Descritiva, visando aumentar a habilidade espacial dos estudantes. A ferramenta desenvolvida utilizará recursos estereoscópicos (óculos com lentes polarizadoras – estéreo passivo – e projetores 3D polarizados) e interação com dispositivo não convencional (luva de dados).
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Novas Tecnologias
A disponibilidade e aplicação de sistemas computacionais no ensino possibilitam a construção e manipulação de representações gráficas em ambientes que simulam características tridimensionais, podendo possivelmente facilitar a observação e a compreensão de modelos teóricos. Recursos como técnicas de animação computacional também podem ser utilizados já que imagens dinâmicas permitem a reprodução de processos que, em geral, são similares aos executados pelos indivíduos, além da capacidade de visualização que os sistemas computacionais oferecem através de cores, texturas, sombreamentos, iluminação e geração de vistas [6]. Atualmente, a Realidade Virtual constitui-se numa das tecnologias mais avançadas para
a
manipulação
e
controle
tridimensional
altamente
interativo
de
processos
computacionais. 2.1
Realidade Virtual
De acordo com [7], Realidade Virtual (RV) refere-se ao uso de sistemas de Computação Gráfica combinados com dispositivos de interface para prover a sensação de imersão em um ambiente tridimensional interativo gerado por computador, no qual objetos virtuais têm presença espacial. Sistemas com Realidade Virtual representam novas formas de interação com o usuário, as quais proporcionam maior envolvimento e exploração dos sentidos humanos, uma vez que o
processo de interação é realizado no âmbito tridimensional. Segundo [8], cientistas têm reconhecido o potencial da RV como sendo uma ferramenta útil para o estudo, avaliação e reabilitação de processos cognitivos e habilidades funcionais. As aplicações de RV podem beneficiar indivíduos com deficiências cognitivas e funcionais, as quais podem ter sido causadas devido a ferimentos traumáticos do cérebro, distúrbios neurológicos e inabilidades de desenvolvimento e aprendizagem. Os ambientes virtuais também vêm sendo explorados no auxílio ao tratamento de fobias [9]. Alguns trabalhos desenvolvidos na área da pesquisa e desenvolvimento da habilidade espacial dentro de ambientes virtuais são descritos em [10], mas os autores identificam principalmente a necessidade indispensável de pesquisas detalhadas na área. 2.2
Estereoscopia
Define-se por estereoscopia a capacidade de enxergar em três dimensões através da percepção da profundidade em imagens. O processo ocorre quando o cérebro combina em uma única imagem com profundidade as imagens captadas pelos olhos esquerdo e direito [16]. Além do processo natural para obtenção da estereoscopia, outros processos artificiais, gerados por computador, podem proporcionar ao observador essa sensação de profundidade. O efeito pode ser conseguido usando dispositivos como, por exemplo, óculos obturadores a cristal 1
líquido, projetores polarizados e Head-Mounted Displays (HMD) [17]. Segundo [18], o uso de imagens estereoscópicas em uma variedade de projetos está se tornando comum, podendo se destacar amplos benefícios de sua utilização como a percepção da profundidade em imagens, localização espacial, percepção de estruturas em cenas visualmente complexas, percepção melhorada da curvatura e de tipos de superfícies. Sendo assim, as disciplinas de Geometria Descritiva e Desenho Técnico, associadas às técnicas
modernas
de
estereoscopia,
potencialmente
podem
proporcionar
avanços
significativos no processo de ensino-aprendizagem e desenvolvimento da habilidade de visualização espacial, incentivando a aprendizagem dos conceitos, visando torná-la mais fácil, interessante e atrativa. Com isso, a motivação do aluno tende a aumentar, visto que o estudo não ficará restrito somente à sua capacidade de imaginação [19]. 2.3
Interfaces 3D e Interação Humano-Computador
De acordo com [11], o projeto de desenvolvimento de sistemas com interfaces 3D ainda não atingiu um estágio de maturidade. Embora muitas técnicas de interação em ambientes tridimensionais sejam relatadas na literatura e aspectos sobre fatores humanos na interação sejam investigados, não existe um consenso sobre como os resultados de pesquisa podem ser combinados, visando elaborar uma metodologia padrão de projeto e construção de interfaces espaciais. Isso se deve a três fatores: o espaço de projeto de interfaces 3D é significativamente maior do que aquele das interfaces 2D; atualmente os projetistas têm que tratar de uma grande
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Head-Mounted Display: capacete ou óculos composto por dois monitores de vídeo que exibem imagens distintas para cada olho e proporcionam ao usuário a sensação de presença em um ambiente virtual tridimensional.
variedade de dispositivos de entrada e saída e; as tecnologias disponíveis estão em constante desenvolvimento exigindo inovações nas técnicas de interação e nova avaliação das experiências e conhecimentos acumulados em projetos anteriores. Várias técnicas e dispositivos podem ser utilizados no processo de interação do usuário com o ambiente virtual, porém a escolha da técnica mais adequada é uma tarefa difícil [9]. Uma das técnicas mais utilizadas para a interação é a “mão virtual”, onde o usuário é provido com a representação de sua mão no ambiente virtual, sendo que sua posição e orientação no ambiente são fornecidas ao sistema através de algum dispositivo específico de entrada. Em muitas aplicações é utilizada a técnica de reconhecimento de gestos, caso esteja utilizando uma luva de dados (data-glove) [11, 12], técnica explorada neste trabalho. Como as ferramentas a serem desenvolvidas permitirão a construção em 3D, interativamente, de situações espaciais com pontos, retas, planos e suas projeções, conforme os movimentos da mão do usuário (professor), o processo de interação com luva de dados é provavelmente o mais adequado, uma vez que o reconhecimento de gestos facilita a manipulação e posicionamento de objetos 3D, tornando a interação do usuário com o sistema mais natural e intuitiva. Assim, o professor poderá construir facilmente, em sala de aula, aplicações de Geometria Descritiva através de gestos, enquanto estiver fazendo uso da luva de dados. Simultaneamente, os alunos poderão visualizar, fazendo uso dos óculos obturadores, as construções feitas pelo professor no espaço. Essa forma de interação beneficiará a usabilidade do sistema. A Figura 1 ilustra um cenário de uso proposto por esse trabalho. Maiores detalhes sobre técnicas de interação e sua taxonomia podem ser encontrados em [12, 13, 14, 15].
Figura 1:Cenário de uso do sistema proposto.
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Meta-modelo para o Processo de Desenvolvimento de Sistemas com RV
O processo de desenvolvimento de sistemas com RV, bem como os desenvolvedores desses sistemas devem estar voltados para a utilização dessa tecnologia de tal modo que os sistemas desenvolvidos apóiem e satisfaçam os requisitos de seus usuários atendendo critérios de qualidade. Contudo, artigos ou pesquisas que detalhem o desenvolvimento de sistemas com RV de tal forma que os potenciais benefícios do emprego dessa tecnologia em sistemas interativos sejam realmente explorados, dificilmente são encontrados. Vale lembrar que devido à alta integração necessária entre esses sistemas e seus usuários, acredita-se que abordagens com enfoque no usuário se tornam requisito essencial para que sistemas com RV atendam a padrões de usabilidade esperados e, desse modo, devem estar inseridas no processo de desenvolvimento desses sistemas [20]. Segundo [21], usabilidade em sistemas com RV está apenas começando a receber o foco de atenção necessário para identificação de uma taxonomia de critérios de usabilidade específicos desses sistemas. Princípios de usabilidade tradicionais não consideram características específicas de sistemas com RV. Além de não considerarem essas características, critérios de usabilidade para sistemas com RV dificilmente são encontrados e validados. Um meta-modelo [22] para o processo de desenvolvimento de sistemas com RV foi adotado como metodologia de desenvolvimento do sistema proposto neste trabalho. O metamodelo, apresentado na Figura 2, adota e incorpora critérios de usabilidade, enfoque no usuário e iteratividade de projeto, assim como implicações no seu processo de desenvolvimento, através da consideração de princípios da Interação Humano-Computador inseridos ao longo da concepção, projeto e implementação do sistema. Desse modo, o metamodelo para sistemas com RV adotado é composto por cinco etapas: 1) Análise de Requisitos, 2) Projeto (baseado em prototipação), 3) Avaliação de Requisitos e Projeto, 4) Implementação e 5) Avaliação do Sistema. As etapas de Análise de Requisitos, Projeto (baseado em prototipação) e Avaliação de Requisitos e Projeto constituem o primeiro ciclo, o qual permite iteratividade de projeto do meta-modelo. O ciclo se encerra quando os requisitos e o projeto são validados através da construção do protótipo e da sua avaliação de modo satisfatório por desenvolvedores e usuários do sistema com RV. As duas etapas finais, Implementação e Avaliação do Sistema constituem o segundo ciclo, o qual se encerra quando o sistema é validado de forma satisfatória através da implementação do mesmo e de sua avaliação pelos usuários envolvidos ou profissionais especializados em avaliação.
Figura 2:Meta-modelo para sistemas com RV (Adaptada de [22]).
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Análise de Requisitos do Sistema
Inicialmente, no meta-modelo adotado, é realizada a etapa de Análise de Requisitos. Nesta etapa, devem ser realizadas as atividades descritas a seguir [22]: •
Definir e delimitar o espaço do problema;
•
Identificar os benefícios da utilização da tecnologia de RV para o espaço do problema delimitado;
•
Identificar e analisar as pesquisas, teorias e possibilidades tecnológicas existentes para o espaço do problema;
•
Definir os usuários, suas capacidades, as tarefas e o ambiente;
•
Definir os requisitos funcionais, práticos e específicos do sistema com RV;
•
Solicitar aos informantes de projeto suas visões do espaço do problema delimitado;
•
Realizar
estudos
exploratórios,
identificando as
práticas
atuais
das
formas de
representação, dos mecanismos e dispositivos de interação e controle, da melhor combinação entre eles e as possibilidades futuras no espaço do problema; •
Refinar os requisitos do sistema com RV conforme o resultado da etapa de Avaliação de Requisitos e Projeto.
De acordo com [21], o processo de interação deve ser natural, eficiente e apropriado para usuários, domínios e tarefas do sistema com RV. Considerando-se que requisitos mais específicos, referentes ao processo de interação, podem ser levantados na etapa de Análise de Requisitos para fornecer maior embasamento à modelagem do processo de interação do sistema com RV elaborada na etapa de Projeto (baseado em prototipação), acredita-se que se deve pensar em critérios de usabilidade de interação na etapa de Análise de Requisitos de meta-modelo para sistemas com RV. Utilizar critérios de usabilidade de interação na etapa de Análise de Requisitos, a fim de garantir a usabilidade de sistemas com RV a partir de seu processo, permite o envolvimento do usuário não apenas desde o início do processo, mas também que seus requisitos estejam presentes no projeto de interação e na escolha de dispositivos adequados na etapa de Projeto (baseado em prototipação). 4.1
Definição de Requisitos Funcionais, Práticos e Específicos do Sistema
Os principais requisitos e recursos do sistema a ser projetado são descritos a seguir: •
Requisitos Gerais: !
O sistema, de modo geral, consistirá numa ferramenta de construções geométricas dinâmicas tridimensionais, projetado para fornecer uma interface natural que se integre de forma transparente ao processo tradicional de ensino-aprendizagem de GD e que quase não interfira no comportamento normal dos professores em sala de aula.
•
Requisitos de Interface e Orientação: !
Ao iniciar o uso do programa, o usuário visualiza os planos de projeção (π1 e π2), centrados em seu espaço de trabalho (tela).
!
Representação adequada da luva de dados no ambiente virtual (correspondendo à mão do usuário). Essa representação será através de uma “seta”.
!
Três primitivas básicas poderão ser construídas pelo movimento das mãos do usuário (reconhecimento dos gestos do professor): pontos, retas e planos. Os pontos serão representados por pequenas esferas, as retas serão representadas por cilindros delgados e os planos serão representados por paralelepípedos de pequena espessura. As projeções, por sua vez, poderão ser representadas por linhas tracejadas que interceptam os planos de projeção. Cada primitiva, assim como suas projeções, serão representadas por cores default ou de acordo com a preferência do usuário.
•
Requisitos Funcionais: !
Entrada de comandos: Todos os comandos serão realizados através de um gesto que indicará o início do mesmo (fechamento da mão do usuário). Após executar uma ação, o usuário deverá realizar o gesto que corresponderá ao término do comando (abertura da mão).
!
Criação de pontos: para esta ação, o usuário deverá indicar a entrada do comando. Depois, com o dedo indicador, posicionará a esfera (que corresponde à primitiva “ponto”), a qual estará na ponta da seta, na posição desejada e, em seguida, realizará o gesto que corresponde ao fim do comando (abertura da mão).
!
Criação de retas: após indicar a entrada do comando, o usuário posicionará a reta na posição desejada com os dedos indicador e médio estirados (por exemplo, em V) e, em seguida, realizará o gesto que corresponde ao fim do comando.
!
Criação de planos: após indicar a entrada do comando, o usuário posicionará o plano na posição desejada com os dedos indicador, médio e anelar estirados (por exemplo, III) e, em seguida, realizará o gesto que corresponde ao fim do comando.
!
Seleção de objetos: após indicar a entrada do comando, o usuário poderá selecionar objetos construídos no espaço de trabalho e, em seguida, realizará o gesto que corresponda ao fim do comando.
!
Exclusão de objetos: após indicar a entrada do comando, o usuário poderá excluir objetos selecionados e, em seguida, realizará o gesto que corresponda ao fim do comando.
!
Projeções: após indicar a entrada do comando, o usuário poderá selecionar a primitiva a ser projetada e, em seguida, escolher em qual plano se dará a projeção.
!
Movimentação: após selecionar o objeto, o usuário poderá movê-lo no espaço de trabalho.
!
Rotação: o usuário poderá rotacionar o espaço de trabalho visualizando os planos de projeção, assim como as construções realizadas, a partir de pontos de vista diferentes.
!
Salvar cenários: através desta ação, o usuário poderá gravar situações construídas no espaço de trabalho.
!
Abrir cenários: cenários previamente armazenados poderão ser “carregados” através de um menu.
!
Criação de sólidos primitivos: o usuário poderá “carregar” sólidos geométricos como esferas, cones, boxes e cilindros através de um menu.
A Figura 3 ilustra um protótipo da ferramenta. Pode-se visualizar os planos de projeção a partir de pontos de vista diferentes. Na figura, são apresentadas duas retas (em vermelho), delimitadas por pontos (em preto). As respectivas projeções dos pontos nos planos π1 e π2, foram representadas em magenta.
Figura 3:Protótipo dos planos de projeção rotacionados.
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Conclusão
Pesquisas mostram que a visualização espacial é uma importante habilidade cognitiva humana e que pode ser desenvolvida através de atividades apropriadas. Com os avanços no desenvolvimento de sistemas computacionais e um simultâneo declínio do custo dos dispositivos de RV, o uso dessa tecnologia em aplicações educacionais tem se tornado cada vez mais freqüente. Atualmente, as pesquisas concentram-se em como explorar efetivamente o potencial e benefícios dessa nova tecnologia. Em face disso, esse trabalho apresentou a Análise de Requisitos de uma ferramenta em RV, segundo um meta-modelo para o processo desses sistemas, focado no usuário e em critérios de usabilidade, visando o desenvolvimento da habilidade de visualização espacial dos estudantes.
Agradecimentos O presente trabalho foi realizado com o apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – CNPq – Brasil.
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