Publicado no WRVA 2011

1. Uma Estratégia de Desenvolvimento de Sistemas para
Mobile-learning usando Realidade Aumentada
Pedro Henrique Cacique Braga, Alexandre Cardoso, Edgard Afonso Lamounier Jr.
Grupo de Realidade Virtual e Aumentada
Universidade Federal de Uberlândia
Uberlândia – MG - Brasil
cacique@mestrado.ufu.br, {alexandre, lamounier}@ufu.br
Abstract— This article discusses current practices in mobile-
learning and presents a strategy for developing educational
applications associated with Augmented Reality. Work related
to distance education and practice of creating three-
dimensional designs. As concept proof of the technic discussed
an application was created to teach basic mechanics.
Keywords: m-learning; augmented reality; mobile;
I. INTRODUÇÃO
É notório o crescimento da tecnologia para dispositivos
móveis. No final de 2010, o Brasil contava com 202,9
milhões de acessos do Serviço de Telefonia Móvel Pessoal,
registrando um crescimento de 16,7% em relação ao ano
anterior. Com esse resultado, o país permaneceu em quinto
lugar no ranking mundial de acessos da telefonia móvel,
atrás apenas de China, Índia, Estados Unidos e Rússia. Em
2010, o Brasil apresentou uma taxa de 104,7 acessos móveis
pessoais a cada 100 habitantes [1].
Com o intuito de atender a tais exigências do progresso,
foram criados diversos métodos e ferramentas de ensino que
realizam a conexão entre Tecnologia e Educação.
Ambientes Virtuais de Aprendizagem (AVAs) são sistemas
computacionais utilizados para o Ensino a Distância (EAD),
modalidade de ensino com crescimento eminente. Estes
ambientes fazem parte do conjunto de técnicas do modelo
de ensino não presencial, conhecido como e-learning.
Quando este modelo é utilizado em dispositivos móveis,
passa a ser conhecido como mobile-learning, ou
simplesmente m-learning.
Realidade Aumentada (RA) pode ser definida como a
inserção de objetos virtuais no ambiente físico, mostrada ao
usuário, em tempo real, com o apoio de algum dispositivo
tecnológico, usando a interface do ambiente real, adaptada
para visualizar e manipular os objetos reais e virtuais [2].
O fato de a Realidade Aumentada trazer elementos
virtuais para o ambiente real faz com que a interação entre
usuário e sistema seja bastante amigável, dispensando
longos treinamentos do usuário. A combinação de técnicas
de visão computacional e computação gráfica possibilita a
interação correta entre os ambientes reais e virtuais [3].
O potencial para aplicações de RV e RA se expande na
mesma medida em que evolui a capacidade de
processamento de computadores e placas gráficas. Integrar
informações virtuais e reais em um mesmo ambiente é uma
forma bastante eficiente de colocar o aluno diante de
conteúdos ou pessoas distantes ou inacessíveis, sem retirar-
lhe as percepções relativas do ambiente real que o envolve
[4].
A Educação ganhou novas perspectivas com a
aprendizagem baseada nas tecnologias interativas. As
pessoas passaram a ter acesso ao conhecimento de maneira
mais livre, sem mediação necessária de um professor
presente [4].
Com base nos dados apresentados, é de fácil percepção a
boa receptividade da tecnologia móvel pelos brasileiros,
bem como o crescimento da educação a distância no país e
do uso de RA na educação.
Este artigo apresenta uma aplicação de m-learning
utilizando Realidade Virtual e Aumentada para o ensino.
Como prova de conceito, a aplicação foi validada com o
estudo de caso para ensino de Física no Ensino Médio,
abordando tópicos de Mecânica Fundamental.
II. TRABALHOS CORRELATOS
A. M.I.T. Magic Paper
O trabalho desenvolvido pelo Massachusetts Institute of
Technology em 2006 conhecido como Magic Paper consiste
em um sistema de criação de modelos bidimensionais com
interações físicas [5].
O sistema foi desenvolvido para uso em computadores
pessoais com mouses ou mesas digitalizadoras como
hardware de entrada ou para dispositivos com telas capazes
de reconhecer o toque, como lousas digitais.

2. O Magic Paper recebe como dados de entrada, esboços
de objetos em duas dimensões e os transforma em figuras
geométricas com características físicas. Estas podem ser
inseridas desenhando códigos e símbolos que as
representem. Uma seta para baixo, por exemplo, simboliza a
ação da gravidade sobre o ambiente.
A Figura 1 apresenta em (a) a etapa de criação do
ambiente e em (b) a execução das leis físicas sobre os
elementos criados.
São explorados elementos como blocos, molas, cilindros
e bolas (representados por circunferências), que podem ser
conectados ou dispostos isoladamente no cenário. O
controle da animação é feito através de barras de
ferramentas contidas no software e contam com técnicas que
facilitam a compreensão das mesmas, garantindo a melhor
visualização do espaço.
O Magic Paper apresenta algoritmos de correção do
traçado, aproximando o esboço ao elemento geométrico
bidimensional. Apesar da vasta biblioteca de elementos
físicos e de forças de interação, a interação com o usuário é
limitada ao uso do mouse ou do simples toque da caneta,
não apresentando interações gestuais.
O ambiente criado limita-se ao tamanho fixo do quadro,
não permitindo a expansão do mesmo através de técnicas
como alteração da escala dos elementos.
B. In-Place 3D
O In-Place 3D é um framework para autoria de cenas
tridimensionais para Realidade Aumentada baseado em
desenhos à mão livre. Com este framework, é possível
transformar esboços em sistemas em três dimensões com a
possibilidade de interação, permitindo ao usuário controlar
as etapas da animação, bem como alterar as propriedades
físicas dos elementos contidos no ambiente [6].
Desenvolvido pelo Hit Lab New Zealand em 2009, o In-
Place 3D faz uso de técnicas de processamento de imagens e
Realidade Aumentada, bibliotecas de desenvolvimento de
ambientes e interações físicas.
Os esboços são feitos com base no desenho em
perspectiva ortogonal. São usadas técnicas de
processamento de imagens e reconhecimento de padrões
para reconhecimento dos símbolos desenhados e capturados
por uma câmera comum.
A Figura 2 apresenta em (a) a autoria de um sistema
mecânico, criado sobre um marcador especial que delimita o
espaço da cena. Em (b) tem-se o ambiente virtual gerado e
inserido no ambiente real sobre o marcador.
O tratamento das imagens permite a criação de
elementos sólidos baseados em triedros e tetraedros e forças
interativas como atrito, gravidade e velocidade. A criação
do modelo é gerada e mostrada no vídeo sobreposta à
imagem da câmera. Os movimentos e transformações dos
objetos são feitos com a adição de marcadores de controles
à cena e a movimentação da câmera.
O framework de desenho é genérico e, portanto, pode ser
utilizado para diferentes casos de uso. Sua utilização gerou
diferentes publicações em áreas de ensino e criação de
mundos virtuais.
A cena virtual não se limita ao marcador, apenas o
utiliza como orientador no espaço. Entretanto, assim como o
Magic Paper, o InPlace 3D tem espaço limitado para criação
do modelo mecânico.
A interação com o ambiente, realizada através da
câmera, é melhor utilizada em um ambiente controlado, com
uma câmera fixa. Para dispositivos móveis, esta forma de
interação deve ser repensada para que aborde os conceitos
de interação gestual, utilizando o toque do usuário e a
orientação do dispositivo.
C. ILoveSketch
Trata-se de um software desenvolvido por Seok-Hyung
bae, Ravin Balakrishnan e Karan Singh, capaz criar
ambientes tridimensionais baseados em esboços feitos em
dispositivos de captura por toque [7].
Este sistema pode ser usado com navegação 2D ou 3D e
cria curvas NURBS. Foi desenvolvido para profissionais do
design, possibilitando a interação do usuário com seus
modelos 3D com gestos comuns, existentes em uma
biblioteca coesa de gestos.
A aplicação diferenciada do software é a navegação e
criação de elementos usando um ambiente tridimensional.
Desenho e transformações dos mesmos se misturam em um
ambiente sólido e consistente.
São trabalhados gestos como ponto, curva, laço, loop,
entre outros, para desenho, transformação e movimentação
do ambiente.
(a) (b)
Figura 2. InPlace3D: (a) Autoria do sistema mecânico, esboçado no
papel; (b) Ambiente de Realidade Aumentada construído com base no
modelo desenhado.
Figura 1. Magic Paper: (a) Desenho do sistema;
(b) Animação do modelo físico.

3. Todos os traços do usuário são tratados a fim de
melhorar o desenho e torná-lo mais uniforme com os
padrões de projeto. São evitadas as redundâncias de traços,
para que não haja ambiguidade no processamento dos
dados, deixando os contornos definidos.
O ambiente conta com as principais ferramentas de
transformação dos modelos, que alteram suas propriedades
geométricas e estéticas. Assim como os grandes editores de
modelos 3D, o ILoveSketch propõe diferentes câmeras e
perspectivas de vistas.
Apesar das boas ferramentas de desenho, o software não
conta com ferramentas para animação e a interação do
usuário com o modelo limita-se à mudança de pontos de
vista, não permitindo a visualização dos efeitos gerados
pelas forças aplicadas ao modelo. O espaço de criação pode
ser aumentado, através de gestos, mas não há interação entre
os elementos criados. Estes se comportam como elementos
estáticos.
A Figura 3apresenta a utilização do software para
criação de desenhos tridimensionais.
III. ARQUITETURA DO SISTEMA PROPOSTO
O sistema proposto permite elaborar ambientes
aumentados, com objetos virtuais dotados de propriedades
físicas, a partir do esboço e concepção em um modelo de
interface 2D para dispositivos móveis. A Figura 4 apresenta
a arquitetura do sistema.
Figura 4. Arquitetura do Sistema Porposto
A arquitetura é centrada em um Módulo Gerenciador,
responsável pela conexão entre as bibliotecas e as interfaces.
O conjunto de bibliotecas necessárias para a execução do
sistema está dividido em duas bases de dados:
Biblioteca de Objetos Virtuais – Contêm as formas
geométricas primitivas em duas e três dimensões, as
bibliotecas específicas da linguagem para desenho 2D e
criação de mundos virtuais.
Banco de Dados da Aplicação – Nele estão contidas as
formas 2D e 3D específicas para cada aplicação, bem como
as engines necessárias para o desenvolvimento da mesma,
como bibliotecas de física dos materiais, por exemplo.
O Módulo Gerenciador tem acesso somente de leitura
dos bancos de dados, garantindo sua integridade. Observa-se
que o projeto da aplicação deve prever as bibliotecas
necessárias, que não podem ser alteradas durante sua
execução.
A comunicação entre usuário e Módulo de
Gerenciamento é feita por duas GUIs, uma para a criação e
concepção do ambiente bidimensional e outra para a
representação do ambiente aumentado. Observando os
padrões de visualização da informação para dispositivos
móveis, estabeleceu-se a criação de interfaces fluidas para
que o usuário tenha maior controle sobre o que será ou não
exibido na tela.
Na interface 2D, os elementos encontram-se a princípio
em barras ocultáveis que contêm as bibliotecas de objetos
bidimensionais. Estes objetos podem ser arrastados para a
área de composição do ambiente.
Os métodos atuais de interação com dispositivos móveis
podem ser agrupados em três grupos: gestos, toque e toques
múltiplos (gesture, touch e multitouch). Os primeiros são
caracterizados pelo movimento dos dedos em contato com a
tela do dispositivos. Métodos de toque são semelhantes aos
métodos de clique do mouse. Por fim, métodos de toques
múltiplos caracterizam-se por aceitar múltiplas entradas de
toque. A quantidade de toques aceitos é dependente da
qualidade do hardware.
Com base no padrão de desenvolvimento para
dispositivos móveis, o controle das ações na interface
bidimensional deve ser realizado com base nos conceitos de
transformações por gestos, isto é, são utilizados controles
dos tipos SWIPE (clique e arraste), TAP (clique), RESIZE
(swipe com dois toques simultâneos), DRAG AND DROP
(arrastar e soltar) e DOUBLE TAP (clique duplo).
Aplicações criadas para dispositivos específicos devem
observar a estrutura do aparelho e os controles que o mesmo
permite, assim como a estrutura da linguagem adotada.
Os painéis de biblioteca e controles auxiliares podem ser
ocultados ou exibidos através do menu principal que, por
via de regra, é associado a um dos botões físicos ou Área de
Composição Bibliotecas Controles Auxiliares virtuais do
dispositivo. A posição de tais painéis pode ser definida pelo
usuário ou pelo desenvolvedor.
Os objetos virtuais são então criados e o módulo
responsável pela interface 3D deve apresentá-lo ao usuário.
A GUI 3D deve apresentar apenas a informação obtida pela
câmera do dispositivo. Uma vez acionada, a interface busca
o marcador de RA pré-determinado e insere sobre ele o
conteúdo do mundo virtual.
Na interface 3D o painel de bibliotecas é oculto, deixando
visível apenas o painel de controles auxiliares, que neste
(a) (b)
Figura 3. ILoveSketch (a) Criação do esboço; (b) Trabalhos finais
gerados.

4. caso apresentará os controles de animação. A área de
Composição é então substituída pela imagem da câmera, ou
seja, a imagem do mundo real, onde serão inseridos os
elementos virtuais.
Independentemente da linguagem adotada, das
bibliotecas e dos dispositivos, sugere-se o uso dos padrões
apresentados a fim de padronizar os projetos de aplicativos
em m-learning.
Novos painéis podem ser inseridos ao sistema de acordo
com as funções necessárias em cada aplicativo, entretanto,
estes devem apresentar ao usuário a opção de ser exibido ou
ocultado.
Objetiva-se com essas diretrizes a criação de um design
minimalista, que apresente apenas as informações
estritamente necessárias, mas garanta ao usuário o acesso às
informações que julgar importantes em cada visualização.
IV. ESTUDO DE CASO
Utilizando aspectos de Mecânica Fundamental, o usuário
foi capaz de reproduzir as situações comuns aos livros
didáticos. Para isso, criam-se os elementos principais usados
no ensino de Mecânica Fundamental.
Com um simples movimento de arrestar e soltar, o aluno
pôde compor o ambiente e os elementos contidos nele. A
Figura 5 apresenta alguns elementos do simulador.
Figura 5. Elementos Físicos
Para adicionar um elemento ao ambiente, basta carrega-
lo do painel Biblioteca para o painel Ambiente. As
propriedades dos elementos podem ser editadas de duas
maneiras: clique duplo ou clique contínuo sobre o elemento.
O primeiro método abre o painel de propriedades físicas,
que é distinto para cada componente. O segundo habilita o
usuário a alterar as propriedades geométricas de cada objeto.
A Figura 6 exemplifica em (a) as propriedades do elemento
Plano Inclinado e em (b) a sua alteração de escala.
(a) (b)
Figura 6. Alteração de propriedades (a) Físicas; (b) Geométricas.
Usando os mecanismos de inserção e alteração de
propriedades o usuário pôde, então, reproduzir em seu
dispositivo móvel o ambiente proposto no livro didático ou
outro à sua escolha. A Figura 7 apresenta um sistema físico
criado com os elementos disponíveis no simulador.
A Figura 8 mostra em (a) um exemplo de marcador de
RA, em (b) um sistema criado em duas dimensões e em (c)
o mesmo sistema em 3D sobre o marcador.
Elaborado o ambiente aumentado, o aluno teve a
possibilidade de visualizar os gráficos gerados pelas
equações do movimento, comprovando de forma interativa a
posição, velocidade e aceleração de cada elemento em cada
intervalo de tempo.
Os vetores das forças relacionadas podem ser exibidos
ou ocultados para que o aluno experimente diferentes etapas
do processo cognitivo.
Além de visualizar o sistema físico, o aplicativo simula
diferentes configurações de forças físicas que atuam sobre o
sistema. O aluno pode alterá-las em tempo real e verificar as
reações dos objetos virtuais. Novas forças podem ser
Figura 8. Sistema em Realidade Aumentada: (a) Marcador;
(b) Ambiente 2D; (c) Execução do aplicativo;
Figura 7. Cena virtual composta pelo usuário.

5. acrescentadas com um simples arrastar e soltar de objetos da
biblioteca. Uma vez soltas na ambiente principal, passam a
interagir com os objetos de maneira a simular suas respostas
reais.
Foram observadas as principais características de
diferentes trabalhos na área, como os apresentados
anteriormente. O aplicativo criado possibilita ao aluno uma
experiência de criação de ambientes aumentados em um
dispositivo móvel.
V. CONCLUSÕES
O sistema criado possibilita interagir, em ambiente
aumentado, com o conteúdo de uma dada disciplina ou área
de conhecimento. A imersão com o ambiente tridimensional
permite que os conceitos de movimentos dinâmicos, bem
como os gráficos gerados por eles sejam melhor percebidos,
garantindo ao aluno maior aproveitamento da disciplina.
A estratégia proposta para criação de aplicativos para m-
learning é genérica e facilmente adaptável a cada contexto.
A divisão da arquitetura em blocos possibilita a inserção de
novas bibliotecas referentes aos assuntos abordados sem que
todo o aplicativo precise ser refeito.
Com o sistema proposto, a informação torna-se
descentralizada, pois cada aluno pode vê-la em seu próprio
dispositivo e contribuir com a construção coletiva do
modelo tridimensional. A comunicação entre os dispositivos
em uma rede local possibilita ao grupo construir o
conhecimento de maneira interativa, não apenas expositiva.
A constante evolução dos dispositivos e das plataformas
móveis requer maior atenção sobre a tecnologia adotada no
desenvolvimento do sistema. Faz-se importante o uso de
linguagens interpretadas pelo maior número de usuários, ou
mesmo a adaptação do software para os principais
ambientes utilizados pelo público alvo.
A escolha do sistema e da linguagem adotados para
criação das aplicações deve ser feita levando em
consideração o desempenho das animações tridimensionais
e a facilidade de acesso aos dispositivos pelo público alvo.
VI. TRABALHOS FUTUROS
Como trabalhos futuros sugere-se a criação dos
ambientes utilizando técnicas de processamento de imagens,
com as quais o aluno pode desenhar em um papel o
ambiente, ou mesmo tirar uma foto da página do livro e
obter assim, os dados do sistema a ser criado. A utilização
de tais trabalhos torna-se inovadora no seu uso em
dispositivos móveis.
Sugere-se também a criação de ambientes aumentados
que não necessitem de marcadores para a exibição dos
objetos virtuais e que levem em consideração as
características do ambiente como agentes de alteração do
sistema.
Finalmente, podem ser elaboradas em aplicações que
sejam executadas em um servidor remoto, pelo qual alunos
em diferentes localidades possam contribuir ao mesmo
tempo para a criação, execução e análise do ambiente
virtual.
VII. REFERÊNCIAS
[1] ANATEL, Agência Nacional de Telecomunicações.
“Relatório Anual 2010”, disponível em
<http://www.anatel.gov.br> Acessado em 16 de agosto
de 2011.
[2] KIRNER, C.; KIRNER, T.G. “Virtual Reality and
Augmented Reality Applied to Simulation
Visualization.” In: El Sheikh, A.A.R.; Al Ajeeli, A.;
Abu-Taieh, E.M.O.. (Ed.). Simulation and Modeling:
Current Technologies and Applications. 1 ed. Hershey-
NY: IGI Publishing, 2008, v. 1, p. 391-419.
[3] AZUMA, R. T. “Tracking Requirements for
Augmented Reality”, Communications of the ACM,
36(7):50-51, July, 1993.
[4] TORI, R. “Educação sem distância: as tecnologias
interativas na redução de distâncias em ensino e
aprendizagem”, Editora Senac São Paulo, 2010.
[5] DAVIS, R., “Magic Paper:Sketch-Understanding
Research”, IEEE Computer Society, 2007.
[6] BERGIG, O., HAGBI J., EL-SANA, J.,
BILLINGHURST, M., “In-Place 3D Sketching for
Authoring and Augmenting Mechanical Systems”, 8 th
IEEE International Symposium on Mixed and
Augmented Reality (ISMAR 2009), 2009, p.87-94.
[7] BAE,S., BALAKRISHNAN, R., SINGH, Karan,
“ILoveSketch: As-natural-as-possible system for
creating 3D curve models”, ACM Symposium on User
Interface Software and Technology, Monterey, CA,
USA, 2008.