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Universidade Federal de Minas Gerais
Instituto de Ciências Exatas
Departamento de Ciências da Computação
LETÍCIA LANA CHERCHIGLIA
MONOGRAFIA DE PROJETO ORIENTADO EM COMPUTAÇÃO I
DESENVOLVIMENTO DE JOGO EDUCATIVO PARA MESA INTERATIVA E KINECT
ATRAVÉS DO USO DE VISÃO COMPUTACIONAL
Belo Horizonte
2011/ 2º semestre
Universidade Federal de Minas Gerais
Instituto de Ciências Exatas
Departamento de Ciências da Computação
Curso de Bacharelado em Ciência da Computação
DESENVOLVIMENTO DE JOGO EDUCATIVO PARA
MESA INTERATIVA E KINECT ATRAVÉS DO USO DE VISÃO COMPUTACIONAL
por
Letícia Lana Cherchiglia
Monografia de Projeto Orientado em Computação I
Apresentado como requisito da disciplina de Projeto Orientado em Computação I
do Curso de Bacharelado em Ciência da Computação da UFMG
Prof. Dr. Prof. Dr. Francisco Carlos de Carvalho Marinho Orientador
Belo Horizonte
2011/ 2º semestre
i
AGRADECIMENTOS
Primeiramente gostaria de agradecer a Deus, pelo dom da vida e pelas graças recebidas todos os
dias.
Agradeço a meus familiares, em especial a meus pais e meu irmão, pela paciência, força e amor
incondicional que me deram ao longo destes anos.
Ao meu namorado, pelo amor verdadeiro que perdura, pela companhia e incentivos, por ser,
“simplesmente”, muito mais do que eu poderia pedir.
Aos meus amigos e colegas, fonte de apoio nos momentos tristes, de diversão nos momentos
felizes, e de ensinamentos sempre.
Aos professores pelos conhecimentos adquiridos.
E finalmente ao meu orientador Chico Marinho, pela confiança, orientação e trocas de experiências.
ii
“The only person standing in your way is you.”
The Black Swan (2010)
iii
RESUMO
Atualmente o uso da tecnologia para a alfabetização infantil vem crescendo cada vez mais,
de modo que os recursos computacionais estão sendo utilizados como uma nova forma de educação,
que incentiva a descoberta tanto do aluno quanto do educador e instiga a construção do
conhecimento de modo mais atraente e interativo.
Desta forma, este trabalho, realizado em parceira com o Projeto ALADIM (Alfabetização e
Letramento em Ambientes Digitais Interativos Multimodais) - Apoio FAPEMIG [1], propõe a
concepção e o desenvolvimento de um jogo educativo para mesa interativa, voltado para o âmbito
da alfabetização infantil e cuja proposta possa ser estendida para o Kinect.
Foram utilizados recursos da área de Visão Computacional para a realização deste trabalho,
assim como conhecimentos nas áreas de Artes Visuais, Educação, Lingüística e Música, de modo
que na continuação deste é prevista a análise das respectivas jogabilidades e interatividades
existentes no mesmo jogo em diferentes interfaces multimodais (mesa interativa e Kinect) e a
comparação entre elas.
Palavras-chave: jogos educativos, interfaces multimodais, alfabetização infantil, Visão
Computacional.
iv
ABSTRACT
Currently the use of technology for children's literacy is growing increasingly, so that
computing resources are being used as a new form of education that encourages the discovery of
both student and educator and instigates the construction of knowledge in a more attractive and
interactive way.
Therefore, this work, developed in partnership with the ALADIM Project – support
FAPEMIG [1], proposes the design and development of an educational game for an interactive
table, facing the field of children's literacy and whose proposal can be extended to Kinect.
We used resources of the Computer Vision for this work, as well as knowledge in the areas
of Visual Arts, Education, Linguistics and Music, so that in its continuation we can analyze the
gameplay and interactivity that exists in the same game in different multimodal interfaces
(interactive table and Kinect) and compare them.
Keywords: educational games, multimodal interfaces, children's literacy, Computer Vision.
v
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 MESA INTERATIVA ...................................................................................................................... 12
FIGURA 2 MARCADORES FIDUCIAIS............................................................................................................... 13
FIGURA 3 ESQUEMA DO REACTIVISION .............................................................................................................. 13
FIGURA 4 KINECT .......................................................................................................................................... 14
FIGURA 5 LAYOUT INICIAL DO JOGO PROPOSTO ..................................................................................... 17
FIGURA 6 LAYOUT FINAL DO JOGO ............................................................................................................ 18
vi
LISTA DE SIGLAS
CCV Comunity Core Vision
POC I Projeto Orientado a Computação I
POC II Projeto Orientado a Computação II
PD Pure Data
TUI Tangible User Interfaces
SUMÁRIO
RESUMO .............................................................................................................................. III
ABSTRACT ............................................................................................................................IV
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................ V
LISTA DE SIGLAS ..................................................................................................................VI
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 10
1.1 VISÃO GERAL DO ASSUNTO....................................................................................... 10
1.2 OBJETIVO, JUSTIFICATIVA E MOTIVAÇÃO................................................................. 10
2 REFERENCIAL TEÓRICO .............................................................................................. 12
2.1 MESA INTERATIVA....................................................................................................... 12
2.2 REACTIVISION.................................................................................................................... 13
2.3 KINECT............................................................................................................................... 14
3 METODOLOGIA ............................................................................................................ 14
4 DESENVOLVIMENTO E RESULTADOS ........................................................................... 16
4.1 PESQUISA SOBRE O REACTIVISION............................................................................. 16
4.2 DEFINIÇÃO DO JOGO..................................................................................................... 16
4.3 CRIAÇÃO DO ARCABOUÇO DE CONTEÚDO EDUCATIVO.............................................. 19
4.4 DESENVOLVIMENTO DO JOGO PARA MESA INTERATIVA............................................ 19
4.5 EXTENSÃO DO JOGO JÁ CRIADO PARA KINECT................................................................20
4.6 RESULTADOS..............................................................................................................................20
5 CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS ......................................................................... 21
BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................................... 22
10
1 INTRODUÇÃO
1.1. Visão geral do assunto
Com o crescente uso da tecnologia voltado para a alfabetização infantil, houve o surgimento
da área da Informática Educativa ou Informática na Educação. Nesta, os meios computacionais são
utilizados como recursos didáticos para as práticas pedagógicas em diferentes níveis educacionais, o
que incentiva a descoberta tanto do aluno quanto do educador e instiga a construção do
conhecimento de forma mais atraente e interativa. [2]
Neste contexto, a abordagem construcionista – em que o aluno utiliza os recursos
computacionais como meio de construção do aprendizado – tem sido utilizada com grande sucesso
e apresentado melhores resultados do que a abordagem instrucionista, na qual o aluno é mero
utilizador dos recursos computacionais. [2, 3]
Desta forma, está havendo uma mudança nas escolas, de modo a incluir a tecnologia nas
salas de aulas em suas diferentes formas multimodais: computador, mesas interativas, tablets,
celulares, entre outros. Como exemplo, podemos citar o Programa Um Computador por Aluno
(PROUCA), do Governo Federal Brasileiro [4], que possui como objetivo ser um projeto
Educacional voltado para a inclusão digital.
Entretanto, existem ainda muitas barreiras para programas como este serem implantados em
totalidade nas escolas brasileiras, sejam públicas ou privadas. Logicamente, nas últimas o problema
financeiro não é tão grave, mas ainda assim falta iniciativa por parte dos professores em abraçar
este novo método de ensino, que alia a tecnologia ao método tradicional, em prol de atividades que
sejam interativas e mais interessantes para os alunos em sala de aula, de modo a fixar os
conhecimentos ou até mesmo construir novos.
Portanto, a pesquisa e o desenvolvimento de aplicações educacionais dentro das próprias
universidades brasileiras é peça de suma importância para uma maior difusão da Informática
Educativa, aliadas a outras ações como cursos para professores, debates sobre o tema, entre outros.
1.2. Objetivo, justificativa e motivação
Imerso nos contextos explicitados acima, temos o trabalho em questão, que está sendo
realizado em parceira com o Projeto ALADIM (Alfabetização e Letramento em Ambientes Digitais
Interativos Multimodais) - Apoio FAPEMIG [1], que possui com objetivo principal o estudo da área
11
de Visão Computacional aplicada à temática educacional da alfabetização infantil, através da
concepção e desenvolvimento de um jogo para mesa interativa, cuja proposta possa ser entendida
para o Kinect.
O trabalho também utiliza recursos de áreas do saber como Artes Visuais, Educação,
Lingüística e Música, pois está inserido em um projeto de extensão da PROEX [5] cujo cunho é
interdisciplinar, sendo desenvolvido atualmente no Centro de Experimentação e Pesquisa em
Sistemas Multimodais da Fundação Rodrigo Melo Franco de Andrade.
Pretende-se que o jogo educativo desenvolvido seja testado em escolas, de modo a auxiliar
crianças que estejam em fase de pré-alfabetização e alfabetização, de modo que estas possam ter
uma prática mais lúdica, prazerosa e eficaz do letramento, através do rompimento com os padrões
tradicionais de ensino-aprendizagem de língua materna e incorporação de novas possibilidades
oferecidas pelo meio digital.
A definição de tais testes assim como seus resultados em termos de jogabilidade e
interatividade estão previstos para serem discutidos na continuação do trabalho, no Projeto
Orientado em Computação II (POC II).
12
2 REFERENCIAL TEÓRICO
2.1. Mesa interativa
As mesas interativas estão sendo cada vez mais utilizadas em diferentes âmbitos, seja no
educacional ou da arte digital. Sua construção é relativamente fácil, demandando apenas o uso de
um computador, um projetor, refletores e uma câmera para captação de movimentos ou marcadores,
além da própria mesa em si, feita em madeira com tampo de vidro polido.
Desta forma, temos uma mesa cujo custo não é muito elevado, e que pode ser construída
para museus ou escolas.
A mesa interativa que estamos utilizando foi construída através do Projeto ALADIM
(Alfabetização e Letramento em Ambientes Digitais Interativos Multimodais) - Apoio FAPEMIG
[1] e seu esquema é mostrado na figura 1 abaixo:
Figura 1: Mesa interativa
O uso de mesas interativas voltadas para crianças é um conceito que ainda está em
desenvolvimento, mas que já prova ter efeito positivo. Já existem propostas de novos brinquedos
que utilizem tal tecnologia, que mostram que a experiência das crianças e das famílias em geral
pode ser enriquecida através de tal produto. [6]
13
2.2. reacTIVision
Para o reconhecimento de objetos através da câmera da mesa, utilizaremos o framework de
visão computacional open source reacTIVision [7], que funciona como um kit de ferramentas para o
rápido desenvolvimento de aplicações para mesas baseadas em Tangible User Interfaces (TUI) e
surpefícies interativas multi-toque em geral.
Através dele, é possível fazermos a leitura de marcadores fiduciais, cuja concepção e
descrição podem ser encontradas em [8,9], e que no jogo representam sílabas da língua portuguesa,
tanto em escrita como sonoridade. A figura 2 abaixo mostra alguns exemplos de possíveis
marcadores utilizados:
Figura 2: Marcadores fiduciais
Tais fiduciais são impressos e colados em objetos físicos que, postos sobre a mesa interativa,
são capturados pelo reacTIVision através da câmera. O próprio software envia para a aplicação,
através de protocolo próprio (TUIO), os dados de cada marcador (posição x e y, rotação,
velocidade, entre outros). A figura 3 a seguir ilustra o funcionamento de uma aplicação que utilize o
reacTIVision com uma mesa interativa.
Figura 3: Esquema do reacTIVsion
14
Optou-se por utilizar o reacTIVision ao invés de outros softwares como o Comunity Core
Vision (CCV) [10], por exemplo, pela sua qualidade e precisão em mapeamento de fiduciais, que no
jogo sendo desenvolvido seriam de extrema importância.
2.3. Kinect
O Kinect é uma tecnologia desenvolvida pela Microsoft para seu console de videogame
Xbox 360, capaz de reconhecer o movimento de vinte pontos do corpo humano, além de face e voz,
através de sensores especiais. [11]
Além de funcionar para o console citado acima, o Kinect também pode ser conectado em um
computador e, através da Kinect for Windows SDK [12], podem ser desenvolvidas aplicações que
utilizem as informações capturadas pelos sensores.
A figura 4 abaixo mostra uma possível instalação para um jogo que utilize o Kinect:
Figura 4: Kinect
Basicamente, o Kinect seria acoplado em um computador que possua a aplicação
(desenvolvida em Microsoft Visual Studio através da Windows SDK), e enviaria para ela os pontos
do corpo humano a serem mapeados. Desta forma, os objetos físicos com marcadores fiduciais
utilizados na mesa interativa podem ser substituídos por movimentos ou gestos das mãos do
jogador.
15
3 METODOLOGIA
Os recursos necessários para a realização deste trabalho foram: uma mesa interativa
composta pela mesa em si, um computador com Processing, PD e reacTIVision instalados, uma
câmera e um projetor e um Kinect acoplado ao mesmo computador mencionado anteriormente. Tais
recursos foram utilizados do Centro de Pesquisa e Experimentação em Sistemas Multimodais, sob
coordenação do Prof. Dr. Francisco Carlos de Carvalho Marinho.
O procedimento metodológico utilizado foi a divisão do trabalho em cinco etapas, a saber:
Etapa 1: Pesquisar sobre tecnologia usada pelo reacTIVsion e seu funcionamento
o Período de Realização: 02/09/2011 à 09/09/2011
Etapa 2: Definição do jogo e seu design
o Período de Realização: 09/09/2011 à 16/09/2011
Etapa 3: Criação do arcabouço de conteúdo educativo
o Período de Realização: 16/09/2011 à 23/09/2011
Etapa 4: Desenvolvimento do jogo para mesa interativa (Processing e PD)
o Período de Realização: 23/09/2011 à 01/11/2011
Etapa 5: Extensão do jogo já finalizado para o Kinect: estudo do funcionamento do
ambiente e desenvolvimento de nova versão compatível com a tecnologia escolhida
o Período de Realização da primeira parte: 01/11/2011 à 11/11/2011
o Período de Realização da segunda parte: adiada para o POC II
16
4 DESENVOLVIMENTO E RESULTADOS
4.1. Pesquisa sobre o reacTIVision
Como o objetivo desse projeto era desenvolver um jogo educativo para mesa interativa e
Kinect que utilize como parte integrante recursos de visão computacional adquiridos através do
framework reacTIVision, o primeiro passo foi o um estudo sobre a tecnologia que tal framework
utiliza para o mapeamento e leitura dos fiduciais (imagens utilizadas em realidade aumentada) ou
seja, entender como o framework funciona.
Para tal, utilizou-se os artigos de Kalternbrunner e Bencina [8,9] e também a documentação
disponível no próprio site do reacTIVision [7].
4.2. Definição do jogo
Como o objetivo principal do jogo proposto era a familiarização com a relação existente
entre som e imagens silábicas, sua definição seguiu a idéia de um sonar virtual que responde a
objetos físicos reais (marcadores), representantes de sílabas (escrita e fonética), quando estes são
colocados no jogo através do posicionamento dos mesmos sobre a mesa interativa pelo usuário.
As posições dos marcadores definem, em um seqüenciador de áudio, o ritmo dos sons das
sílabas tocadas bem como a duração e o timbre destas, permitindo que o usuário brinque com os
sons de várias sílabas, transformando-os em seqüências rítmicas.
Na figura 1 a seguir podemos ver o layout inicial do jogo proposto, a partir da qual serão
explicados melhor seus elementos. Tal versão foi alterada devido a alguns problemas que tivemos e
também a sugestões de educadores, de modo que a versão atual e final do jogo não corresponde à
mostrada na figura abaixo.
Entretanto, optou-se por descrever e mostrar esta primeira versão, de modo que fiquem
claras as mudanças realizadas na definição do jogo e seus motivos.
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Figura 4: Layout inicial do jogo proposto
Como podemos observar, temos em suma quatro componentes no jogo acima, numerados na
figura em vermelho de 1 a 4:
1. Marcadores: são as representações virtuais das sílabas reais.
2. Sonar: quando a linha do sonar atinge um marcador, há a reprodução do som
correspondente àquela sílaba. A distância do marcador ao centro do sonar mapeia a
transformação no timbre do áudio (mais ao centro, mais agudo).
3. Knob: ao colocar-se um marcador no centro do knob, pode-se controlar a velocidade de
rotação do sonar, rotacionando-se o marcador (sentido horário, mais rápido).
4. Slider vertical: ao colocar-se um marcador sobre o botão do slider, pode-se controlar o
volume do jogo (mais acima, mais alto).
Entretanto, devido a inúmeros problemas discutidos adiante na sessão 4.4 deste documento,
que trata sobre o desenvolvimento do jogo propriamente dito, houve a reformulação deste, de modo
que o layout e também alguns elementos que o compunham foram alterados, conforme pode ser
visto na figura 3 a seguir.
18
Figura 5: Layout final do jogo proposto
Como podemos observar, agora temos seis componentes no jogo, numerados na figura em
vermelho de 1 a 6, ao invés de quatro, conforme anteriormente. Os componentes 1, 2 e 3
(marcadores, sonar e knob, respectivamente) permaneceram inalterados. Houve a remoção do slider
vertical (antigo componente 4) e a inclusão de dois seletores (componentes 4 e 5) e a de um receptor
(componente 6). A seguir serão explicados os novos componentes:
4. Seletor de consoantes: a rotação de um marcador colocado no centro deste círculo
permite a escolha da consoante desejada para sua sílaba, mostrada no círculo adjacente de
mesma cor do seletor.
5. Seletor de vogal: a rotação de um marcador colocado no centro deste círculo permite a
escolha da vogal desejada para sua sílaba, mostrada no círculo adjacente de mesma cor do
seletor.
6. Receptor de sílaba: ao colocar-se um marcador no centro deste círculo, este ficará
“carregado” com a sílaba formada pela junção das letras selecionadas anteriormente, sendo a
primeira delas a consoante desejada e a segunda, a vogal desejada. Somente marcadores
“carregados” causarão o disparo de som correspondente à sílaba que carregam quando forem
acionados pelo sonar. Para “descarregar” um marcador, basta retirá-lo da mesa.
19
4.3. Criação do arcabouço de conteúdo educativo
Após a definição formal do jogo, foi necessária a definição de sílabas úteis, ou seja, aquelas
que são interessantes para a criança-jogadora do ponto de vista educacional. Decidimos utilizar as
sílabas chamadas canônicas (compostas por somente duas letras, sendo a primeira uma consoante e
a segunda uma vogal, sem considerar consoantes estrangeiras ou com som mudo, como “h”). E após
tal definição, a gravação de cada sílaba separamente em um arquivo de áudio correspondente, o que
compõe nosso arcabouço de conteúdo.
A redefinição posterior do jogo não acarretou alteração no arcabouço. Além disso, tal
conjunto poderá ser utilizado em outras aplicações futuras que tenham como temática a silábica.
4.4. Desenvolvimento do jogo para mesa interativa
Com tal arcabouço de conteúdo em mãos, foi realizada a programação da versão inicial do
jogo. Decidiu-se utilizar a linguagem de programação Processing para a lógica, a linguagem de
programação Pure Data (PD) para a alteração e execução do áudio das sílabas e a biblioteca OSC5
para a troca de mensagens entre as duas aplicações, que são executadas ao mesmo tempo.
Em seguida foram realizados testes de funcionamento na mesa interativa. Neste ponto do
trabalho vários problemas surgiram, entre eles:
A câmera da mesa somente reconhecia marcadores maiores do que o esperado;
O layout inicial poderia levar a uma apologia desnecessária à violência (sonar militar);
Seriam necessários quantos marcadores fosse o número de sílabas canônicas no jogo, pois
cada marcador corresponderia a uma sílaba somente;
O slider vertical para controle do volume era, na verdade, inútil;
A reprodução de sons com intervalo de tempo muito pequeno entre eles gerava o
“encavalamento” do áudio, de modo que as sílabas não eram reproduzidas do modo correto.
Desta forma, foi preciso realizar uma reformulação do layout do jogo e de sua própria
definição, seguido da reprogramação do jogo, conforme mencionado e mostrado anteriormente, de
modo a obter-se uma aplicação final mais lúdica, atrativa e com usabilidade e jogabilidade
melhoradas.
Atualmente, os problemas mencionados acima foram contornados, de modo que temos uma
primeira versão estável do jogo para a mesa interativa já funcionando.
20
4.5. Extensão do jogo já finalizado para o Kinect
Devido aos problemas mencionados acima, houve um atraso no cronograma previsto, de
modo que somente o estudo do funcionamento do Kinect foi realizado neste trabalho. O
desenvolvimento da nova versão do jogo compatível com tal tecnologia ficará para a continuação
do trabalho (POC II), assim como testes de jogabilidade e usabilidade em ambos os ambientes.
Estuda-se a possibilidade de desenvolver-se um jogo completamente diferente para o Kinect
ou então nem desenvolvê-lo, caso não seja interessante para o trabalho. Caso tal opção seja
escolhida, os testes propostos para o POC II serão realizados somente com o jogo já existente.
21
5 CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS
Foi possível com este trabalho desenvolver um jogo educacional completo para mesa
interativa, além de um arcabouço de silabas que podem ser utilizadas em outros contextos.
Conforme mencionado anteriormente pretende-se, na continuação do trabalho (POC II),
realizar testes com crianças com o jogo desenvolvido, de forma a avaliar sua jogabilidade e
interatividade e possibilitar a correção de possíveis defeitos ou mesmo a ampliação do jogo.
Também pode ser desenvolvido o jogo para Kinect, desta forma, os testes descritos acima seriam
ampliados para o novo jogo, e comparações entre os resultados obtidos em ambos os testes seriam
realizadas.
Desta forma, acredita-se que sua proposta deste trabalho foi válida e concluída com sucesso,
mesmo com o desenvolvimento da nova versão compatível para o Kinect não ter sido concluída em
tempo hábil, devido aos problemas explicitados anteriormente.
22
BIBLIOGRAFIA
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2011.
2. REZENDE, F.: AS NOVAS TECNOLOGIAS NA PRÁTICA PEDAGÓGICA SOB A
PERSPECTIVA CONSTRUTIVISTA. Disponível em <http://www.portal.fae.ufmg.br/seer/
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3. VALENTE, J.: INFORMÁTICA NA EDUCAÇÃO: O Computador auxiliando o processo de
mudança na escola. Disponível em <http://www.nte-jgs.rct-sc.br/valente.htm>. Acessado em 02 de
set. de 2011.
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2011.
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2011.
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Acessado em 02 de set. de 2011.
9. KALTENBRUNNER, M.; BENCINA, R.: The Design and Evolution of Fiducials for the
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