propuesta de arquitectura para la generación interactiva de

XVI CONGRESO INTERNACIONAL
DE INGENIERÍA GRÁFICA
PROPUESTA DE ARQUITECTURA PARA LA GENERACIÓN
INTERACTIVA DE ENTORNOS COLABORATIVOS DE
REALIDAD VIRTUAL PARA EL CAMPUS VIRTUAL DEL G9
RUBIO GARCÍA, Ramón, SUAREZ QUIRÓS, Javier; GALLEGO SANTOS, Ramón;
MARTÍN GONZÁLEZ, Santiago
Universidad de Oviedo, España
Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial. Area de Expresión Gráfica en la Ingeniería
Correo electrónico: [email protected]
RESUMEN
El adiestramiento en la percepción espacial es una necesidad incontestable en el ámbito
formativo del futuro técnico. Hasta ahora, el aprendizaje se llevaba a cabo recurriendo al
estudio de los Sistemas de Representación, forzando obligatoriamente su desarrollo al plano
bidimensional. Las Nuevas Tecnologías permiten acometer el entrenamiento de esta capacidad
mediante el empleo de Entornos de Realidad Virtual Tridimensionales que realzan la sensación
de inmersividad en el espacio real, consiguiendo así una mayor eficacia en el aprendizaje.
En este trabajo se ponen las bases necesarias para la construcción de un Entorno Interactivo de
creación de tales escenarios que facilite al docente su tarea su diseño y gestión, manteniendo
los objetivos perseguidos por estas herramientas. Las elevadas capacidades de integración
mostradas por las distintas plataformas que sustentan los Campus Virtuales de la Universidades
del G9, unidas a la flexibilidad de sus interfaces nativos, hacen de estos entornos un ámbito de
actuación muy apropiado para la implementación de la arquitectura propuesta.
Palabras clave: realidad virtual, VRML, aprendizaje colaborativo, e-learning.
ABSTRACT
New Technologies, based on Virtual Reality, allow more effective 3D-spatial abilities training
than traditional procedures because of its immersive interface. To reinforce this idea, an easy
Interactive 3D Worlds Builder is presented, in order to decrease staff duties, thanks to the
integration capabilities and interfaces flexibility showed by Virtual Campus of G9 Universities.
Key words: Virtual Reality, VRML, Collaborative Learning, e-learning
1. Introducción
La habilidad de poder recrear la imagen de un objeto y poder manipularlo
mentalmente tiene una significativa aplicación práctica en campos como la
matemática, física, arquitectura o ingeniería [1]. Esta capacidad, conocida con el
nombre de Percepción Espacial, es la más importante de todas aquellas que un
individuo debe poseer para el ejercicio de la ingeniería, en opinión de Mohler [2].
Aunque el debate sobre la cuestión sigue abierto, las habilidades que esta capacidad
engloba son las siguientes [3]:
1. Reconocimiento de un objeto tridimensional desde ángulos diferentes.
2. Percepción de la estructura interna de una configuración espacial dada.
3. Determinación de las relaciones espaciales entre el entorno y el individuo
(orientación)
Tradicionalmente, en el ámbito de la ingeniería se han empleado numerosos
métodos tanto para incrementar la percepción espacial de los alumnos de carreras
técnicas como para valorar sus posibles variaciones en el proceso de aprendizaje,
recurriendo para ello a la confección de pruebas tipo test [4], modelos geométricos
realizados en CAD 2D y 3D [5] así como animaciones tridimensionales y videojuegos
[6]. La aparición de los computadores y los soportes informáticos aumentó las
posibilidades de creación y difusión de nuevos esquemas cognitivos orientados a la
mejora de esta habilidad [2].
En un primer momento, las tecnologías multimedia interactivas, que permiten la
integración de texto, audio y gráficos con posibilidad de intervención del usuario,
permitieron un avance sustancial en el desarrollo de nuevos procedimientos, al
verificar la máxima expuesta por Wolfgram [7] en 1994: “La gente sólo recuerda el
15% de lo que oye y el 25% de lo que ve, pero recuerda el 60% de aquello con lo que
interactúa”. En la actualidad, la Realidad Virtual permite al usuario una expansión del
mundo real jamás imaginable hasta la fecha, posibilitando el diseño de herramientas
dotadas de una efectividad mucho mayor [8], ya que esta tecnología no sólo permite
una interacción dinámica e inmediata, sino la sensación de “inmersividad” en un
espacio tridimensional cuasi-real donde es posible crear una realidad paralela adaptada
a las necesidades impuestas por el proceso cognitivo a desarrollar. De ese modo, es
posible potenciar de forma extraordinaria el adiestramiento en todos aquellos
conceptos del mundo de la ingeniería donde el posicionamiento y la orientación tienen
un carácter relevante.
La impartición por parte de los ponentes de la asignatura virtual “Gráficos por
Computador”, adscrita al Campus Virtual Compartido de las universidades del grupo
G9 [9], ha originado la necesidad de contar con herramientas que faciliten una
homogeneización de las habilidades espaciales necesarias para comprender los
principios geométricos que sustentan la generación computarizada de gráficos, debido
a la dispar procedencia de nuestros alumnos, procedentes de estudios y niveles
formativos distintos. La solución propuesta consiste en el diseño e implementación de
una plataforma para la generación de entornos virtuales orientados al adiestramiento
de la percepción espacial en un ámbito colaborativo, permitiendo la interacción entre
los usuarios dentro del sistema, y facilitando al docente las tareas de creación y
gestión de los entornos mediante interfaces sencillos y amigables. En este trabajo se
abunda en la problemática de partida y se describe la arquitectura propuesta para la
plataforma, así como la metodología a seguir para su empleo.
2. Motivación
El Área de Expresión Gráfica en la Ingeniería de la E.U.I.T.I. de Gijón
(Universidad de Oviedo), imparte la asignatura cuatrimestral “Gráficos por
Computador” (6 créditos) en el Campus Virtual de la Universidad de Oviedo
(AulaNet), y que también forma parte de la oferta docente del Campus Virtual
Compartido, una iniciativa puesta en marcha en 2000 por el grupo G9 de
Universidades, y que permite a los alumnos de las mismas cursar dichas asignaturas
de forma no presencial como estudios de Libre Configuración. Los objetivos que se
pretenden conseguir con su impartición son los siguientes:
1. Abordar el estudio de los principios matemáticos, geométricos y físicos
que fundamentan la generación de gráficos en un computador.
2. Conocer las técnicas que hacen posible la visualización gráfica, haciendo
especial hincapié en los algoritmos que las respaldan.
3. Adiestrar a los alumnos en el empleo de las librerías gráficas más
comunes, incidiendo en sus especificaciones más relevantes, mediante la
elaboración de sencillas aplicaciones que pongan de manifiesto los
conceptos teóricos expuestos.
La metodología empleada viene marcada por su carácter no presencial, con la
consiguiente ruptura de las barreras espacio-temporales habituales en el proceso de
enseñanza-aprendizaje tradicional, así como por un cambio en el rol de profesor,
adquiriendo funciones de tutor. La plataforma que sustenta el Campus Virtual de la
Universidad de Oviedo (WebCT) ofrece herramientas para fomentar la interacción
entre alumnos y profesores (e-mail, foros de debate, videoconferencia, pizarras
compartidas), así como utilidades para el seguimiento y evaluación de los estudiantes,
posibilitando incluso la realización de pruebas objetivas on-line. Los contenidos se
organizan en torno a manuales digitales confeccionados mediante técnicas multimedia
tradicionales, integrando hipertexto, gráficos, audio y vídeo.
Es de reseñar el carácter transversal de la asignatura, como corresponde al espíritu
de los estudios de Libre Configuración, al fundamentarse en el aprendizaje de unos
principios científicos procedentes de áreas de conocimiento diversas y con carácter
basal. Además, la tecnología de generación de gráficos computarizados presenta hoy
en día un ámbito de aplicaciones muy extenso, abarcando un gran número de
disciplinas, lo que potencia el atractivo académico de la asignatura. Este fenómeno
potencia la matriculación de alumnos con procedencias muy diversos, como refleja la
figura 1, donde se representa la distribución de los alumnos de “Gráficos por
Computador” en función de los estudios realizados en los dos últimos cursos
académicos. Se aprecia una fuerte polarización entre los alumnos procedentes de
ingeniería industrial e informática (ciclo medio y superior) frente al resto.
70
60
50
40
Inge nie ría Indus trial
30
Inform ática
20
Otros
10
0
2002-2003
2003-2004
Figura 1. Distribución de los alumnos de GPC en función de su carrera de
procedencia
Problemática surgida
Después de dos años de docencia de la asignatura, se ha observado que un grupo
numeroso de alumnos presenta problemas importantes de comprensión en aquellos
conceptos geométricos claramente relacionados con la percepción espacial. La
detección de estas anomalías se ha llevado a cabo gracias a la comunicación
establecida directamente a través de las tutorías electrónicas, y observando el escaso
rendimiento alcanzado en aquellas prácticas o cuestiones donde el conocimiento de
tales nociones resultaba fundamental.
En concreto, los conceptos cuya comprensión resultó más dificultosa se pueden
agrupar en dos grandes conjuntos:
•
El concepto de Proyección (figura 2), indispensable para el conocimiento
de la transformación perspectiva, debido a su incapacidad para identificar
correctamente los elementos que intervienen en la misma y las
correlaciones que se establecen entre las figuras origen e imagen.
Figura 2. Concepto de Proyección
•
El conjunto de transformaciones que permiten representar en un
periférico de salida la geometría dispuesta en una escena desde un
determinado punto de vista se conoce como Pipeline Gráfico (figura 3).
Se trata de una operación algebraica con fuerte significado geométrico, al
tratarse de una sucesión ordenada de cambios de coordenadas de
referencia, que provoca malentendidos entre los alumnos de la asignatura
debido a las dificultades que entraña la adopción de diferentes puntos de
vista para apreciar una misma realidad.
Figura 3. Representación esquemática del Pipeline Gráfico
Las razones que explican la aparición de esta problemática son las siguientes:
•
Ausencia de un adiestramiento previo. El perfil de ingeniería informática
carece de esta formación en la troncalidad de sus estudios, mientras que
en la ingeniería industrial, aunque la incluye, se observa con
preocupación cómo la carencia formativa de ciclos anteriores tiene su
reflejo.
•
El material gráfico multimedia empleado en la asignatura está constituido
en su mayor parte por proyecciones planas estáticas de objetos
tridimensionales, de forma que no es sencillo percibir con claridad la
naturaleza real de estos objetos y su ubicación en el espacio para los
sujetos no iniciados.
•
La interactividad que presenta este material multimedia es nula, lo que
imposibilita una manipulación por parte del usuario que facilite el
proceso cognitivo de la percepción, por ejemplo, permitiendo la elección
de puntos de vista distintos sobre la geometría representada.
En definitiva, el diagnóstico dictamina la ausencia de experiencias inmersivas
tridimensionales interactivas que ayuden a mejorar la comprensión de los conceptos
descritos. Ante esta situación, se impone la búsqueda de herramientas que permitan
satisfacer estas necesidades dentro del entorno Web sobre el que se desarrolla la
asignatura.
3. Los Entornos Colaborativos de Realidad Virtual
Desde su advenimiento, la Realidad Virtual prometió revolucionar la forma en la
que los humanos interactuamos con los computadores, abriendo un mundo nuevo de
posibilidades de comunicación y de compartición de información entre sujetos [10]. El
último exponente en esta conquista emprendida hace más de veinte años son los
entornos CVE (Collaborative Virtual Environments, Entornos Virtuales
Colaborativos), lugares sintéticos, generalmente de carácter tridimensional, pensados
para la acción y la interacción, donde los usuarios pueden relacionarse entre sí o con
otros agentes pertenecientes al mundo virtual, y a los que se accede desde sencillos
interfaces gráficos creados para la Web o a través de sofisticados periféricos como los
cascos VR o los datagloves [11].
Los campos de aplicación de los entornos CVE son incontables. La simulación de
complejos procesos industriales, el adiestramiento del personal en tareas
comprometidas sin riesgo alguno o el ocio, se benefician de las ventajas de esta
tecnología. También la educación se ve favorecida. De forma sucinta, se describen las
razones que avalan esta hipótesis:
•
Numerosos trabajos certifican las bondades del aprendizaje colaborativo
como catalizador en el desarrollo de competencias tales como la
argumentación o el contraste de ideas, frente a un modelo de aprendizaje
basado sólo en la transmisión de conocimientos.
•
Los nuevos recursos tecnológicos empleados en los entornos CVE
propician la aparición de nuevos esquemas para abordar el proceso de
aprendizaje, al facilitar el desarrollo de nuevos modelos cognitivos
basados en métodos innovadores de acceso y representación de la
información. En el ámbito de la percepción espacial, la posibilidad de
mantener una experiencia inmersiva cuasi real multiplica por un factor
significativo la eficacia de este método frente a los convencionales.
•
Los entornos CVE pueden recrean escenarios sintéticos especialmente
diseñados para la metáfora conceptual o la potenciación de aspectos
metodológicos concretos, dictando para los mismos códigos de conducta y
comportamiento sin reflejo en el mundo real. Además, su carácter
multisensorial, extendiéndose la emulación a sentidos como el tacto,
refuerza el proceso de aprendizaje de una forma consistente.
4. Solución propuesta
Dada la facilidad de integración que presentan los entornos CVE en el ámbito de
las técnicas multimedia convencionales empleadas en la Web, así como las mejoras
evidentes que pueden acarrear en el proceso docente, el Area de Expresión Gráfica de
la E.U.I.T.I. de Gijón ha acometido el diseño e implementación de un Entorno Virtual
Colaborativo orientado al afianzamiento de la percepción espacial con vistas a su
integración en la asignatura “Gráficos por Computador”. El diagrama funcional de la
aplicación, personalizado para cada usuario, se muestra en la figura 4.
El usuario, definido tanto en términos de percepción sensorial (vista, oído, tacto)
como respecto a las acciones que puede llevar a cabo sobre el entorno, recibe
información del sistema y genera respuestas que interactúan con el mundo sintético a
través del interface directo, es decir, el conjunto de periféricos que el usuario tendrá a
su disposición para experimentar y controlar el mundo sintético. Debido al coste que
supone el empleo de periféricos de altas prestaciones inmersivas (como los cascos VR
o los dataglobes), se ha preferido emplear en una primera fase un sencillo interface
gráfico con capacidades de navegación tridimensional.
El motor de procesamiento de información genera un comportamiento y una
visualización adecuados en función de los eventos de entrada causados por la acción
del usuario y el propio comportamiento predefinido del medio sintético, optimizado en
este caso para maximizar la eficacia del aprendizaje. En general, el escenario virtual
propondrá actividades encaminadas al desarrollo de las habilidades espaciales
(visualización de piezas, elección de puntos de vista, juegos de construcción
tridimensional). La creación y gestión posterior de este entorno será llevada a cabo por
el docente a través de sencillos interfaces gráficos y formularios. Obviamente, el
entorno CVE no funciona aisladamente, sino que se integra con el resto de utilidades
de la asignatura.
CREACION y GESTION
MOTOR DE PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN
ENTORNO DE
APLICACIÓN
SALIDA
ENTRADA
INTERFACE DIRECTO
USUARIO
Figura 4: Diagrama Funcional de la aplicación CVE
Para implementar la funcionalidad gráfica del CVE se ha recurrido al empleo de
VRML (Virtual Reality Modeling Language), un lenguaje de script para la descripción
de escenas tridimensionales elevado a la categoría de estándar [12], que permite la
creación de escenarios interactivos en base a una estructura arborescente conocida
como grafo. Cada nodo de esta arquitectura define la geometría, aspecto y
comportamiento de cada objeto (figura 5). Las razones que han llevado a su elección
son las siguientes:
•
Independencia de la plataforma y/o sistema operativo elegido. La
integración de la escena VRML con el navegador se lleva a cabo a través
de programas auxiliares denominados plug-ins.
•
Al tratarse de un lenguaje de script, la creación y gestión posterior de las
escenas resulta sencilla (al ser editable en modo texto) y económica, ya
que las necesidades de ancho de banda que exige la interacción son muy
reducidas.
•
VRML es una tecnología de dominio público, no sometida a las
arbitrariedades de las grandes multinacionales del sector.
•
Presenta una elevada extensibilidad, conseguida mediante lenguajes
auxiliares como Java o PHP, que permiten la creación de nuevos tipos de
nodos o la inclusión de soporte multiusuario, característica no
contemplada en la especificación inicial [13]
Figura 5. Grafo de una escena modelada con VRML
Arquitectura de la aplicación CVE
Se trata de un entorno clientes/servidor construido con tecnología OpenSource,
empleando Apache (http://www.apache.org) como servidor Web, MySQL
(http://www.mysql.org) como motor de base de datos y PHP (http://www.php.net)
como lenguaje de script ejecutado en el servidor, lo que permite generar en tiempo
real una respuesta (una variación en el escenario virtual) ante los eventos de entrada
ocasionados por el cliente. La figura 6 muestra el diagrama de conjunto.
CLIENTE 1
SERVIDOR
Base de Datos
Gestión
Escenas
Objetos
Comportamientos
Script PHP
Protocolo HTTP
Escena 3D
Interface de
Usuario
Gestión de
consultas a BD
CLIENTE 2
Gestión de
Usuarios y
Conexiones
Generación código
VRML/X3D
Protocolo HTTP
Escena 3D
Interface de
Usuario
GESTOR
Interface de Creación de
Entornos Virtuales
Figura 6. Arquitectura de la aplicación CVE
Para el almacenamiento de la información asociada al entorno (posición, estado y
apariencia de cada agente, usuarios conectados, etc.), es necesario contar con el
respaldo de una base de datos. PHP permite llevar a cabo la consulta ante la petición
del usuario y traducir la respuesta a código VRML, lo que modifica la visualización de
los clientes, y que se transmite a los mismos mediante protocolo TCP/IP. Se hace de
nuevo especial hincapié en las utilidades de las que dispone el docente para crear y
gestionar tanto los agentes que componen el entorno como los usuarios que tienen
acceso al mismo. Estos procedimientos se basan en aplicaciones VRML secundarias o
formularios HTML con la mira puesta en la máxima sencillez de empleo, de modo que
estas herramientas puedan ser empleadas por docentes cuyo contacto con las Nuevas
Tecnologías sea aún reducido.
Implementación de la aplicación CVE
El diseño y puesta en marcha de la aplicación descrita se realizará en tres fases:
1. Adopción de un protocolo CVE, es decir, un esquema de comunicación
entre los usuarios que acceden de forma concurrente al entorno que regule
el estado y la prioridad de cada agente, la corrección de errores de
transmisión, y que preserve la consistencia entre la información que
alberga el servidor y la que visualizan los clientes. En la actualidad
existen numerosas propuestas [14].
2. Implementación de la arquitectura cliente-servidor propuesta, recurriendo
a extensiones de VRML que permitan su integración con lenguajes de
script tales como PHP para conseguir un comportamiento dinámico de la
escena. El estándar propuesto denominado EAI (External Authoring
Inteface) [15] es el más versátil de los utilizados hasta el momento.
3. Creación de interfaces amigables para la creación y gestión del CVE
mediante VRML y HTML.
5. Consideraciones Finales
Las nuevas tecnologías de Realidad Virtual aplicadas a la docencia permiten la
elaboración de herramientas más eficaces para el adiestramiento de la percepción
espacial, sacando ventaja de la participación en un entorno colaborativo y
minimizando el esfuerzo de creación y gestión por parte de los docentes. El empleo de
tecnologías OpenSource sin recurrir a dispositivos sofisticados reduce notablemente la
inversión a realizar, por lo que el ratio eficacia-coste se eleva significativamente.
Referencias
[1] MOHLER, James L. Using Interactive Multimedia Technologies to Improve
Student Understanding of Spatially-dependent Engineering concepts Actas del
International Graphicon Conference on Computer Geometry and Graphics, Nyzhny
Novgorod, Rusia, 2001
[2] ROBICHAUX, Rebecca R. Predictors of Spatial Visualization: Structural
Equations Modeling Test of Background Variables. Journal of Integrative Psychology,
2(3), 2002
[3] EISENBERG, Ann N. An Educational Program for Paper Sculpture: a Case
Study in the Design of Software to Enhace Children´s Spatial Cognition. Tesis
Doctoral. Universidad de Colorado (EE.UU.).
[4] NEWLIN, C. V. The Total Concept of Graphics and Design in the
Engineering Curriculum. Engineering Design Graphics Journal, 43(2), pp. 21-22,
1979.
[5] MACK, W. E. Computer.aided Design Training and spatial visualization
ability in gifted adolescents. Journal of Technologies Studies, 21(2), pp. 57-53, 1995.
[6] WIEBE, E. Visualization of Three-dimensional Form: A Discussion of
Theoretical Models of Internal Representation. Engineering Design Graphics Journal,
57(1), pp. 18-28, 1993.
[7] WOLFGRAM, D. E. Creating Multimedia Presentations. McMillan
Computers Pub, 1994
[8] McLellan, H. Cognitive Issues in Virtual Reality. Journal of Visual Literacy,
18(2), pp. 175-199, 1998.
[9] SUAREZ QUIROS, J.; GARCÍA DÍAZ, R. P.; ALVAREZ PEÑÍN, P. I.;
GALLEGO SANTOS, R. Nuevas Tecnologías en la Enseñanza Virtual a través de la
Red: Gráficos por Computador en el Campus Virtual de AulaNET. Actas XIV
Congreso Internacional de Ingeniería Gráfica (Santander), 2002.
[10] CHURCHILL, E. F.; SNOWDON, D. N.; MUNRO, A. J. Collaborative
Virtual Environments: Digital Places and Spaces for Interaction. Springer Verlag,
2001
[11] SUAREZ QUIROS, J. Gráficos por Computador. ISBN: 84-688-1648-5
Universidad de Oviedo, 2003
[12] SUAREZ QUIROS, J.; GARCÍA DÍAZ, R. P. Un Standard Gráfico para
Internet: el Lenguaje VRML. Actas IX Congreso Internacional de Ingeniería Gráfica
(Bilbao), 1997.
[13] Especificación VRML (http://www.web3d.org/technicalinfo/specifications/)
[14] DIEHL, S. Distributed Virtual Worlds. Springer Verlag, 2001
[15]
Especificación
eai/ExternalInterface.html)
EAI
(http://www.web3d.org/WorkingGroups/vrml-