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-