Diseño e implementación de un juego matemático de disparos en 3d y análisis de los dispositivos interacción de 2d y 3D



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2010











AGRADECIMIENTO






Agradezco a Dios por darme la fuerza que cada día impulsa mi diario vivir, a mi familia por todo su apoyo incondicional. También a todas las personas que una de otra forma me ayudaron, sin ellos no hubiera sido posible llegar hasta este punto de mi carrera.

Iván Silva Feraud

A Dios, a los que están y a los que no están, a mis padres que han sido el soporte para poder culminar mi carrera universitaria, a mis hermanos que siempre se preocuparon por mí, a mis amigos por los buenos momentos, a mis profesores que me transmitieron su experiencia en el aula de clases, en especial al Dr. Sixto García por haber sido un guía en nuestra carrera universitaria.

Vanessa Echeverría Barzola








DEDICATORIA



Dedicamos este trabajo a Dios por ser nuestro guía.

A nuestros padres y familiares por darnos apoyo incondicional.

A los profesores que nos brindaron de su conocimiento a lo largo de nuestra vida universitaria.






TRIBUNAL DE SUSTENTACIÓN








Ph.D. Sixto García.




PROFESOR DE LA MATERIA DE GRADUACIÓN






MSc. Federico Raue.




DELEGADO DEL DECANO







DECLARACIÓN EXPRESA



“La responsabilidad del contenido de este informe de materia de graduación, me corresponde exclusivamente; y el patrimonio intelectual de la misma a la Escuela Superior Politécnica del Litoral”

(Reglamento de exámenes y títulos profesionales de la ESPOL)

____________________________

Vanessa Echeverría Barzola.

___________________________

Iván Silva Feraud.





RESUMEN



En el presente trabajo se desarrolló un juego educativo para reforzar el aprendizaje de las fracciones matemáticas. El juego se realizó con el objetivo de medir la interacción de los dispositivos de realidad virtual.

Para desarrollar este juego se revisaron los conceptos de la tecnología en la educación y las ventajas de utilizar herramientas tecnológicas al momento de reforzar el aprendizaje.

También, para el desarrollo del juego se analizaron diferentes tipos de aprendizaje y cual se ajusta al juego presentado. Las características de la realidad virtual fueron usadas y se hace referencia a la forma en que la realidad virtual ayuda en el área educativa.

Luego de revisar la teoría se definió la arquitectura del juego y que herramientas iban a ser utilizadas, se utilizaron herramientas de desarrollo como OpenSceneGraph para crear el ambiente virtual, SimpleDirectLayer para incorporar el sonido al ambiente y 3D Studio Max para crear los objetos en 3D.

Al final de la implementación del proyecto se procedió a realizar las pruebas con el usuario. Las pruebas que se realizaron fueron experimentales, el grupo con el que se trabajó era pequeño para poder sacar pruebas estadísticas. Para realizar las pruebas al juego se realizó un pequeño cuestionario en donde se pedía calificar la experiencia, en una escala del 1 al 5 de acuerdo a factores como la comodidad, la facilidad de uso, la diversión del juego y la exactitud y la mejor forma de interacción en un juego de disparos.

El análisis de resultados demostró que los dispositivos utilizados fueron los correctos, haciendo que la interacción sea natural en este tipo de juegos.


















ÍNDICE GENERAL



AGRADECIMIENTO 2

DEDICATORIA 3

TRIBUNAL DE SUSTENTACIÓN 4

DECLARACIÓN EXPRESA 5

5

RESUMEN 6



ÍNDICE GENERAL 8

ÍNDICE DE FIGURAS 12

INTRODUCCIÓN 14

1. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN 1

1.1. Antecedentes 1

1.2. Objetivos 3

1.3. Objetivo General 3

2. Objetivos Específicos 3

2.1. Justificación 4

2.2. Alcances y Restricciones 5

2.3. Limitaciones 7

2. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA 8

3.1. Tecnología en la educación 8

3.2. Enseñanza y Aprendizaje con las computadoras 9

4. Teorías de Aprendizaje 10

El paradigma constructivista 11

Aprendizaje por experiencia 12

Retroalimentación y Refuerzo del Aprendizaje 13

5. Aprendizaje con el computador 14

5.1. Juegos 15

6. Tipos de juegos 16

7. Juegos en primera persona 17

7.1. Realidad virtual 18

8. Características de la realidad virtual 19

Mundo Virtual 21

Retroalimentación sensorial 21

9. Sistemas de Realidad virtual 22

Realidad virtual de Escritorio 22

Realidad virtual Inmersiva 24

9.1. Realidad virtual en la educación 25

10. Aplicaciones Educativas de Realidad virtual 26

Educación Especial y habilidades adquiridas 26

Historia y Cultura 27

Ciencia y matemáticas 28

Biología y Ciencias de la Naturaleza 29

11. Aprendizaje con la Realidad virtual 30

12. Teorías pedagógicas que apoyan la realidad virtual 31

Por otro lado, el aprendizaje activo y contextual se enfoca directamente al aprendizaje por experiencia y se involucra dentro del desarrollo de sistemas de realidad virtual [49]. 31

3. ANÁLISIS DE REQUERIMIENTOS Y DISEÑO 32

13.1. Requerimientos funcionales 32

13.2. Requerimientos no Funcionales 34

13.3. Diseño del juego educativo 35

13.4. Arquitectura 35

Módulo de Entrada 37

Módulo del tracker 38

Módulo manejador de eventos 38

Módulo Detección de Colisión 39

Módulo de Visualización 39

Módulo de Calibración 40

Módulo de objetos 41

14. Flujo de datos del juego 42

15. Interfaz Gráfica 44

15.1. Herramientas de desarrollo 47

Las herramientas que han sido seleccionadas para el desarrollo del proyecto fueron elegidas por diferentes criterios como la experiencia en el manejo de la herramienta, la curva de aprendizaje de nuevas herramientas adoptadas y la facilidad de implementación. 47

16. Herramientas de Software 47

OpenSceneGraph 47

3D Studio Max 50

Simple DirectMedia Layer (SDL) 50

OSGExporter 51

Microsoft Visual C++ Express Edition 51

Polhemus SDK 52

5DT Data Glove SDK 52

17. Herramientas del Hardware 53

Polhemus Liberty 54

5DT Data Glove 55

Dell Precision Workstation 7400n 56

Proyector estereográfico 3D Depth BenQ 57

4. IMPLEMENTACIÓN 59

18.1. Configuración de los equipos 59

18.2. Tarjeta grafica 59

19. Tracker 60

20. Guante 61

21. OSG 62

22. SDL 62

22.1. Clases implementadas 62

23. Clase Archivo 63

24. Clase Pickhandler 64

25. Clase Tracker 65

26. Clase Simulator 65

27. Clase PhysicApp 66

27.1. Calibración 66

28. Calibración estática 67

29. Calibración de la pantalla 70

5. PRUEBAS Y ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS 73

30.1. Pruebas Objetivas 73

30.2. Pruebas subjetivas 76

CONCLUSIONES 80

RECOMENDACIONES 82

ANEXOS 84

ANEXO A.-Dispositivos de Realidad Virtual 85

Dispositivos de Visión 85

Gafas Estereoscópicas 85

Head Mounted Display (HMD) 86

Dispositivos Auditivos 87

Dispositivos Táctiles 88

Dispositivos de interacción 89

Guante Virtual 89

Tracker 3D 90

Immersa Desk 92

CAVE 93


ANEXO B.-Tabla de calibración 96

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 98





ÍNDICE DE FIGURAS




Figura 1.1 Representación de los herramientas a utilizar…………………..

Figura 2.1 Juego de FPS……………………………………………………….

Figura 2.2 realidad virtual de escritorio……………………………………….

Figura 2.3 Ejemplos de aplicaciones de realidad virtual……………………

Figura 3.1 Diseño del proyecto. ……………………………………………….

Figura 3.2 Diagrama de interacción de los módulos de procesamiento…..

Figura 3.3 Diagrama de interacción del módulo de calibración y tracker…

Figura 3.4 Representación en grafos de los datos de entrada……………..

Figura 3.5 Diagrama de interacción del juego………………………………..

Figura 3.6 Proyección de la pantalla principal del juego…………………….

Figura 3.7 Pantalla del juego……………………………..…………………….

Figura 3.8 Equipos utilizados en el desarrollo del juego……………………

Figura 3.9 Guantes 5DT Data Glove…………………………………………..

Figura 3.10 Dell Precision Workstation 7400n……………………………….

Figura 3.11 Proyector BenQ 3D……………………………..…………………

Figura 4.1 Ventana del Pi Manager …………………………………………..

Figura 4.2 Gestos utilizados para el reconocimiento de las acciones……..

Figura 4.3 Diagrama de clases……………………………..………………….

Figura 4.4 Obtención de datos para la calibración………………………….

Figura 4.5 Gráfica de Error vs. Distancia……………………………………..

Figura 4.6 Representación de las distancias medidas………………………

Figura 5.1 Distribución de letras en el teclado del juego. …………………..

Figura 5.2 Resultado las pruebas objetivas………………………………….

Figura 5.3 Resultado la encuesta en donde se evaluaba la comodidad de los dispositivos……………………………..………………..…………………..

Figura 5.4 Resultado la encuesta en donde se evaluaba la dificultad de uso de los dispositivos. ………………..………………..……………………...

Figura 5.5 Resultado la encuesta en donde se evaluaba la diversión del juego. ………………..………………..………………..………………………...

Figura 5.6 Resultado la encuesta en donde se evaluaba la exactitud de los dispositivos………………..………………..………………..………………

Figura 5.7 Resultado la encuesta en donde se evaluaba la preferencia de dispositivos en el juego.………………..………………..……………………...

Figura A.1. Gafas estereoscópicas………………..………………..…………

Figura A.2. Head Mounted Display………………..…………………………..

Figura A.3. Dispositivos Táctiles………………..………………..……………

Figura A.4. Guante Virtual………………..………………..………………..….

Figura A.5. Tracker electromagnético Polhemus……………………………

Figura A.6 Immersa Desk………………..………………..…………………...

Figura A.7 Un CAVE en realidad virtual permite al usuario moverse naturalmente.………………..………………..………………..………………...

Figura A.8 Cave………………..………………..………………..…………….



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INTRODUCCIÓN


Actualmente, los métodos que se utilizan para reforzar el aprendizaje son poco interactivos en el aula de clase.  El tutor transmite los conocimientos hacia los alumnos usando herramientas tradicionales como pizarras, presentaciones y libros. El alumno no participa de una manera directa y los objetivos de la enseñanza no se llegan a cumplir a cabalidad. La metodología tradicional, o también llamada “interacción del tutor – pizarra”, hace que los alumnos no se involucren activamente en el proceso de aprendizaje [25].

Por otro lado, el inicio de la metodología moderna ha dado cabida a nuevos métodos de enseñanza. Ahora la interacción no solo se realiza en una sola vía con un solo recurso. La interacción tutor – computador – alumno permite hacer interactiva la manera de aprender involucrando al alumno con recursos multimedia como videos, imágenes y sonidos para cautivar la atención y motivación.

La utilización de esta metodología es un gran paso dado por los docentes, porque en nuestros días el computador forma parte de nuestras tareas cotidianas.

A pesar de que se ha tratado de mejorar esta metodología tradicional con la metodología moderna. Todavía, no se logra cumplir el objetivo del aprendizaje, el cual consiste en la persistencia del conocimiento en los alumnos.

La realidad virtual es un recurso didáctico que ayuda a mejorar la enseñanza de modo interactivo, pudiéndose adaptar a cualquier campo de aprendizaje.

Hay diferentes maneras de ver cómo la realidad virtual puede ayudar en la enseñanza. Uno de los puntos principales es la visualización de conceptos abstractos por parte del estudiante. Antes, el tutor usaba la pizarra para explicar los conceptos, ahora los conceptos no solo son mostrados como una teoría. También, se puede interactuar con objetos del entorno para poder entender con mayor precisión lo que se quiere enseñar.

Otro punto que ayuda la realidad virtual es a observar eventos que han pasado o que se encuentran sucediendo en otro punto geográfico. La creación de ambientes virtuales se utiliza para recordar hechos históricos, el estudio del sistema planetario o incluso el estudio de la interacción de los átomos. Los alumnos son capaces de interactuar realizando diferentes actividades y estando activamente inmersos.

El principal objetivo de la realidad virtual en la enseñanza es ofrecer un medio eficaz para mejorar las habilidades de los estudiantes como la estrategia para resolver un problema, o la rapidez para responder frente a un problema.
CAPÍTULO 1

  1. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN



    1. Antecedentes


Los docentes expresan que las matemáticas suelen ser poco interesantes, si no se las incentiva con el material correcto [2]. Por otro lado, Ricardo Hernández Patiño [1], observó que socialmente se ha estereotipado a las matemáticas como la materia más difícil del currículo escolar.

Bajo estas conclusiones demostradas, las matemáticas se categorizan desde la primaria como una materia difícil, obligando a los estudiantes a memorizar fórmulas, teorías, etc.

Las tecnologías de la información y la comunicación están siendo utilizadas, desde hace varios años en el ámbito educacional. La introducción de nuevas alternativas para reforzar los conocimientos aprendidos en clase ha tomado mucho auge en nuestro entorno. Las animaciones interactivas, videos, actividades con un programa educativo son algunos ejemplos de lo que se utiliza para el refuerzo de la enseñanza.

Los juegos educativos han creado nuevas expectativas para completar el ciclo de aprendizaje en los alumnos, auxiliando en la enseñanza y también en el aprendizaje [2]. Existe un sin número de juegos educativos en el internet que han sido creados con el fin de mejorar el aprendizaje en las aulas, aunque muchas veces estos recursos no son bien utilizados porque no saben de su existencia o carecen de información para adaptarlos al material de ayuda pedagógica.

La versatilidad que ofrece la informática ayuda a la enseñanza de cualquier disciplina científica, especialmente en aquellas en las que en condiciones normales se dificulta la visualización de los procesos estudiados. Gracias a los programas de simulación, los alumnos pueden no sólo ver sino también interactuar con estos modelos abstractos [3].

La realidad virtual es una tecnología que en las últimas décadas ha sido utilizada por centros y empresas para mejorar las capacidades cognitivas de los usuarios. La atención de las personas es capturada por su característica multisensorial, esto significa que se usan varios sentidos como el tacto, la vista y la audición.

Al utilizar varios sentidos podemos aseverar que esta tecnología es inmersiva, permitiendo que la persona se enfoque completamente en las actividades que se muestran en el mundo virtual captando totalmente su atención, lo que facilitaría la enseñanza de cualquier tema [4].

Uniendo las ideas explicadas, el resultado del proyecto es crear un juego educativo que permita a los alumnos de educación básica ayudar a reforzar su aprendizaje. De esta manera, el estudiante estará dentro de un escenario virtual, en el cual él usará los dispositivos para la manipulación de objetos en 3D.



    1. Objetivos

    2. Objetivo General


Desarrollar la base de un juego educativo basado en realidad virtual que permita a los estudiantes del noveno año de educación básica suplementar el aprendizaje del estudio de las fracciones simples y analizar la interacción con los dispositivos normales y dispositivos de realidad virtual.
  1. Objetivos Específicos


  • Mostrar y explicar de la tecnología de la realidad virtual y su uso para fines educativos.

  • Demostrar la eficiencia de interacción entre un juego educativo de disparos en 2D y 3D.

  • Analizar y evaluar la interacción de los dispositivos de realidad virtual con los dispositivos normales para verificar la usabilidad de los juegos de disparos en 3D.

  • Contribuir al desarrollo de nuevas aplicaciones en realidad virtual para extender su difusión en el medio educativo.



    1. Justificación


Para los estudiantes resulta más entretenido y divertido aprender con videos, sonidos, imágenes que simplemente escuchar la materia en un aula [6]. Se necesita incentivar al estudiante, buscando reforzar su aprendizaje, utilizando herramientas tales como los juegos educativos que resultan atractivos para todo tipo de estudiantes, puesto que se incentiva al estudiante a resolver tareas con algún tipo de estrategia [5].

En la actualidad hay un crecimiento en el interés para desarrollar juegos que involucren el uso de la realidad virtual con propósitos educativos. La realidad virtual en la educación es un campo que le falta mucho por explorar, pero los beneficios que aporta esta nueva tecnología dan paso a querer investigar y desarrollar aplicaciones que puedan aportar a la mejora de la educación básica.

La realidad virtual cuenta con una ventaja muy importante a la hora de desarrollar aplicaciones, la interactividad hace que la manera en que se ejecuten las acciones sea de forma natural y transparente. Al unir la realidad virtual con la educación se está abriendo nuevas posibilidades a los alumnos de poder tener una nueva herramienta de aprendizaje que les ayude a que su conocimiento perdure por más tiempo [3] [4].

    1. Alcances y Restricciones


En este proyecto se implementará un juego educativo para el aprendizaje de fracciones simples basado en realidad virtual, en donde el modo de interacción del usuario con el mundo virtual se realizará mediante el reconocimiento de gestos de la mano y la posición de la misma utilizando un guante con sensores.

El juego consiste en pinchar globos ordenándolos de la mayor a la menor fracción. Cada globo tendrá en su interior grabado la fracción con su gráfico representativo. Los ejercicios de las fracciones irán aumentando en dificultad del primer nivel al último nivel.

La evaluación se verá representada por un puntaje y un tiempo para realizar la tarea. Por cada acierto se sumarán 10 puntos, y por cada desacierto se restarán 10 puntos. Cada vez que se pase del nivel, cuando se hayan pinchado los tres globos que se muestran en la pantalla, se darán puntos de bonificación. La rapidez con la que se resuelven las fracciones será medida con el tiempo.

Para interactuar con el juego el usuario tendrá puestas las gafas estereoscópicas, el guante virtual y el tracker ubicado en la cara interna de la palma de la mano. Los datos que envíe al momento de mover la mano y realizar los gestos con el guante serán leídos por una computadora que cuenta con programas especializados para interpretar estos datos como OpenSceneGraph, SimpleDirectPlayer. Luego de haber procesado los datos de entrada, la salida se verá por proyector 3D, y en conjunto a las gafas se verá la proyección en 3D. (Figura 1.1).





Figura 1.1 Representación de los herramientas a utilizar.
Las pruebas que se realizarán en este trabajo se enfocarán en la interacción del usuario con el juego. Se evaluarán características como la precisión, la dificultad de uso, la comodidad usando el mouse y el guante con el sensor.



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