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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Realidad virtual Inmersiva


La realidad virtual inmersiva ofrece una visión estereoscópica, que consiste en crear dos diferentes imágenes del ambiente, una para cada ojo con una distancia de separación equivalente a la distancia de separación de los ojos.

Hay varias formas de presentar este tipo de realidad virtual: las gafas LCD con un disparador infrarrojo incorporado y el HMD. Para navegar dentro del mundo virtual se utiliza los dispositivos de entrada como vimos en el apartado anterior.

Uno de los grandes problemas que tienen los dispositivos de entrada es el retardo que produce al sensar el movimiento, el tiempo requerido para tomar los puntos en el espacio real y procesarlos, antes que esta información llegue al ambiente virtual. Además, existen trajes especiales con sensores incluidos pero que también resultan incómodos y restrictivos a la hora de la interacción [25].

Todas estas vías de interacción están siendo reemplazadas por nuevas tecnologías de interacción para tratar de eliminar estos medios restrictivos y comunicarse por medio de mecanismos naturales de interacción humana como lo son los gestos y la voz, incluyendo interfaces naturales para el usuario.



    1. Realidad virtual en la educación


La realidad virtual en el área educativa representa un gran desafío para las personas especializadas en desarrollar aplicaciones de este tipo. Los estudiantes y los profesores son los actores involucrados en este nuevo recurso de aprendizaje.

Muchas veces los profesores que tienen mayor experiencia en la enseñanza se les dificultan aprender a usar nuevas herramientas informáticas, contrario a los estudiantes, que nacen en la era de la tecnología e informática, capaces de adaptarse a cualquier cambio tecnológico.


  1. Aplicaciones Educativas de Realidad virtual


Existen una variedad de aplicaciones de realidad virtual de diferentes tipos, a continuación presentamos algunos ejemplos de aplicaciones relacionadas por temas educativos, además, de presentar el soporte pedagógico de cada una de ellas [9].

Educación Especial y habilidades adquiridas


Con el uso de ambientes virtuales, los niños con problemas de aprendizaje podrán acceder a aéreas del mundo real que nunca han experimentado [40].

Las personas que tengan alguna discapacidad física pueden hacer el uso de simuladores que les permita recrear las actividades como si fuera el mundo real, teniendo la sensación de movimiento dentro del ambiente virtual. Por ejemplo, una persona en sillas de ruedas puede ser entrenada dentro de un mundo virtual antes de ser puesta en el mundo real.

Además, no solo sirve para las personas con discapacidades, sino también para las personas que deseen alguna clase de entrenamiento. La universidad de Carnegie Mellon ha desarrollado la Bicicleta Virtual, en donde la persona puede encontrar varios escenarios reales y así adquirir la habilidad necesaria para poder superar todas las pruebas que el ambiente le muestre [12].

Historia y Cultura


Para explorar eventos pasados y otras culturas se han desarrollado ambientes virtuales colaborativos, el cual permite que los estudiantes desarrollen sus facultades de colaboración entre compañeros  motivando la participación activa de los alumnos, lo que ayuda a la formación de su carácter.

La Universidad de Sheffield Hallam en Inglaterra ha desarrollado una aplicación de escritorio en realidad virtual para aprender Grecia Antigua [12].

En la actualidad también se están construyendo museos interactivos que incluyen realidad virtual como los paseos guiados dentro de un ambiente virtual.

La realidad virtual permite a los invitados del museo viajar años atrás donde las grandes civilizaciones no existían, además, de “vivir” eventos que ocurrieron miles de años atrás [28].



Ciencia y matemáticas


La realidad virtual es utilizada en la química, especialmente en la visualización de las cadenas de ADN. Los modelos tridimensionales ayudan al entendimiento las formas y propiedades de moléculas complejas.

También, se ha abierto al campo de la física, en donde se puede experimentar con leyes físicas, como por ejemplo el efecto de aplicar la ley de la gravedad en un objeto, las leyes de Newton, las leyes de movimiento y la conservación de la energía, etc.

La Universidad George Mason en conjunto con la Universidad de Houston y el Centro Espacial Johnson de la Nasa han desarrollado el proyecto ScienceSpace, que crea mundos virtuales para el aprendizaje de conceptos complejos y abstractos. NewtonWorld, MaxwellWorld y PaulingWorld (figura 2.3) son tres mundos virtuales que ayudan a la enseñanza de este tipo de conceptos [29].

Otra área en la que se puede utilizar la realidad virtual es en la enseñanza de ecuaciones algebraicas, en donde el estudiante se convierte parte de una ecuación, poniendo piezas de la ecuación para resolver problemas matemáticos [10].





Figura 2.3 Ejemplos de aplicaciones de realidad virtual

Biología y Ciencias de la Naturaleza


El Instituto de Tecnología de Georgia y el Centro de Visualización Gráfica han desarrollado una Exhibición virtual Gorilla que permite al visitante explorar a un gorila dentro de su hábitat, su comportamiento y su interacción social [12].

En esta categoría también se han desarrollado proyectos que enseñan los ecosistemas naturales, en el cual los estudiantes interactúan con el ambiente virtual formando ecosistemas con sus respectivos procesos biológicos, físicos y químicos [10].

Temas como el ciclo de vida de las plantas y animales en biología, el agua y su ciclo, los volcanes y el movimiento de las placas tectónicas se enseñan con aplicaciones de realidad virtual.

  1. Aprendizaje con la Realidad virtual


La realidad virtual posee diversas características dentro del campo de tecnologías emergentes, lo que hace que tenga mucho potencial para mejorar el proceso de enseñanza – aprendizaje dentro de la educación.

La realidad virtual estimula nuevas formas de aprendizaje para los estudiantes, haciendo que la experiencia sea totalmente natural facilitando la interactividad dentro de los ambientes virtuales con capacidades visuales, auditivas y de movimiento al mismo tiempo. Esta tecnología tiene el potencial de cambiar la manera como aprendemos [18].

Investigadores de la Universidad del Este de Carolina del Norte, aseveran que la realidad virtual ofrece una gama de posibilidades educacionales. Los mundos virtuales atraen la atención de los estudiantes cognitiva y afectivamente además, de ser muy intuitivos.

La realidad virtual es considerada como una tecnología prometedora para los años futuros, puesto que con toda la diversidad de ventajas, sirve como medio de comunicación, medio artístico y medio entre el humano y la computadora.[10].

Además, los investigadores se encuentran actualmente trabajando y explorando nuevas ideas sobre la naturaleza del aprendizaje basado en las características que la realidad virtual provee [18].

  1. Teorías pedagógicas que apoyan la realidad virtual


Existen diferentes teorías pedagógicas que ayudan a desarrollar un sistema de realidad virtual aplicado a la educación.

Como se revisó al inicio del presente trabajo, la teoría de aprendizaje constructivista y el aprendizaje por experiencia, son aplicados al desarrollo de aplicaciones que utilizan la realidad virtual. Por otra parte, los estudiantes utilizan ambientes virtuales en primera persona; y manipulan directa y activamente los objetos virtuales para atraer su atención.


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].





CAPÍTULO 3
  1. ANÁLISIS DE REQUERIMIENTOS Y DISEÑO


Entre los requerimientos que se cumplirán dentro del alcance del juego educativo se tiene:

  • Requerimientos Funcionales

  • Requerimientos No Funcionales





    1. Requerimientos funcionales


Los requerimientos funcionales definen cuales son las funciones que el jugador realizará a medida que se vaya ejecutando el juego. Estos requerimientos son:

  1. Opción Instrucciones: esta opción del juego permite al usuario conocer las reglas del juego para su mejor desempeño y entendimiento.

  2. Opción Puntaje: permite al usuario conocer las mejores puntuaciones de los usuarios que anteriormente usaron el juego.

  3. Opción Salir: le permite al usuario salir del juego.

  4. Nivel de dificultad: le permite al usuario seleccionar el nivel de dificultad dependiendo de su experiencia con el juego. El juego consta de tres niveles: fácil, intermedio y difícil, siendo el fácil para las usuarios que recién empiezan jugando y el difícil para los usuarios experimentados.

  5. Seleccionar nombre: le permite al usuario seleccionar el nombre que desee para ser guardado en un registro de jugadores.

  6. Disparo de objetos: le permite al usuario disparar los objetos usando el guante y el sensor.

  7. Visualización de puntos y tiempo: le permite al usuario visualizar los puntos y el tiempo. Los puntos dependerán de los disparos correctos o incorrectos que realice el usuario. El tiempo que tiene el usuario para jugar es de 60 segundos en el cual obtendrá la mayor puntuación.

  8. Guardar puntaje y jugador: permite guardar el nombre y puntaje del jugador en el juego para que después sea mostrado en la opción “puntaje” del juego.

  9. Movimiento de bolas: esta funcionalidad permitirá que las bolas en el juego se muevan y tengan una colisión dependiendo de la ubicación. La velocidad de las bolas será ajustada a una velocidad media para que los usuarios no tengan que realizar movimientos bruscos y logre confusión al momento de la interacción.

  10. Calibración: con esta funcionalidad se logrará una mejor obtención de los valores del sensor para su funcionamiento.



    1. Requerimientos no Funcionales


Los requerimientos no funcionales influyen en la operatividad del sistema. Para el desarrollo del juego consideramos los siguientes:

  1. Eficiencia: el manejo de la visualización del juego debe ahorrar recursos de hardware para su mejor desempeño.

  2. Rendimiento: el juego debe ser capaz de dar respuesta a los gestos y posiciones dadas por el usuario minimizando el tiempo de respuesta entre el usuario y la computadora.

  3. Apariencia: el juego debe tener una interfaz de uso intuitiva, sencilla y gráfica. Debe usar los colores adecuados. Como se trata de un juego para niños, se deben de utilizar colores llamativos pero sin dejar a un lado el contraste de los mismos. No se deben de utilizar colores fuertes y oscuros.


    1. Diseño del juego educativo

    2. Arquitectura


El juego educativo que se presenta en este proyecto está dividido en tres capas principales.

La capa de entrada se define como los datos de entrada al juego, los cuales provienen del tracker, del guante y los datos de los archivos almacenados en el disco duro. Luego, los datos son cargados y pasan a la siguiente capa de procesamiento.

La capa de procesamiento carga los objetos en la escena incluyendo los datos del usuario, controla el tiempo de duración del juego, guarda la puntuación que obtuvo en el juego, detecta las colisiones de los objetos, maneja los eventos que ocurren en la escena, calibra los valores del tracker y envía los datos a la última capa.

La capa de salida muestra la escena que está siendo procesada por la capa anterior en el proyector, guarda en el archivo el puntaje obtenido por el usuario. La figura 4.1 muestra el diseño completo de la aplicación.





Figura 3.1 Diseño del proyecto.
La capa de procesamiento ha sido divida en cinco módulos que manejan las acciones en el juego: (figura 3.2).

  • Módulo de Entrada

  • Módulo del Tracker

  • Módulo Manejador de Eventos

  • Módulo Detector de Colisión

  • Módulo Visualización




Figura 3.2 Diagrama de interacción de los módulos de procesamiento.
A continuación se describe con más detalle el proceso de cada módulo.



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