Estado del arte: La realidad aumentada en la educación

Resumen

El desarrollo de la humanidad permite implementar tecnologías emergentes en diferentes ámbitos, entre ellas se encuentra la realidad aumentada, la cual se abarca en el presente documento, se toca conceptos elementales a lo que concierne la realidad aumentada tales como sus características, sus sistemas de visualización, interacción, registro; una vez revisados dichas temáticas se realiza una descripción general de esta tecnología aplicada en el campo de la educación secundaria y superior, se presenta los avances en las herramientas de desarrollo, al finalizar se realiza una reseña en cuanto al futuro de esta tecnología y sus campos de aplicación.

Abstract — The development of humanity can implement emerging technologies in different areas, among them is augmented reality, which is covered in this document, touch elementary concepts regarding augmented reality such as their characteristics, display systems, interaction, registration and once these issues are reviewed provides a general description of the technology applied in the field of secondary and higher education, presented the advances in development tools, at the end of a review is conducted in as for the future of this technology and its application areas.

Index Terms—Realidad Aumentada, Mundo Real, Mundo Virtual, Entorno, Interfaces, Visualización, Registro, educación, información.

Introducción

La realidad aumentada se puede considerar un concepto tecnológico relativamente nuevo, a pesar de que sus primeros conceptos fueron concebidos hace mucho tiempo atrás, pero es hasta la época actual en donde estos conceptos se puede aplicar de manera práctica dado al enorme avance que ha tenido la tecnología en los últimos años[14], [22].

La realidad aumentada consiste en un sistema o múltiples sistemas que le permitan a un usuario integrar de manera eficiente el campo del mundo virtual como por ejemplo información de lugares turísticos e incluso información técnica, con el campo del mundo real, dando la posibilidad de interactuar entre estos dos ambientes, justificando de esta manera el concepto ¨Aumentado¨ dado que a partir de la realidad el sistema proporciona información adicional en tiempo real[10], [13], [14], [20].

Realidad aumentada

Una definición coloquial propone que la realidad aumentada es una tecnología en la cual se pretende enlazar el mundo digital con el mundo real; de manera más formal según Azuma , la realidad aumentada es "un entorno que incluye elementos de realidad virtual con elementos del mundo real coexistiendo en el mismo espacio"[20], [15], [8], [22], [2], [21].

Tratar de enlazar estos dos aspectos no es tarea fácil dado que no consiste simplemente en sobreponer las imágenes o información virtual sobre nuestro mundo real, por lo que se vuelve necesario diferentes métodos para lograr dicho objetivo[22].

Es muy importante diferenciar la realidad aumentada de la realidad virtual, aunque son conceptos que están estrechamente ligados, existen una gran diferencia que marca la línea límite entre la una tecnología y la otra, esta diferencia viene de que al hablar de realidad virtual se refiere a que el usuario se encuentra completamente inmerso en un mundo generado por computadora imposibilitándole interactuar con elementos reales, lo que hace que el sistema utilice más recursos para generar con precisión dicho mundo virtual, mientras que la realidad aumentada toma como base el mundo real y sobre este integra la información virtual lo que hace que el usuario puedo interactuar con elemento reales y virtuales a la vez, disminuyendo la utilización de recursos, pero aumentando la complejidad[22], [14], [13], [3], [10], [19], [1].

Figura 1. Continuo Realidad-Virtualidad

II-A. Características

Para que un sistema sea considerado como una aplicación de realidad aumentada debe contemplar las siguientes características:

1. El sistema tiene que combinar el mundo real con el mundo virtual.

2. Tiene que interactuar en tiempo real.

3. Debe registrarse en las tres dimensiones {x, y, z}, es decir, en el espacio [22], [24], [8], [1].

Con el fin de cumplir con estas características el sistema está dotado de los siguientes componentes:

1. Visualización.

2. Ubicación de objetos virtuales en el mundo real lo que se conoce como registro.

3. Un método de interacción [20], [24].

II-B. Visualización

La realidad aumentada necesita dispositivos o métodos que permitan mostrar las imágenes virtuales, clasificándose en métodos de visión directos, indirectos y de monitores externos[22].

II-B1. Métodos de visión directos: Este método utiliza un espejo semireflectante con el fin de poder observar el mundo real y además poder proyectar las imágenes virtuales, en la figura 2 se muestra como es el método de visión directo[22], [20], [16].

Figura 2. Método de visión directo

II-B2. Métodos de visión indirectos: A diferencia del método directo, en este método se cubre totalmente la visión de la persona y se proyectan imágenes ya procesadas e integradas del mundo real y del mundo virtual, en la figura 3 se muestra como es el método de visión indirecto [22], [20].

Figura 3. Método de visión indirecto

II-B3. Método de visión con monitores externos: Este método es similar al anterior en cuanto al procesamiento de los objetos virtuales y reales, pero con la diferencia que el dispositivo que recepta las imágenes del mundo real no se encuentra en el casco si no en dispositivos externos tales como cámaras y receptores RGB, este método ya se usa en vídeo juegos tal es el caso del "Kinect" de Microsoft, el cual se utiliza en la consola Xbox, en la figura 4 se muestra como es el método de visión con monitores externos[20], [22], [24], [8].

Figura 4. Método de visión con monitores externos

II-C. Registro

El registro consiste en que los objetos virtuales tales como textos, imágenes en 2D y 3D puedan simular el comportamiento de un objetos real en cuanto a su posición, dado que solamente proyectando las imágenes virtuales sobre el mundo real, el cual era un método de visión, cuando el usuario mueva su cabeza el objeto se moverá con él, dado que es solamente una proyección en tiempo real, pero con la utilización de registros este problema se ve solucionado y el objeto conservará su posición, en la figura 5 se muestra la diferencia del uso del registro[20], [22], [16].

Figura 5. Registro

Para poder implementar el uso del registro se han utilizado métodos tales como sensores que captan la posición de los objetos en el mundo real, también dentro de estos sensores esta la visión por computadora que capta los objetos y calcula la distancia a la que se encuentra dichos objetos; para aplicaciones en campo abierto donde se necesita la ubicación del usuario de manera global, se utiliza el Sistema de posicionamiento global (GPS)[22].

II-D. Interacción

El proceso de interacción es uno de los más importantes para la comunicación entre el usuario y el mundo de realidad aumentada, se puede dividir en dos grupos, los que utilizan marcadores o punteros, y los que prescinden de marcadores tales como brújulas, GPS, acelero metro, entre otros[8], [20]. II-D1. Interacción basada en marcadores : Con marca- dores se refiere a algún tipo de indicador por el cual es posible manipular o simplemente proyectar la información aumentada; dependiendo de la aplicación, los marcadores pueden encontrarse de diferente manera, se puede encontrar en paletas las cuales se procesan mediante una cámara con el fin de reconocer patrones, una vez reconocidos estos patrones se procede a proyectar la imagen, dado la posibilidad de interactuar con ella[12].

En otras aplicaciones los marcadores están situados en la punta de los dedos, lo cual permite reconocer los movimientos con el fin de interactuar con la información aumentada, en la figura 6 se muestra un ejemplo de marcador utilizado en la realidad aumentada [20], [8].

Figura 6. Ejemplo de Marcador

II-D2. Interacción sin marcadores: Esta técnica de inter- acción se basa en periféricos externos tales como la geo localización, acelero metros, utilizados en sistemas de campo, en los cuales no es necesario interactuar con objetos pero se necesita información acerca de la ubicación o datos importantes de un lugar en específico.

Una ventaja de prescindir de los marcadores es el notable ahorro de recursos en cuanto al CPU para obtener gráficos en tiempo real, pero la tarea de unir el mundo virtual con el real se vuelve más complejo[20], [8].

Realidad aumentada en la educación

Un objetivo de realizar la implementación de tecnología en la educación es la integración de los entornos virtuales y los entornos de realidad aumentada con la finalidad de que se vuelva una herramienta tan común como cualquier texto o referencia bibliográfica, y de cierta forma mejorando la interacción con la información dado que se puede tener objetos tangible tales como fichas y tarjetas que pueden ser utilizados por los estudiantes tanto de educación primaria, secundaria y superior, desarrollando un interés mas solido en la cátedra en la que se aplica[21].

III-A. APLICACIONES DE REALIDAD AUMENTADA EN LA EDUCACIÓN

Se presenta diferentes proyectos en los cuales se aplica la realidad aumentada con el fin de mejorar el entorno de la educación, formando parte de la generación de Ambientes de Aprendizaje Enriquecido, con el fin de aumentar la motivación, y sobre todo aumentar la comprensión de diversos temas que requieren la representación física de ciertos objetos o fenómenos[21], [7], [5].

Una de las ventajas de utilizar la realidad aumentada en la educación y no utilizar la realidad virtual es que el estudiante no pierde el contexto del mundo real, de esta manera es posible que él pueda interactuar a su vez con el docente [21], [12].

III-A1. Magic Book: En una de las aplicaciones de realidad aumentada más relevante, fue creada por el grupo HIT2

de Nueva Zelanda, la aplicación consiste en un libro donde el alumno lo lee a través de un visualizador el cual le proyecta imágenes relacionadas con la temática, y en el caso de que el estudiante halle interés en algún tema en específico se tiene la posibilidad de ingresar en un ambiente de realidad aumentada inmersivo, en la figura 7 se muestra un ejemplo de este sistema[2], [8], [12].

Figura 7. Magic Book

III-A2. Environmental Detectives y The museum: Son aplicaciones desarrolladas por Massachusetts Institute of Technology (MIT), una característica de estas aplicaciones es que están desarrolladas en formato de juegos , que permite a los estudiantes integrar información del mundo real con la información adicional que presenta sus dispositivos móviles inteligentes[7], [2], [1].

Dado que Environmental Detectives está enfocada en la utilización en ambientes externos, se utiliza la tecnología GPS, para poder ubicar el lugar en el cual se encuentra y la información importante acerca de este sitio.

La aplicación The museum utiliza la misma temática pero la diferencia radica en que está desarrollada para ambientes internos específicos tales como museos, como su nombre lo indica, por lo cual utiliza tecnología Wi-Fi[2].

En la figura 8 se muestra la aplicación de este sistema.

Figura 8. Environmental Detectives

III-A3. En la educación superior: Con el fin de aplicar esta tecnología en la educación superior se realizó este proyecto el cual vincula diferentes disciplinas académicas, tales como ingeniería mecánica y la ingeniería informática usando desarrolladores como Web3D, para utilizarlo con el fin de la enseñanza de geometría y matemáticas en la cual es necesario un entorno en 3D para mejorar su comprensión[1], [2], [5].

En la figura 9 se presenta la aplicación de este sistema.

Figura 9. Enseñanza de Geometría

Una aplicación importante que se está al momento desarrollando en Europa específicamente por ¨European Higher Education Area¨, trata acerca de un laboratorio virtual, el cual permitirá a los estudiantes de los primeros años interactuar y familiarizarse con equipos y herramientas de laboratorio que por su nivel de conocimiento todavía no están en capacidad de utilizarlos, tales como Osciloscopio, generadores de funciones, incluso FPGA, pantallas LCD, conversores analógicos y digitales, lo cual se puede hacer práctica, sin utilizar estos equipos con el fin de obtener este conocimiento, pero evitando el mal uso de los equipos reales.

Se puede ver en la figura 10, una placa electrónica capturada en un ambiente real pero la cual se accionara mediante la interacción de un usuario de manera virtual.

Figura 10. Laboratorio Virtual

III-B. HERRAMIENTAS PARA EL DESARROLLO DE REALIDAD AUMENTADA

Se han desarrollado algunas herramientas con el fin de que la realidad aumentada esté al alcance de programadores y desarrolladores en general, lo que hace posible una gran difusión de esta tecnología, entre estas herramientas y uno de sus principal protagonistas en el desarrollo se encuentra el "Grupo Multimedia EHU3 ", con su herramienta de desarrollo AMIRE, el cual esta implementado de manera on-line, con su enfoque principalmente hacia el área de ingeniería, mediante la implementación de medios de vídeo y multimedia vinculados a la realidad aumentada[2], [8], [9].

Mediante estas herramientas se puede establecer una conexión entre los conceptos teóricos y la práctica, con la posibilidad de ser modificado según los intereses del usuario, por eso se abarca como una herramienta para el desarrollo; en la figura 11 se muestra un ejemplo en donde se puede visualizar un teléfono móvil inteligente mostrando información adicional con el fin de mejorar el desempeño de quien está trabajando en ese equipo.

Figura 11. AMIRE aplicado en la ingeniería Electrónica

Visión del futuro

El futuro de la tecnología en general está avanzando a pasos agigantados, de manera de que la tecnología que en su tiempo es desarrollada solamente con fines investigativos o militares, tal es el caso de la tecnología de la NASA, no tarda mucho en implementarse en la vida cotidiana de todas las personas[4], [6], [9].

La Realidad Aumentada tiene un futuro muy prometedor,

siendo aplicable en varios ámbitos no necesariamente educacionales, entre ellos se está desarrollando herramientas para las visitas a los lugares arqueológicos importantes pero con la gran ventaja de que mediante una visualización directa se puede hacer una reconstrucción virtual del lugar, proporcionando así información adicional al usuario tanto turista como arqueólogo[15], [18].

En la medicina también se está desarrollando esta tecnología

con el fin de realizar cirugías asistidas brindando de esta manera información importante tales como los signos vitales y el estado general del paciente a lo largo de la intervención[23], [11], [17].

De la misma manera en el ámbito del entretenimiento, tal es que caso de los parques temáticos de Disney en donde ya se está implementando esta tecnología para brindar una experiencia única a sus visitantes[6], [16][6].

Conclusiones

La realidad aumentada es una tecnología que permite al usuario interactuar con el mundo real y virtual a la vez, mediante la implementación de diversos sistemas de visualización, interacción y registro.

Una de las falencias de la educación en los países en

desarrollo en la falta de material didáctico relacionado con diferentes cátedras, lo que produce que el estudiante vaya perdiendo el interés en la temática, debido a esto grupos de investigación tales como el HIT y EHU presentan proyectos enfocados en este campo, haciendo que la información sea interactiva lo cual mejora notablemente el interés del estudiante, por lo que la aplicación de estos proyectos en los países en desarrollo tendría un gran beneficio dado que aumentaría el nivel educativo y por ende el nivel y estilo de vida de las personas.

Además de los proyectos ya implementados, existen a su vez herramientas de desarrollo de la realidad aumentada tal es el caso de AMIRE, lo cual puede permitir que los ingenieros e incluso los propios estudiantes desarrollen aplicaciones con fines específicos, disminuyendo notablemente los costos de implementación, y a su vez se estará contribuyendo al desarrollo educativo.

Es muy importante mencionar que la realidad aumentada no está enfocada precisamente en el campo de la educación, sino que presenta varios campos en donde su aplicabilidad es viable, tal es el caso de la medicina, la milicia, incluso el campo del teatro y del entretenimiento, generando ambientes fantásticos e interactivos.

Referencias

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Autor:

Ochoa Guaraca Mario Esteban

Universidad Politécnica Salesiana