Realidade Virtual com A-Frame para Ensino de Física e Astronomia
As tecnologias de realidade virtual (RV) têm avançado significativamente em hardware, com dispositivos como o Meta Quest, e em software, com plataformas como Unity, Unreal Engine e A-Frame, permitindo experiências imersivas e portáteis. Embora a RV ainda seja pouco explorada no ensino, especialmente em áreas como a astronomia, ela oferece grande potencial para a visualização e simulação de fenômenos que requerem percepções geométricas tridimensionais, como as fases da Lua, os eclipses e as estações do ano, proporcionando uma aprendizagem interativa e imersiva que pode aumentar a compreensão e o engajamento dos alunos ao permitir a manipulação direta de objetos tridimensionais.
Este minicurso visa introduzir os participantes ao desenvolvimento de aplicações de RV para o ensino de astronomia utilizando a plataforma A-Frame, com base na linguagem HTML/Javascript. Ao final do curso, os participantes construirão um sistema solar virtual simplificado, com o Sol, a Terra e a Lua, incluindo movimento orbital e de rotação. O curso aborda os conceitos básicos de modelagem 3D, animação, iluminação e interação no ambiente A-Frame. Devido ao tempo limitado, o curso não explora programação avançada em Javascript, a criação de componentes personalizados nem a integração com a biblioteca Three.js, tópicos que podem ser aprofundados em estudos posteriores.
Também não nos aprofundaremos em conteúdos específicos de Física, Astronomia e o Ensino dessas ciências. Existem excelentes referências que tratam desses conteúdos. Entre as que estão disponíveis gratuitamente na internet, sugerimos o livro de Nogueira e Canalle (2009) para o Ensino de Astronomia e o livro de Oliveira Filho e Saraiva (2000) para conhecimentos específicos de Astronomia e Astrofísica. Para a aprendizagem da linguagem Javascript e seu uso na Física recomendamos o livro de Silva (2016).
Vantagens das Aplicações Web em Realidade Virtual
O desenvolvimento de aplicações de Realidade Virtual (RV) em páginas e aplicativos web, utilizando tecnologias como HTML5, Javascript e CSS, oferece uma série de vantagens significativas em termos de flexibilidade, alcance e potencial. A natureza aberta e universal da web permite que aplicações desenvolvidas nessas linguagens sejam acessadas em uma ampla gama de dispositivos, desde computadores desktop e notebooks até smartphones, tablets e headsets de RV, sem a necessidade de compilações específicas para cada plataforma.
Além da portabilidade, a web oferece uma infraestrutura robusta para o desenvolvimento e distribuição de aplicações, com ferramentas de desenvolvimento acessíveis, bibliotecas gráficas poderosas como o Three.js e frameworks como o A-Frame que simplificam o processo de criação de experiências imersivas. A vasta comunidade de desenvolvedores web também contribui para a disponibilidade de recursos, tutoriais e exemplos de código, facilitando a aprendizagem e o desenvolvimento de aplicações.
Outra vantagem não menos importante é a dispensa de instalações, plugins e dependências que ocupam dezenas de gigabytes no disco. Basta carregar os arquivos de texto escritos em HTML/Javascript diretamente no navegador de internet para obter resultados poderosos. Como exemplo, na plataforma A-Frame basta incluir a seguinte declaração no arquivo de texto html:
<script src="https://aframe.io/releases/1.6.0/aframe.min.js"></script>para ter acesso direto e imediato (sem nenhuma instalação, pré-configuração ou pré-compilação adicionais) aos recursos de todo o espectro da Realidade Estendida. Para citar apenas alguns desses recursos, destacamos:
- hand-controls: habilita o rastreamento das mãos e dispara eventos conforme movimentos específicos dos dedos
- hand-tracking-grab-controls: permite que objetos sejam agarrados com as mãos virtuais e deslocados
- laser-controls: funciona como um laser pointer virtual usado para indicar ou selecionar objetos virtuais.
- sound: permite que fontes sonoras sejam atribuídas à localização de objetos virtuais específicos e promovendo estereoscopia auditiva.
Realidade Virtual em Headsets versus Smartphones
Embora a RV em smartphones ofereça acessibilidade e conveniência, os headsets de RV proporcionam experiências imersivas mais completas, com maior campo de visão, rastreamento de movimento mais preciso, visão estereoscópica, e a capacidade de isolar o usuário do ambiente externo, aumentando a sensação de presença no mundo virtual.
WebXR: A API para Realidade Virtual na Web
A WebXR é uma Interface de Programação de Aplicativos (API) que permite a criação de experiências de RV e Realidade Aumentada (RA) diretamente em páginas web, acessíveis através de navegadores de internet. A WebXR fornece uma camada de abstração entre o código da aplicação e os diferentes dispositivos de RV e RA, permitindo que os desenvolvedores criem experiências imersivas sem se preocupar com as especificidades de cada hardware.
A API WebXR oferece funcionalidades para rastreamento de posição e orientação do headset e dos controladores, renderização de cenas 3D, interação com objetos virtuais e acesso a sensores do dispositivo.
Plataformas Web para Realidade Virtual com WebXR
Existem diversas plataformas e bibliotecas Javascript que utilizam a API WebXR para facilitar o desenvolvimento de aplicações de RV em páginas web. Algumas das mais populares incluem:
- Three.js: Uma biblioteca gráfica 3D completa e versátil, amplamente utilizada para a criação de jogos, animações e experiências interativas na web. O Three.js oferece uma ampla gama de funcionalidades para modelagem 3D, materiais, iluminação, animação e renderização, além de suporte à WebXR para a criação de experiências imersivas.
- Babylon.js: Outra biblioteca gráfica 3D popular, com foco na criação de jogos e experiências interativas de alto desempenho. O Babylon.js oferece uma interface amigável, um sistema de física integrado e suporte à WebXR.
- A-Frame: Um framework web para a criação de experiências de RV de forma declarativa, utilizando HTML. O A-Frame simplifica o desenvolvimento de RV, abstraindo a complexidade da biblioteca Three.js e permitindo a criação de cenas 3D com tags HTML. O A-Frame utiliza a WebXR para integrar as experiências imersivas com dispositivos compatíveis.
Principais características do A-Frame
O A-Frame adota a filosofia de simplificar o desenvolvimento de experiências de RV na web, tornando-o acessível a um público mais amplo, incluindo desenvolvedores web com pouca ou nenhuma experiência em computação gráfica 3D.
A filosofia do A-Frame se reflete em sua abordagem declarativa, que permite a criação de cenas 3D utilizando tags HTML, familiar aos desenvolvedores web. Essa abordagem abstrai a complexidade da biblioteca gráfica subjacente (Three.js), permitindo que os desenvolvedores se concentrem na estrutura e no conteúdo da experiência de RV.
O A-Frame também se baseia no conceito “Entidade-Componente-Sistema” (ECS), que promove a modularidade e reutilização de código. As entidades representam os objetos na cena 3D, os componentes definem suas propriedades e funcionalidades, e os sistemas gerenciam o comportamento global da cena. Essa estrutura modular torna o código mais organizado, legível e fácil de manter.