Diseño e Implementación de un Mecanismo Navegacional Sobre Realidad Virtual para Ontologías y su Aplicación como Método de Vinculación sobre Linked Open Data

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(1)DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MECANISMO NAVEGACIONAL SOBRE REALIDAD VIRTUAL PARA ONTOLOGÍAS Y SU APLICACIÓN CÓMO MÉTODO DE VINCULACIÓN SOBRE LINKED OPEN DATA. KEVIN STEVEN GORDILLO ORJUELA. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA PROYECTO CURRICULAR INGENIERÍA DE SISTEMAS BOGOTÁ D.C. 2017.

(2) DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MECANISMO NAVEGACIONAL SOBRE REALIDAD VIRTUAL PARA ONTOLOGÍAS Y SU APLICACIÓN CÓMO MÉTODO DE VINCULACIÓN SOBRE LINKED OPEN DATA. KEVIN STEVEN GORDILLO ORJUELA 20112020095. PROYECTO DE GRADO. DIRECTOR PAULO ALONSO GAONA GARCÍA, PhD. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA PROYECTO CURRICULAR INGENIERÍA DE SISTEMAS BOGOTÁ D.C. 2017.

(3) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. 3.

(4) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. RESUMEN En el siguiente proyecto se define y desarrolla un modelo de navegación en realidad virtual para ontologías que clasifican conceptos de manera jerárquica tomando referente ad -hoc las edades de la historia a manera de enciclopedia basada en la estructura definida en los capítulos subsiguientes. Con este trabajo se propone una nueva forma para la interacción con estas estructuras de conocimiento aprovechando el desarrollo de nuevas tecnologías de inmersión como lo es la realidad virtual que ha adquirido gran importancia en los últimos años y que tiene gran popularidad entre el público joven. Además, el proyecto extrae la información que se visualiza al usuario de DBPedia que es el portal semántico de Wikipedia y pone objetos en 3D de los conceptos individuales de la ontología dentro de escenarios virtuales para dar sensación de inmersión a quien use la aplicación. PALABRAS CLAVE: Ontología, DBPedia, web semántica, RDF, SPARQL, realidad virtual, XP, Leapmotion, Unity 3D.. 4.

(5) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. TABLA DE CONTENIDO LISTADO DE FIGURAS _____________________________________________________________________ 7 LISTADO DE TABLAS ______________________________________________________________________ 9 1. INTRODUCCIÓN _______________________________________________________________________ 10 2. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN __________________________________________________________ 12 2.1 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA ________________________________________________________ 12 2.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA _______________________________________________________ 12 3. OBJETIVOS ___________________________________________________________________________ 14 4. HIPÓTESIS DE TRABAJO ________________________________________________________________ 14 5. JUSTIFICACIÓN ________________________________________________________________________ 15 6. MARCO REFERENCIAL __________________________________________________________________ 16 6.1 MARCO TEORICO ___________________________________________________________________ 16 6.1.1 ONTOLOGÍAS ______________________________________________________________________ 16 6.1.2 VISUALIZACIÓN DE ESTRUCTURAS DE CONOCIMIENTO ___________________________________________ 18 6.1.3 USABILIDAD _______________________________________________________________________ 18 6.1.4 REALIDAD VIRTUAL EN APRENDIZAJE _______________________________________________________ 21 6.1.5 PRINCIPIOS METODOLOGÍAS ÁGILES _______________________________________________________ 21 6.1.6 METODOLOGÍA DE DESARROLLO XP (EXTREME PROGRAMMING) ___________________________________ 22 6.1.7. LINKED OPEN DATA _________________________________________________________________ 23 6.1.7.1 RDF __________________________________________________________________________ 24 6.1.7.2 SPARQL _______________________________________________________________________ 25 6.2 ESTADO DEL ARTE __________________________________________________________________ 26 6.2.1 ONTOSPHERE3D, HERRAMIENTA PARA VISUALIZACIÓN DE ONTOLOGÍAS EN 3D __________________________ 28 6.2.2 ONTO3VIZ, HERRAMIENTA PARA LA VISUALIZACIÓN 3D DE ONTOLOGÍAS ______________________________ 29 6.2.3 ONTOSELF, HERRAMIENTA PARA LA VISUALIZACIÓN DE ONTOLOGÍAS DEN 3D __________________________ 30 6.2.4 REALIDAD VIRTUAL Y ONTOLOGÍAS _______________________________________________________ 31 7. MARCO METODOLÓGICO _______________________________________________________________ 32 7.1 METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN _________________________________________________________ 32 7.2 METODOLOGÍA DE DESARROLLO ___________________________________________________________ 34 7.3 HERRAMIENTAS A UTILIZAR ______________________________________________________________ 35 8. ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO ________________________________________________ 36. 5.

(6) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. 9. ARQUITECTURA DE DESARROLLO PROPUESTO ______________________________________________ 37 9.1. PRIMERA ITERACIÓN __________________________________________________________________ 39 9.1.1. Historia de usuario _____________________________________________________________ 39 9.1.2. Tareas primera iteración ________________________________________________________ 39 9.1.3. Desarrollo tareas primera iteración _______________________________________________ 42 9.2 SEGUNDA ITERACIÓN __________________________________________________________________ 57 9.2.1 Historia de usuario _____________________________________________________________ 57 9.2.2 Tareas segunda iteración ________________________________________________________ 58 9.2.3 Desarrollo tareas segunda iteración _______________________________________________ 60 9.3 TERCERA ITERACIÓN ___________________________________________________________________ 72 9.3.1 historia de usuario _____________________________________________________________ 72 9.3.2 Tareas tercera iteración _________________________________________________________ 73 9.3.3 Desarrollo tareas tercera iteración_________________________________________________ 74 9.4 CUARTA ITERACIÓN____________________________________________________________________ 78 9.4.1 Historia de usuario _____________________________________________________________ 78 9.4.2 Tareas cuarta iteración __________________________________________________________ 79 9.4.3 Desarrollo tareas cuarta iteración _________________________________________________ 82 10. PRUEBAS USABILIDAD ________________________________________________________________ 91 11. ANÁLISIS DE RESULTADOS ____________________________________________________________ 100 12. RESUMEN DE OTROS RESULTADOS DERIVADOS DEL PROYECTO CON INTERFACES VISUALES ______ 101 12.1 MOTIVACIÓN______________________________________________________________________ 101 12.2 NAVIGATION AND VISUALIZATION OF KNOWLEDGE ORGANIZATION SYSTEMS USING VIRTUAL REALITY GLASSES: FIRST INSIGHTS – PONENCIA INTERNACIONAL. ________________________________________________________ 102. 12.3 USER EXPERIENCES IN VIRTUAL REALITY ENVIRONMENTS NAVIGATION BASED ON SIMPLE KNOWLEDGE ORGANIZATION SYSTEMS – NIVEL IMPACTO Q3 _____________________________________________________________ 104 12.4 NAVIGATION AND VISUALIZATION OF KNOWLEDGE ORGANIZATION SYSTEMS USING VIRTUAL REALITY GLASSES – NIVEL IMPACTO Q2 __________________________________________________________________________ 105 12.5 UNA MIRADA A LA WEB DE LOS DATOS. CASO DE ESTUDIO: CONSUMO DE SERVICIOS CKAN– REVISTA INDEXADA CATEGORÍA B _________________________________________________________________________ 106 12.6 VISUALIZING SECURITY PRINCIPLES TO ACCESS RESOURCES BASED ON LINKED OPEN DATA: CASE STUDY DBPEDIA – NIVEL IMPACTO Q2 __________________________________________________________________________ 107 13. VALIDACIÓN HIPÓTESIS DE TRABAJO ___________________________________________________ 109 14. CONCLUSIONES _____________________________________________________________________ 110 15. TRABAJOS FUTUROS _________________________________________________________________ 112 16. GLOSARIO _________________________________________________________________________ 113 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ___________________________________________________________ 114. 6.

(7) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. LISTADO DE FIGURAS Figura 1. Conceptos y sus relaciones en una ontología, figura tomada de [4]. ________________________ 17 Figura 2. ciclos de liberación del sistema en XP. Imagen tomada de [14]. ___________________________ 23 Figura 3. Ejemplo tripletas del tipo sujeto, predicado y objeto. ____________________________________ 24 Figura 4. Esquema en red, Representación de los nodos y sus relaciones de Linked Data [6]. ____________ 26 Figura 5. Esquema de representación de tipo árbol o por jerarquía [5]. _____________________________ 27 Figura 6. Vistas de esquemas en una representación hiperbólica y vecindarios [5,11]. _________________ 27 Figura 7. Representación 3D de ontología generada con OntoSphere3D [11]. ________________________ 28 Figura 8. Visualización de una ontología cargada en Onto3VIZ. [12] _______________________________ 30 Figura 9. Visualización de una Ontología usando Ontoself con VTK. [13] ____________________________ 31 Figura 10. Diagrama de casos de uso, usuario e interacción con el sistema. _________________________ 43 Figura 11. Estructura base para el diseño de la ontología. Fuente: propia ___________________________ 45 Figura 12. Estructura AAT Ontology del sistema de tres edades. Fuente: propia.______________________ 47 Figura 13. Consulta SPARQL en el endpoint de DBPedia _________________________________________ 51 Figura 14. Consulta y resultado del término individual en el punto SPARQL de DBPedia. _______________ 52 Figura 15. Diagrama de clases para la lectura de la ontología v1.0. ________________________________ 53 Figura 16. Representación inicial de los términos de la ontología. _________________________________ 55 Figura 17. Vista de cerca de la representación generada. ________________________________________ 55 Figura 18. Mockup navegación por ontologías usando modelos y escenarios en 3D con ayuda del LeapMotion. ____________________________________________________________________________ 62 Figura 19. LeapMotion, dispositivo e interacción de ejemplo. [17] [18] _____________________________ 63 Figura 20. Modelo de interacción entre los componentes principales para la integración de LeapMotion con Unity3D. _______________________________________________________________________________ 64 Figura 21. Modelo de manos 3D por defecto en el prefab de LMHeadMountedRig. ___________________ 65 Figura 22. Probando LeapMotion con la mano derecha y la mano izquierda, el objeto se renderiza a 38 FPS (cuadros por segundo). ___________________________________________________________________ 65 Figura 23. Interacción LeapMotion - Unity 3D corriendo a 28 FPS. _________________________________ 66 Figura 24. “Using the Hovercast interface with Leap Motion hands” [20]. ___________________________ 67 Figura 25. Diagrama de clases integración módulo de lectura de ontología y menú de navegación con HoverCast. _____________________________________________________________________________ 68 Figura 26. Título y primer nivel de la ontología. ________________________________________________ 69 Figura 27. Navegación por la edad de piedra, hasta llegar los elementos del arte paleolítico. El arco principal siempre muestra la relación al nodo anterior. _________________________________________________ 69 Figura 28. Diagrama de componentes de la aplicación v1. _______________________________________ 70 Figura 29. Integración de los componentes: LeapMotion, HoverCastKit, LectorOntología y dotNetRDF. ___ 71. 7.

(8) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. Figura 30. Interacción con el menú dentro del escenario para la era paleolítica. ______________________ 71 Figura 31. Comunicación aplicativa con DBPedia mediante método get con el protocolo HTTP. _________ 75 Figura 32. Consulta a DBPedia por término específico de la ontología. _____________________________ 76 Figura 33. Presentación de información consultada en DBPedia mediante un panel en el escenario 3D. ___ 77 Figura 34. Estructura RDF para la vinculación de modelos 3D al escenario. __________________________ 83 Figura 35. Modelo 3D para el término “Egyptian_faience” de la ontología creado usando smothie-3D usando como texturas las imágenes de Wikipedia. Fuente: propia. _______________________________________ 84 Figura 36. Modelo 3D para el término “Venus_of_Willendorf” de la ontología, descargado de sitio web gratuito, licencia creative commons ShareALike. Fuente: propia. __________________________________ 84 Figura 37. Visualización modelo 3D y descripción para el término “Lion-Man”, perteneciente a la categoría edad de piedra-paleolítico. ________________________________________________________________ 86 Figura 38. Visualización 3D y descripción para el término “Carruaje”, perteneciente a la categoría de edad de los metales-edad de hierro. Fuente: propia. ___________________________________________________ 86 Figura 39. Escenarios para las edades definidas en la ontología de ATT. ____________________________ 87 Figura 40. Interacción y transmisión de la aplicación hacia el visor de realidad virtual. ________________ 88 Figura 41. Transmisión de video en realidad virtual hacia el smartphone con un visor del tipo Google cardboard. _____________________________________________________________________________ 89 Figura 42. Puntuación en la escala SUS para cada pregunta de las 15 encuestas realizadas. ____________ 94 Figura 43. Gráfico de puntuación según la escala SUS. __________________________________________ 95 Figura 44. Variación de tiempo para cada actividad realizada. Fuente: propia. _______________________ 96 Figura 45. Tiempos por cada actividad realizada. ______________________________________________ 97 Figura 46. Comportamiento, cantidad de respuestas por pregunta de los 15 participantes. Fuente: propia. 98 Figura 47. Comportamiento de los resultados obtenidos en los test de nivel de aprendizaje. ____________ 99 Figura 48. Representación simple del KOS en entorno 3D, centrado en los animales presentes en los Humedales. ___________________________________________________________________________ 103 Figura 49. Una visión más amplia del KOS en Unity SDK. ________________________________________ 104 Figura 50. Visualización del término Gorilla del tesauro del Bioparc de fuengirola. ___________________ 106 Figura 51. Aplicación web para mostrar los niveles de confianza e información de cada dataset marcado como LOD en CKAN. Fuente: G. García, J. Herrera, K. Gordillo. Artículo [31]. ________________________ 108. 8.

(9) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. LISTADO DE TABLAS Tabla 1. Resumen de los elementos de la macro estructura definida para la generación de la ontología. __ 44 Tabla 2. Búsqueda y clasificación de algunos términos de Wikipedia en épocas y edades de la historia. ___ 49 Tabla 3. Algunas consultas SPARQL sobre la ontología desarrollada. _______________________________ 54 Tabla 4. Cuestionario de satisfacción de usuarios basados en el modelo TAM. _______________________ 91 Tabla 5. Test de apropiación de conocimiento. ________________________________________________ 92 Tabla 6. Actividades a llevar a cabo por parte del encuestador. ___________________________________ 93 Tabla 7. Valores en la escala SUS para cada una de las 15 encuestas. ______________________________ 94 Tabla 8. Tiempos acumulados por cada actividad, en promedio les tomó cinco minutos realizar la prueba. 96 Tabla 9. Resultados de tiempos que le tomó a cada participante completar cada actividad. ____________ 97 Tabla 10. Cantidad de respuesta por tipo de pregunta. __________________________________________ 98 Tabla 11. Calificación para cada uno de los participantes. _______________________________________ 99. 9.

(10) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. 1. INTRODUCCIÓN Estructurar la información para hacerla más entendible ha sido un problema tratado durante las últimas décadas. Varias organizaciones buscan ordenar su información de manera tal que pueda ser entendida por humanos y permita un rápido acceso a recursos, como por ejemplo en una biblioteca. Los KOS (Knowledge Organization Systems) son sistemas que permiten organizar la información en esquemas navegables por humanos, estos pueden ser mapas mentales, ontologías, taxonomías, tesauros, etc. Las ontologías en especial tienen la particularidad de agrupar términos que obedecen a cierta agrupación o característica además de establecer relaciones semánticas entre conceptos, por ejemplo, una ontología de mamíferos agrupará todos los animales que sean mamíferos; por otro lado, puede contener subcategorías como felinos y una relación semántica que indica que los felinos son mamíferos de tal modo que si felinos contiene un animal como el tigre se pueda inferir que el tigre es un mamífero. Las ontologías al ser estructuras que organizan conceptos tienen información en sí que permite generar nuevas relaciones entre términos, es decir, pueden ser herramientas para el aprendizaje que originen procesos cognitivos mediante la asociación de conceptos taxonómicos. En otras palabras, pueden facilitar el aprendizaje de conceptos estructurados y relacionados entre sí. La realidad virtual es una tecnología en auge que facilita espacios en 3D para la representación de dichas estructuras, además permite visualizar contenidos interactivos que brinden información adicional a los conceptos que se estén consultando, es decir, además de tener información gracias a las relaciones semánticas entre conceptos también se pueden tener recursos virtuales que ayuden al proceso de aprendizaje. Linked Open Data (Datos Enlazados en Abierto) es un método para la publicación de datos estructurados que permiten la interconexión entre estos con otros datos. Esto proporciona un mecanismo para realizar consultas más precisas ya que se puede consultar un concepto y sus relaciones con diferentes fuentes.. 10.

(11) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. La motivación para el desarrollo de la siguiente modalidad de grado es presentar una propuesta que permita fusionar ontologías, realidad virtual y datos enlazados abiertos LOD, con el fin de generar un ambiente de navegación entre conceptos de determinada área de conocimiento y a su vez, posibilite un ambiente de aprendizaje virtual vinculando recursos de texto mediante consultas a datos enlazados en abierto. La siguiente propuesta se encuentra enmarcada dentro del proyecto de investigación institucionalizado en el CIDC “DISPOSITIVOS DE BÚSQUEDA INMERSIVA UTILIZANDO TÉCNICAS DE REALIDAD AUMENTADA BASADOS EN ONTOLOGÍAS FORMALIZADAS SOBRE REPOSITORIOS EDUCATIVOS”, del grupo de investigación GIIRA.. 11.

(12) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. 2. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN 2.1 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA La representación de ontologías se ha implementado con la construcción de grafos dirigidos y esquemas de navegación como árboles, que permiten una fácil visualización de datos y sus relaciones inmediatas. Sin embargo, la mayoría de estos grafos y esquemas se han generado en entornos poco amigables o poco interactivos con humanos, la mayoría se limita a entornos web donde la representación se limita a espacios 2D. En los sistemas usados para organizar recursos como los que usan librerías, museos y entidades gubernamentales, las ontologías han permitido indexar y mantener inventarios; sin embargo, no se ha explotado su potencial como herramientas de aprendizaje de conocimientos relacionados o estructurados. El creciente desarrollo de grandes volúmenes de datos ha originado problemas para los analistas de datos a la hora de visualizarlos en entornos convencionalmente usados debido a la gran cantidad de interconexiones que estos presentan, donde la navegación queda restringida solamente al desplazamiento sobre las coordenadas x e y del entorno de representación, es por esto que se ha venido trabajando en nuevas formas para mejorar la visualización de dichos esquemas; aunque hasta el momento poco se ha trabajado con entornos virtuales para la navegación. Por otro lado, gracias al creciente desarrollo de Linked Open Data se puede acceder más fácil a nuevos contenidos que se vinculan entre sí pero que aún no se acercan a presentar dichos recursos al público en general mediante interfaces fácilmente accesibles. La mayoría de recursos de Linked Open Data, como es el caso de DBPedia, son enlazados y consumidos por APIS o sitios web mediante puntos de conexión SPARQL donde las consultas se pueden construir más fácil si se tiene una ontología.. 2.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 12.

(13) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. ¿Cómo articular mecanismos de navegación sobre ambientes de realidad virtual usando KOS mediante ontologías para explotar bondades de la vinculación de datos a través de LOD?. 13.

(14) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. 3. OBJETIVOS 3.1 GENERAL Diseñar y desarrollar una interfaz de navegación de ontologías en realidad virtual usando recursos 3D para explotar el uso de datos abiertos enlazados a partir de LOD. 3.2 ESPECÍFICOS. 1. Desarrollar o implementar un módulo que permita generar la representación navegacional en 3D de una estructura taxonómica. 2. Diseñar una ontología a partir de la estructura taxonómica de un tesauro para el planteamiento del esquema navegacional. 3. Definir un mecanismo de conexión con puntos SQPARQL para la consulta a datos enlazados, utilizando como caso de estudio DBPedia. 4. Generar modelos en 3D que representen escenarios relacionados a la ontología diseñada en el objetivo 2 usando repositorios de modelos 3D abiertos.. 4. HIPÓTESIS DE TRABAJO El uso de ontologías en ambientes 3D de realidad virtual como método para asimilar y relacionar conceptos haciendo uso de elementos multimedia como animaciones, modelos en 3D y textos que amplían la información de los conceptos, mejoran el índice de aprendizaje de los términos y relaciones de la ontología en los usuarios Dicha hipótesis se validará, mediante pruebas de usabilidad que se realizarán con un grupo de participantes que probarán la aplicación desarrollada.. 14.

(15) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. 5. JUSTIFICACIÓN Esta investigación se realiza con el fin de dar otra perspectiva a la utilización de los KOS, es decir, más que usarlos como estructuras para indexar recursos que puedan ser usados como herramientas de aprendizaje de conceptos y sus relaciones. Además, el uso de ontologías facilita realizar búsquedas en la web semántica, por lo que traer información y presentarla al usuario puede llegar a ser sencillo. Por otro lado, el uso de ontologías para la apropiación de conceptos puede llegar a facilitar la memorización de palabras o términos y las relaciones entre estos, el uso de esquemas en el ámbito educativo ha facilitado algunas veces el aprendizaje; por lo tanto, se pretende indagar qué índice de aprendizaje pueden llegar a tener las personas que hagan uso de ontologías para apropiar conocimientos. Ya que el tema de la representación y navegación a veces se torna demasiado complicada y difícil de entender se decide hacer uso de tecnologías de realidad virtual que permitan y faciliten la representación, interacción e inmersión en las estructuras de conocimiento. El resultado de la investigación será un aplicativo que permita representar ontologías, que obedezcan a estructuras previamente establecidas, en entornos 3D y facilite su uso con dispositivos de realidad virtual. Además, que cuando se seleccione cierto concepto se realice una consulta en la web semántica (Linked Open Data) para traer información más detallada de dicho término y se puedan llegar a presentar modelos 3D que den una perspectiva de interacción a los usuarios. Para evaluar el nivel de aprendizaje que puede alcanzar una persona al usar el aplicativo, se pretende utilizar métodos de evaluación de usabilidad, la mayoría de estos métodos utilizan cuestionarios que deberán responder los participantes de las pruebas y que permitirán determinar la apropiación de los conceptos y posibles problemas o molestias que puedan llegar a tener.. 15.

(16) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. 6. MARCO REFERENCIAL 6.1 MARCO TEORICO 6.1.1 Ontologías Durante la última década, con el desarrollo de la web semántica las estructuras de organización del conocimiento (KOS) han tomado gran importancia en la estructuración de datos. Además, se han tomado como herramientas para métodos de e-learning. Uno de estos casos son los Mapas Cognitivos Difusos (FCMs por sus siglas en inglés), dichos mapas unen la lógica difusa con mapas cognitivos para estudiar el nivel de aprendizaje de un estudiante en una plataforma de enseñanza y determinar qué lecciones debería tomar según sus avances [1]. Aunque se habla de organización de conocimiento, vale la pena establecer qué se entiende por conocimiento, según Emilia Currás el concepto de conocimiento ha cambiado con el transcurso del tiempo hasta definirse en términos computacionales, lo que antes se consideraba como su definición “se puede entender como un proceso mental, inteligente, para adquirir saber, donde igualmente supondría un paso intermedio en la elaboración de líneas de opinión” [2]. Se ha transformado hasta concebir el conocimiento como un proceso químico donde una neurona recibe información que llega en forma de energía y la activa permitiendo el almacenamiento de información. Dicho conocimiento es susceptible a representaciones y construcciones que pueden ser subjetivas o con lenguajes artificiales que puedan llegar a entender las máquinas, dentro de estas representaciones se pueden encontrar maneras para separar y organizar el concepto del objeto concreto, por ejemplo, con ontologías. Estas se centran en “el estudio de lo que existe” en cierto dominio de conocimiento y, como gran apoyo a la informática, poder codificar y entender ese dominio de conocimiento representado [2].. 16.

(17) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. Una definición de ontología se puede encontrar en [3] donde las describen como modelos para describir el mundo, consisten en unir temas, propiedades y tipos de relaciones que puedan llegar a existir en determinado contexto de conocimiento. La teoría detrás del desarrollo de las ontologías es bastante extenso, de hecho, se le han dedicado libros enteros a estudiarlas. Sin embargo, lo que concierne a esta investigación es la construcción de una estructura ontológica que pueda describir temas de determinada área de conocimiento. En [4] se presenta un ejemplo de creación de ontologías en el ámbito educativo, en este artículo se crea una ontología para ofrecer cursos universitarios según el nivel de estudios de los interesados. Las relaciones entre los conceptos o términos tienen sentencias semánticas qué indican la naturaleza de dichas relaciones, por ejemplo, un estudiante tiene un curso, estudiante y cursos son los conceptos, la relación semántica es “tiene un”. Esto quiere decir que las relaciones se construyen según el conocimiento que se quiera transmitir. La Figura 1 muestra de forma general lo descrito anteriormente.. Figura 1. Conceptos y sus relaciones en una ontología, figura tomada de [4].. Para la construcción de una ontología se debe tener en cuenta, primero, el tema a representar, segundo, los conceptos que integran el conocimiento de dicho tema y por último las relaciones semánticas que se conformarán entre estos. Existe gran variedad de herramientas que facilitan la creación de ontologías, entre estas está Protégé que se ha desarrollado con el fin de generar estructuras ontológicas para sistemas organizacionales o que trabajen inteligencia artificial.. 17.

(18) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. 6.1.2 Visualización de estructuras de conocimiento Como se mencionó anteriormente los KOS contemplan una gran variedad de esquemas o herramientas para organizar y visualizar conocimiento. Sin embargo, KOS no contempla maneras de representación, sólo maneras de organización. Para representar un esquema de conocimiento se han hecho uso como en [5] de grafos dirigidos y esquemas de árboles, el uso de este tipo de representación permite al usuario generar criterios de selección sobre los contenidos que quiere buscar. El uso de grafos permite, en un entorno interactivo, contraer y expandir nodos de la estructura; con esto se puede, de cierta manera, solucionar los problemas relacionados a estructuras de conocimiento con cientos, miles o millones de términos como es el caso de los tesauros o en un caso particular, la representación de repositorios como datahub para Linked Open Data [6]. Por otro lado la visualización de ontologías en ambientes 3D es un tema que poco se ha trabajado, si bien, se han propuesto formas del uso de ontologías para el manejo de variables en simulaciones y para la representación y creación de escenarios en 3D como lo muestras [7, 8] donde se trata de automatizar el proceso de creación en 3D con ayuda de relaciones semánticas que describen escenarios y variables; no se han generado escenarios o interfaces que permitan la navegación por estas estructuras y las haga usables para el público en general.. 6.1.3 Usabilidad La usabilidad hace referencia a la calidad externa del software que está determinada en gran medida por las interfaces de acceso con las que interactúan los usuarios. Una forma de medir qué tan usable es un sistema es usando una escala de usabilidad, dicha escala se compone de preguntas determinadas por el contexto del sistema, es decir, varía según el producto que queramos evaluar. La escala se compone de preguntas que son evaluadas en un rango definido por el evaluador, además se debe dar un porcentaje de importancia a cada pregunta según el énfasis que quiera darse o los puntos más relevantes a evaluar [9]. 18.

(19) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. Lo que busca la usabilidad es comprobar si un producto, como es el software, es fácil de usar por los usuarios. Esta característica se determina por la facilidad con la que se encuentran las opciones dentro de las aplicaciones, la facilidad para leer los textos, la comodidad al usar un dispositivo, los colores, entre otras. La usabilidad también puede también ayudar a determinar niveles de aprendizaje ya que hace uso de entrevistas con los usuarios por lo que se pueden determinar capacidad de retención de información y capacidad para comprender relaciones entre términos. Esto puede hacer de la usabilidad una herramienta apropiada para evaluar el uso de estructuras de conocimiento en el aprendizaje.. 6.1.3.1 Métricas La evaluación de usabilidad depende del producto que se esté tratando, tiene múltiples encuestas que permiten evaluar desde aplicaciones móviles, portales web, productos para el hogar, etc. Para la evaluación de aplicaciones que presenten contenidos de navegación como páginas web o aplicaciones móviles es “task sucess” o “éxito en la tarea”, dicha técnica consiste en asignar tareas de búsqueda a los participantes dándoles a conocer previamente a grandes rasgos cómo funciona el aplicativo, por ejemplo, si el aplicativo es un portal web de compras; podría asignárseles la tarea de buscar la sección de promociones, medios de pago, etc. Una métrica que se recomienda para la realización de este estudio tiene por nombre “lostness” que permite medir la cantidad de pasos que un participante tuvo que realizar para completar determinada tarea [25]. Otro método importante para la evaluación de aplicaciones que presentan contenidos categorizado es la clasificación de tarjetas o “card sorting”, dicho método tiene por objetivo entender la forma en que los participantes organizan la información, un tipo de estudio de este tipo es el “closed sort” que consiste en que los participantes después de haber utilizado el aplicativo puedan poner los ítems en las categorías adecuadas [25].. 6.1.3.2 Estudios de usabilidad en ambientes virtuales El e-learning es una rama del sistema educativo mundial que ha permitido a millones de personas aprender mediante internet y plataformas virtuales. En dicho campo la usabilidad juega un papel importante ya que ha permitido medir los niveles de comodidad y eficiencia de dichas plataformas de aprendizaje. 19.

(20) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. Como se plantea en [26] la usabilidad en plataformas de e-learning es muy relevante ya que se puede dar el caso de que dichos sistemas tengan una excelente funcionalidad, pero no una buena usabilidad, esto implica que los usuarios no se sientan cómodos, dificulte su aprendizaje por e-learning y terminen dejando el sistema. En el caso concreto de [26] se utilizó el cuestionario “USE questionnaire” con treinta preguntas sobre treinta y siete usuarios online. El objetivo fue medir tres aspectos principales: utilidad, satisfacción y facilidad de uso; el resultado arrojó que la plataforma “Binus Online” (producto sobre el que se realizaron las pruebas) requiere mejoras en la interfaz de usuario para mejorar el sentido de pertenencia del usuario hacia la plataforma y el gusto al usarla. Por otro lado, en [27] se presenta un resumen de múltiples artículos de investigación sobre e-learning usando realidad aumentada donde se evidencia que la mayoría de estos usaron cuestionarios y evaluaciones basados en la escala Lickert que exponen que el uso de realidad aumentada en estos escenarios de aprendizaje mejora el entretenimiento, el compromiso de aprendizaje y la colaboración de los participantes. Se plantea, además, que la integración de plataformas de e-learning con la web 2.0 puede motivar a los estudiantes a compartir sus logros en redes sociales y mejorar la comunicación entre el maestro y el estudiante. En otro orden de ideas, se han desarrollado pruebas de usabilidad sobre video juegos, la forma como se evalúa la usabilidad de este tipo de escenarios e interacciones ha sido usando cuestionarios tipo QUIS (Questionnaire for User Interaction satisfaction) que permiten medir y puntuar la interfaz, la usabilidad y las partes destacadas dentro del videojuego. La prueba se divide en seis partes, cada una permite evaluar un aspecto relevante de la aplicación, dichas partes son: primera, preguntas sobre los usuarios y la relación con la tecnología que los rodea. Segunda, presenta las reacciones generales de los usuarios con el sistema. Tercera, se testea la interfaz gráfica de cada uno de los videojuegos, se evalúan aspectos como colores, tamaño de letra, posición de los componentes, etc. Cuarta, los usuarios dan su opinión de qué tan intuitiva es la interfaz a la hora de usarse. Quinta, se les pregunta sobre el rendimiento de la aplicación en cuando a velocidad y visualización. Por último, en la sexta parte se pregunta sobre los aspectos multimedia del juego como escenarios, personajes, sonido, video, etc, [28].. 20.

(21) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. Las pruebas de usabilidad se pueden volver más especializadas dependiendo del producto que se quiera manejar, por ejemplo, en [29] se desarrollan pruebas usando dispositivos que detectan el movimiento de los ojos a la hora de visualizar una aplicación, de esta manera se determina los aspectos más llamativos y los tiempos de respuesta que tiene una persona al realizar determinadas búsquedas. En este caso en particular solamente se midió la cantidad de movimientos que tuvieron que realizar los participantes para encontrar determinados objetos en las tiendas de aplicaciones de los teléfonos móviles; se midió el tiempo que una persona tarda en encontrar determinadas aplicaciones, la facilidad de asimilar la interfaz de usuario que allí se presenta y los elementos que más llaman la atención a la hora de posicionar los ojos en la pantalla del teléfono.. 6.1.4 Realidad virtual en aprendizaje Los ambientes virtuales han tenido gran relevancia en la educación en los últimos años. La realidad virtual abre nuevas perspectivas a la inmersión e interacción con elementos virtuales para mejorar el aprendizaje de elementos que muchas veces sólo quedan en la imaginación o que por su complejidad sólo pueden ser visualizadas en fotos, esto deja cierto vacío práctico que se llena en el ámbito laboral donde se pueden llegar a presentar accidentes o errores en la manipulación de equipos que sólo fueron estudiados teóricamente. Investigaciones como [10] han acercado sus esfuerzos a generar ambientes virtuales que sirvan como método de emulación para manipulación de maquinaria pesada y los métodos de seguridad que se deben tener a la hora de usarla. Esto permite solucionar en gran medida la manipulación de elementos con los que no se cuentan en un establecimiento educativo. Por ejemplo, para dar lecciones de anatomía rara vez se muestra un cuerpo real a los estudiantes (a no ser que sean estudiantes en áreas de salud), con tecnologías de realidad virtual se puede realizar un acercamiento a cómo se ve un cuerpo real, permitiendo la interacción con partes del cuerpo y su aprendizaje.. 6.1.5 Principios metodologías ágiles Las metodologías de desarrollo ágil se basan en principios básicos para el desarrollo rápido de software. Estos principios son: 21.

(22) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. 1. Participación del cliente, básicamente los clientes se encargan de generar y priorizar nuevos requerimientos del sistema que se está desarrollando. 2. Entrega incremental, el software que se está desarrollando se hace por medio de incrementos que dependen de los requerimientos que el cliente vaya agregando en cada iteración. 3. Personas, no procesos, permite al grupo de desarrollo generar sus formas de trabajar sin procesos establecidos. 4. Adaptar al cambio, si el requerimiento del sistema cambia, el sistema debe adaptar esos cambios. 5. Mantener simplicidad, permite mantener simple el proceso de desarrollo del software y trata de cualquier manera de eliminar la complejidad del sistema [14]. La ventaja de las metodologías de desarrollo ágil radica en que es útil con pequeños grupos de trabajo y funciona bien cuando el desarrollo es pequeño o mediano. Por lo tanto, para el desarrollo de este proyecto se decide hacer uso de metodologías de desarrollo ágiles, especialmente de algunas prácticas de programación extrema (XP) la cual se abordará a continuación.. 6.1.6 Metodología de desarrollo XP (eXtreme Programming) “En la programación extrema, los requerimientos se expresan como escenarios (llamados historias de usuario), que se implementan directamente como una serie de tareas” [14]. Básicamente se trata de tomar las historias de usuarios y transformarlas en código, diseñando previamente pruebas que deben superarse antes de realizar cualquier integración al sistema. La ventaja de la metodología XP es que permite realizar desarrollos iterativos e incrementales, los requerimientos se convierten historias que posteriormente se convierten en tareas de desarrollo a las que se les establece una prioridad y un tiempo de desarrollo. Por otro lado, XP trabaja mediante liberaciones del sistema, que no son más que funcionalidades que se van agregando al software a medida que se va desarrollando. El diseño se realiza para los requerimientos que se tienen en el momento. La integración continua es muy importante en XP, ya que cada vez que se libere una nueva funcionalidad 22.

(23) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. al sistema deben aprobarse las pruebas de unidad del sistema [14]. La figura 2 muestra el ciclo de liberaciones del sistema.. Figura 2. ciclos de liberación del sistema en XP. Imagen tomada de [14].. 6.1.7. Linked Open Data La web semántica es un término que se acuña a todas las tecnologías que se desarrollan con el fin de hacer que los sistemas o aplicaciones puedan entender, intercambiar, publicar e interpretar información a través de metadatos. En este escenario es donde aparece Linked Open Data o de forma abreviada LOD, que es una forma estructurada de intercomunicar información a través de múltiples formatos de archivos, entre los más comunes se encuentra el RDF (Resource Description Framework). La idea de LOD es que los sitios como Wikipedia, Yago, la BBC, entre otros, compartan información para hacer consultas mucho más eficientes. La ventaja de esto es que de implementado de forma masiva se convertiría en una especie de red de información catalogada que permitiría la extracción de información específica y de datos relacionados con dicha información que se encuentren en otros portales [21]. Debido a que la información es compartida en múltiples formatos, los metadatos empiezan a jugar un papel importante ya que permiten identificar recursos específicos e interconectarlos a otros sitios. La manera de consultar los datos que se comparten en dichos formatos es a través de puntos SPARQL, que son parecidos a puntos para consultar una base datos. 23.

(24) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. En este escenario, sitios como DBPedia se encargan de transformar los datos que contiene Wikipedia (posiblemente la enciclopedia más grande de la web) en tripletas para poder interconectarla en la web y que otros sistemas puedan consumir dicha información y relacionar los datos allí publicados con los datos propios. Se puede decir entonces que DBPedia es la representación semántica de Wikipedia. Y que según lo que se muestra en [22] es uno de los portales semánticos que más datos interconectan y con un gran nivel de confianza.. 6.1.7.1 RDF En palabras del W3C, RDF es: “Un modelo estándar para el intercambio de datos en la Web. RDF tiene características que facilitan la fusión de datos incluso si los esquemas donde se encuentran los datos difieren, especialmente soporta la evolución de los esquemas a lo largo del tiempo sin requerir que los consumidores de los datos cambien” [23]. Los datos que son compartidos en estos tipos de formato se construyen basados en semánticas, o en otras palabras, en abstracciones del lenguaje natural con las que se construyen elementos llamados Tripletas; una tripleta está conformada por tres elementos: Sujeto, predicado y objeto. Cada uno de estos elementos describe una parte del dato que se quiere compartir. Un ejemplo de sujeto, predicado y objeto en el lenguaje cotidiano se puede ver en frases como: Las pirámides de Egipto fueron creadas en la Edad de cobre o Colombia tiene 48 millones de habitantes; tal como se muestra en la Figura 3, las frases se pueden representar en forma de tripletas. Pirámides Egipto. Fueron Creadas. Edad de Cobre. en. Sujeto Colombia. Predicado Tiene. Objeto 48 millones habitantes. Sujeto. Predicado. Objeto. Figura 3. Ejemplo tripletas del tipo sujeto, predicado y objeto.. De esa manera se pueden describir todos los elementos y datos de un portal web mediante URI (Unique Resource Identifier), en el ejemplo anterior si se quisieran representar como 24.

(25) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. RDF dichos elementos se escribirían de una manera parecida a como se describe a continuación. <Data> <subject>http://www.sitioweb.com#Piramides_Egipto</subject> <creationAge>http://www.otrositionweb.com#Edad_cobre</creationAge> <Data> De este modo cuando se consulte no solamente se traerá la información sobre las pirámides de Egipto, sino que, además, nos relacionará la información de la edad de creación, en este caso que fueron creadas en la edad de cobre.. 6.1.7.2 SPARQL Sparql es el lenguaje de consulta para los RDF, cuenta con una sintaxis muy parecida a la de SQL, en otras palabras, se asimila muy fácilmente al lenguaje natural. En palabras de la W3C Sparql se puede utilizar para: “… expresar consultas a través de diversas fuentes de datos, si los datos se almacenan nativamente como RDF o se ven como RDF a través de un middleware…” [24]. La importancia de este lenguaje es que permite la extracción de información de los RDF que se comparten de una manera simple, la mayoría de portales en la web semántica ponen a disposición puntos de entrada donde se pueden realizar consultas a los datos que publican, como es el caso de DBPedia que pone a disposición uno de estos puntos para que los sistemas o las personas puedan realizar consultas específicas y más rápidas, por ejemplo, lo que determina qué tan visible son las estrellas desde la tierra es un término denominado magnitud, entre menos magnitud más visible es la estrella; en DBPedia se pueden consultar todas las estrellas conocidas que tengan un índice menor a 5 sin tener que revisar todos los resultados y clasificar uno a uno los resultados.. 25.

(26) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. 6.2 ESTADO DEL ARTE La visualización de ontologías se ha categorizado en cuatro formas principales de representación, las cuales son: en red, en árboles, vecindario y de manera hiperbólica. Cada representación varía según la ontología o estructura de conocimiento a representar, el esquema en red particularmente se usa para representar conocimiento que no poseen una jerarquía clara, es decir, que son elementos que están conectados, pero sin relaciones de padre-hijo claramente definidas [11]. Esta representación puede visualizarse en la figura 4.. Figura 4. Esquema en red, Representación de los nodos y sus relaciones de Linked Data [6].. El esquema de árboles, por el contrario, se utiliza cuando se quieren representar ontologías con niveles jerárquicos definidos u ontologías más estructuradas, casi siempre se divide por niveles de profundidad y se dividen en sub-árboles que algunas veces violan la relación taxonómica de la ontología, es por esto que es una representación que se usa más que todo cuando la ontología ha sido creada para clasificar términos o elementos [11]. En la figura 5, se puede apreciar un ejemplo de este tipo de representación.. 26.

(27) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. Figura 5. Esquema de representación de tipo árbol o por jerarquía [5].. El esquema de vecindario y el esquema hiperbólico centran su atención en los nodos adyacentes al nodo seleccionado. Donde intenta representar el esquema en un espacio de geometría hiperbólica, la figura 6 muestra dos ejemplos de dicha representación.. Figura 6. Vistas de esquemas en una representación hiperbólica y vecindarios [5,11].. Estos esquemas de representación, se han implementado, en su mayoría, en espacios 2D y su interacción ha sido bastante simple mediante interacciones con el mouse, colapsando o no los nodos.. 27.

(28) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. 6.2.1 OntoSphere3D, herramienta para visualización de ontologías en 3D En 2007 se desarrolló una herramienta para la visualización de ontologías en 3D llamada OntoSphere3D, “dicha herramienta permite la explotación de dos diferentes principios de representación: •. Incrementa el número de “dimensiones” (colores, formas, transparencia, etc.) que representa las características de los conceptos y transmite información adicional sin agregar reducir el rendimiento que pueden suponer el uso de labels en la escena.. •. La visualización automática de la Base de Conocimiento a ser mostrada y los niveles de detalle a mostrar, basado en la interacción del usuario con la escena.” [11].. OntroSphere3D presenta una esfera 3D donde despliega los nodos y las relaciones de una ontología, dicha herramienta fue desarrollada en Java como complemento al programa Protégé, programa desarrollado por la universidad de Stanford para la creación de estructuras taxonómicas. OntoSphere3D genera un esquema de navegación donde representa los conceptos de la ontología mediante esferas, las instancias se pintan como cubos y las relaciones semánticas entre los conceptos se representan mediante líneas con flechas dirigidas hacia el concepto, tal como se muestra en la figura 7.. Figura 7. Representación 3D de ontología generada con OntoSphere3D [11].. 28.

(29) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. 6.2.2 Onto3VIZ, herramienta para la visualización 3D de ontologías Esta herramienta fue desarrollada den Java y utiliza como entrada ontologías representadas en lenguaje XML. Fue desarrollada basada en la técnica de modelamiento inferencial que permite desarrollar un modelo ontológico basado tanto en conocimiento estático como conocimiento dinámico. “El conocimiento estático consiste en conceptos, atributos, individuos y las relaciones entre estos; el conocimiento dinámico incluye objetivos, tareas y las relaciones entre los objetivos y las tareas. Tanto el conocimiento dinámico como el estático están relacionados de modo que una tarea utiliza conocimientos estáticos para alcanzar objetivos” [12]. Onto3VIZ permite leer archivos tanto en formato XML como en formato OWL, no fue desarrollada como un plugin sino como un software independiente. El programa funciona básicamente con tres componentes, el primero es el GUI (Graphical User Interface), que consiste en la generación de todas las ventanas de interacción con el usuario y las ventanas que muestran la representación de la ontología generada. El segundo, es el procesador de documentos de ontología que permite la lectura de archivos tanto en formato XML y formato OWL, este procesador se encarga de extraer el modelo de conocimiento de los documentos y guardarlos en memoria para su posterior representación. Por último, el renderizador de gráficos 3D es el núcleo principal de Onto3VIZ, ya que toma el modelo extraído en el módulo que procesa los documentos y genera y renderiza los modelos 3D para cada tipo de concepto, por ejemplo, para conceptos de tipo clase se genera figuras esféricas, mientras que las tareas se representan mediante conos [12]. Aunque la herramienta permite generar los modelos en 3D de la ontología que se ha cargado desde un archivo, ya sea OWL o XML, plantea un problema de distribución de los nodos ya que cuando la estructura es muy grande estos se sobreponen entre sí y el usuario no puede diferenciar cada término, esto se puede ver en la figura 8. Además, el programa no tiene un sistema de navegación por lo que los usuarios tienen que desplazarse término por término para realizar alguna consulta.. 29.

(30) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. Figura 8. Visualización de una ontología cargada en Onto3VIZ. [12]. 6.2.3 ONTOSELF, herramienta para la visualización de ontologías den 3D Esta herramienta fue desarrollada como parte de una tesis de maestría en la universidad de Miami. Consiste en un mecanismo desarrollado en Java para la visualización e interacción con ontologías, dichas ontologías deben estar descritas en un lenguaje OWL (Ontology Web Language) o GML (Geography Markup Language) para su representación [13]. La herramienta permite generar un espacio para el despliegue de los nodos en 3D, aunque plantea una imitación en el espacio total para el despliegue de la estructura. Establece que el punto en donde deja de ser visible la estructura de manera general e ilegible es cuando son más de aproximadamente mil nodos. Es por esto que plantea que es importante generar mecanismos de navegabilidad además de los que ya implementó, los cuales son zoom y rotación de la estructura. Para la generación de gráficos se usa VTK (Visualization Tool Kit) que es un software desarrollado en c++, con compatibilidad para lenguajes de programación como Java y Python. Esta generación de gráficos es acompañada por una serie de algoritmos que. 30.

(31) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. permiten la distribución de los nodos por el espacio con el mejor posicionamiento posible. Un ejemplo de esto se muestra en la figura 9.. Figura 9. Visualización de una Ontología usando Ontoself con VTK. [13]. 6.2.4 Realidad Virtual y Ontologías Según la consulta realizada en bases de datos científicas, se ha encontrado pocos artículos orientados al uso de KOS y realidad virtual. En uno de ellos, (cuyo coautor es el autor de este anteproyecto) [15] quienes abordan directamente el uso de KOS y realidad virtual, se realiza un acercamiento al uso de estructuras de conocimiento, en ese caso, de tesauros que clasifica las especies de un zoológico; el artículo aborda la navegación por pocos niveles de una estructura de conocimiento y el uso de gafas de realidad virtual para su navegación. Sin embargo, al ser un artículo de primeras ideas sobre el tema, no se aborda la vinculación de datos, el manejo de estructuras dinámicas o el uso de dispositivos adicionales como los Kinect para mejorar la experiencia de inmersión de los usuarios, entre otros. Por otro lado, se han encontrado temas, que si bien, tocan el tema de realidad virtual en educación y el uso de estructuras de conocimiento como método de aprendizaje; no se ha ahondado en este campo de investigación por lo que se considera importante aportar nuevas ideas y perspectivas del uso de ontologías y realidad virtual como método de aprendizaje por navegación.. 31.

(32) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. 7. MARCO METODOLÓGICO 7.1 Metodología de Investigación Tipo de investigación La investigación a realizar es de tipo correlacional, es decir, busca determinar la relación de forma descriptiva, que existe entre el uso de los mecanismos de navegabilidad por ontologías en realidad virtual y el nivel de aprendizaje que puede llegar a tener una persona al utilizar la herramienta. Analizando dicha relación de los resultados que puedan arrojar las pruebas de usabilidad.. Etapas de la investigación Las etapas para esta investigación con las siguientes: •. Formulación de objetivos. •. Formulación de la justificación. •. Formulación de la hipótesis de trabajo. •. Revisión de literatura existente. •. Elaboración marco referencial y estado del arte. •. Diseño de pruebas de usabilidad. •. Aplicación de pruebas de usabilidad a participantes. •. Presentación de resultados obtenidos. •. Análisis de resultados. •. Validación de la hipótesis con el aplicativo desarrollado. •. Formulación de conclusiones y trabajo futuro. En la siguiente ficha infográfica se pueden observar las diferentes etapas de investigación ya mencionadas y una descripción de cada una.. 32.

(33) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. Ilustración 1. Ficha infográfica de las etapas de investigación. Fuente: propia.. 33.

(34) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. 7.2 Metodología de desarrollo Como ya se vio XP permite integrar rápidamente los requerimientos de los usuarios al sistema, sin embargo, dejan el diseño del sistema como algo de poca relevancia. La metodología a usar pretende generar diseños iniciales del sistema que permitan prever cambios repentinos en el software. Para esto se generará la arquitectura del sistema y el diseño de datos o persistencia y para el diseño de la aplicación que incluye diagrama de clases, diagrama de flujo del sistema, casos de uso, etc., se pretenden desarrollar a medida que los requerimientos vayan surgiendo, es decir a medida que el desarrollo avance. Con lo anterior se pretende, por un lado, tener una visión general del sistema a desarrollar y el manejo de los datos de la aplicación. Por otro lado, se quiere hacer uso de la parte de la metodología XP que permite generar diseños de la aplicación según se vayan generando las historias o requerimientos en cada iteración. En XP se generan pruebas para cada parte del desarrollo, la primera prueba determinará las siguientes ya que se trata de un proceso de integración. Esta primera prueba se diseñará con el fin de probar la generación adecuada de la ontología en un espacio 3D. Posterior a esto se seguirán creando pruebas que comprueben el manejo de eventos, la correcta ubicación espacial de los objetos, las conexiones con puntos SPARQL y las conexiones de la base de datos con el servidor que contiene los modelos 3D y el de esta con la aplicación.. Desarrollo incremental: Ya que XP permite desarrollar liberaciones según se generen los requerimientos, se planean cinco liberaciones que tendrán lo siguiente: •. Liberación 1: el sistema permite representar una ontología dada a manera de grafo dirigido en 3D donde los nodos no se crucen entre sí y pueda visualizarse.. •. Liberación 2: el sistema permite manejar eventos de interacción con los nodos del grafo mediante toques a la pantalla o usando un dispositivo de reconocimiento de manos para desplegar y contraer partes de la ontología representada.. 34.

(35) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. •. Liberación 3: el sistema permite realizar consultas a DBPedia mediante SPARQL y trae textos para visualización en el entorno 3D dependiendo del término seleccionado en la ontología.. •. Liberación 4: el sistema permite cargar y visualizar los modelos 3D alojados en un servidor de archivos y los gestiona mediante archivos RDF según el término seleccionado en la ontología, de esta manera se tendrá un texto que describe el concepto y una modelo 3D que lo representa.. •. Liberación 5: se refinan aspectos visuales y de usabilidad para el usuario y se realiza el despliegue de la aplicación.. Cada liberación representa una etapa del desarrollo que contará con sus pruebas respectivas diseñadas antes de la codificación.. 7.3 Herramientas a utilizar Las herramientas a utilizar dando para el diseño como para el desarrollo son las siguientes: •. Star UML: programa que nos permite realizar diseños en lenguaje UML y se usará para los diagramas de casos de uso, diagramas de clases, para el modelo relacional de la base de datos, etc.. •. Protégé: Es una herramienta desarrollada por la universidad de Stanford que permite la creación de ontologías se usará para la creación de la ontología y su representación en un archivo de formato OWL el cual será cargado a la aplicación para su representación.. •. Unity 3D: Es un motor de desarrollo 3D y 2D. Será la herramienta principal para el desarrollo de los escenarios y objetos 3D que tendrá la aplicación.. •. Notepad ++: Editor de textos que permite la codificación en varios lenguajes de programación, en este caso se utilizará para desarrollar los scripts en lenguaje C# o javascript.. •. Visual Basic .NET: IDE para el desarrollo de scripts en lenguaje C#.. Unity Test Tools: es una plataforma de prueba que incluye el editor Unity3D e incluye una serie de extensiones para el testeo de código en los scripts, la interacción de los objetos 3D entre ellos y en la escena, entre otras pruebas. 35.

(36) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. 8. ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO El aplicativo supone una serie de alcances y limitaciones que en su mayoría son de tipo técnico debido al gran procesamiento que puede llegar a presentar usar ontologías junto con modelos 3D en un mismo escenario, dichos alcances y limitaciones se plantean a continuación: •. Cargar ontologías en formato OWL y generar un mecanismo de navegación en realidad virtual.. •. Consultar en DBPedia los términos de la ontología y mostrar fragmentos en el ambiente virtual.. •. Traer los modelos 3D correspondientes a cada término, si están disponibles, alojados en un servidor de archivos que puede ser local y desplegarlos en el escenario 3D y administrarlos mediante una base de datos o archivos RDF.. •. El aplicativo permitirá la interacción con Leap Motion que es un dispositivo para el reconocimiento de las manos que posibilita la interacción con ambientes 3D.. •. Las pruebas de usabilidad se realizarán en una población de estudiantes con edades entre 20-28 años.. •. Por el nivel de procesamiento que se puede llegar a requerir se desarrollará la aplicación para el sistema operativo Windows y se transmitirá la imagen a un dispositivo Android que pueda usar las gafas de realidad virtual Google CardBoard.. •. Para el uso de la aplicación se requerirá mínimo un computador con procesador Intel core i5, equivalente o superior, y 4gb de memoria ram.. •. La visualización de la ontología 3D estará limitada por la resolución de la pantalla donde se esté visualizando. 36.

(37) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. •. La fluidez en las animaciones estará limitado al dispositivo donde se esté ejecutando la aplicación y a la cantidad de nodos que pueda llegar a tener la ontología cargada.. 9. ARQUITECTURA DE DESARROLLO PROPUESTO En este capítulo se documenta el proceso llevado a cabo para el desarrollo de la aplicación utilizando la metodología XP, esto es, que primero se generan unas historias de usuario y luego de esto se establecen las tareas a desarrollar partiendo de unos diagramas iniciales y perfeccionando el diseño y el desarrollo en cada iteración. El flujo que se sigue de acá en adelante y hasta terminar el proyecto se presenta en la siguiente infografía.. 37.

(38) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. 38.

(39) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. 9.1. Primera iteración 9.1.1. Historia de usuario Historia de Usuario Número: 1. Fecha: 21 noviembre 2016. Nombre historia: Navegación por ontologías Prioridad en negocio: Alta Puntos estimados: 6. Riesgo en desarrollo: Media Iteración asignada: 1. Programador responsable: Kevin Gordillo Orjuela Descripción: Se quiere que al cargar una ontología a la aplicación en un archivo .XML, esta pueda ser representada y navegada en 3D, ya se ha hecho la prueba con un tesauro pero la representación no es la mejor por la cantidad de términos que puede llegar a contener una estructura taxonómica como esta. Se puede pensar en una navegación por grafos o en una navegación por medio de paneles, lo importante es que se puedan identificar las relaciones entre los términos cuando se esté navegando. Por ejemplo, en una ontología de animales, que se pueda ver con claridad la relación entre la familia mamíferos y un perro, o entre la familia de reptiles y un cocodrilo. Observaciones: 1. La diferencia entre lo que se hizo con un tesauro y lo que se quiere hacer con una ontología es la relación entre los términos, dicha relación debe poder ser visible.. 9.1.2. Tareas primera iteración Basados en la historia de usuario anterior, se generan tareas a modo de requerimientos que pueden ser desarrolladas de manera individual y progresiva.. 39.

(40) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. Tarea Número tarea: 1. Número historia: 1. Nombre tarea: Generación casos de uso inicial Tipo de tarea: Puntos estimados: 0.5 Diseño Fecha inicio: 21 noviembre 2016. Fecha fin: 21 noviembre 2016. Responsable: Kevin Gordillo Orjuela. Descripción: Generar un diagrama de casos de uso inicial que permita visualizar la interacción inicial del usuario con la aplicación.. Tarea Número tarea: 2. Número historia: 1. Nombre tarea: Construcción de estructura ontológica Tipo de tarea: Puntos estimados: 1 Diseño Fecha inicio: 24 noviembre 2016. Fecha fin: 26 noviembre 2016. Responsable: Kevin Gordillo Orjuela Descripción: Se define la estructura de la ontología basados en la estructura del thesauro AAT (Architecture & Art Thesaurus), específicamente con la rama del sistema de las tres edades para dos épocas, la edad de piedra y la edad de los metales.. 40.

(41) Diseño e implementación de un mecanismo navegacional sobre realidad virtual para ontologías y su aplicación cómo método de vinculación sobre Linked Open Data. Tarea Número tarea: 3. Número historia: 1. Nombre tarea: Clasificación de términos a incluir en la ontología Tipo de tarea: Puntos estimados: 2 Creación Fecha inicio: 28 noviembre 2016. Fecha fin: 16 diciembre 2016. Responsable: Kevin Gordillo Orjuela Descripción: Se deben buscar elementos de Wikipedia y clasificarlos dentro de cada una de las épocas del tesauro de ATT, por ejemplo, la gran pirámide de Guiza que pertenece a la edad de cobre, para la cual se debe realizar una búsqueda en su correspondiente portal semántico DBPedia para determinar si existe y poder incluirlo. Luego se debe crear una ontología con los términos consultados en total 100 y la estructura definida en la tarea número dos, y clasificarlos en tres categorías: Arte, Arquitectura y Herramientas/Armas. Para cada una de las 6 edades (cada época tiene 3 edades).. Tarea Número tarea: 4. Número historia: 1. Nombre tarea: Consultas y pruebas sobre la ontología creada Tipo de tarea: Puntos estimados: 1 Desarrollo Fecha inicio: 11 enero 2017. Fecha fin: 13 enero 2017. Responsable: Kevin Gordillo Orjuela. 41.

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