realidade aumentada como incentivo a interação social e raciocínio simbólico

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Realidade Aumentada como Incentivo ` a Interac ¸˜ ao Social e ao Racioc´ ınio Simb ´ olico em Crianc ¸as Autistas Pedro Victor Vieira de Paiva 1 , Diˆ ego dos Santos Lima 1 , Fabiane Queiroz 1 , Thiago Sales 1 1 Curso Ciˆ encia da Computac ¸˜ ao – Universidade Federal de Alagoas Arapiraca – Alagoas – Brasil {pedro.paiva,fabiane.queiroz}@arapiraca.ufal.br {diegolima.ufal,thiagobrunoms}@gmail.com Abstract. According recent research, children diagnosed with Autism Spectrum Disorder (ASD) have deficit in the development of social interaction, as well as the ability of imagine scenarios or situations, and solve logical everyday pro- blems. Augmented reality (AR) with markers is a tool to simulate the immersion of virtual objects in real environments by rendering virtual elements using QR Codes (Quick Response Codes). In this work, we propose an AR application where autists can play a serie of assotiation games used to stimulate the sym- bolic reasoning and the social relationship as part of the treatment of children with autism. Resumo. Pesquisas indicam que crianc ¸as diagnosticadas com Transtorno do Espectro Autista (TEA) possuem um profundo d´ eficit no desenvolvimento da interac ¸˜ ao social, na habilidade de imaginar cen´ arios ou situac ¸˜ oes e resolver problemas l´ ogicos do cotidiano. A realidade aumentada ´ e capaz de simular a imers˜ ao de objetos virtuais em ambientes reais al´ em de propiciar atividades em grupo atrav´ es da renderizac ¸˜ ao de elementos utilizando QR Codes (Quick Response Codes). Neste artigo propomos o desenvolvimento de uma aplicac ¸˜ ao contendo uma s´ erie de jogos de realidade aumentada capaz de estimular a imaginac ¸˜ ao e o relacionamento social como parte do tratamento de crianc ¸as com autismo. 1. Introduc ¸˜ ao De acordo com o National Institute of Mental Health (NIMH) [DNI 2013], uma crianc ¸a autista ´ e aquela que desenvolve desordem mental chamada coletivamente de Transtorno do Espectro Autista (TEA). Pacientes diagnosticados com TEA s˜ ao acometidos por pro- blemas de comunicac ¸˜ ao e interac ¸˜ ao social de m´ ultiplo contexto, esses fatos prejudicam o desenvolvimento destas crianc ¸as uma vez que durante a construc ¸˜ ao do intelecto de um indiv´ ıduo ´ e fundamental que o mesmo seja estimulado a raciocinar de forma simb´ olica e manter relacionamentos com os demais [Piaget 1951] fazendo com que seja poss´ ıvel compreender situac ¸˜ oes vividas por outras pessoas, o que influˆ encia de forma profunda a vida adulta [Baron-Cohen et al. 1985]. Estudos indicam que atividades em grupo realizadas entre crianc ¸as com TEA re- sultam em aumento na ´ area da comunicac ¸˜ ao e diminuic ¸˜ ao de problemas comportamentais

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Artigo aceito no ERBASE 2015

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  • Realidade Aumentada como Incentivo a` Interacao Social e aoRaciocnio Simbolico em Criancas Autistas

    Pedro Victor Vieira de Paiva1, Diego dos Santos Lima1,Fabiane Queiroz1, Thiago Sales1

    1Curso Ciencia da Computacao Universidade Federal de AlagoasArapiraca Alagoas Brasil

    {pedro.paiva,fabiane.queiroz}@arapiraca.ufal.br

    {diegolima.ufal,thiagobrunoms}@gmail.com

    Abstract. According recent research, children diagnosed with Autism SpectrumDisorder (ASD) have deficit in the development of social interaction, as well asthe ability of imagine scenarios or situations, and solve logical everyday pro-blems. Augmented reality (AR) with markers is a tool to simulate the immersionof virtual objects in real environments by rendering virtual elements using QRCodes (Quick Response Codes). In this work, we propose an AR applicationwhere autists can play a serie of assotiation games used to stimulate the sym-bolic reasoning and the social relationship as part of the treatment of childrenwith autism.

    Resumo. Pesquisas indicam que criancas diagnosticadas com Transtorno doEspectro Autista (TEA) possuem um profundo deficit no desenvolvimento dainteracao social, na habilidade de imaginar cenarios ou situacoes e resolverproblemas logicos do cotidiano. A realidade aumentada e capaz de simulara imersao de objetos virtuais em ambientes reais alem de propiciar atividadesem grupo atraves da renderizacao de elementos utilizando QR Codes (QuickResponse Codes). Neste artigo propomos o desenvolvimento de uma aplicacaocontendo uma serie de jogos de realidade aumentada capaz de estimular aimaginacao e o relacionamento social como parte do tratamento de criancascom autismo.

    1. IntroducaoDe acordo com o National Institute of Mental Health (NIMH) [DNI 2013], uma criancaautista e aquela que desenvolve desordem mental chamada coletivamente de Transtornodo Espectro Autista (TEA). Pacientes diagnosticados com TEA sao acometidos por pro-blemas de comunicacao e interacao social de multiplo contexto, esses fatos prejudicamo desenvolvimento destas criancas uma vez que durante a construcao do intelecto de umindivduo e fundamental que o mesmo seja estimulado a raciocinar de forma simbolicae manter relacionamentos com os demais [Piaget 1951] fazendo com que seja possvelcompreender situacoes vividas por outras pessoas, o que influencia de forma profunda avida adulta [Baron-Cohen et al. 1985].

    Estudos indicam que atividades em grupo realizadas entre criancas com TEA re-sultam em aumento na area da comunicacao e diminuicao de problemas comportamentais

  • [Kok et al. 2002]. Gonzalez et al. [Gonzalez-Lopez and Kamps 1997] constataram quedurante estas atividades a frequencia media das interacoes aumentou quando foi introdu-zido o treinamento das habilidades sociais e do reforco positivo das interacoes.

    A realidade aumentada (RA) e um conceito inovador, que combina a cap-tura de imagens com a projecao de figuras em 3D. O efeito dessa combinacaode elementos graficos e uma maior interatividade entre o usuario e o computador[Prass 2011] e um enriquecimento de cenarios reais atraves da adicao de informacao vir-tual [Vullamparthi et al. 2013]. No contexto de realidade aumentada com marcadores,que sao especies de codigos de barra bidimensionais no qual estao associados valores ouinformacoes especficas, torna-se possvel inserir entradas opticas reconhecveis por sis-temas de RA que, por sua vez, ao identificarem tais entradas no cenario real, renderizamos objetos virtuais desejados.

    Este artigo propoe uma ferramenta de realidade aumentada com marcadores paraser utilizado durante a terapia de criancas com autismo. Tal ferramenta propoe estimularnas criancas tanto a capacidade de desenvolver um raciocnio simbolico, quanto a capaci-dade de desenvolver atividades em grupo. Para tanto foi feito o uso de jogos de associacaode formas e cores, formacao de palavras e resolucao de pequenas expressoes numericas,onde os jogadores (criancas com diferentes graus de autismo) terao que se comunicar einteragir a fim de se posicionarem da forma correta em frente a uma camera e um monitore, por fim, concluir a atividade, ordenando-se de forma a reproduzir uma sequencia dereferencia.

    1.1. Trabalhos Relacionados

    Criancas neurotpicas (ou seja, criancas que nao apresentam disturbios significativosno funcionamento psquico), costumam brincar com objetos diversos e associar a elesrepresentacoes ludicas como, por exemplo, induzir que um bloco de madeira qual-quer e um carro de brinquedo ou uma nave espacial, isso e chamado de PretendPlay [Piaget 1951]. Autistas apresentam dificuldade em brincadeiras simbolicas, muitasvezes apenas imitando o comportamento de terceiros perdendo assim a espontaneidadecaracterstica desta atividade [Jarrold et al. 1993]. As implicacoes dessa comprovacaocorroboram o fato de criancas diagnosticadas com TEA possurem dificuldade em jogosimaginativos.

    Em pesquisas recentes desenvolvidas pela Universidade de Cambridge[Baldwin 2013], observou-se que criancas autistas tem uma enorme dificuldade de ima-ginar por muito tempo objetos e situacoes em geral. E para que elas possam desenvolveresse tipo de habilidade, a sugestao para ir de encontro ao problema e que, elas devemincorporar, de alguma forma, os objetos virtuais em seu mundo real, assim aprendendoa manter uma relacao de intersecao entre esses dois mundos. Em trabalho recente, Baiet al. [Bai et al. 2015] partiram da hipotese de que, uma vez que a realidade aumentadaconsegue imergir em um ambiente real objetos virtuais, atividades com essa tecnologiaaumentariam o grau de raciocnio simbolico em atividades de Pretend Play, onde objetosreais e imaginarios fazem parte da terapia. Neste trabalho, foi proposto um ambiente fsicofixo para que a terapia fosse executada utilizando recursos de RA a fim de se desenvolveratividades individuais com as criancas. Como resultado deste trabalho, apesar de algumascriancas apresentarem dificuldade em interagirem com os objetos virtuais, foi identificado

  • na amostra testada que houve um aumento significativo na frequencia, duracao, engaja-mento e satisfacao na realizacao das atividades. No entanto, tambem foram apresentadaslimitacoes como:

    O primeiro contato com a realidade aumentada e um fato pouco estimulante paraas criancas; Nenhum estmulo social foi gerado ja que a atividade era individual.

    Escobedo et al. [Escobedo et al. 2014] atacam a dificuldade de criancas autistasprestarem atencao em um fato isolado e manterem-se focadas em suas atividades duranteum perodo prolongado de tempo. Metodos terapeuticos tradicionais enfrentam muitosproblemas em manter o foco das criancas, o uso de RA busca aumentar o tempo deatencao das criancas alem de provocar boas emocoes durante a terapia. Foi entao elabo-rado um sistema que utiliza objetos identificaveis espalhados por um determinado espacofsico e estes, ao serem observados atraves de um visor de dispositivo movel, recom-pensa a crianca com estmulos auditivos e visuais. Smartphones foram usados como vi-sor, permitindo que a crianca explore o ambiente sem a necessidade de uma sala especial.Foi observado que ao se comparar o sistema desenvolvido com as tecnicas terapeuticasja utilizadas com as criancas testadas houve descoberta do ambiente e de objetos alemda identificacao dos mesmos; aumento na atencao seletiva de modo duradouro, mesmohavendo distracao; aumento de interacao com pessoas e objetos; aumento de emocoespositivas; relaxamento e paciencia; tolerancia com outros e diminuicao do estresse. Talqual o trabalho desenvolvido por Bai et al. [Bai et al. 2015], foi possvel verificar nestetrabalho, que mesmo alcancando seus objetivos de estudo, nao e possvel inferir algumtipo melhora no convvio social, uma vez que as atividades sao desenvolvidas de maneiraindividual.

    Como foi possvel observar, numerosos recursos voltados para o acompanha-mento individual das criancas com autismo, utilizando realidade aumentada tanto em dis-positivos moveis quanto em ambientes fsicos pre-preparados com recursos fixos, temse mostrado poderosas ferramentas de auxlio a` educacao/tratamento dessas criancas.Porem pouco se fala sobre ferramentas desenvolvidas com o objetivo de realizar acompa-nhamentos de criancas, incentivando-as a participarem de atividades em grupo. Comoja foi levantado, uma caracterstica marcante dos autistas e a inabilidade para inte-ragir socialmente com outras pessoas, eles acabam isolando-se do mundo exterior ecamuflando-se, recusando-se do contato com os outros, inclusive no nvel da voz e doolhar ([Drummond 2010]). O trabalho aqui proposto apresenta uma forma de se utili-zar recursos de RA para desenvolver tanto o raciocnio simbolico como a capacidade dascriancas em interagirem para realizarem atividades em grupo.

    2. Desenvolvimento da FerramentaA ideia principal deste trabalho e criar um ambiente fsico em uma sala multimdia, quepossua recursos audiovisuais fixos que sejam dedicados a atividades vinculadas ao tra-tamento de criancas autistas. Assim, os recursos dispostos na sala, auxiliados por umsoftware que utiliza a realidade aumentada compoe uma unica ferramenta proposta paraauxiliar na terapia de criancas autistas com foco nos problemas apresentados: Desenvol-vimento tanto do raciocnio simbolico quanto da capacidade de participar de atividadesem grupo.

  • Pra alcancar os objetivos propostos, foi desenvolvido um sistema utilizando, ini-cialmente, bibliotecas existentes para rastreamento de marcador optico para renderizaros objetos virtuais em tempo real no vdeo. Dentro de um cenario ludico enriquecidocom informacoes virtuais, as criancas terao que desenvolver atividades em grupo intera-gindo com o software. Inicialmente, essas atividades irao se tratar de simples jogos deassociacao de cores, formas, identificacao de objetos, entre outros.

    Sendo assim, o sistema foi desenvolvido utilizando a biblioteca Aruco[ARU 2014] para rastreamento dos marcadores opticos e aliadas a ela outras bibliote-cas como OpenGL [GL 2015] e OpenCV [CV 2015], para renderizar objetos virtuais epara tratar imagens, respectivamente.

    A hipotese inicial e a de que as criancas autistas poderao fazer uso de marcadorespara realizar as atividades dispostas. Assim, os marcadores para a biblioteca poderao serimpressos em folhas de diversos tamanhos (frente e verso) e distribudos entre as criancas,que serao orientadas a executar a sequencia que e mostrada no vdeo e, dessa forma, elasterao que se comunicar entre si para conseguir o resultado desejado.

    O desenvolvimento da ferramenta seguiu um fluxo iterativo incremental de formaque requisitos funcionais foram adicionados gradativamente de acordo com as necessi-dades especficas do publico-alvo, dessa forma as necessidades das criancas nortearama implementacao da ferramenta aqui proposta. A abordagem inicial foi de se utilizarmarcadores simples comumente citados na literatura (ver Figura 2(a)). Para realizar aidentificacao dos marcadores, foram utilizadas cameras de resolucoes de 1.0MP e de1.3MP , foi realizado tambem um estudo sobre a relacao entre tamanho do marcador edistancias limites para ambas as cameras, bem como as limitacoes do hardware usado.

    Com o intuito de possuir uma base de informacoes sobre as relacoes entre equi-pamentos, tamanho de impressao dos marcadores e os tipos dos mesmos, foi elaboradaa Tabela 1 contendo os valores obtidos nos testes anteriores a` escolha da configuracaoque melhor se adaptou as necessidades deste estudo. O primeiro aspecto a ser levadoem consideracao foi a resolucao da camera que capturaria os marcadores, bem como ainfluencia desse atributo nas distancias maximas e mnimas de deteccao dos marcadoresao se comparar comprimentos e areas iguais em cameras de resolucoes diferentes; outrofator que gera a oclusao dos marcadores e o angulo de rotacao do mesmo em relacao aum eixo paralelo a sua vertical, sendo assim, foi preciso obter o dado sobre o intervalo derotacao maxima dos identificadores sem obstrucao; por fim, nos era exigido o dado sobrea quantidade de marcadores que poderiam ser dispostos em uma area maxima, predefi-nida como limite ergonomico para os usuarios segurarem entre as maos, em formato detabuleiro (board), podendo ser descritas como matrizes bidimensionais contendo linhase colunas.

    A partir dos dados coletados foi suposta entao, que uma distancia entre 2.5 e 3.0metros entre marcador e camera seria suficiente para a aplicacao, para essa conclusao fo-ram adotados marcadores com area de 100cm2. A partir desse ponto tornou-se possvelsimular a usabilidade da versao e atraves de testes ficou evidente que marcadores simplesnao se adequariam ao cenario real de uso visto que a menor obstrucao dos mesmos oca-siona a perda de rastreamento, fazendo com que nao seja possvel renderizar os objetosvirtuais na posicao. Com essa constatacao foram procuradas solucoes para o problema,

  • dentre elas foram implementados:

    Uso do Filtro de Kalman [Sorenson 1960] a fim de prever as possveis posicoesdo marcador obstrudo; Utilizacao de multimarcadores, tolerantes a obstrucao parcial.

    Com a finalidade de suavizar o problema da perda da renderizacao dos objetos, ofiltro de Kalman foi utilizado para prever possveis posicoes do marcador, tentando me-lhorar a qualidade da persistencia do objeto sendo renderizado. Tal filtro trata-se de ummetodo estatstico criado por Rudolf Kalman cujo objetivo e utilizar observacoes de gran-dezas realizadas ao longo do tempo (contaminadas com rudo e outros erros de origemaleatoria) e produzir resultados que tendem a se aproximar dos valores reais de tais gran-dezas. O filtro de Kalman cria estimativas dos valores reais das observacoes predizendoum valor, estimando o erro do valor predito e calculando uma media ponderada entre ovalor predito e o valor da observacao. A Figura 1 ilustra um exemplo de como funciona ofiltro de Kalman, com base nas observacoes representadas pelos pontos em azul.

    Figura 1. Predicao do filtro de Kalman - Exemplo.

    Alem da implementacao do Filtro de Kalman, foi feito o uso de multimar-cadores (ver Figura 2(b)) que fazem parte da biblioteca ArUco, fazendo assim comque uma oclusao em nveis menores a 85% sejam irrelevantes para o rastreamento[Garrido-Jurado et al. 2014]. Essa preocupacao com a obstrucao do marcador e a per-sistencia da renderizacao dos objetos virtuais no cenario real se deu pelo fato da ferra-menta ser voltada para criancas que apresentam naturalmente a caracterstica de perderemo interesse na atividade muito rapidamente. Com um grande numero de falhas sucessivasna renderizacao dos objetos a atividade teria uma maior chance de se tornar desinteres-sante.

    O desenvolvimento de todas as etapas do sistema esta tendo acompanhamentode psicologos do TRATE [TRA 2011], que e um espaco de acolhimento a criancas comautismo e atende, exclusivamente, pelo Sistema Unico de Saude (SUS), inaugurado, re-centemente, em 2011, e esta localizado na cidade de Arapiraca, em Alagoas. A pretensaoe que o desempenho das criancas apos a interacao com as atividades previstas no sistema

  • venha a ser avaliado por especialistas e profissionais da area, validando assim a ferramentadesenvolvida nesse trabalho.

    A Figura 3 ilustra algumas telas do sistema, com diversos jogos associativos rela-cionados a formas, cores e sequencia de caracteres (que podem incluir formacao de curtaspalavras). Os jogos sao basicamente atividades de associacao de cores (ver Figura 3(a)),formas (ver Figura 3(b)) e letras (ver Figura 3(c)) onde o objetivo e ordenar os elementosrenderizados nos marcadores segundo o exemplo mostrado. Para isso os jogadores deveminteragir entre si com a finalidade de se colocarem nas posicoes corretas, quando issoocorre, uma mensagem de parabenizacao e mostrada (ver Figura 3(d)).

    Devido a esta pesquisa ser realizada em parceria com a clnica TRATE, foipossvel identificar caractersticas que podem ser importantes para avaliacao do desempe-nho das criancas autistas durante as atividades com o sistema proposto, como quantidadede acertos e erros ocorridos nos jogos; o numero de desistencias (que pode ser identifi-cado atraves da perda de rastreamento de um ou mais marcadores por perodos de tempoacima de um limiar pre-definido); alem do tempo gasto na realizacao da atividade. Taiscaractersticas podem ser levantadas automaticamente pelo sistema de modo a gerar parao profissional que acompanha os pacientes na atividade algumas estatsticas uteis sobrea evolucao do tratamento. Apos liberacao do comite de etica em pesquisa, as atividadesserao apresentadas aos pacientes do TRATE.

    (a) (b)

    Figura 2. (a) Marcador unico, comumente utilizado em RA e sujeito a problemasde obstrucao e perda de rastreamento. (b) Marcador formado por multimarcado-res. Esse tipo de marcador assegura que para que haja perda de rastreamento,mais de 80% do mesmo precisa estar obstrudo.

    3. Conclusoes e Trabalhos Futuros

    Este trabalho apresentou uma proposta de uma ferramenta computacional que utiliza re-cursos de Realidade Aumentada (RA) para auxiliar no tratamento de criancas autistas.

    Diferentemente das propostas do estado da arte (cujo foco principal e utilizar re-cursos computacionais para auxiliar no tratamento individual de criancas autistas), estetrabalho propoe uma ferramenta de RA cujo foco se atem ao desenvolvimento do ra-ciocnio simbolico e ao estmulo para a realizacao de atividades em grupo.

    Tal sistema tem por objetivo funcionar em uma sala multimdia dedicada queatenda as necessidades reais de criancas autistas durante suas terapias para que estas de-senvolvam as habilidades que geralmente possuem dificuldade em adquirir. As atividades

  • (a) (b)

    (c) (d)

    Figura 3. (a) Exemplo de associacao de cores, utilizando cubos de mesmo for-mato. (b) Exemplo de associacao de formas, utilizando objetos virtuais comformas diferentes e cores iguais. (c) Exemplo de associacao alfabetica. Tal jogopode ser utilizado tambem para realizar a formacao de pequenas palavras. (d)Feedback do sistema, apos a realizacao de uma atividade com sucesso.

    principais desenvolvidas neste sistema incluem jogos de associacao de cores e formas,letras, expressoes numericas e cenarios, utilizando-se objetos virtuais 3D.

    Como trabalhos futuros, tem-se a indicacao da criacao de uma interface graficamais amigavel para que a ferramenta possa vir a ser usada, posteriormente, pelos profis-sionais do TRATE. Intenciona-se tambem a insercao de estatsticas geradas automatica-mente pelo sistema, de forma a ajudar o profissional a acompanhar mais precisamentea evolucao das criancas nas atividades. Ademais, tem-se o objetivo de adicionar aoscenarios renderizacoes nao-fotorealsticas em estilos de cartoon e aquarela a fim de dei-xar o ambiente mais ludico.

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  • Tabela 1. Testes realizados na avaliacao de tamanhos de marcadores edistancias da camera, de modo a definir distancias mnimas e maximas no qualas criancas poderao ficar da camera.

    ResolucaoTamanho Lateraldo Marcador Area do Marc. Distancia Min. Distancia Max. Angulo de Rotacao Board (linha x coluna)

    1.0 MP 3.5cm 12.25cm2 0.06 metros 0.74 metros 90 5 x 5 = 25 marcadores1.0 MP 6cm 36cm2 1.85 metros 90 4 x 5 = 20 marcaodres1.0 MP 8cm 64cm2 2.33 metros 90 3 x 4 = 12 marcadores1.0 MP 10cm 100cm2 3.21 metros 90 2 x 3 = 6 marcadores1.0 MP 17.5cm 306.25cm2 0.35 metros 3.86 metros 90 1.0 MP 25.2cm 640.09cm2 0.35 metros Acima de 20 metros 90 1.3 MP 3.5cm 12.25cm2 0.13 metros 1.01 metros 90 5 x 5 = 25 marcadores1.3 MP 6cm 36cm2 1.11 metros 90 4 x 5 = 20 marcadores1.3 MP 8cm 64cm2 1.62 metros 90 3 x 4 = 12 marcadores1.3 MP 10cm 100cm2 2.40 metros 90 2 x 3 = 6 marcadores1.3 MP 17.5cm 306.25cm2 0.49 metros 5.70 metros 90 1.3 MP 25.2cm 640.09cm2 0.70 M Acima de 20 metros 90

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