CC BY
64
Образовательная среда
АУДИТОРНАЯ СТЕРЕОСКОПИЯ - ЭТО РЕАЛЬНОСТЬ
О.Д. Авраамова, к.ф.-м.н., с.н.с., зав. лаб. информационных систем Тел. (095)939-20-42, E-mail olga@srcc.msu.ru Г.Г. Рябов, д.т.н., чл.-корр РАН, зав. лаб. компьютерной визуализации Тел. (095)939-53-91, E-mailggr@srcc.msu.ru Научно-исследовательский вычислительный центр МГУ им. М.В.Ломоносова
http://www.srcc.msu.ru/
In this paper we describe a Windows-based interactive software complex which allows to produce stereoscopic representation of VRML-scenes for shared virtual reality environments based on standard hardware.
Введение
Технологии виртуальной реальности до сих пор обходили среднюю и высшую школу стороной из-за высокой стоимости воплощающих их решений. Причем дорогими являлись и аппаратное, и прог-рамммное обеспечение. Мы хотели бы обсудить возможность создания учебных комплексов виртуальной реальности на основе общедоступных аппаратных компонентов и открытых форматов трехмерной графики.
Открытое образование подразумевает не только доступность учебных материалов. Открытое образование в более широком смысле - это и учет особенностей восприятия разных людей; это и свобода самовыражения для преподавателя. В этих аспектах возможность погружения в созданную при помощи компьютера виртуальную среду открывает огромные возможности для процесса обучения. Эмоциональное вовлечение играет далеко не последнюю роль в восприятии. Виртуальная реальность может создать такое вовлечение как для яркого гуманитария, для которого непосредственное созерцание архитектурного объекта в пространстве является более естественным, чем прочтение его описания («восьмерик на четверике»), так и для привыкшего к компьютерным играм подростка. В последнем случае не будем приуменьшать роли компьютера и паракомпьютерных технологий в молодежной субкультуре, и сознание того, что демонстрируемая модель - это «круто», может стать первой ступенью к реальному увлечению молодого человека серьезным предметом.
В подтверждение этих рассуждений приведем высказывание Фредерика Брукса, автора знаменитого «Мифического человеко-месяца» и одного из начинателей использования компьютеров в научно-технической визуализации [1]: «Магия графики, поддержанная ме-гафлопами компьютерных мощностей, безусловно дает нам среду для творчества абсолютно нового рода. Мы можем создавать миры, работающие по своим собственным законам ... Эти миры могут показать нам новые истины из нашего собственного мира, посредством научного моделирования и визуализации».
Перечислим области, польза от применения технологий виртуальной реальности в преподавании которых не вызывает сомнений:
• Математика - возможность компьютерного синтеза аналитически заданных математических объектов;
• Естественно-биологический цикл - интерактивное исследование моделей физических, химических, биологических объектов;
• Художественно-эстетический цикл -виртуальные музеи, художественно-исторические реставрации, виртуальные мастерские скульптора.
Возможности языка VRML. Обретший Международный стандарт ISO/IES 147721:1997 для своей второй версии, язык моделирования виртуальной реальности (VRML) привлекает сочетанием простоты разработки на нем с впечатляющими результатами такой деятельности.
Согласно официальному определению, VRML (Vir-tual Reality Modeling Language) -"это формат файлов для описания интерактивных трехмерных объектов и миров". Он может быть использован в Интернете, в Интранет-сетях и в локальных приложениях. VRML задумывался также как универсальный формат обмена для интеграции трехмерной графики и мультимедиа. Это весьма развитый декларативный язык, позволяющий описать объекты и отношения создаваемого мира. В нем определены наиболее распространенные на сегодняшний день в 3-D приложениях семантические сущности, а именно: иерархические преобразования, источники света, возможность смены точки наблюдения, геометрические примитивы, анимация, туман, различные свойства материалов и наложение текстур. Можно выбрать цвет поверхности объекта и цвет бликов на нем, степень его прозрачности и блеска. Существует возможность поточечного построения объектов [2].
Очень широк спектр возможных приложений VRML - от простейшей иллюстрации геометрических понятий до разработки Doom-образных игр. В принципе, он может быть использован в самых разных областях - в инженерной и научной визуализации, мультимедиа-презентациях, развлекательных и образовательных продуктах, при создании вебстраниц. VRML способен представлять статические и динамические трехмерные объекты, обладающие гиперсвязями с другими средами, такими, как текст, звуки, видео и картинки. VRML-файлы могут содержать ссылки на файлы многих форматов. Так, например, JPEG, PNG, GIF и MPEG файлы могут быть использованы в качестве текстур объектов, звук может существовать в формате WAV или MIDI. В качестве встроенного языка сценариев используется ECMAScript - базовая стандартизированная версия языка JavaScript. Кроме того, узлы сценариев могут ссылаться на байт-код на языке Java. Интерактивные возможности языка VRML являются, исключительно привлекательными. Только представьте себе возможность повращать фрагмент поверхности на экране, изобразить точку заключенной в полупрозрачную окрестность, а если есть настроение, то расставить источники освещения и сопроводить все это музыкой! Заметим, что не исключено и оцифрованное речевое сопровождение. Существующие технические возможности вставки VRML-фрагмента в обучающую программу скорее всего послужат оживлению и украшению последней.
Таким образом, VRML обеспечивает технологию для интеграции двумерных и трехмерных объектов, текста и мультимедиа в когерентной модели. А когда эта среда дополняется возможностями скриптовых языков и Интернет-чертами, становится возможным абсолютно новый жанр интерактивных приложений.
Спецификация является открытой и может быть свободно получена на сервере WebSD-консорциума
(http://www.web3d.org/x3d/specifications/vrml/I SO-IEC-14772-IS-VRML97WithAmendment1/).
Создание контента. Файл VRML - это
текстовый файл открытого формата, поэтому из всех инструментальных средств разработки на VRML строго необходим лишь текстовый редактор. Однако большие и сложные, а также предметно-ориентированные модели лучше создавать специализированными средствами.
Открытый формат входного файла является важнейшей предпосылкой возникновения многообразных инструментов генерации контента. Для языка VRML реально существуют как коммерческие, так и некоммерческие продукты такого рода. Продукты компании ParallelGraphics [3] Internet Space Builder, Internet Scene Assembler, Internet Character Animator и Outline3D предназначены для архитектурного дизайна, создания трехмерных презентаций, разработки анимированных персонажей и воспроизведния интерьеров (эти инструменты не требуют знания языка VRML), VrmlPad и Extrusion Editor представляют собой инструменты для профессиональных VRML-разработчиков.
В области научно-технической визуализации в качестве примеров мы можем привести программный комплекс для генерации описаний параметрически заданных пространственных объектов на языке VRML и конвертор химических данных в язык VRML, разработанные в лаборатории информационных систем математических наук НИВЦ МГУ [4], а также средства визуализации распространения волн на дискретных решетках, создаваемые в лаборатории компьютерной визуализации того же института [5]. На рисунках (см. цв. вставку) изображены автоматически сгенерированные VRML-модели винтовой линии (рис.1), кривой Вививани (рис2), геликоида (рис.3) и поверхности Эннепера (рис.4), а также дискретной 3D-окрестности (рис.5).
Вполне вероятно, что многие другие средства создания VRML-контента могут быть
или уже разработаны специалистами в разных предметных областях.
Подчеркнем следующие важные свойства VRML-моделей:
• Независимость результирующего файла от компьютерной платформы;
• Возможность интерактивного исследования вне среды разработки.
Воспроизведение VRML-файла. VRML разрабатывался прежде всего для Интернета, поэтому, конечно же, созданный нами мир может быть помещен в Интернет. Программы визуализации виртуальных миров встроены в основные веб-браузеры, кроме них, существует ряд VRML-клиентов независимых производителей, также распространяемых бесплатно, как, например, VRML-браузер Cortona фирмы ParallelGraphics [3], или даже входящих в категорию программ с открытым исходным кодом (FreeWRL [http://freewrl. sourceforge. net/]).
Понятно, что VRML-файл может быть воспроизведен и на не подключенном к Интернету компьютере.
VRML может служить входным форматом для ряда графических пакетов. Утилиты импорта из формата VRML существуют во многих инструментальных средствах трехмерной графики и анимации. Таким образом, путь "программа генерации сложной геометрической поверхности - файл VRML - программа 3D Studio Max" является реальной возможностью создания точных и качественных изображений функционально заданных пространственных объектов.
Авторы предлагают использовать VRML как основу решения для аудиторной стереоскопии. О сущности этого решения будет рассказано ниже, а пока хотелось бы выдвинуть (уже подтвержденный практикой) тезис о том, что методология визуализации для научных и образовательных целей должна основываться на четком разделении средств описания трехмерной сцены, средств генерации сцены на основе научно-технических данных и средств ее отображения. Такое разделение возможно, конечно же, только при использовании открытых стандартов трехмерной графики.
Аудиторная стереоскопия и системы виртуальной реальности. Для создания системы виртуальной реальности необходимо, прежде всего, стереоскопическое воспроизведение геометрии сцены.
Физиологические основы создания стереоизображения просты: нужно сформировать отдельное изображение для каждого глаза. За счет разницы параллаксов разных объектов
изображение приобретает глубину. Реализовать же это разделение образов можно при помощи самых разных физических принципов.
В шлемах виртуальной реальности для каждого глаза используется просто отдельный небольшой экран.
При активной стереоскопии используются очки с т.н. оптическими затворами, а изображение выводится на экран монитора для каждого глаза поочередно, синхронно с открытой фазой правой или левой линзы соответственно. При достаточно большой частоте чередования кадров картина для каждого глаза воспринимается непрерывно, и таким образом создается стереоэффект. Иногда этот способ называют еще мультиплексированием по времени.
При поляризационном мультиплексировании используется графическая карта с двумя видеовыходами, изображение с которых подается на проекторы с установленными перед ними поляризационными фильтрами. Через эти фильтры изображение проецируется на экран, снабженный специальным не-деполяризирующим покрытием. Аудитории предлагается надеть очки, поляризация каждой линзы которых совпадает с поляризацией фильтра, предназначенного для одноименного глаза. Таким образом, световой пучок, сохраняя свою поляризацию, попадает в отведенный для него глаз.
Оборудование подобного комплекса в минимальной конфигурации состоит из компьютера, оснащенного видеокартой с двумя выходами, двух идентичных проекторов, двух поляризационных фильтров с разной поляризацией, экрана со специальным покрытием и набора весьма недорогих очков для всей аудитории.
Нужно отметить, что существует целый ряд аппаратных комплексов, реализующих описанные принципы (см. [б]), и разработано соответствующее программное обеспечение [7]. (В настоящее время Avocado переименован в Avango). Avango работает под управлением операционной системы Linux и в качестве формата описания сцены использует Open Inventor. Использование Unix-платформы отчасти объясняется исторически: применяется библиотека OpenGL, изначально возникшая на станциях Silicon Graphics.
На взгляд авторов, логичным шагом было бы дополнить стандартные аппаратные компоненты программным обеспечением на базе стандартных же составляющих. В настоящей работе предлагается решение для операцион-
ной системы Windows, а форматом входного файла служит VRML97, формат, утвержденный международным стандартом ISO/IEC 14772-1:1997.
Нужно отметить, что использование VRML как входного формата для систем виртуального окружения уже предлагалось в работе [8], но там ценой такого решения становился отказ от стереоскопии.
Естественно, больший интерес представляет не статическое стереоскопическое изображение, а возможность интерактивного исследования виртуальной сцены. Тут мы должны вспомнить, что эта задача - навигация в виртуальном мире - успешно решена в целом наборе продуктов, а именно, в VRML-браузерах . По качеству рендеринга и полноте реализации спецификации VRML97 среди них выделяется VRML-браузер Cortona фирмы ParallelGraphics. Заметим, что решение для активной стереоскопии - с использованием присоединенных к специальному разъему графической карты стереоочков - является в этом продукте встроенным. Для задач же учебного процесса более актуальным является решение на основе именно аудиторной (поля-
ризационной) стереоскопии, реально позволяющее демонстрировать стереоизображение всем находящимся в аудитории одновременно.
Нужно отметить, что фирма ParallelGraphics выпускает Cortona SDK (Software Development Kit), позволяющий встраивать окно VRML-сцены в программу как ActiveX-компонент. (Cortona SDK нужен только на компьютере разработчика. На компьютере конечных пользователей должен быть установлен свободно распространяемый VRML-браузер Cortona (www.parallelgraphics. com)). При этом предоставляется COM-интерфейс для обращения к объектной модели браузера. Управляющими языками могут служить Visual Basic, HTML, различные реализации C++, Borland Delphi. В частности, для нескриптовых языков открыт интерфейс I3DViewService3, позволяющий работать с положением пользователя в виртуальном мире. Среди доступных через этот интерфейс для чтения и установки параметров - положение точки зрения аватара (виртуального путешественника).
Для генерации стереопары нам нужно создать изображение одной и той же виртуальной сцены со слегка различных по горизонтальной оси точек зрения. Если при последующем перемещении в виртуальном мире нам удастся синхронизировать их изменение, то задача будет решена. Для покадровой синхронизации удобно воспользоваться программой на каком-либо внешнем языке программирования, к описанию которой мы и перейдем.
Рис. 6
Программный комплекс реализован в среде Borland Delphi 6.0. Использовалась видеокарта ASUS AGP-V8420, DVI-выход которой при применении специального адаптера может быть превращен во второй VGA-выход. Расположение окон программы на расширенном рабочем столе Windows представлено на рис. 6.
В нижнем окне расположены элементы управления, позволяющие создавать окна сцены и загружать туда VRML-файлы. Расстояние по горизонтали между окнами сцены
должно быть таково, чтобы на проекционном экране они точно накладывались друг на друга, поэтому предусмотрен выбор возможного разрешение проектора - 800x600 или 1024x768. Для зрителя, не надевшего поляри-зирующие очки, изображение на экране будет слегка размытым (рис. 7)._
VJr
% о____©_о
Рис. 7
Напомним, что точка наблюдения (или камера в терминологии более ранних версий VRML) определяется не только своими координатами в геометрии сцены, но и направлением взгляда виртуального путешественника. По умолчанию камера смотрит в отрицательном направлении по оси Z, при этом положительное направление оси X находится по правую руку наблюдателя, а положительная полуось Y смотрит строго вверх. Парадигма же навигации в виртуальном мире такова, что при изучении какого-либо объекта со всех сторон этот объект сохраняет свое положение в геометрии сцены, а аватар совершает облет вокруг него. Меняется не только положение путешественника, но и направление его взгляда, то есть он совершает вращение. Сдвиг же точки зрения правого глаза относительно левого должен происходить по горизонтали (т.е. по оси X) в локальных координатах пользователя. К счастью, интерфейс I3DViewService3 возвращает образы трех ор-
тов связанного с путешественником репера. В совокупности они и дают нам матрицу поворота. Умножив на нее вектор (П,0,0), где □ -расстояние между зрачками аватара, мы получим вектор сдвига точки наблюдения для отображения второй сцены. «Бегунок» в нижней части управляющего окна предназначен для регулирования расстояния между точками зрения обеих сцен.
Навигация осуществляется только в одном окне (левом). Дальше используется компонент TTimer, по сигналу которого положение наблюдателя второй сцены синхронизируется, с учетом изложенных выше поправок, с положением наблюдателя первой. При достаточной частоте генерации сигнала перемещение отображается вполне гладко.
Нужно сказать несколько слов об организации освещения VRML-сцены. Рекомендуется отказаться от использования HeadLight -источника освещения, всегда находящегося в месте расположения аватара. Поскольку для каждой из сцен расположение аватара будет своим, освещение сцен тоже будет слегка различным, что снизит реалистичность итогового изображения. В установках навигатора сцены (узел NavigationInfo) нужно задать headLight FALSE, а вместо него следует программным образом создать независимые источники освещения в каждом файле. Их жестко заданное расположение в геометрии виртуальной сцены уже не будет зависеть от точки зрения ава-тара, что соответствует объективным условиям физического освещения.
Предлагаемое решение используется в экспериментальном центре визуализации НИВЦ МГУ, созданном при поддержке РФФИ.
Авторы выражают благодарность компании ParallelGraphics за предоставленную возможность использовать Cortona SDK.
Литература
1. F.Brooks. Lecture delivered at acceptance of ACM Allen Newell Award. Comm. ACM, 1996.-V.39. -№3. -Р. 61-68.
2. О.Д.Авраамова. Язык VRML. Практическое руководство. -М., Диалог-МИФИ, 2000.
3. http://www.parallelgraphics.com.
4. О.Д.Авраамова. Технологии виртуальной реальности в математическом образовании. Всероссийская конференция "Математика и общество. Математическое образование на рубеже веков". Дубна, сентябрь 2000 г. - М.: МЦНМО, 2000. -С. 306-308.
5. Г.Г.Рябов. Маршрутизация на решетчатых структурах/Вычислительные методы и программирование.- М., Изд-во МГУ. -Т.5. -№ 1. -2004.
6. Virtual Environment Laboratories Based on Personal Computers: Principles and Applications. Petr Brusentsev, Maxim Foursa, Pavel Frolov, Igor Nikitin, Lialia Niktina, Sergey Matveyev, Stanislav Klimenko. Proc. Of 2nd Int. Workshop on Virtual Environment on PC Cluster, VEonPC'2002, ICPT, Protvino, 2002. -Р.6-14.
7. Henrik Tramberend. Avocado: A Distributed Virtual Reality Framework, Proc of the IEEE Virtual Reality, 1999
8. Florian Hetmann, Rainer Herpers, Wolfgang Heiden, The Immersion Square -Immersive VR with Standard Components. Proc. Of 2nd Int. Workshop on Virtual Environment on PC Cluster, VEonPC'2002, ICPT, Protvino, 2002. -Р.23-31.
АНАЛИЗ УСЛОВИЙ АДАПТАЦИИ ИЗУЧЕНИЯ СВАРОЧНЫХ НАУК К ЕВРОПЕЙСКОЙ КРЕДИТНО-МОДУЛЬНОЙ
СИСТЕМЕ ОБРАЗОВАНИЯ
С.Н. Попов, к.т.н, доц. Тел.: +380 (612) 64-74-19 Д.А. Антонюк,
Тел.:+380 (612) 34-32-93, E-Mail: oasd@mail.ru каф. Оборудования и технологии сварочного производства Запорожский национальный технический университет http://zntu.edu.ua/
The analysis of adaptation conditions of new perspective educational technologies is resulted at introduction in the field of welding and adjacent sciences in context Bologna process on the basis of the European credit - modular system (ECTS). The experimental programs of students training for a highest level - bachelors, experts, masters on faculty «the Equipment and technology of welding production» of the Zaporozhye national technical university In view of requirements ECTS are offered.
Динамичные процессы интеграции стран Европы в экономической и политической сферах с объединением в Европейский Союз вызывают необходимость создания нового единого Европейского образовательного и научного пространства (EHEA - «Европейская зона высшего образования», ERA - «Европейский научно-исследовательский простор»), которое позволяло бы обеспечивать адаптацию систем образования одной страны с другими странами. Это даст возможность студентам, преподавателям и ученым не зависимо от страны обучения, получать и совершенствовать квалификацию в разных учебных заведениях, подтверждающуюся единым международным сертификатом. В настоящее время все более становиться очевидным, что технические кадры в области сварочного производства и нанесения покрытий, которые готовились как специалисты для работы в какой-либо од-
ной производственно-технологической системе, не могут полностью удовлетворить потребности современных промышленных предприятий и на-учно-исследователь-ских центров, находящихся в разных странах Евросоюза. Поэтому возникает необходимость в разработке программ, позволяющих готовить высшие технические кадры на основе требований европейской системы (БСТ8). Перспективы адаптации методик образования наиболее актуальны в контексте интенсивно развивающегося Болонского процесса, направленного на сближение европейских стран в формировании единого европейского образовательного пространства. Анализ интеграционных связей в области сварки и родственных направлений между ведущими странами в этих направлениях (Великобритания, Германия, Франция, Австрия, Италия, Бельгия, Швеция, Испания) показал, что Украина не является исключени-
