CC BY
114
УДК 004.5
ЭБ-ТЕХНОЛОГИИ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ И НАУЧНО-ПОЗНАВАТЕЛЬНОЙ СФЕРАХ
Федоренко Наталья Михайловна
доцент кафедры информатики и информационных технологий, кандидат технических наук, доцент Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова 127550 Россия, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 2А п_т _fedorenko@mail.ru
Петрова Валентина Владимировна
доцент кафедры информатики и информационных технологий, кандидат технических наук, доцент Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова 127550 Россия, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 2А vvpetrova@yandex. гы
Рубенштейн Лев Олегович
студент кафедры информатики и информационных технологий Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова 127550 Россия, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 2А levik77794@mail. гы
Аннотация. Рассматриваются самые распространенные типы 3D-технологий, а также использование этих технологий в учебном процессе и исследованиях NASA.
Ключевые слова: 3D-технологии, анаглиф, стереотехнологии, стереоскопия.
В век высоких технологий и всеобщей компьютеризации практически всех сфер жизни человека информатизация образования, к сожалению, все еще находится на критически низком уровне. Информационные технологии обеспечивают повышение качества подготовки будущих специалистов, позволяя обучать навыкам и умениям, ранее невозможным в силу неразвитости технологий, а также способствуют оптимизации предоставления учебного материала, тем самым повышая эффективность обучения. В частности, таковыми являются 3D-технологии.
Во всем мире технологии, которые позволяют видеть объемные изображения 3D на плоском экране, называются стереоскопическими (stereoscopic) или 3D-стереоскопическими технологиями. Основным принципом всех современных 3D-стереотехнологий является разнесение изображения отдельно для каждого глаза. В жизни мы видим каждым глазом чуть иную картинку, которая отличается на небольшой угол зрения. Соответственно, мы получаем две слегка различающиеся картинки, которые наш мозг восстанавливает в одну объемную стереоскопическую картинку. Таким образом, 3D-стереоизображение формируется именно мозгом.
Когда мы смотрим обычный телевизор или смотрим на экран, каждому глазу показывается одинаковая картинка, и не возникает объемного стереоэффекта. Для решения этой задачи был открыт принцип стереоскопии, который заключается в том, что при показе каждому глазу специально подготовленной отдельной картинки человек начинает видеть объемное 3D-стереоизображение.
В настоящее время в мире развивается несколько технологий отображения видеопотока в формате 3D-стерео. Каждая 3D-технология имеет свои достоинства и недостатки.
Одной из самых первых технологий, получивших широкое распространение, является технология цветового разделения изображения для левого и правого глаза (аниграфическое разделение). 3D-технологии анаглиф используют разные цвета для каждого кадра видеопотока. Традиционно в стереоскопических технологиях левое изображение преимущественно красного цвета, а правое — синего. Стереоочки для наблюдения тоже имеют соответствующие светофильтры (красный и синий).
Преимущества 3D-технологии цветового разделения: низкая стоимость технологии, простота использования стереоскопии и отсутствие специальных требований к применяемым для отображения мониторам или проекторам.
Недостатки 3D-технологии анаглиф цветового разделения: искажения в отображении цветов, плохое качество стереоскопии и быстрая утомляемость глаз. Стереотехнология анаглиф (цветового разделения) активно применяется для отображения статических 3D-изображений в 3D-фотографии. В настоящее время данная технология заменяется более современными стереоскопическими технологиями, хотя в применении к данному проекту может быть достаточно легко реализована с помощью использования базовых функций среды разработки.
Продолжением технологии англиф является стереоскопическая технология цветового разделения внутри спектра цветов (1пШ:ес). В 3D-технологии цве-
тового разделения внутри спектра цветов изображения для левого и правого глаза используют разные цвета (анаглифическое разделение), но в данной 3D-технологии разделение происходит не на красный и синий, а на отдельные полоски внутри спектра этих цветов. Данная особенность стереоскопической технологии позволяет повысить качество стереоизображения и избежать искажения цветов.
3D-очки, применяемые в данной стереотехноло-гии, тоже имеют соответствующие светофильтры, однако они очень сложны, так как должны разделять спектр цветов.
Преимущества 3D-технологии цветового разделения внутри спектра (Infitec): высокое качество стереоскопии и отсутствие специальных требований к применяемым для отображения экранам.
К недостаткам стереотехнологии цветового разделения внутри спектра можно отнести небольшое искажение в отображении цветов, дороговизну 3D-очков, наличие специальных требований к 3 D-оборудованию. К тому же данная 3D-технология требует достаточно много места для размещения 3D-оборудования. Именно поэтому основное применение технология Infitec нашла в 3D-кинотеатрах.
В 3D-технологии поляризационного разделения два изображения разделяются с помощью поляризации света (линейная или круговая поляризация). Они проецируются на специальный экран (3D-серебряный экран), не меняющий поляризации падающего света. Направления поляризации фильтров подобраны таким образом, что каждый глаз видит только предназначенное для него изображение. 3D-технология поляризационного разделения применяется в проекционных 3D-EVENT системах, специальных мониторах, 3D-кинотеатрах.
Преимущества 3D-поляризационной технологии: высокое качество 3D-эффекта, возможность использования проекционных систем для большого числа зрителей, наиболее комфортное решение для длительного просмотра 3D-стерео.
Недостатки стереоскопической технологии поляризационного разделения: незначительные несовершенства при разделении изображений из-за рассеивающих свойств экрана, 3D-оборудование для стереоскопической технологии требует места для размещения, сложность установки и настройки оборудования, специальный 3D-экран.
Сферой применения данной технологии являются 3D-кинотеатры, массовые 3D-показы, шоу, выставки и мероприятия, сфера науки и образования, они также предназначены для реализации сложных проектов. Именно эта технология может быть использована в качестве основной для реализации основных функций проекта и обеспечения высококачественного 3D-эффекта.
Затворная (shutterglasses) технология, использующая жидкокристаллические очки, в настоящий момент является наиболее распространенной 3D-технологией для дома и бизнеса. Основными производителями 3D-очков для данной технологии являются NVidia (очки 3D VISION), Xpand (очки Xpand). В
ближайшее время прогнозируется появление очков и от других крупнейших компаний-производителей.
В 3D-технологии затворного разделения изображения для левого и правого глаза проецируются на экран по очереди, для наблюдения используются 3D-очки, стекла которых затемняются синхронно с подаваемым изображением.
3D-технология затворного разделения применяется для домашних и бизнес-решений, для выставок, презентаций и др. Для данной технологии требуются специальные 3D-мониторы или 3D-проекторы, поддерживающие технологию синхронизации в 120 Гц. Все больше новых мониторов и проекторов поддерживают данную технологию. Это мониторы Samsung, ViewSonic, Acer и другие, а также проекторы BenQ, ViewSonic, Mitsubishi и Acer.
Преимущества стереоскопической технологии затворного разделения: высокое качество 3D-изображения, простота установки и настройки, поддержка многих производителей, доступность и возможность интеграции сложных 3D-систем.
Недостатки 3D-технологии затворного разделения: специальные требования к 3D-оборудованию (высокая частота 3D-монитора/3D-проектора - 120 Гц), дорогие 3D-очки и низкая пригодность для проведения массовых мероприятий.
Для полного отвлечения и погружения в виртуальность используются видеоочки и шлемы виртуальной реальности. В данной 3D-технологии используются видеоочки с поддержкой 3D — это специальные видеоустройства, которые надеваются на голову. В данной стереотехнологии изображение для левого и правого глаза выводится на два LCD-дисплея, размещенных прямо перед каждым глазом зрителя на близком расстоянии. LCD-дисплеи имеют маленький размер и невысокое разрешение, но с близкого расстояния эти дисплеи выглядят как большой киноэкран. Примерами устройств, реализованных на данной технологии, являются 3D-видео очки Cinemizer OLED от компании Carl Zeiss и видеоочки Vuzix Wrap 920AR, упомянутые выше.
Преимуществами 3D-технологии, использующей видеоочки, являются компактность стереосистемы, отключение от окружающей реальности и невысокая цена (для среднего разрешения 3D-видеоочков).
Недостатки 3D-технологии: невысокое разрешение, ограничение применения данной 3D-технологии, недостаточная поддержка и высокая стоимость (для высокого разрешения стерео дисплеев).
В учебном процессе сейчас повсеместно используются мультимедийное оборудование и телекоммуникационные технологии. Вместе с тем высокая скорость развития технологий и соответственно короткий цикл жизни оборудования ставят перед образованием новые вызовы в борьбе за привлечение и удержания внимания учеников к процессу обучения. Современным трендом в образовательных технологиях, отвечающим всем требованиям и обладающим огромным потенциалом, являются 3D-технологии. 3D-технологии в образовании позволяют разнообразить уроки и лекции, делать образовательный процесс эффективным и визуально-объемным. Применение 3D-
контента дает возможность наглядно объяснять обучающимся учебную программу, способствует «погружению» в тему изучаемого предмета и позволяет мобильно переходить от целой структуры к ее отдельным элементам, от сложного к простому, и наоборот. Учебный интерактивный контент для среднего школьного образования состоит из сочетания тестов, 3D-видео, моделирования, виртуальных лабораторий, интерактивных заданий, игр, а также текстов, изображений и гиперссылок.
Преимущества использования 3D-технологии:
• вооружает преподавателя высококачественными учебными материалами, экономя время на объяснение сложных понятий;
• визуализация «сложных» тем учебной программы помогает обучающимся лучше понимать изучаемый материал;
• включение 3D (трехмерных моделей) процессов и объектов в традиционные способы обучения вносит инновацию в «рутинный» процесс обучения, повышает мотивацию к обучению;
• облегчает систематизацию знаний;
• способствует усвоению большего объема информации, что положительно сказывается на результатах тестов и экзаменов. Пользователи 3D имеют возможность детального
изучения как внешних, так и внутренних характеристик стереоскопических моделей, кроме того, имеется возможность, разъединять объект по слоям или проникать внутрь объекта, убирать внешние оболочки для детального изучения внутренностей объекта, а также ставить собственные метки на отдельные части для более глубокого понимания объекта. Интерактивность является важным методом обучения, так как объекты очень трудно визуализировать.
Пассмотрим применение 3D-печати в научных исследованиях. Так или иначе, перед заселением других систем предстоит хорошо освоить собственную Солнечную систему: для начала Луну и Марс. Предстоит создать постоянные базы. По мнению специалистов, ключевой технологией на этом пути должна стать 3D-печать. С помощью 3D-принтеров и роботов мы сможем создавать любые объекты на лунной и марсианской базах, успешно развивать колонии, управляя процессом с Земли. С помощью 3D-печати мы можем собирать межзвездные корабли прямо на лунной и марсианской базах, доставляя туда расходные материалы.
В любом случае, 3D-принтеры — это ключевая технология для успешного осуществления космических программ, строительства инопланетных баз и колонизации других миров. Одна из компаний, которая работает в этой области, — Made In Space. Ее цель — разработать 3D-принтер, который нормально работает в условиях микрогравитации на Международной космической станции.
Стоимость подъема грузов с Земли на орбиту оценивается примерно в 22 тыс. долл. за килограмм. Это вполне приемлемая стоимость для подъема необходимых строительных материалов. Если еще получится добывать кое-что с астероидов,
которые привозят на орбиту, то выйдет еще дешевле. И главное, что материалы для производства можно добывать на той самой планете, где установлен 3D-принтер. Не в последнюю очередь по этой причине Curiosity сейчас проводит такой тщательный анализ почвы Марса.
«Структуры для космических полетов в данное время сооружаются на Земле, — говорит Дэн Бэр-ри, бывший астронавт и консультант компанииMade In Space, — так что они должны выдерживать земную гравитацию, а также вибрацию и перегрузки, которыми сопровождается вывод на орбиту. Если печатать структуры на орбите на 3D -принтере, то они могут быть гораздо более элегантными, а в некоторых случаях и не такими прочными, чтобы выдержать собственный вес на Земле, но все равно достаточно функциональными в микрогравитации». 3D-печать на орбите с доставкой только расходных материалов в любом случае позволяет значительно сэкономить в логистике и стоимости доставки.
Со следующего года эта компания в партнерстве с НАСА начнет испытывать свои 3D-принтеры непосредственно на МКС. Оказалось, что сконструировать принтер, работающий в невесомости, — не такая простая задача. Устройство должно выдерживать перегрузки при запуске на ракете, оно должно быть компактным и безопасным, при этом работать без сбоев в микрогравитации. Компания Made In Space протестировала десятки популярных моделей 3D-принтеров, но ни одна из них не прошла все тесты, поэтому пришлось конструировать собственную модель. В течение последнего года этот принтер интенсивно тестировался в условиях микрогравитации на Земле, и, в конце концов, группа инженеров НАСА признала его годным для испытания на МКС.
«Представьте возможность колонизировать далекую планету, доставив туда всего лишь 3D-принтер и немного горнодобывающего оборудования. Это кажется научной фантастикой, но первые шаги к реализации такого плана мы делаем в лаборатории прямо сейчас, а в следующем году продолжим на МКС. Как только мы сможем добывать полезные ресурсы с астероидов, планет и лун, мы сможем использовать эти ресурсы для создания больших и сложных структур, которые способны поддерживать жизнь человека. Главное, чтобы мы смогли построить все, что нужно, кода доберемся туда, потому что слишком сложно тащить все необходимое с собой», — говорит Майк Чен, стратегический директор Made in Space, имея в виду колонизацию Марса, которая запланирована на ближайшие десятилетия.
Дизайн «космического» принтера Made in Space будет открыт для всех, так что кто угодно может предложить уместные объекты для печати в космосе и на марсианской базе. Компания просит всех, у кого есть идеи, предложить, что напечатать на МКС в следующем году.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Википедия — свободная энциклопедия [Электронныйресурс]. — URL:
https://ru.wikipedia.org/wiki/3D-принтер (дата обращения: 18.11.2015)
2. MadeInSpace [Электронныйресурс]. — URL: http://madeinspace.us (дата обращения: 18.11.2015)
3. 3D-технологии в образовании [Электронныйресурс]. — URL: http://prolab3d.ru (дата обращения: 18.11.2015)
3D-TECHNOLOGIES IN THE EDUCATIONAL, SCIENTIFIC AND EDUCATIONAL SPHERE
Valentina Vladimirovna Petrova
Moscow State University of Printing Arts 127550Russia, Moscow, Pryanishnikova st., 2A
Natalya Mihaylovna Fedorenko
Moscow State University of Printing Arts 127550Russia, Moscow, Pryanishnikova st., 2A
Lev Olegovich Rubenshteyn
Moscow State University of Printing Arts 127550Russia, Moscow, Pryanishnikova st., 2A
Annotation. The paper discusses the most common types of 3D-technology, as well as the use of these technologies in the educational process and research NASA.
Keywords: 3D-technologies, anaglyph, stereo technologies, stereoscopy.
