Научная статья на тему 'Виртуальная реальность в технологиях дистанционного обучения'

Виртуальная реальность в технологиях дистанционного обучения Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
1611
289
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ВИРТУАЛЬНАЯ РЕАЛЬНОСТЬ / ДОБАВЛЕННАЯ РЕАЛЬНОСТЬ / ДИСТАНЦИОННОЕ ОБУЧЕНИЕ

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Ватулин Я. С., Полякова Л. Ф., Афанасенко А. С., Коровина М. С.

Статья посвящена вопросам применения новых информационных технологий в процессе дистанционного обучения. Особое внимание уделено технологии виртуальной реальности. Рассмотрена технология моделирования виртуальных объектов средствами дополненной реальности. Представлено разработанное коллективом авторов устройст-во «Амиго», предназначенное для информационного сопряжения виртуальной модели объекта с ее реальным прототипом.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Virtual Reality in Distant Learning Technologies

The subject of the paper is the application of new computer technologies to the process of distant learning. Special attention is given to virtual reality. Several program solutions of virtual modeling are considered. The gadget "AMIGO+" developed by the authors and intended for remote diagnostics is presented.

Текст научной работы на тему «Виртуальная реальность в технологиях дистанционного обучения»

Проблемы высшего образования

301

УДК 62-2

Я. С. Ватулин, Л. Ф. Полякова, А. С. Афанасенко, М. С. Коровина

ВИРТУАЛЬНАЯ РЕАЛЬНОСТЬ В ТЕХНОЛОГИЯХ ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ

Статья посвящена вопросам применения новых информационных технологий в процессе дистанционного обучения. Особое внимание уделено технологии виртуальной реальности. Рассмотрена технология моделирования виртуальных объектов средствами дополненной реальности. Представлено разработанное коллективом авторов устройство «Амиго», предназначенное для информационного сопряжения виртуальной модели объекта с ее реальным прототипом.

виртуальная реальность, добавленная реальность, дистанционное обучение.

Введение

В условиях современного состояния развития общества с особой остротой встала проблема адекватной модернизации и структуризации специальных профессиональных знаний. Экспоненциальный рост научного и технического знания в принципе отрицает подход получения определенного статичного комплекса знаний с дальнейшим его применением на практике в течение значительного промежутка времени.

Модель современного образовательного процесса должна базироваться на парадигме адекватной и своевременной реакции на постоянно возникающие принципиально новые задачи и проблемы практики. Наиболее приемлемой с этой точки зрения моделью является система непрерывного образования, которая основана на постоянном обязательном обновлении профессиональных знаний и навыков, а в определенных случаях - их принципиальной переориентации.

В этой связи представляют интерес автономные, или дистанционные способы обучения, когда учебный процесс осуществляется непосредственно по месту проживания пользователя с помощью персонального компьютера. Они обеспечивают значительную экономию затрат на содержание квалифицированных преподавателей, площадей, необходимых для проведения занятий, и целого ряда прочих затрат.

Среди многочисленных компьютерных технологий, обслуживающих указанный вид учебного процесса, особое место занимает виртуальная реальность (ВР), которая обладает огромными потенциальными возможностями и может эффективно применяться во многих областях человеческой деятельности.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/4

302

Проблемы высшего образования

1 Технологии виртуальной реальности в современном образовательном процессе

Подготовка специалистов на основе ВР обладает высокой эффективностью. Виртуальные тренажерные системы позволяют пользователю видеть, слышать и ощущать виртуальный объект, синтезированный компьютером, таким, каким он увидит его на практике. Реалистичность моделей ВР достигается не только за счет копирования внешнего вида прототипа, но и имитации физических свойств реальных объектов. С этой целью используются математические модели гравитации, свойств окружающей среды, взаимодействия объектов между собой и т. п. Основная цель такого качественного приближения виртуального мира к реальности - создание условий для быстрого усвоения профессиональных навыков и ускоренного приобретения опыта обучаемыми.

По сравнению с аналогичной подготовкой в реальных условиях виртуальные тренажерные системы обладают рядом преимуществ:

• обеспечивают минимальный риск травмирования обучаемого персонала и повреждения дорогостоящего оборудования;

• дают возможность рассмотреть вероятные сценарии развития событий [1], распределить роли и порядок действий участников (например, в практике хирургии используется виртуальный аналог человеческого тела для проведения тренировочных операций [2]-[7]);

• ТВР типа «прогулки» осуществляют динамическую визуализацию изображения виртуальных миров, используемую проектантами сложных производственных объектов для создания иллюзии присутствия в синтезированном мире, чтобы увидеть объекты «глазами» наблюдателя в соответствующем масштабе и ракурсе [8] .

Отдельное, интенсивно развивающееся направление применения данной технологии - виртуальные инструкции оперативного доступа, используемые для организации регламентных работ в экстремальных ситуациях. Командование вооруженных сил ряда стран практикует использование личным составом оборудования типа PC Pocet в качестве средства поставки информации инструктивного характера для обслуживания наукоемких технических объектов в условиях ограниченного времени (например, в условиях аварийной ситуации), а также оперативного обмена мультимедиаданными с помощью Интернета (например, дистанционное управление боевой операцией в условиях незнакомой местности и быстро меняющейся тактической ситуации).

Новое, родственное искусственной реальности направление развития человеко-машинного взаимодействия с использованием теории и средств искусственного интеллекта и виртуальной реальности, составляющее основу для перспективного развития новых компьютерных технологий обучения - дополненная реальность (ДР). ДР - добавление к моделям ВР по-

2010/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Проблемы высшего образования

303

ступающих из реального мира потоков информации представляемых в виде визуальных образов вспомогательно-информативного свойства. Подобная система используется, например, в оборудовании самолётов-истребителей Су-27 как нашлемное целеуказание.

Модели ВР на основе ДР могут эффективно применяться в учебном процессе, например, в виде виртуальных лабораторий. ДР в данном случае обеспечивается виртуальной моделью, связанной с реальным объектом средствами телеметрии. Телеметрическая связь может иметь однонаправленную (режим мониторинга) и двунаправленную связь (режим управления). С помощью подобной информационной системы пользователь может приобретать новые профессиональные навыки, осуществлять их пробную реализацию на виртуальном оборудовании под наблюдением и с соответствующими комментариями специалистов.

Инженерную визуализацию реализует специальный язык моделирования виртуальной реальности - VRML (Virtual Reality Modeling Language (ISO/IES 14772-1:1997)). Средства визуализации виртуальных миров встроены в основные Интернет-браузеры [10]. Существует также ряд VRML-клиентов независимых производителей, распространяемых бесплатно (например, Cortona VRML Client фирмы ParallelGraphics). Спецификация формата VRML 97 является наиболее приемлемой и естественной базовой основой для формирования и поддержки единого информационного пространства учащегося, поскольку концепция VRML сама является основой киберпространства [10]. Международной организацией по стандартизации (ISO) и Международной электротехнической комиссией (IEC) в сотрудничестве с Консорциумом VRML спецификация VRML 97 признана в качестве международного стандарта представления трехмерных миров, который гарантирует высокое качество изображения, стабильность спецификаций, преемственность поколений версий.

Данный мультиплатформенный формат [9] позволяет осуществлять статическое и анимированное интерактивное трехмерное представление изделий с различными свойствами материалов и способов наложения текстур, имеется возможность изменять точку наблюдения, экранный масштаб, применять световые эффекты, имитировать свойства окружающей среды, интегрировать текстовые и различные мультимедиа-объекты.

Важным качеством VRML является открытая архитектура, что делает возможным создание сложных, динамичных трехмерных миров из сравнительно простых независимых структур. Это свойство позволяет значительно экономить память компьютера, повышает устойчивость модели к отказам на компонентом уровне. Благодаря относительно небольшому размеру файлов и особой организации данного формата, он одинаково хорошо воспроизводится на компьютерах различной мощности.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/4

304

Проблемы высшего образования

Все свойства VRML направлены на реализацию основной цели - максимально точное отображение визуальных свойств реального прототипа для создания у пользователя ощущения «погружения» в виртуальный мир.

2 Средства реализации виртуальной реальности в системе дистанционного обучения

Высокая реалистичность виртуальной модели на основе ВР, тем не менее, не может решить одну из важнейших задач учебного процесса -формирование практического навыка учащегося. Объекты ВР могут успешно применяться в качестве структурных или функциональных моделей, отражающих либо устройство изучаемого объекта, либо протекание физического процесса. Однако по своей сущности данные модели обладают «закрытой», статичной архитектурой и не могут создать у пользователя опыта реального контакта с изучаемым объектом. Формирование практического навыка требует наличия интерактивного общения учащегося с моделью, которая адекватно реагирует на действия пользователя согласно сценариям поведения реального прототипа.

Разработка виртуальных тренажеров является одним из наиболее затратных и трудоемких аспектов создания системы обучения неконтактным способом. В настоящее время разработаны виртуальные тренажеры (ВТ), использующие наборы дидактических средств, в виде мультимедиа-файлов, которые демонстрируются пользователю по различным вариантам сценариев. В другом виде ВТ применяются физические средства имитации (например, приборные панели), оснащенные средствами представления функциональных свойств с помощью информационной модели.

Для формирования практического навыка учащегося наиболее целесообразным может быть использование моделей ВР, оснащенных системой мониторинга фактического состояния изучаемого объекта в реальном масштабе времени. Процесс трансляции потока информации должен осуществляться непосредственно в структуру самой модели ВР.

Для реализации поставленной цели требуется осуществить процесс сбора и передачи данных с датчиков, установленных на объекте наблюдения, а также произвести определенную модернизацию кода моделей, формируемого стандартными средствами систем разработок моделей ВР, -SolidWorks и 3ds Max.

Основу разработки составляет информационный конвейер, организованный средствами пакетной передачи данных (GPRS) сотовой связи между реальным объектом наблюдения и его виртуальным прототипом, расположенным на удаленном компьютере пользователя, имеющего доступ в Интернет.

Трансляцию сигналов от аналоговых датчиков с использованием сотовой связи через сеть Интернет осуществляет оригинальное устройство (логгер) «Амиго» (рис. 1) с установленной на нем SIM-картой одного из

2010/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Проблемы высшего образования

305

сотовых операторов, предоставляющего услуги пакетной передачи данных (GPRS). Прибор транслирует до 8 сигналов с гарантированной полосой частот 10 кГц каждый и разрешением 10 разрядов на отсчет. Сигналы записываются на карту памяти (SD/MMC), объем которой может составлять до 4 Гб. Предусмотрено питание датчиков напряжением +3,3/5 В, а также первичная обработка аналоговых сигналов (подавление внешней наводки, ограничение полосы частот, усиление). Опрос датчиков может производиться как непрерывно, так и с заданными промежутками времени. Для контроля временных интервалов используются часы реального времени с независимым батарейным питанием. Предусмотрен обратный канал связи, по которому на прибор могут быть переданы сигналы коммутации реле (для включения/выключения внешних устройств).

Рис. 1. Внешний вид и устройство логгера

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/4

306

Проблемы высшего образования

Доступ к данным, хранящимся в приборе, осуществляется по протоколу TCP/IP через встроенный GPRS-модем. При этом сам прибор выступает в качестве сервера, обрабатывающего входящие запросы. Для удаленного управления прибором может использоваться как специализированное ПО, так и веб-интерфейс (в последнем случае веб-страница прибора располагается непосредственно в его энергонезависимой памяти и может быть обновлена удаленно).

При работе от электрической сети прибор постоянно подключен к Интернету и обрабатывает входящие запросы. При переходе на резервное питание (аккумулятор емкостью 4,5 А-ч) подключение выполняется по таймеру с заданными интервалами времени. При этом время непрерывной передачи данных через GPRS-соединение составляет не менее 10 часов. Возможен также съем информации путем непосредственного подключения к прибору по шине USB. Конструктивное исполнение прибора соответствует классу защиты электроприборов IP54 (пылезащищен, защищен от сплошного обрызгивания) и допускает различные виды крепления.

Данные, транслируемые по протоколу TCP/IP, поступают на рабочую станцию, которая осуществляет визуализацию процессов, используя в качестве средства организации управления виртуальный прототип объекта наблюдения.

Виртуальный прототип объекта имеет в своем составе встроенные интерактивные программные реализации, осуществляющие прямую связь с потоком данных, транслируемых оборудованием. Внешне схожий с реальным объектом прототип имеет виртуальные сенсоры, установленные в соответствующих местах. Активизируемые с помощью манипулятора «мышь» сенсоры в свою очередь осуществляют запуск специализированного программного обеспечения, которое наглядно представляет поток данных средствами компьютерной графики.

В учебном процессе, построенном на основе использования виртуального тренажера в качестве средства приобретения и отработки новых профессиональных навыков, особое значение имеет адаптированность пользователя к восприятию поступающей информации. Способ представления информации должен быть максимально приближен к реально существующему прототипу. Например, на виртуальном аналоге манометра данные давления в трубопроводе должны быть представлены угловым положением стрелки.

Функция (Пат. 2010615332 заявл. №2010613603 от 2010.18.06) [11], осуществляющая прямую связь виртуальной модели с потоком данных, транслируемых оборудованием, реализована средствами языка java-script (рис. 2). Функция loading() выводит в соответствующие позиции экрана содержимое принятого текстового файла.

2010/4

Proceedings of Petersburg Transport University

Проблемы высшего образования

307

<!doctype htmlpublic "-//W3C//DTD HTML 4.0//EN">

<html>

<head>

<style>

body{ margin: 0;}

</style>

<script>

function loading()

{

parent.document.getElementById('ind').style.display = 'block'; #режим отображения родительского #документа с идентификатором ind - видимость var filepath="C:\\disel\\data\\html\\save.txt"; #полный путь к текстовому файлу входного сигнала

varfso=new ActiveXObject("Scripting.FUeSystemObject");# элемент ActiveX для считывания файла

var myfile=fso.OpenTextFile(filepath,1) # открытие файла

var loadData=myfile.ReadLine()# присвоение переменной очередной строке

myfile.Close()# закрытие файла

infol.value = loadData.charAt(loadData.length-l); # завершение чтения файла }

</script>

</head>

<body onload = "loading() " >

<input id = "infol" name = "infol" >

</body>

</html>

Рис. 2. Фрагмент кода программы внедрения информации непосредственно в виртуальную модель

По мере необходимости с помощью манипулятора «мышь» пользователь осуществляет вызов мониторинговой информации путем активизации связанного компонента виртуального прототипа.

В учебном процессе виртуальная модель одновременно может служить системой навигации по дидактическому материалу, а также средством наглядного представления конструктивного устройства изучаемого объекта. Активизируя соответствующий компонент модели, учащийся получает информационное сообщение в виде htm-текста, аудио- и/или видеофрагмента, демонстрирующего устройство, свойства, функции объекта.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/4

308

Проблемы высшего образования

Многократные повторения регламентных процедур с ВТ формируют устойчивые ассоциативные связи в памяти учащегося, таким образом создается ощущение реального контакта с наблюдаемым объектом, хотя в действительности такого взаимодействия не было.

Пример. Виртуальная лабораторная установка, используемая в качестве тренажера для совершенствования практических навыков учащихся дистанционной формы обучения, оснащена средствами ДР, которые осуществляют трансляцию информации, поступающей с реальных датчиков, непосредственно на панель индикатора виртуального прибора (рис. 3), который по своим внешним визуальным свойствам, технологии приведения в рабочее состояние ничем не отличается от своего реального прототипа.

Рис. 3. Лабораторная установка, оснащенная системой дополненной реальности

(копия с экрана)

Заключение

На наш взгляд, идея применения взаимодополняющего сочетания пакетной передачи данных (GPRS) и VRML-, HTML-технологий позволяет, в определенной степени решить задачу формирования практического навыка учащихся с помощью виртуальных тренажеров, представляющих собой полный визуальный аналог объекта наблюдения, связанный со своим виртуальным прототипом средствами телеметрии.

2010/4

Proceedings of Petersburg Transport University

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Проблемы высшего образования

309

Библиографический список

1. Virtual Mars / S. Carlson // Ad Astra [GADS]. - 1993. - Vol 5, № 1. - P. 59.

2. Virtual surgery: computers promise better traicing, Techniques / Machlis Sharon // Design News. - 1994. - Vol. 49, № 11. - Pp. 44.

3. Socially correct Virtual Reality: Surgical Simulation / Sinclair M. Peifer // Virtual Reality World. - 1994. - Vol. 2, № 4. - Pp. 64-66.

4. Virtual Actors Help the medicine Go Dawn / Rovie Mestel // New Scientist. -1993. - Vol. 139, № 1889. - Pp. 9.

5. Surgery 2001: a Technologic Framework for the Future / R. M. Satava // Proc. of the Third Annual Conf-on Virtual Reality. - Meckler. London. UK, 1993. - Pp. 101-105.

6. Virtual Man / R. Corliss // Time. - 1993. - Vol. 142, № 18. - Pp. 80-83.

7. Using Virtual Reality to theach dynamic anatomy / Wright D.L. et al. // Radiological Technology. - 1995. - Vol. 66, № 4. - Pp. 233-238.

8. Asynchronous learning networks as a virtual classroom / S. Liltz, B. Wellman // Commun. - 1997. - Vol. 40, № 9. - Pp. 44-49.

9. Управление жизненным циклом продукции / А. Ф. Колчин, М. В. Овсянников, А. Ф. Стрекалов, С. В. Сумароков. - М. : Анахарсис, 2002. - 304 с. - ISBN 5901352-16-5.

10. Язык VRML. Практическое руководство / О. Д. Абрамова. - М. : ДИАЛОГ-МИФИ, 2000. - 288 с. - ISBN 5-86404-154-8.

11. Пат. 2010615332 Симуляторы профессиональной направленности на основе технологии дополненной реальности / Ватулин Я. С., Полякова Л. Ф., Подклетнов С. Г., Коровина М. С., Попов Ю. В. - Заявл. №2010613603 от 2010.18.06.

Статья поступила в редакцию 10.06.2010;

представлена к публикации членом редколлегии А. А. Корниенко.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/4

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.