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

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

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