ПРОБЛЕМНЫЕ АСПЕКТЫ РЕДАКТИРОВАНИЯ ТРЕХМЕРНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО КОНТЕНТА

Рыженков Максим Евгеньевич

Аспирант, ПГТУ, г. Йошкар-Ола

E-mail: maxchely@mail.ru

Введение

Обучение в виртуальных 3D образовательных средах в настоящее время перестало быть педагогическим экспериментом и перешло в разряд постоянной учебной деятельности, которую ведут десятки университетов в разных концах мира [2].

В образовательном процессе важным моментом является создание обучающих видеокурсов с целью использования их в асинхронном режиме образования. Данное направление активно развивается и в области виртуальных миров, однако главным образом запись виртуального занятия сохраняется только в формате видео, что не дает возможность раскрыть преимущества 3D представления [4]. Запись виртуального занятия — новый и ценный образовательный контент, так как её возможно просмотреть уже после того, как занятие завершилось, в отличии от обычного занятия. Запись осуществляется в 3D-пространстве и представляет из себя 3D-контент. Однако, как и видеозапись, 3D-запись занятия должна быть отредактирована преподавателем, чтобы исключить ненужные фрагменты и оставить в записи только ценное содержание.

Способы и инструменты, позволяющие учителю редактировать образовательный 3D-контент на основе 3D-записи на текущий момент не исследованы и нуждаются в изучении. Это объясняется тем, что понятие образовательного 3D-контента (виртуальной записи 3D-занятия) появилось относительно недавно. Между тем, как будет показано реализация редактирования 3D-записи сопряжена с решением серьезных технических задач.

Обзор системы воспроизведения 3D-занятия и постановка проблем

Подсистема 3D-записей в vAcademia тесно интегрирована в систему синхронизации виртуального мира, которая позволяет обеспечить различные формы совместной учебной деятельности, что является немаловажным для образовательного процесса в виртуальном мире [2]. Данная система так же реализует алгоритмы и структуры данных для обеспечения идентичности воспроизведения виртуального мира на компьютерах всех участников, а также сохраняющая данные необходимые для восстановления визуального состояния виртуального мира в процессе воспроизведения 3D-записи. Существенным недостатком системы синхронизации является возможность лишь линейного воспроизведения 3D-записи. Такое ограничение обусловлено отсутствием механизма восстановления состояния объектов участвующих в записи на определенный момент времени, что является необходимым условием для корректного воспроизведения записанного занятия и реализации редактора записанных занятий.

Синхронизация состояния виртуального мира обеспечивается за счет эквивалентности реплик виртуального мира [1].

Основным отличием воспроизведения 3D-записи от воспроизведения видеозаписи является то, что видеозаписи основной единицей является кадр, а основной единицей записанного занятия являются действия, которые могут быть как мгновенными, так и длительными во времени. Несмотря на то, что наступление действий можно обозначить как событие, которое может быть рассмотрено как ключевой кадр в видео потоке, все длительные операции над объектами нельзя рассматривать в такой аналогии. Их особенностью является длительность, что существенно затрудняет процесс отсечения фрагментов друг от друга при редактировании. Вследствие этого возникает проблема восстановления состояния объекта на любой из моментов проведения длительной операции. Такие ситуации возникают при быстрой перемотке, удалении, вставке или копировании фрагментов записи. Таким образом, возникает задача оптимальной перемотки воспроизведения трехмерной записи занятия.

Помимо задачи восстановления состояния объекта в определенный период совершения длительного действия, большой проблемой является производительность системы воспроизведения записи в момент склейки двух фрагментов. В момент склейки при переходе от отрисовки одного кадра 3D-сцены к отрисовке кадра следующей 3D-сцены требуется применить ко всем объектам записи последовательно все изменения свойств синхронизации, которые произошли от конца первого фрагмента и до начала второго фрагмента в оригинальной 3D-записи. Кроме того, существует задача оптимального хранения данных ресурсов, ведь в случае, если из записи был удален фрагмент, хранение связанных с ним ресурсов (если они не были использованы где-либо еще) становится необязательным, они могут быть удалены или перемещены на сервер-архив.

Коллекция ресурсов

При проведении занятий учитель генерирует 3D-контент (запись виртуального занятия) с помощью инструментов виртуального образовательного мира и ресурсов (блоков 2D-контента и пользовательских объектов с настройками интерактивности). Такие ресурсы могут повторяться в записях 3D-занятий, кроме того часть из них должна получаться в результате конвертации учебного материала в требуемый формат. Таким образом, есть необходимость в организации хранилища ресурсов, в которое материалы занятия могут быть загружены заранее и использоваться в требуемом числе занятий без дублирования и повторных преобразований.

Роль такого хранилища в vAcademia выполняет коллекция ресурсов. Коллекция ресурсов имеет иерархическую структуру и состоит из папок и отдельных ресурсов. Ресурсы бывают двух видов: конвертируемые (презентации, пользовательские 3D-модели) и неконвертируемые (картинки). Конвертируемые ресурсы преобразуются на сервере ресурсов в момент загрузки в коллекцию ресурсов, например, презентации преобразуются в набор изображений слайдов, а пользовательские модели преобразуются из формата Collada во внутренный формат BMF5.

Коллекция ресурсов поделена на три части с разными правами доступа: общая коллекция ресурсов (доступ открыт для всех пользователей), коллекция ресурсов занятия (доступ открыт для участников урока), коллекция ресурсов автора (доступна только автору).

Запись виртуального занятия описывается следующим образом

P(t)={f_i(O_i, t), f_i+1(O_i+1, t), …, f_n(O_n, t)}                            (1),

где     t — время от начала записи,

O — записываемый объект,

f_i(O_i, t) — это дискретная функция преобразования состояния объекта от времени.

Чтобы математическая модель соответствовала задаче генерации 3D-контента, представим выражение (1) в виде

P(a)={B₁, B_2, … B_n}                                           (2),

где a — идентификатор автора записи и B_i — множество данных необходимых для воспроизведения i-го объекта записи P(a). В свою очередь B_i выражается формулой:

B_i={O_i, A(t), R_i}                                                  (3),

где A(t) — функция синхронизируемого состояния объекта от времени t,

R_i — множество ресурсов, необходимое для воспроизведения объекта O_i в записи.

Пусть ресурс r ∈ R_i , тогда справедливо, что r ∈ R_g или r ∈ R_l или r ∈ R_a, где R_g — множество ресурсов «общей коллекции» ресурсов, R_a — «пользовательской коллекции», R_l — «коллекции ресурсов» занятия.

Коллекция ресурсов в общем виде представляется формулой:

R={R_l, R_a, R_g}                                                     (4).

Директория коллекции ресурсов в свою очередь может быть представлена как

F={F_p, F_r}                                                             5),

где F_p — множество поддиректорий, а F_r — множество ресурсов в данной директории. Таким образом, директория в коллекции ресурсов задается рекурсивно.

R_l, R_a, R_g по сути представляют собой папки в коллекции ресурсов с особыми правами доступа:

R_i,={F_i, С_i}                                                           (6),

где С_i — множество правил доступа к директории.

Для того, чтобы ресурсы удаленного фрагмента 3D-записи можно было удалить, необходимо, чтобы у каждого ресурса был счетчик использования в записях. Если этот счетчик равен 0, то ресурс может быть удален или перенесен на сервер-архив. Таким образом, понятие ресурса в новой интерпретации расширяется:

r_i’={r, J_i}                                                               (7),

где  r_i’ — расширенный ресурс,

J_i — количество ссылок на ресурс в 3D-записях, которая может быть выражена формулой:

                        (8),

где N_R — количество всех 3D-записей,

N_S(k) — размер множества P_k, а функция H(P_K, B_M) задана следующим образом:

                   (9),

Таким образом, ресурс может быть удален, если он удален из всех коллекций ресурс и счетчик ссылок равен 0, иначе говоря выполняется система:

                                          (10),

Если выполняется только первое условие системы, то ресурс может быть перенесен на архивный сервер.

Обработка длительных действий

Для обработки длительных действий, в каждое длительное состояние, устанавливающееся объекту, было добавлено временное смещение от начала выполнения длительного действия относительно времени установки синхронизируемого свойства. Таким образом, при обработке синхронизируемых свойств в клиенте виртуального мира для каждого длительного действия частным образом обрабатывается смещение относительно начала действия. Формула (3) переписывается в виде

B_i’={B_i, T}                                                           (11),

где B_i’ — расширенные данные синхронизации свойства объекта,

T — временное смещение.

Для корректной реализации такого принципа введено требование на инвариантность выполнения длительного действия относительно времени. Таким образом, независимо от любых обстоятельств, временных и сетевых задержек, при воспроизведении одного и того же синхронизируемого действия, декомпозированные аудиовизуальные свойства синхронизируемого объекта в один и тот же момент времени совпадут на любом клиенте виртуального мира.

Оптимальная перемотка записи

Быструю перемотка записи была достигнута несколькими способами: оптимизацией применения конкретных синхронизированных свойств, переводом установки свойства на асинхронный принцип и более оптимальной установкой таких свойств. Так при реализации инструмента рисования на доски на графических потоковых процессорах [3] было получено ускорение в 50 и более раз, что позволяет устанавливать бинарное состояние виртуальной доски менее чем за 1 мс. Асинхронная загрузка тела и одежды аватаров позволила исключить провалы производительности в тех случаях, когда смена тела и одежды аватара происходила в вырезанном фрагменте.

Однако, если бинарное состояние само по себе исключает дублирование установки свойств, то другие свойства в момент «склейки» фрагментов или прокрутки могут быть установлены многократно, что ведет к ухудшению производительности. Поэтому на клиент в момент проигрывания «склейки» фрагментов посылаются не все синхронизируемые пакеты, относящиеся к вырезанному фрагменту, а набор полных состояний объектов, которые присутствуют в начале второго фрагмента. На клиенте при установке синхронизируемого свойства выполняется проверка, новым ли является его значение.

Побочной задачей становится сборка полных состояний на сервере в момент проигрывания момента «склейки» фрагментов. Данная процедура занимает значительное время, т. к. полное состояние объекта хранится только на момент начала записи, а в течение записи записываются изменения этого состояния. С целью оптимизации, в момент удаления фрагмента записи в месте склейки, сервером генерируется дополнительный набор полных состояний, который используется при проигрывании момента «склейки» фрагментов.

Результаты

Предложенные подходы были реализованы в виртуальном образовательном мире vAcademia [5]. Для редактирования сгенерированного контента был разработан редактор записей занятий [2]. Ключевыми функциями разработанного редактора являются: поиск нужного фрагмента, удаление, копирование и вставка. Так же в качестве дополнительной возможности в редактор записей включены функции отмены и повтора проделанных операций.

Поддержка разрыва длительных синхронизируемых действий позволяет снять какие-либо ограничения на удаление фрагментов записи. Результаты оптимизации проигрывания момента «склейки» двух фрагментов представлены в табл. 1. Приведены усредненные данные по результатам редактирования около 100 записей в ходе внутреннего тестирования продукта.

Таблица 1.

Результаты оптимизации

Разработанная коллекция ресурсов позволяет загружать различные типы файлов. На примере статистики по открытым и закрытым курсам в «Виртуальной академии», был проведен расчет экономии дискового пространства, составил 23 %. Исключение ресурсов, использованных в удаленных фрагментах, отредактированных записей, позволяет в среднем уменьшить размер дискового пространства сервера для одной записи на 31 %.

Список литературы:

1.Быстров Д.А., Морозов М.Н., Кудрина И.Н. Синхронизация многопользовательских электронных образовательных ресурсов с насыщенным мультимедиа контентом.

2.Рыженков М.Е., Морозов М.Н., Герасимов А.В. Генерация и редактирование 3D-контента в виртуальных образовательных средах. //Образовательные технологии и общество. — 2011. — Т. 14. — № 3. — С. 425—439.

3.Сморкалов, А.Ю. Поддержка операций рисования в системе обработки растровых изображений на потоковых процессорах. Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии в профессиональной деятельности и научной работе». — Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. — С. 201—206.

4.Monahan, T., McArdle, G., Bertolotto, M.: Virtual Reality for Collaborative ELearning. In Journal of Computers and Education, Elsevier Science, 2007, pp. 1339—1353.

5.http://www.vacademia.com/.