ПРИМЕНЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ В ОБУЧАЮЩЕМ ПРОЦЕССЕ

Введение

Технический прогресс стремительно меняет лицо современного мира. То, что тридцать лет назад казалось фантастикой, в наши дни обретает реальную форму и находит применение в быту. Так, описанная в многочисленных романах жанра «киберпанк» виртуальная реальность (virtual reality, VR) сегодня стала вполне осязаемой отраслью IT-индустрии с колоссальным потенциалом, в которую вкладывают деньги крупные корпорации. Это же смело можно сказать про «младшую сестру» виртуальной реальности – реальность дополненную (augmented reality, AR).

Сегодня технологии виртуальной и дополненной реальностей широко применяются в различных областях человеческой деятельности: проектировании и дизайне, добыче полезных ископаемых, военных технологиях, тренажёрах и симуляторах, маркетинге и рекламе, индустрии развлечений и т.д.

Тем не менее, несмотря на колоссальный потенциал как VR, так и AR, сегодняшнее их применение зачастую сводится к созданию развлекательного контента. Использование данных технологий в других сферах, таких как медицина, строительство, образование и т.д. носит существенно меньшие масштабы. Во многом это обуславливается дороговизной необходимого оборудования – в случае виртуальной реальности, либо затруднениями с реализацией необходимой функциональности в рамках AR.[1]

Применительно к образованию данная проблема носит особенно острый характер. В современном мире применение традиционных учебников постепенно отходит на второй план, тогда как на первом оказываются эмпирические методы обучения, в ходе которых учащийся не просто имеет дело с формулами, но также может наглядно наблюдать действие формул в ходе визуализации экспериментов.

Проведенные множественные эксперименты и тесты выявили, что обучающиеся лучше воспринимают информацию, когда она представлена так, чтобы можно было сразу соотнести эту информацию с реальным миром. По этой причине изображенный на бумаге объемный предмет будет воспринят хуже, чем полноценный реальный объект.

В связи с этим была поставлена цель – попытаться доступными средствами и собственными силами разработать образцы обучающего программного обеспечения с применением технологий отдельно VR и AR. После этого предполагается провести сравнение двух программных продуктов на предмет того, какой из них лучше справится с задачей обучения.

В качестве предметной области были выбраны электрические схемы. Выбор данной области обусловлен современными тенденциями, при которых технические профессии имеют высокую популярность. Как правило, учебный план на таких специальностях включает в себя – в том или ином роде – изучение электроники. Тем не менее, зачастую студенты не получают должных навыков расчёта и построения электрических цепей, что сказывается не только на учебных показателях, но и на общем уровне понимания процессов в современной технике.

Обозначенные выше эмпирические подходы должны не только позволить студентам рассчитывать и строить схемы, но помочь в понимании протекающих в данных схемах процессов.

Постановка задач

В данной работе предметами разработки являются два приложения – для работы в виртуальной и дополненной реальности.

VR-приложение, в силу специфики самой платформы, поможет наглядно визуализировать процессы, протекающие в электроцепях. Фактически, это означает разработку системы автоматизированного проектирования (САПР) класса EDA (Electronic Design Automation) в виртуальной реальности. Это требует решения следующего ряда задач:

• Описать желаемую функциональность и требования к разрабатываемому программному продукту;
• Провести обзор приложений-аналогов, предназначенных для обучения схемотехнике, электронике или физике;
• Провести обзор и выбор аппаратных и программных средств реализации продукта;
• Составить техническое задание для продукта;
• Реализовать программный продукт;
• Проанализировать полученные результаты и сделать вывод;

AR-приложение, в свою очередь, будет выполнять роль уточняющего инструмента к учебному пособию, наподобие CD-дисков, идущих в комплекте с некоторыми книгами.  То есть, на основе учебного пособия будет разработано приложение, в котором для каждой из схем будет представлена 3D-модель схемы в том виде, как если бы она была сделана в виде интегральной схемы.

Для реализации данного приложения требуется выполнить следующие задачи:

• Провести обзор средств реализации программного обеспечения
• Выбрать средства реализации программного обеспечения
• Составить техническое задание
• Реализовать программное обеспечение
• Произвести тестирование созданного программного обеспечения
• Проанализировать результаты его применения.

Средства реализации. Виртуальная реальность

В качестве целевой платформы рассматривалось три типа VR-устройств, наиболее популярных на сегодняшний день:

• Шлемы для компьютера, требующие постоянного подключения к ПК или к консоли. К таким шлемам относятся, например, Oculus Rift, HTC Vive, Playstation VR.
• Шлемы для смартфонов (гарнитуры). К этим, фактически, держателям, относятся Google Cardboard, Samsung Gear VR, YesVR.
• Автономные VR-очки. Устройства, которые не требуют подключения к сторонним устройствам.[2]

После рассмотрения плюсов и минусов каждого из предложенных вариантов было решено остановиться на автономных VR-очках. В отличие от подключаемых к компьютеру шлемов, такие очки предоставляют пользователю достаточную свободу перемещения, ограниченную лишь размерами помещения. Преимуществом же перед гарнитурами для смартфонов явились два фактора. Первый - качество изображения: экраны смартфонов физически не приспособлены под VR-технологии: попытки встраивать в держатели специальные линзы, обеспечивающие эффект 3D, не увенчались успехом. Другой серьёзной проблемой стало отслеживание движений головы (head-tracking) – в отличие от специализированного оборудования, смартфоны не обеспечивают должной реализации подобной технологии.

В том, что касается подхода к непосредственной разработке, VR-приложения мало отличаются от разработки традиционных трёхмерных видеоигр. Наиболее популярными средствами разработки являются игровые движки Unity 3D и Unreal Engine 4. Предложенные движки достаточно схожи своим функционалом. Оба они обладают достаточно дружелюбным интерфейсом, имеют специализированные браузеры для работы с наборами, сценариями и прочим. Разрабатываемые объекты вносятся в общую иерархию простым перетаскиванием на сцену.

В обоих этих движках имеется трёхмерный редактор сцен, позволяющий достаточно свободно оперировать объектами в трёхмерном пространстве.[3]

Оба рассмотренных движка могут быть использованы в качестве основы для описываемого в статье приложения. Тем не менее, в рамках данной работы был сделан выбор в пользу Unity3D. Это обусловлено тем, что разработка на данном движке ведётся с использованием языка C#, тогда как для UE4 рабочим языком является C++, имеющий более высокий порог вхождения. Дополнительным преимуществом Unity 3D является наличие подробной документации. В совокупности данные плюсы позволят ускорить процесс прототипирования проекта.

Средства реализации. Дополненная реальность

Для дополненной реальности существует две крупные платформы: очки дополненной реальности (например, Microsoft HoloLens) и мобильные устройства (планшеты, смартфоны и т.д.). В силу слабой развитости и дороговизны очков дополненной реальности, выбор был сделан в пользу мобильных устройств.

У мобильных устройств также наблюдается разделение по платформам. Критерием разделения является операционная система. Таким образом, можно выделить три крупных платформы: Android, iOS, Windows. Однако потенциальными пользователями данного приложения являются обладатели всех трех платформ, а, значит, ограничиваться одной лишь платформой нельзя. Для этой цели был проведен обзор AR-библиотек на рынке.[4]  Исходя из наших потребностей в реализации приложения, был выбран AR-фреймворк Vuforia. Данный фреймворк позволяет разрабатывать приложение, которое затем можно собрать для всех нужных платформ. Таким образом, разрабатывая приложение, можно быть уверенным, что оно будет выглядеть абсолютно одинаково на всех платформах.

Однако просто так данный фреймворк применить нельзя, необходимо основное средство реализации. В силу необходимости визуализации и взаимодействия с 3D-моделями, в качестве основного средства реализации был выбран графический движок Unity 3D, который имеет поддержку Vuforia «из коробки».

Заключение

В ходе всестороннего рассмотрения обозначенной проблемы было решено реализовать два подхода к визуализации обучающего процесса – с использованием виртуальной и дополненной реальности – после чего провести анализ эффективности данных продуктов применительно к реальному учебному процессу.

VR-приложение для построения электроцепей должно быть разработано с учётом использования в очках виртуальной реальности (например, Oculus Quest). Основным движком разработки приложения должен являться Unity 3D актуальной версии. Исходный код должен быть написан на языке C#.

АR-приложение для построения электроцепей должно быть разработано с учётом возможности использования на различных операционных системах (Android, iOS и т.д.). Основным движком разработки приложения должен являться Unity 3D актуальной версии. Разработка будет выполняться с помощью AR-фреймворка Vuforia.

Список литературы:

1. AR — Дополненная Реальность (статья плюс ролик) [Электронный ресурс] // Хабр. – Режим доступа: https://habr.com/post/419437/  – заглавие с экрана. – (Дата обращения: 22.11.2019)
2. Что такое виртуальная реальность: свойства, классификация, оборудование — подробный обзор области [Электронный ресурс] // Tproger. – Режим доступа: https://tproger.ru/translations/vr-explained/  – заглавие с экрана. – (Дата обращения: 24.11.2019)
3. Сравнение движков: Unreal Engine 4 против Unity 5. [Электронный ресурс] // itProger. – Режим доступа: https://itproger.com/news/124  – заглавие с экрана. – (Дата обращения: 25.11.2019)
4. Best Augmented Reality SDK for AR development in 2018 – 2019 | ThinkMobile [Электронный ресурс] // ThinkMobile. – Режим доступа: https://thinkmobiles.com/blog/best-ar-sdk-review/ (Дата обращения: 25.11.2019)