НОВАЯ СТУПЕНЬ РАЗРАБОТКИ AR-ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ИНЖЕНЕРНЫХ ЗАДАЧ ЛЮБОГО УРОВНЯ НА ПРИМЕРЕ НАЧЕРТАТЕЛЬНОЙ ГЕОМЕТРИИ

A NEW STAGE IN THE DEVELOPMENT OF AR TECHNOLOGIES FOR SOLVING ENGINEERING PROBLEMS OF ANY LEVEL USING THE EXAMPLE OF DESCRIPTIVE GEOMETRY

Sergey Gladyshev

student, department of DGaG, St. Petersburg mining university,

Russia, St. Petersburg

Ivan Suprunenko

student, department of DGaG, St. Petersburg mining university,

Russia, St. Petersburg

Zlata Tretyakova

research supervisor, cand. of tech. sciences, associate professor, department of DGaG, St. Petersburg mining university,

Russia, St. Petersburg

Victoria Merkulova

research supervisor, cand. of tech. sciences, associate professor, DGaG, St. Petersburg mining university,

Russia, St. Petersburg

АННОТАЦИЯ

В статье показаны проблемы пространственного мышления студентов в решении геометрических задач и предложено их решение с помощью современных компьютерных технологий. Рассматривается технология дополненной реальности применительно к проецированию точек, прямых и поверхностей.

ABSTRACT

The article shows the problems of spatial thinking of students in solving geometric problems and proposes their solution using modern computer technologies. The technology of augmented reality in relation to projection of points, lines and surfaces is considered.

Ключевые слова: точка, прямая, поверхность, проецирование, октанты, приложение дополненной реальности, з-х мерная модель.

Keywords: point, line, surface, projection, octants, augmented reality application, z-dimensional model.

При получении технического образования, важное значение имеет способность специалиста пространственного восприятия объектов по их двумерным чертежам. Уровень пространственного мышления человека характеризуется такими показателями как умение анализировать размеры, форму, расположение и соотношение элементов и многое др. Существует прямая связь между пространственным мышлением и обучением геометрии, как аналитической, так и начертательной. Практически все рукотворные предметы окружающего нас мира созданы с помощью чертежей, составленных по правилам начертательной геометрии. Изучение начертательной геометрии способствует развитию пространственного воображения и навыков правильного логического мышления [1].

В последние годы происходит непрерывный, динамичный процесс внедрения цифровых технологий в процессы обучения. Использование компьютера в качестве необходимого инструмента учебной деятельности, позволяет пересмотреть и переосмыслить педагогико-организационные подходы к изучению многих основополагающих тем курса начертательной геометрии, так сказать, приблизить процесс обучения к реальному процессу усвоения учебного материала. Начертательная геометрия является одной из областей научной деятельности, в которой использование компьютера в процессе обучения является наиболее естественным и эффективным.

В последние годы, в силу изменения учебных программ и исключения из школьного обучения предмета «Черчение», многие студенты при знакомстве с курсом начертательной геометрии сталкиваются с действительными трудностями, связанными с представлением простых геометрических объектов в пространстве, что в дальнейшем ведет к проблемам понимания курса, в целом. Улучшить понимание и, тем самым, сделать существенный шаг к развитию пространственного мышления, может помочь разработанное на платформе дополненной реальности приложение, которое в режиме реального времени выводит на экран мобильного устройства трехмерную модель геометрических элементов и их проекций.

Дополненная реальность (Augmented reality, AR-технология) является компьютерной технологией, обеспечивающей наложение искусственно созданных виртуальных объектов на реальный мир при помощи специальных инструментов, что создает эффект присутствия в едином пространстве. Дополненная реальность является перспективной технологией для использования в различных сферах деятельности современного человека. Выделяют два основных принципа создания AR-технологии: 1) на основе маркера; 2) на основе координат пользователя [2].

Безмаркерные технологии, в основном, применяются в мобильных устройствах с помощью разного рода встроенных датчиков.

В представленной научной работе рассматриваются AR-технологии на основе использования маркеров. Под маркером понимается некий объект, расположенный в окружающем пространстве, который находит и анализирует специальное программное обеспечение для его последующей отрисовки виртуальных объектов. Таким образом, маркер — объект, являющийся «мишенью» для программы, алгоритм считывает точки на таргете (маркере) для последующей визуализации виртуальных объектов относительно маркера.

Программа с помощью веб-камеры получает информацию о положении маркера в пространстве и может спроецировать на него некий виртуальный объект, что будет имитировать эффект его присутствия в окружающем наблюдателя пространстве. Если использовать высококачественные модели и дополнительные графические фильтры, возможно добиться такого эффекта, что виртуальный объект может стать практически реальным и трудно отличимым от окружающего интерьера. В роли маркера, как правило, выступает специальное символическое изображение, зачастую нанесенное на лист бумаги. Разные схемы распознавания изображений требуют разнообразные типы рисунка маркера, которые могут сильно видоизменяться. Маркерами, в том числе, могут быть различные объемные элементы и даже черты лица людей.

В ходе подбора оптимальной платформы для создания приложения дополненной реальности, были рассмотрены 5 инструментариев, работающих совместно с межплатформенной средой создания приложений Unity [3-9]:

• компьютерная библиотека, предназначенная для создания мощных приложений дополненной реальности, которые накладывают виртуальные изображения на реальный мир. Для создания дополненной реальности она использует возможности видеонаблюдения, которые в настоящем времени рассчитывают реальное положение и ориентацию камеры относительно квадратных физических маркеров или маркеров естественных объектов.
• движок 2D/3D распознавания и создания дополненной реальности. Этот высокоскоростной SDK с небольшим размером данных и занимаемой площадью имеет как маркерное, так и безмаркерное отслеживание.
• использует технологию дополненной реальности, чтобы оживлять страницы журналов, фотографии, афиши и другие объекты массового пользования. Оно использует камеру телефона для идентификации различных объектов из окружающего пространства и наложению на их изображение моделей.
• является поставщиком платформы AR Glasses OS, основанной на собственном внутреннем алгоритме SLAM.
• это платформа дополненной реальности и инструментарий разработчика ПО дополненной реальности. Vuforia использует технологии компьютерного зрения, а также отслеживания плоских изображений и простых объёмных реальных объектов в реальном времени.

Платформа Vuforia оказалась самой удобной и практичной для поставленных задач, поэтому выбор был остановлен именно на ней.

Перед нами стояла задача получить из плоского чертежа проекций точек, прямой и поверхностей на эпюре полноценную 3D-модель всех этих элементов в пространстве. Исходные данные геометрических элементов представлены на рис. 1. При разработке приложения, мы создавали 3D-модели октантов, проекций точек, прямой и пересечения поверхностей в программе SketchUp (рис. 2). Создание меток (2D-изображения, на которые программа ставит модели) для фиксации камеры проходило на основе системы автоматизированного проектирования AutoCAD. При создании самого программного обеспечения мы пользовались компилируемым языком программирования С++, на базе которого нами были написаны скрипты (маркеры), поднимающие трехмерные модели объектов на заданные плоскости. Конечное объединение всех элементов (таргет, модель, скрипт) происходило в инструментарии среды разработки Unity. После завершения связки всех элементов мы скомпилировали приложение, которое поддерживается телефонами с камерой на платформе Android.

Рисунок 1. Исходные данные проекций:  точки (а), прямой линии (б), поверхностей (в)

Рисунок 2. Построенные 3D модели: точки (а), прямой линии (б), поверхностей (в)

Таким образом, пользователь, имея распечатанный набор задач по начертательной геометрии с маркерами (метками дополненной реальности) (рис. 3), может с помощью камеры смартфона получить полноценные 3D-модели геометрических объектов в пространстве.

Рисунок 3. Проекции точки с маркерами дополненной реальности

При наведении камеры смартфона на 2D-метку, мобильное устройство захватывает изображение, программа распознает точки на каждом кадре видео в поисках заданного шаблона – фигуры на эпюре (рис. 4). Так как видео передается в формате 2D, найденная на кадре рамка метки определяется как 2D-контур. Как только камера находит в окружающем пространстве рамку, задача программы – определить, что именно изображено внутри рамки. Следующая задача системы – построить виртуальную 3D-модель октантов, точек и их проекций, указанных на задаваемой карточке-метке в двухмерной системе координат изображения камеры.

Рисунок 4. Распознавание камерой мобильного устройства изображения маркера точки (а) и виртуальная модель проекций точки (б)

После распознавания моделей геометрических объектов, как бы наблюдатель ни передвигал метку в реальном пространстве, виртуальная 3D-модель на ней будет точно следовать за движением метки (рис. 5).

Рисунок 5. Примеры работы приложения дополненной реальности: 3D-модели проекций точки (а), прямой линии (б), поверхностей (в)

Основным достоинством использования технологии дополненной реальности в созданном мобильном приложении является то, что обучающиеся в действительности видят пространственные объекты, которые им до сих пор приходилось представлять, рассчитывать и строить с помощью традиционных методов, таких как чертежный лист и карандаш. Визуализация процесса превращения двумерного чертежа геометрического объекта в трехмерный значительно помогает студенту освоить базовые навыки решения задач начертательной геометрии, которые, в свою очередь, являются основой для построения технических чертежей и дальнейшего проектирования.

Актуальность данной разработки очевидна. Рассмотрение примеров построений проекций геометрических элементов в трехмерном пространстве дополненной реальности показывает, насколько возможно упростить понимание курса начертательной геометрии, а также способствовать развитию пространственного мышления студентов, тем самым восполнив существующие пробелы восприятия предмета.

Список литературы:

1. Третьякова З.О., Глазунов К.О. Значение геометр-графических дисциплин в процессе подготовки инженерных кадров строительного профиля // Известия КГАСУ. —2013. — №3(25). — с. 186-192.
2. Благовещенский И.А., Демьянков Н.А. Технологии и алгоритмы для создания дополненной реальности // Моделирование и анализ информационных систем, 2013. — т. 20, №2. — с. 129-138.
3. Доусон М. Изучаем С++ через программирование игр // Питер СПб, 2017. — 352 с.
4. Машнин Т.С. Разработка Android-приложений с Augmented Reality // ЛитРес, 2018. — 240 с.
5. Хелен Папагианнис. Дополненная реальность. Все, что вы хотели узнать о технологии будущего // Эксмо, 2018. — 288 с.
6. AR/VR/MR Conference // Платформы для создания приложений в AR-формате: [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: https://ar-conf.ru/ru (дата обращения: 14.11.2019).
7. Infinity Augmented Reality [Электронный ресурс] // информация о платформе InfinityAR: [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: https://www.infinityar.com (дата обращения: 14.11.2019).
8. Vuforia Engine developer portal // информация о платформе vuforia: [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: https://developer.vuforia.com (дата обращения: 15.11.2019).
9. Платформа Unity // информация о среде создания приложений unity [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: https://unity.com/ru (дата обращения: 15.11.2019).