УДК 001.92

Рассмотрение возможности применения технологий дополненной и виртуальной реальности в рамках преподавательской деятельности

Шошников Иван Кириллович – ассистент кафедры Инструментального и прикладного программного обеспечения МИРЭА – Российского технологического университета

Аннотация: Текущий темп технологий предоставляет обширное количество возможностей во многих сферах жизнедеятельности человека. Немаловажной областью всегда являлся процесс получения и передачи, как новой, так и уже известной информации. Вопрос преподавания и обучения предполагает затраты сил и времени, как преподавателя, так и студента, поэтому любые способы ускорения и удешевления данного процесса являются настолько же ценными, насколько являются знания, получаемые в ходе процесса обучения. Таким образом, одной из важнейших задач преподавательской деятельности можно назвать изучение и освоение новейших технологий с целью применения их на практике и внедрения в процесс преподавания.

Ключевые слова: виртуальная реальность, дополненная реальность, смешанная реальность, преподавательская деятельность.

Хочется отметить, что без наглядности предоставляемой информации уровень восприятия и как следствие эффективность обучения и усвоения новой информации может оставаться на неприемлемо низком уровне для дальнейшего продолжения обучения или усложнения пройденного материала. Помимо этого, факта также очевидно, что некоторые материалы мягко нуждаются не только в текстовом описании, но и какой-либо графической демонстрации. Например, если говорить про процесс обучения в школах, то исторические рассказы и жизнеописания древних князей сопровождались картами и атласами для лучшего понимания написанного текста.

В случае с высшими учебными заведениями так же не сложно представить пример учебной дисциплины, где требуется визуализация. Одним из самых очевидных примеров может являться визуализация бизнес процессов. Разумеется, в такой дисциплине, где основной деятельностью является документирование процессов предприятия по средствам различных диаграмм, сам материал будет так или иначе содержать те или иные способы визуализации информации, рассказываемой преподавателем.

Однако хочется так же заметить, что обучение человека не заканчивается ни после окончания школы, ни после получения диплома о высшем образовании. В том числе, устраиваясь на какую-либо должность при отсутствии опыта, как правило, сотрудник проходит некую стажировку прямо на будущем рабочем месте. Разумеется, от организации к организации методы, время, цели и качество такого обучения может заметно отличаться. В работе не требующей специфических знаний об устройстве каких-либо специализированных приборов или же программ организации такого рода стажировки вообще может и не быть, но если рассматривать, например, организацию, производящую различные средства производства, такие как разного рода станки и специфического характера инструменты, конструкцию и чертежи которых, кандидат на должность никаким образом не мог изучить ранее – становится очевидно, что специалист, принятый на работу далеко не сразу сможет приступить к выполнению прописанных в договоре обязательств. Мало того, скорее всего в такой ситуации в обучении нового сотрудника может быть задействован более опытный, что в свою очередь повлечет либо, к увеличению нагрузки на оставшийся персонал, либо вообще сделает невозможным выполнение части работы до определенного времени.

На основании приведенного выше примера можно легко сформулировать проблему – потеря времени, и как следствие денег, в ходе длительного обучения нового персонала специфической деятельности компании. Решением такой проблемы может является визуализация необходимой к изучению информации с помощью технологических средств, о которых будет вестись речь далее.

Прежде чем углубиться в конкретные способы решения обозначенной проблемы следует разобраться в представленных на данный момент технологиях визуализации, с помощью которых может быть достигнуто решение.

Виртуальная реальность – это искусственно создаваемая информационная среда, которая фокусируется на замене привычного восприятия окружающей среды информацией, создаваемой на основе различных технических средств. Создание средств визуализации информации, направленных на разработку инструментов виртуальной реальности в образовательных целях, может дать педагогическую эффективность, которая не может быть достигнута с помощью других технических средств.

Сегодня образовательные ресурсы, основанные на виртуальной реальности, можно классифицировать следующим образом:

• первый уровень – достижение полной виртуальности с помощью специальных технических средств (шлем-дисплей, специальные перчатки);
• второй уровень – создание объемного изображения с помощью трехмерных (или стереоскопических) мониторов или проектора и специальных очков;
• третий уровень – демонстрация виртуальной реальности на основе стандартного монитора компьютера или инструмента проекции.

Сегодня применение понятия «виртуальная реальность» к компьютерному моделированию представляется наиболее популярным. В этих условиях человек взаимодействует с искусственной трехмерной или сенсорной средой при возникновении виртуальной практики. Для этого он использует в качестве коммуникационного оборудования виртуальный шлем, специальные перчатки или целостный костюм. С помощью этого оборудования человек попадает в среду, генерируемую машиной, где совершает определенные действия, такие, как движение в разных направлениях, управление объектами, а также испытывает различные эмоции под воздействием виртуальных событий.

Вышесказанное позволяет прояснить понятие «виртуального образования» и определить его виртуальные качества. Главной причиной виртуальных процессов является гармоничное движение реально существующих объектов. Взаимодействие учителя и ученика в процессе обучения, основанное на гармонии, создает виртуальное состояние. Внутренние изменения реального субъекта (учителя-ученика) в виртуальном состоянии обусловлены процессом и качеством образования.

Термин дополненная реальность, в англоязычных источниках Augmented Reality или сокращенно AR, появился в 1990 году и был введен Томом Коделом. Основное отличие дополненной реальности от виртуальной заключается в том факте, что виртуальная реальность полностью заменяет существующую реальность, в отличие от дополненной, которая, как нетрудно догадаться по названию, лишь дополняет уже привычную для человека реальность.

На первый взгляд может показаться, что AR предоставляет пользователю меньше возможностей, чем VR, однако это не так. Ключевая разница кроется в цели применения каждой из технологий. Если в случае с виртуальной реальностью цель заключается в максимальной иммерсивности будущего приложения, то в дополненной реальности основной акцент идет на усиления восприятия существующей реальности. В качестве примера можно привести различные продукты игровой индустрии, такие как PokemonGo. Помимо подобных игр существуют различные технологии Motion Tracking, которые можно легко отнести к дополненной реальности.

Помимо виртуальной и дополненной реальности существует и смешанная реальность. Данное понятие появилось в 2012 году, после выхода очков смешанной реальности Hololens от компании Microsoft. Отличием данного рода реальности является от прочих является взаимосвязь между дополненной реальностью и дополненной виртуальностью.

Чтобы проиллюстрировать смешанную реальность для примера можно взять игру Roboraid, представленную вместе с выходом Hololens, демонстрирующую особенности устройства.

В данном раздела были рассмотрены технологии, главной целью которых является повышение иммерсивности. На основе рассмотренных данных можно подытожить следующие тезисы:

• Виртуальная реальность обеспечивает наибольшую иммерсивность за счет создания уникальной информационной среды;
• Виртуальная реальность имеет более удобные механизмы взаимодействия с информационной средой;
• AR позволяет дополнить окружающую нас реальность информативными элементами, которые способны максимизировать получение информации о тех или иных объектах в существующей реальности;
• Смешанная реальность делает акцент на связи дополненной виртуальности и дополненной реальности.

Основываясь на приведенных тезисах можно сделать следующий вывод. Для полного погружения в процесс обучения виртуальная реальность может быть использована существенно успешнее по сравнению с аналогами. Поскольку в VR виртуальная среда может создаваться и контролироваться исключительно с целью обучения это может позволить расставить акценты только на тех вещах, которые требуются в процессе обучения. Помимо данного аспекта можно выделить другой, а именно отсутствие в необходимости наличия учебных материалов, которыми могут являться как печатные экземпляры той или иной литературы, так и наглядные образцы, рассматриваемые в ходе обучения.

Основным механизмом, обеспечивающим работу виртуальной реальности, является трекинг или же отслеживание шлема виртуальной реальности в пространстве. Благодаря трекингу появляется возможность не только понимать, где находится оператор шлема, но и расставлять те или иные предметы в виртуальном пространстве на 3D сцене. Существуют несколько технологии трекинга, использующиеся, в VR шлемах сегодня.

Можно разделить их по нескольким категориям, а именно:

• акустические методы;
• радиочастотные;
• оптические.

При помощи высокочастотных ультразвуковых волн отслеживается искомый объект. Сам принцип работы достаточно прост и был известен еще до появления VR технологий. Для оценки расстояния до объекта измеряется длительность полёта ультразвуковой волны до объекта слежения. Данная система трекинга имеет слабое распространение, поскольку скорость звуковой волны может зависеть от параметрических особенностей среды, таких, например, как влажность или температура.

Радиочастотные методы во многом схожи с акустическими. Ключевая разница в длинах волн. Множество систем помимо виртуальной реальности использует UWB для позиционирования объектов в помещении. Однако, так как метод схож с описанным ранее, точно так же он не лишен похожих недостатков. До сих пор точность определения предметов в пространстве методом радиочастотных волн остается в порядках сантиметров.

В оптических методах отслеживания как правило используются технологии компьютерного зрения в совокупности с камерами глубины. При решении задачи оптического трекинга встает вопрос определения положения объекта в пространстве по его перспективному. В общем и целом можно сказать, что большая часть методов оптического отслеживания работает по принципу проеции точек перспективы.

В глобальном смысле оптическое отслеживание делится на два подхода, а именно внешний и внутренний трекинг.

 Первая и самая простая – внутренний трекинг или же в англоязычных источниках inside-out tracking. Главным принципом его работы является размещение камер с большим углом обзора, симметрично, на разных сторонах шлема. Ключевой деталью такого трекинга являются контроллеры, с помощью которых, пользователь взаимодействует с VR пространством. Как правило в таких системах средства управления оснащены яркой подсветкой, поскольку именно их в первую очередь используют камеры трекинга в системе inside-out. Достоинством такого подхода можно назвать работу устройства прямо из коробки. Пользователю не требуется какое-то дополнительное оборудование для обеспечения работы устройства, отсюда и низкая цена по сравнению с аналогами, использующими, в работе вторую систему трекинга. Впрочем, есть и отрицательные стороны – результат работы такого подхода не всегда даёт хороший результат.

Вторая система носит название Lighthouse или же по-русски маяк. В ней маяки или базовые станции ставятся друг напротив друга очерчивая вашу игровую зону и поехали. Сначала первая базовая станция мигает инфракрасным светом. Сразу за ним испускается широкий падающий лазерный луч. Каждое ИК-мигание это начало отсчета. И так 60 раз в секунду. С момента получения первого мигания шлем и контроллеры начинают отсчет 1,2,3 и так далее. Затем их датчики улавливают лазерный луч. Но из-за смещения датчиков в пространстве один датчик уловит луч на отсчете 3, другой на 5, третий, например, на 11. И как раз базируясь на этой задержке в отсчете от датчиков и рассчитывается положение шлема и контроллеров в пространстве. Очевидным плюсом является точность отслеживания такого подхода, но также существуют и отрицательные стороны, а именно занимаемое системой место.

Прежде чем проанализировать полученную информацию, важно отметить, что большим достоинством иммерсивной программы обучения с точки зрения оборудования несомненно будет являться доступность и понятность работы с оборудованием, а также финансовые затраты и выделяемое под него физическое пространство.

Основываясь на приведенных в предыдущем абзаце тезисах и данных, полученных в ходе исследования, можно уверенно подытожить следующее. Несмотря на качество отслеживания оптической системы Lighthouse, нельзя оставлять в стороне дополнительное оборудование, такое как инфрокрасные камеры и камеры глубины, которые реализуют данную систему и соответственно повышают сложность установки, настройки, последующей работы, а также требуют большого пространства для функционирования.

Помимо системы внешнего отслеживания, персональный компьютер, точно так же является нежелательной деталью подобной системы, поскольку предполагает существенные денежные затраты на его приобретение.

Список литературы

1. Корнилов Ю.В. Попов А.А. К вопросу о терминологии и классификации иммерсивных технологий в образовании: Научная статья. – г. Якутск. – 2020. – 4 с.
2. Левицкий М.Л. Грншкун А.В. Иммерсивные технологии: способы дополнения виртуальности и возможности их использованияв образовании: Научная статья. – г. Москва. – 2020. – 25 с.
3. Малова Ю.А. Оценка возможностей использования иммерсивных 3d технологий в образовании: Научная статья. – г. Парковый. – 2021. – 23 с.
4. Бакин М.В. Иммерсивные технологии в развитии социальной эмпатии и образования: Научная статья. – г. Москва. – 2020. – 19 с.
5. Тахиров Б.М. Понятие виртуальной реальности: Научная статья. – г. Бухара. – 2020. – 12 с.
6. Волынов М.М. Китов А.А. Горячкин Б.С. Виртуальная реальность: виды, структура, особенности, перспективы развития: Научная статья: г. Москва, 2020. – 795с.
7. Соколин Д.Д. О применении технологии UWB в решении задачи локального позиционирования объектов в помещениях: Научная статья. г. Красноярск, 2018. – 2 с.
8. Михайлюк М.В. Оптический трекинг для систем виртуальной реальности: Научная статья. г. Москва. – 2006. – 3 с.
9. Мордвинцев Д.А., Аршинов А.Ю. Сильченко И.А. VR-тренажер «Виртуальная автомастерская»: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.