Дипломная работа

Применение технологий виртуальной, дополненной и смешанной реальности в сфере образования

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Введение. 3

ГЛАВА 1. ПРИМЕНЕНИЕ ВИРТУАЛЬНОЙ, ДОПОЛНЕННОЙ И СМЕШАННОЙ РЕАЛЬНОСТИ: РАЗМЕРЫ РЫНКА И ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ. 6

1.1. Проекты виртуальной, дополненной и смешанной реальности. 6

1.2. Техническое обеспечение создания виртуальной и дополненной реальности  9

1.3. Сферы применения AR/VR-технологий. 12

1.4. Общие положения и проблемы развития в сфере образования. 16

1.5. Преимущества AR в учебном процессе. 17

ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ВИРТУАЛЬНОЙ, ДОПОЛНЕННОЙ И СМЕШАННОЙ РЕАЛЬНОСТИ В СФЕРЕ ОБРАЗОВАНИЯ. 20

2.1. Применение виртуальной реальности в учебном процессе. 20

2.2. Использование технологий AR/VR для организации школьных мероприятий  21

2.3. Применение технологий виртуальной реальности для обучения и исследований с помощью VE 3D ieCenter 23

2.4. Применение виртуальной реальности в образовании на уроках биологии. 26

2.5. Применение виртуальной реальности по курсу химии с использованием системы распознавания жестов. 28

ГЛАВА 3. ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ВИРТУАЛЬНОЙ, ДОПОЛНЕННОЙ И СМЕШАННОЙ РЕАЛЬНОСТИ.. 31

3.1. Основные проблемы развития современной дополненной реальности и пути их решения. 31

3.2. Перспективы развития AR и VR в сфере образования. 33

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 38

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.. 41

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. 44

 

 

 

Введение

 

В наши дни значительного развития достигли многие инновационные технологии, среди которых технологии дополненной реальности (Augmented Reality). Они фактически идут впереди внедрения AR во всех отраслях жизни общества.

Стоит констатировать, что AR пока воспринимается больше как что-то несерьезное, уловка маркетологов, которая пришла на смену вкладыванию в глянцевые журналы рекламным 3D-очкам.

Дополненная реальность имеет большой потенциал для развития и совершенствования. Эта технология может в будущем перевернуть весь мир, сделать его намного удобнее, интерактивнее и безопаснее. В направлении развития технологии дополненной реальности работает много компаний. Многие из них сосредоточены на внедрения данной технологии в образовательную сферу – от дошкольных учреждений до высших учебных заведений. Данная технология представляет собой некое связывающее звено между двумя мирами – реальным и виртуальным. В этом главное преимущество технологии AR перед технологией полной виртуальной реальности (VR).

Технологии полной виртуальной реальности вызывают у родителей ряд обоснованных угроз, ведь уже были случаи, когда ребенок с головой окунался в виртуальный выдуманный мир. Технологии дополненной реальности по своей природе контактируют с реальностью, но не заменяют, а дополняют ее. Такое положение дает возможность устранить возможные психологические угрозы применения этой технологии в образовательной сфере, начиная с дошкольного возраста — даже если пользователь системы дополненной реальности еще не умеет читать.

Актуальность. Технологии дополненной и виртуальной реальности постоянно обсуждаются. Уже сегодня, данные технологии обещают свои пользователям многое. В первую очередь, это обеспечение персонала необходимой информацией в настоящем времени, проведение виртуальных совещаний, так будто участники совещания находятся за одним рабочим столом и многое другое.

Развитие данных технологий находится на стадии становления и развития. При этом, эксперты уверяют, что виртуальная и дополненная реальность имеют широкие перспективы для развития.

Методологические предпосылки исследования. Поскольку индустрия развивается, а технологии совершенствуются, смешанная реальность вполне может пересечься с новыми трендами вроде машинного обучения и искусственного интеллекта, или приложениями для IoT. И тогда нас ждет совершенно новая, высокотехнологичная экосистема интеллектуальных продуктов.

Объектами исследования данной работы являются сфера образования и технологии виртуальной, дополненной и смешанной реальностей

Предметом исследования выступает применение технологий виртуальной, дополненной и смешанной реальности в сфере образования.

Цель данной работы проанализировать модели использования технологий виртуальной, дополненной и смешанной реальности в сфере образования

Для достижения цели, необходимо решить следующие задачи:

• рассмотреть проекты виртуальной, дополненной и смешанной реальности;
• изучить техническое обеспечение для создания виртуальной и дополненной реальности;
• изучить сферы применения AR/VR-технологий;
• изучить общие положения и проблемы развития в сфере образования;
• рассмотреть преимущества AR в учебном процессе;
• исследовать применение виртуальной реальности в учебном процессе;
• рассмотреть использование технологий AR/VR для организации школьных мероприятий;
• рассмотреть применение технологий виртуальной реальности для обучения и исследований с помощью VE 3D ieCenter;
• рассмотреть применение виртуальной реальности в образовании на уроках биологии;
• рассмотреть применение виртуальной реальности по курсу химии с использованием системы распознавания жестов;
• выявить основные проблемы развития современной дополненной реальности и пути их решения;
• выделить основные перспективы развития AR и VR в сфере образования.

Теоретическую основу данной работы составили труды отечественных и зарубежных ученых в направлении использования технологий дополнительной, виртуальной и смешанной реальности в сфере образования, среди которых стоит выделить Бокачева Е.А., Елесина С.С., Фещенко А.В., Околелова О.П., Зинченко Ю.П., Меньшикова Г.Я., Баяковского Ю.М., Черноризова А.М., Войскунского А.Е.

Данная работа состоит из введения трех глав, заключения, списка использованной литературы, приложения.

Во введении обоснована актуальность темы, описаны методологические предпосылки исследования, определены объект, предмет, цель, задачи исследования.

В первой главе рассмотрено применение виртуальной, дополненной и смешанной реальности: размеры рынка и проблемы развития.

Во второй главе описано практическое применение виртуальной, дополненной и смешанной реальности в сфере образования.

В третьей главе описаны проблемы и перспективы развития виртуальной, дополненной и смешанной реальности.

В заключении сделаны выводы обобщающего характера.

 

 

ГЛАВА 1. ПРИМЕНЕНИЕ ВИРТУАЛЬНОЙ, ДОПОЛНЕННОЙ И СМЕШАННОЙ РЕАЛЬНОСТИ: РАЗМЕРЫ РЫНКА И ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ

 

1.1. Проекты виртуальной, дополненной и смешанной реальности

 

Пристального внимания заслуживают три технологии, являющиеся между собой смежными: Virtual reality (VR) - виртуальная реальность, Augmented Reality (AR) - дополненная реальность, и Mixed reality (MR) - смешанная реальность.

Разные типы «реальностей» отличаются по характеристикам, к которым относятся: реальность виртуальных объектов, подлежащих  отображению, уровень или же глубина погружения в виртуальное пространство и определенный метод по взаимодействию между ними.

Необходимо отметить размытость терминологических границ, при которой смешанную реальность порой именуют «Гибридной реальностью», а также применяют понятия «реальность программируемая» или «виртуальная реальность с полным погружением» (immersive vr).

При дополненной реальности не меняется человеческое видение окружающего мира, а также его восприятие, лишь происходит дополнение  реального мира искусственными элементами и новыми данными. Как происходит этот синтез, можно рассмотреть на примере фирм, которые стремятся создать флагмановские очки с дополненной реальностью, подобные Epson Moverio, Google Glass, Toshiba Glass. Дополненная реальность дает возможность пользователю получать информацию, не используя руки и не отвлекаясь от выполняемого процесса.

Под смешанной реальностью подразумевают следующую ступень отстранения от обычного мира. MR объединяется с виртуальностью, причем в мир добавляются виртуальные объекты, чрезвычайно правдоподобные. Суть технологии заключается в том, чтобы добавить в наше пространство-время образы виртуального характера, визуализировать и закрепить их положение в соответствии с предметами реального пространства таким образом, чтоб наблюдающий их потребитель воспринимал их реальными. По своей сути эта технология объединила в себе самое лучшее из сторон AR и VR. Пользователь не прекращает взаимодействие с реальным миром, в котором одновременно существуют виртуальные объекты, впечатляющие своей «натуральностью».

Виртуальная реальность обеспечивает полное погружение пользователя в предварительно созданный мир и отгораживает его от реального. Человек надевает шлем виртуальной реальности и использует другие специальные устройства для погружения в виртуальный мир. Описанная технология в современных условиях имеет наиболее мощный WOW-эффект, является понятной и доступной для пользователей. Обладая важной характеристикой - эффектом присутствия и ощущения погружения в другое пространство (гонки, пустыни или все, что может выдумать  сценарист, дизайнер и разработчик). Пользователи чувствуют движение автомобиля, боятся выпасть из раскачивающихся качелей и пытаются прикоснуться к котенку в вымышленном мире, с восприятием его в качестве  реального. Но чтобы «обмануть» мозг, необходимо приложить массу усилий с учетом принципов его работы. В придуманном мире разработчики стремятся к имитации взаимодействия с созданной средой путём влияния на имеющиеся у человека органы чувств. Пока только освоено успешное воздействие на слух и зрение, но разработки в этом направлении продолжаются [30].

При помощи проектов дополненной и виртуальной и реальности стало возможным не только создание концептуально новых рынков, но и расширение уже существующих.

Каждая сфера оценивается по следующим параметрам:

1. Потенциал в развитии к 2025 году проектов относительно дополненной и виртуальной реальности.
2. Результаты, реальные для достижения по использованию проектов дополненной и виртуальной реальности.
3. Рынок потенциальных пользователей проектов виртуальной и дополненной реальности.
4. Величина текущей прибыли, полученной от проектов виртуальной и дополненной реальности.

Краткие данные по исследованию в каждой сфере предоставлены в Приложении 1 [23].

В ближайшем будущем устройства виртуальной реальности приобретут такую же популярность и функциональность, как и мобильные телефоны. При помощи таких девайсов пользователи получат возможность  смотреть фильмы и сериалы, участвовать в массовых мероприятиях и делать покупки. Это говорит о том, что виртуальная реальность в значительной мере расширит возможности малого и крупного бизнеса.

Объем продаж в разных сферах VR и AR к 2025 году изображен на рисунке 1.

 

 

 

Рисунок 1 – Доля продаж в разных сферах VR и AR к 2025 году [23]

 

Аналитики определили, что программы для виртуальной и дополненной реальности можно использовать в разных отраслях деятельности человека. Развитие технологий дополненной реальности очень сильно отстает от виртуальной - это заметно в сфере обработки объектов в режиме реального времени. Но со временем эта технология станет лучше и перейдет в категорию конкурентоспособных.

Рынок программного обеспечения для технологий VR и AR к 2025 году изображен на рисунке 2.

 

 

Рисунок 2 – Рынок ПО для технологий VR и AR к 2025 году [23]

 

1.2. Техническое обеспечение создания виртуальной и дополненной реальности

 

Процесс эволюции человека заключается в том, что люди накапливают знания и создают устройства, упрощающие жизнь. Такими направлениями могут выступать виртуальная и дополненная реальность.

Ранее она были лишь мечтой, существовавшей только на экранах кино и в научно-фантастических книгах, но наступают перемены. Технологии развиваются, стали практичными и доступными. Человек не только может увидеть что-то, а приобретает опыт по погружению внутрь его [13].

Виртуальная реальность выступает мощным средством для создания острых ощущений и интерактивных проекций непосредственно в трехмерном виртуальном пространстве. Подключая различные рецепторы (осязательные, зрительные, обонятельные и слуховые), решения в сфере виртуальной реальности дают пользователю полное представление об окружающей среде и обеспечивают высокий уровень его вовлеченности в этот мир.

Виртуальная реальность реализуется с помощью изображения, звука, имитации тактильных ощущений, которые используются при решении задач по виртуальному прототипированию и эргономическому проектированию, создании различных тренажеров, в том числе и медицинских, дистанционном управлении роботами, в том числе и в микро- и нано системах при создании виртуальных скульптур.

Создание виртуальной реальности в техническом плане обеспечивают такие группы устройств.

Шлемы виртуальной реальности (очки виртуальной реальности). К ним относятся Oculus Rift. Шлем по характеристикам превосходит все существующие в мире аналоги. С марта 2016 года начались поставки улучшенной версии Oculus Rift для обычных пользователей. Цена первой версии Oculus, ориентированной на потребителя, составила в США 599 долларов и в Европе – 699 евро.

К основным характеристикам шлема Oculus Rift относятся: разрешение - 2160×1200; экран - 5.7" OLED (Development Kit 2, может меняться); частота регенерации - 90Гц, причем отдельно для каждого дисплея; поле обзора – 100⁰С; сенсоры - акселерометр, гироскоп, магнитометр; разъемы - HDMI, USB 2.0, 3.0.

Системы по отслеживанию движений головой. Они отслеживают движение и повороты головы человека в пространстве. Самые известные из них – это HeadJoy, система трекинга A.R.T., TrackIR, RUCAP UM-5. На сегодня системы отслеживания перемещения головы встроены во многих других устройствах, таких как шлемы виртуальной реальности, системы отслеживания движения тела и глаз.

TrackIR использует камеру с подсветкой инфракрасными диодами; в качестве маркера применяется специальная отражающая наклейка. Также в некоторых комплектациях TrackIR содержится кепка с двумя вшитыми маркерами (спереди и сзади для тех, кто носит её назад козырьком). TrackIR контролирует движение по 6 степеням свободы. Недостатком на сегодня является высокая цена.

В RUCAP используется ультразвуковой маркер. Движение головы с высокой точностью отслеживается по 6 степеням свободы. К основным характеристикам относятся: скорость реакции - 160 кадров в секунду; точность 1 мм по осям X, Y, Z; точность 1⁰С по углам; величина рабочей зоны: по расстоянию 0,2-1,7 м, по ширине - 1,0 м.

Системы отслеживания движения глаз контролируют движение зрачков и в каждый момент времени могут определить, в какую сторону смотрит человек. На сегодня такие системы практически отсутствуют на рынке потребительских товаров, но они нашли свое применение в науке и медицине для помощи в изучении поведения человека.

Wired Gloves - перчатки виртуальной реальности. Главным средством взаимодействия человека с окружающим миром являются его руки. Поэтому давно уже существовала идея создания «виртуальной руки». Для этого предлагают пользоваться специальными перчатками, которые будут  отслеживать движение кистей рук и пальцев.

3D мыши и 3D контроллеры. Стандартные  2D контроллеры, как мышка, помогают показывать точку на плоскости, а когда речь идет о применении мышки в 3D играх, то для добавления еще одного измерения приходится использовать в качестве дополнительного устройства, к примеру, клавиатуру [18]. В разработках современных технологий имеются и более совмещённые манипуляторы, которые обеспечивают работу в 3D. При их применении пользователь пользуется «джойстиком» и ставит его в положение, которое отслеживается компьютером.

Беговую дорожку Omni в комплекте с контроллером Kinect и очками виртуальной реальности обеспечивает максимальное погружение в виртуальную реальность, изменяя движения пользователя в действия виртуального героя. Платформа Omni представляется в виде вогнутой восьмиугольной всенаправленной беговой дорожки с низким коэффициентом трения поверхности. Игрок в специальной обуви может бежать, шагать, менять направление движения и прыгать, а персонаж дублирует все эти движения. Существует специальное кольцо безопасности, которое  удерживает игрока от падения. При применении платформы Omni вместе с контроллером Kinect и очками для виртуальной реальности пользователь может в полной мере погрузиться в процесс игры. Kinect отвечает за движения руками и команды пользователя при помощи голоса. А очки для виртуальной реальности применяют для обеспечения кругового обзора. В комплекте игровая платформа имеет вес около 50 кг, а ее размер в наиболее широком месте равны 122 см. Она применима игроками с ростом 142-195 см, но с весом не тяжелее 130 кг [24].

Под дополненной реальностью подразумевается технология, которая  позволяет накладывать сверху на реальный мир цифровые данные и информацию об исследуемом объекте при помощи компьютерных устройств. Характерной чертой этой технологии является получение динамических и статических данных в реальном времени при помощи визуализации данных об определенном объекте.

Применяемые средства по разработке технологии дополненной реальности, находятся в прямой зависимости от типа реализуемых задач и доступных средств для их реализации. Такие средства как Daqri, MixAR и ZooBrust являются предельно простыми и не требуют высоких навыков в программировании. Другие инструменты, с содержащимися в себе наборами SDK: ARToolKit, Unifeye Mobile SDK, Wikitude, создавались специально для разработчиков приложений [15].

Daqri - это платформа, позволяющая пользователям формировать QR-коды и отображать фильмы, изображения и другой контент, как только они становятся распознанными камерой смартфона. Самым интересным в этой платформе является то, что Daqri дает возможность пользователям создавать приложения дополненной реальности без написания кодов.

Студия Hololabs занимается разработкой приложения для iPhone под названием MixAR, которое дает возможность пользователю создавать свои 3D модели дополненной реальности, видео и фотографии без необходимости написания самого кода. Платформа MixAR помогает пользователям сфотографировать объект, с последующим преобразованием его в 3D-модель, для дополнения объектов реального мира. Результат сохраняется подобно  видео.

ZooBurst - это инструментарий, который позволяет авторам создавать собственные 3D книги. Автор просто держит маркер в ZooBurst перед веб-камерой, а всплывающая 3D книга будет появляться на экране, в масштабе равная оригинальному размеру книги.

ARToolKit относится к свободно распространяемой библиотеке с открытым исходным кодом, написанным на языке С, для формирования новых приложений дополненной реальности. ARToolKit применяет методы компьютерного зрения для расчета необходимого положения и ориентации камеры по отношению к карточкам-маркерам. Что позволят программисту осуществлять наложение виртуальных объектов поверх маркеров.

Технологии виртуальной и дополненной реальности позволили  раскрыть заложенное внутри каждого человека желание быть вместе с подобными себе, путешествовать, развлекаться и общаться. Наука придумала способ достижения для того, чтоб убрать расстояния, рамки и другие аспекты, препятствующие получению подобного опыта в реальной жизни.

 

1.3. Сферы применения AR/VR-технологий

 

По разным прогнозам использование в той или иной степени элементов виртуальной реальности во всех отраслях жизни общества будет расти в геометрической прогрессии. Это направление нельзя отнести к  конъюнктурному. Через определенный период времени разработки, скорее всего, перестанут быть актуальными, но станут основой для еще более нереальных открытий. Эта отрасль способна к созданию принципиально новых секторов, а также к значительному расширению уже имеющихся возможностей.

Рассмотрим некоторые направления, в которых VR-технология заняла свое основательное место.

І. Игровая реальность.

Игровую реальность можно разделить на виртуальные игры и игры с использованием элементов смешанной и дополненной реальности. К играм с элементами смешанной и дополненной реальности можно отнести, к примеру, Лазертаг или лазерный бой – высокотехнологичную игру, происходящую в реальном времени и пространстве, использующую в качестве составляющих дополненной реальности выстрелы лазером из бластера-автомата. Или же игру-дополнение Minecraft Reality, которая позволяет размещать в фиксированных географических координатах реального мира модели игрового хита, которых создают сами пользователи. Таким образом, процесс создания виртуального мира переносится в реальную действительность, а полученный результат может просматриваться в мобильных устройствах [16].

Также, простой и интересной является игра дополненной реальности «Нарисуй 3D лабиринт!». Игрок на листе бумаги должен нарисовать лабиринт, начиная от старта и до финиша, по которому другой человек должен будет виртуально провести шарик. При этом на глазах нарисованные линии трансформируются в стенки лабиринта, на высоком уровне выполняющие свою функцию, так как в программное обеспечение заложены законы физики [33].

Виртуальными играми, безусловно, являются компьютерные видеоигры, которые погружают пользователя в мир игры, в отличие от дополненной и смешанной реальности, которая привносит лишь некоторые изменения в реальный мир [20]. Аудитория, пользующаяся данными продуктами, согласно источникам, может насчитывать около 150 млн. игроков на ПК во всем мире.

ІІ. Образование.

Здесь также можно рассматривать два основных направления виртуальной и дополненной реальности. Это дистанционное образование, которое по праву можно отнести к виртуальному образованию, позволяющее организовать виртуально процесс обучения в необходимом образовательном учреждении без учета местонахождения заведения и лица, проходящего  обучение [4]. Причем, существующие информационные технологии дают возможность сделать его исключительно качественным.

При очном и при дистанционном образовании возможна реализация такого виртуального пространства, при котором учащиеся будут брать непосредственное участие, например, в исторических событиях, станут полноценными участниками биржевого рынка или будут создавать предприятия в малом бизнесе на экономическом пространстве. Реализовать такие и подобные задачи можно с помощью виртуальных компьютерных приложений, симуляторов, деловых игр, анимационных моделей. Необходимо отметить, что активное развитие образовательного пространства в виртуальной реальности формирует принципиально новое, информационно подкованное общество. Постоянно увеличивающийся объем доступной информации, возможностей, предлагаемых современными информационными технологиями, новейшие способы предоставления и считывания информации всевозможными мобильными и компьютерными устройствами подталкивает молодежь к естественному приобщению к информационному миру с младшего возраста.

ІІІ. Проектирование.

Нереально трудно переоценить возможности, которые дает виртуальная реальность в сфере проектирования. Не имеет значения, в какой области пользователь пытается создать проект. VR-технология даст возможность высокоэффективно моделировать кибер-пространство, поддерживая on-line диалог с пользователем, с подсказками лучших решений. Виртуальное проектирование используется в быту, когда нужно окружить себя рациональным и комфортным пространством, в автоматизированных системах, которые внедрены практически во всех экономических сферах, позволяя моделировать АСУ и оценивать ее эргономичность и надежность.

1. IV. Медицина.

Виртуальная реальность приобрела широкое применение в медицине. С помощью специальных медицинских симуляторов, медицинский персонал имеет возможность совершенствовать профессиональные навыки с использованием наглядных моделей. Наличие искусственного интеллекта в  стимуляторе  помогает адекватно и своевременно реагировать на действие виртуального врача, способствуя отработке лучших стратегий при лечении пациентов.

Существуют медицинские приложения (Mindscape от Viscira), позволяющие врачу ощутить реальный мир человека с психическими или же  возрастными отклонениями. Также, виртуальные 3D модели дают возможность увидеть объемную модель органа, который предстоит оперировать [13].

При необходимости можно изучить в очках виртуальной реальности и прикоснуться руками в случае распечатки его модели на 3D принтере. Операции, кроме людей-хирургов, пациентам проводят роботы-хирурги, а уникальные операции передаются в сеть в режиме on-line для предоставления возможности другим хирургам видеть происходящее в операционной и получать опыт и знаниями. Разработаны приложения, которые при формировании виртуальных ситуаций, помогают людям преодолеть  различные синдромы и фобии, а также убрать болевые ощущения путем организации расслабляющего, уютного и комфортного виртуального пространства.

1. V. Виртуальная торговля.

Это направление является неотъемлемым от жизни общества. Трудно сейчас отыскать человека, который не пользовался бы данной услугой с чьей-то помощью или самостоятельно. Операции купли-продажи недвижимости,  транспортных средств, товаров народного потребления, лекарственных средств, техники – этот список  можно считать бесконечным. Интернет-магазины, порталы, on-line-продажа купонов, которые предоставляют скидки на товары и услуги, виртуальная реклама, маркетинговая политика, изучение интернет-аудиторий, участники которой могут быть потенциальными покупателями товаров с помощью интернета. Хранение товаров на складе происходит при наличии радиометок. Это привело к возможности  подключать модули дополненной реальности, как для торговых работников, так и для клиентов, желающих получить всю информацию о продукции.

1. VI. Виртуальные деньги.

Оплата всевозможных услуг, управление счетами и картами в банках, виртуальные биржи, оплата интернет продукции, Webmoney, yandex-деньги, биткоины и частные электронные деньги, так называемые кибер-деньги, потратить которые можно только в Web-пространстве [8].

VII. Средства массовой информации.

Технологии, обеспечивающие наличие виртуальной реальности, позволяют пользователям участвовать в любом массовом мероприятии, начиная олимпиадами и спортивными матчами, митингами и концертами и заканчивая локальными ежедневными передачами. С помощью VR-технологии можно в полной мере погрузиться в фильм и принимать участие в телепередаче, не покидая дом.

VIII. Дополненная реальность в печатной продукции

Применение дополненной реальности в принтмедиа представляет собой определенные теги, метки, текст, изображения, расположенные на страницах печатной продукции или упаковке. На каждый из таких элементов разрабатываются отдельные модели или информационные блоки. Основной задачей является наглядное или более расширенное представление информации, расположенной в печатной продукции. Это обеспечивается с помощью дополнительного контента, представленного в виде анимации, аудиоинформации, трехмерного моделирования, видео, блоков информационного описания, инфографики, а именно, всего, что не может быть представлено в той или иной степени на печатной продукции. Это выглядит, на уровне пользователя, как сканированные мобильным устройством фрагменты печатного издания. Безусловно, на устройстве предварительно должно быть инсталлировано мобильное приложение дополненной реальности. При распознании метки оно выдает на устройство нужный дополнительный контент [35].

Из указанного выше можно сделать вывод, что область AR/VR-технологий стала неотъемлемой частью большинства актуальных сфер человеческой жизни. Список рассмотренных направлений далеко не полный, а изложенные примеры в каждом из направлений представляются лишь маленькой толикой возможностей виртуальной реальности на сегодня. Любая сфера деятельности, которую выберет будущий специалист, будет обязательно содержать долю AR/VR-направлений. Они будут динамически развиваться, включая в себя практически все сферы экономики и научные направления. Можно высказать предположение, что AR/VR-направления находятся у собственных истоков. При развитии информационных технологий и направлений в науках в этой области ежегодно будут создаваться неожиданные, новейшие разработки, радующие широкий круг поклонников, и поражающие новых потенциальных клиентов.

 

1.4. Общие положения и проблемы развития в сфере образования

 

При использовании технологий виртуальной и дополненной реальности ученики учебных заведений получат возможность изучать  предметы в виртуальном пространстве, участвовать в исторических событиях. Компания Google на безоплатной основе внедряет в школах свой проект Cardboard. В начале 2016 года было готово уже более 100 учебных программ. Кроме школ, в проектах виртуальной и дополненной реальности заинтересованы многие образовательные медицинские учреждения.

Представители Apple в марте 2013 года заявили, что, после запуска образовательной программы, компания обеспечила образовательные учреждения по всему миру в 8 миллионах планшетных компьютеров, из которых 4,5 миллиона были распределены по школам США. Согласно статистическим данным, за три года компания подарила около 7% от общего числа всех выпущенных iPad.

Возможное число пользователей в развитых странах - около 200 миллионов школьников и студентов, из которых более 25% проживают в США (школьников - 50 миллионов человек и студентов - 20 миллионов человек).

Технологии виртуальной и дополненной реальности нужно первоочередно применять в сфере образования, так как образовательная система должна адаптироваться к постоянно усложняющимся процессам, теориям и моделям, ученикам необходимо ориентироваться в большом количестве информации и в новых способах ее подачи. Восприятие технологий VR и AR с раннего детства будет способствовать росту важности и принятию технологий. Поэтому сегодня можно сказать о востребованности  в специалистах в AR и VR, как в сегодняшних условиях, так и в будущем.

К основным трудностям нужно отнести сложность в обновлении ранее разработанных образовательных программ.

В 2015 году рынок программного обеспечения для системы образования составил около 12 миллиардов долларов, из которых 5,2 миллиарда потрачены на разработку школьных программ, 6,6 миллиардов - на программы для ВУЗов.

Сумма дохода от продаж программного обеспечения в школы и вузы составит 300 миллионов долларов в 2020 году и 700 миллионов - в 2025 году. По наиболее скромным подсчетам, система образования потратит до пяти лет на закупку и введение в эксплуатацию 8 миллионов устройств виртуальной и дополненной реальности.  Логично высказать предположение, что на первых порах системы виртуальной и дополненной реальности приобретут популярность в первую очередь в средне образовательные учебные заведения, а позже технология заинтересует и высшие учебные заведения. Студенты инженерных и медицинских вузов получат возможность проводить занятия практического и лабораторного характера, используя виртуальное пространство [30].

 

1.5. Преимущества AR в учебном процессе

 

В большом количестве исследований [32,36] показано, что обучающие AR-технологии делают более полноценным и результативным визуальное и контекстуальное обучение, улучшая информацию настолько, что из нее до 80% фиксируется в кратковременной памяти в сравнении с 25% при традиционных уроках или лекциях, а также при чтении текста. Это связано с предназначением человеческого мозга для работы с образами, а не текстом.

Варианты применения AR в образовании начали изучаться уже достаточно давно. Они отразились в методологии MARE (Mobile Augmented Reality Education), изображенной на рисунке 3.

 

 

Рисунок 3 - Схематическое представление методологии MARE [36]

 

Как видно из схемы, к сфере AR относятся в первую очередь образовательные ресурсы, объединение которых формирует  образовательную среду.

К наилучшему образовательному ресурсу относятся книги с дополненной реальностью. Анализ текущей ситуации в образовании приводит к выводу, что на современном этапе к наиболее приемлемому варианту относятся книги с дополненной реальностью - Augmented Reality Book (ARB). Они обладают такими существенными преимуществами:

Не требуется существенное изменение преподавательской методики, учебники в бумажном исполнении не ликвидируются, а расширяются их возможности. Эти изменения можно отнести к эволюционным, а не революционным.

Существует такое понятие, как digital gap - «цифровой разрыв между поколениями». Поскольку средний возраст учителей в России составляет 52 года, то в силу этой причины многим педагогам сложно принимать и, соответственно, применять современные IT-технологии, являющиеся привычными для школьников и студентов. ARB призваны устранить такой разрыв: учебники не меняют своего привычного вида, а стандартные страницы выступают в роли маркеров, распознаваемых приложением для дополненной реальности.

Функции привычного учебника значительно расширяются, давая возможность учащемуся передавать информацию не при помощи узкого  канала «текст + изображение без движения», а более широким - «звук + объемная анимация».

Вводится в двух вариантах функция интерактивности. К первому относится подготовка к взаимодействию с реальными объектами (виртуальные лабораторные работы, тренажеры),  ко второму -  взаимодействие с объектами, недоступными в реальной жизни (перемещение молекул и атомов при моделировании химических реакций).

Удачно созданный, интересный учебник, обладающий функцией AR, способен в полной мере вызвать у школьника  интерес определенной областью знаний, чем определить даже дальнейшую судьбу человека.

При ограниченном финансировании российского образования, воплощение в процесс обучения технологий AR не требует значительных затрат: учащиеся используют собственные устройства, а учебники не нужно будет перепечатывать.

При проведении исследований и разработок в сфере AR фирма Lab24 запатентовала десятки базовых технологий, которые призваны обеспечить полный цикл для подготовки учебных пособий с дополненной реальностью. Уже реализованы следующие проекты в образовании:

• движение Земли в Солнечной системе - география, 5 класс;
• «живая азбука» для обучения чтению для детей 4-6 лет;
• животный мир Земли - биология и география, 5 класс;
• знакомство со звездным небом - география, 5 класс;
• объекты всемирного наследия ЮНЕСКО - география, 5 класс;
• процесс диссоциации молекул NaCl в водном растворе с возможностью интерактивного управления молекулами H₂O - химия, 9 класс.

Проведенное пробное применение перечисленных приложений в общеобразовательных средних школах показало существенное повышение успеваемости до 25-27% и повышение интереса к дисциплинам естественнонаучного направления, что привлекает молодежь к обучению  научно-инженерным специальностям для решения актуальных проблем модернизации промышленности в России [29].

 

 

ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ВИРТУАЛЬНОЙ, ДОПОЛНЕННОЙ И СМЕШАННОЙ РЕАЛЬНОСТИ В СФЕРЕ ОБРАЗОВАНИЯ

 

2.1. Применение виртуальной реальности в учебном процессе

 

Доказано опытным путем: полная вовлеченность в учебу повышает уровень мотивации и успехов при получении знаний. Стимуляция мозговой деятельности происходит во время наблюдения за картинкой, максимально реалистичной. Это обозначает, что с VR-технологиями происходит переход на уровень обработки информации, более новый и с высшим качеством.

В современных условиях виртуальная реальность под контролем преподавателей дает возможность создавать инновационные учебные материалы, организовывать VR-лаборатории. Происходит это таким образом: во время уроков по информатике преподаватель знакомит с программным обеспечением, которое требуется для применения комплекса, а необходимые данные и заготовки рисунков отбираются на уроках математики, химии и на других предметах.

На уроках по рисованию можно создать 3D-картинки с применением  программных средств 3D-графики. После чего вся подобранная и созданная информация собираются воедино в определенной программе, чтоб в результате получить уникальные образовательные ресурсы в трехмерном изображении.

После этого аппаратно-программный комплекс размещают в кабинете, где будет выполняться сам процесс обучения. Разработчики образовательных ресурсов могут находиться в других городах и даже странах. Результативная работа над проектом стала реальной при помощи сетевого взаимодействия. Похожие экспериментальные лаборатории активно применяются во многих учебных заведениях.

При использовании в образовании гаджеты Virtual Reality открывают широкий спектр безграничных возможностей, к которым относятся:

• анализ больших объемов информации;
• изучение редчайших физических явлений;
• манипуляции со всевозможными объектами физического мира;
• участие в исторических событиях;
• участие в химических опытах.

Издание New York Times делает общедоступным собственное приложение, которое предлагает совершить виртуальную прогулку в Нью-Йорке. Для этого требуется специальные средства. Существующие сейчас на рынке аппаратно-программные комплексы могут реализовать путешествие по другим странам, и даже в параллельные миры. Здесь речь идет относительно Oculus Rift, о технологии Magic Leap, о шлемах для виртуальной реальности Gear VR, HTC Vive, Sony, Project Morpheus.

Важную роль приобретают приложения. К лучшим для образования относят VR Cardboard. Сама разработанная программа содержит перечень изображений, относящихся к различным областям знаний: математике,  биологии, анатомии, истории, архитектуры и инженерного дела. Уникальность её заключается в том, что возможно разделение экрана на две части, что даст возможность детям созерцать объемное изображение под разным углом, поменяв лишь положение головы.

В современных условиях, технологии, которые ранее казались фантастичными, реальны и уже применяются в обучении: взаимодействие учебных заведений посредством сети, интеграция между предметами; телемосты и всевозможные видеоконференции; электронные трёхмерные программы для обучения, информационные материалы для презентаций; виртуальные залы для лекций, лаборатории, практикумы, музеи и  планетарии.

 

2.2. Использование технологий AR/VR для организации школьных мероприятий

 

В нашей жизни, в сфере развлечений, достаточно широко применяются возможности, предлагаемые виртуальной, смешанной и дополненной реальностью. Зал клуба на период вечеринки трансформируется в настоящее киберпространство.

Технологии настолько реально воспроизводят декорации, что люди в действительности отключаются от реального мира и определенный промежуток времени находятся в виртуальном мире кибер-вечеринки.

Создано великое множество технологий, которые предлагают всевозможные виртуальные эффекты, от простых декораций до нереально сложных. К самому простому относится проецирование всевозможных картинок или клипов на экран всеобщего доступа. Это, конечно же, оживит любой праздник и сделает его более привлекательным, чем праздник с банально звучащей музыкой.

Необходимо отметить самые сложные и наиболее зрелищные проекционные системы, к которым относятся High Touch и High Definition. Под технологией High Touch подразумевается интерактивная система, которая проецирует видеоряд на поверхность пола или стены. Самым зрелищным эффектом является то, что человек при помощи своих движений или жестов самостоятельно оживляет видеоизображение. Например, движение руки может приблизить к себе звездный шлейф или вызвать круги под ногами, лишь топая по виртуальной воде.

Проекционную систему в формате High Definition могут передавать на поверхность с любой сложностью (квадрат, волна, шар). Причем эффекты на сложных поверхностях выглядят объемными и реалистичными. Попадая в помещение с подобными транслирующимися технологиями, человек чувствует себя в нереальном мире. Во время праздников есть возможность реализации эффектов дополненной реальности также с помощью других проекционных систем, но все технологии являются очень дорогостоящими и применить их, например, на школьных вечеринках, не представляется возможным.

При применении в учебном процессе, на вечеринке или концерте  элементов дополненной и смешанной реальности, можно применять, например, платформу Camtasia studio, подходящую для работы с видеофайлами или аудиорядом, изображенную на рисунке 4.

 

 

Рисунок 4 - Наложение эффектов на картинки в приложении Camtasia studio [26]

 

С помощью этой программы появляется возможность в наложении аудиоряда на картинки по определенной теме, изменяя звук согласно  демонстрируемым изображениям. Приложение также позволяет оформить  изображения всевозможными спецэффектами. Таким образом, картинка будет изменяться в такт передаваемой музыке, и обеспечивать довольно таки впечатляющее зрелище.

В завершении необходимо отметить, что в современном мире трудно представить себе даже самую примитивную дискотеку без простой компьютерной анимации. Техническая реализация AR/VR-технологий в большинстве случаев являются дорогостоящими.

Но существует также много бесплатных и общедоступных приложений для проведения частных мероприятий, не требующих значительных финансовых вложений. При желании можно использовать самые простые приложения, синхронизирующие аудио- и видеоряд, полученную презентацию можно передавать проектором на экран общего доступа.

 

2.3. Применение технологий виртуальной реальности для обучения и исследований с помощью VE 3D ieCenter

 

Обучение с применением виртуальной реальности, позволяет представлять наглядно информацию по лекциям и семинарам, проводить тренинги, информировать учащихся относительно всех аспектов реального процесса или объекта, что дает колоссальный эффект, повышает качество и скорость в образовательных процессах,  уменьшает затраты на них. Технологии виртуальной реальности помогают в полной мере применять то, что человек воспринимает 80% информации окружающего мира посредством зрения, причем люди запоминают 20% того, что видят, 40% - видят  и слышат и 70% - делают, видят и слышат.

Важным направлением в технологиях виртуальной реальности в науке, является визуализация разрозненной и сложной информации в единую, наглядную модель изучаемого процесса или объекта, которая поможет экспертам максимально эффективно использовать собственную интуицию и зрительную память при всевозможных исследованиях, к примеру, в биологии, реконструкциях исторических событий.

В целом, для обучения и проведения исследований, возможности технологий виртуальной реальности имеют высокий потенциал для применения.

Концепция применения технологий виртуальной реальности для науки и обучения в полной мере воплощена в программно-аппаратном комплексе Виртуальной реальности для образования, изображенном на рисунке 5.

 

 

 

Рисунок 5 – Применение программно-аппаратного комплекса Виртуальной реальности для образования

 

VE 3D ieCenter обладает следующими основными функциями:

• 3D-визуализация научной информации в реальном времени и визуализация имитационного моделирования высокого качества.
• VIP презентации для руководящего состава и лиц, ответственных за принятие решений.
• Виртуальная реализация взаимодействия человека с различными техническими устройствами и системами.
• Возможность внедрения в аудио-визуальные комплексы. Возможность показа обычных 2D данных.
• Интерактивное воспроизведение высокого качества для научных и образовательных целей, виртуальное моделирование, прототипирование всевозможных объектов и процессов.
• Повышение уровня обучения, применение при интерактивном обучении игровой формы.
• Применение концепции 3D везде и для всех, по разработке один центр ответственности. Возможность формирования интерактивных 3D приложений образовательного характера и последующий их показ в системах виртуальной реальности (3D визуализации), показ на обычных PC (создание DVD, CD), создание 3D сайтов (по технологиям 3D интернета).

К преимуществам VE 3D ieCenter относятся:

• Простота в использовании, экономия времени при визуализации информации, простота работы с программным обеспечением Virtools или 3DVIA Studio Pro, не требующим специальных навыков в программировании.
• Работа с интерактивными виртуальными макетами, моделями в реальном времени, получение опыта и знаний еще в периоде разработки.
• Сокращение пространства, необходимого для установки обучающего и лабораторного оборудования путем применения компьютерных имитационных моделей, симуляторов и тренажеров.
• Формирование интерактивных курсов для проведения обучения и их последующий показ для преподавателей и студентов в обычных PC, системах виртуальной реальности, 3D Internet и 3D Intranet.
• Центр по созданию интерактивных виртуальных макетов, образовательных симуляторов и тренажеров.
• Экономическая эффективность.

3D ieCenter состоит из:

• Проекционной системы 3D визуализации всевозможной конфигурации (с количеством экранов один-шесть или со сложной конфигурацией). Обычно, для восприятия 3D информации необходимы специальные очки, которые позволяют пользователю ощущать стереоскопический эффект;
• Графического генератора. Представляет собой мощную графическую станцию или графический кластер, который позволяет синхронно запускать в обработку и выдавать необходимый поток визуальных данных. Так же графический генератор включает в себя средства дистанционного контроля и управления программно-аппаратным комплексом виртуальной реальности;
• Программного комплекса (Virtools, 3DVIA Studio Pro). Представляет собой комплекс всевозможных модулей: средства портирования 3D данных, инструментарий разработки, модули для визуализации, средства по работе с устройствами виртуальной реальности, базы данных искусственного интеллекта и физических законов. В мире более 400 научных центров и ВУЗов применяют данное программное обеспечение.

К периферии систем виртуальной реальности относится набор всевозможных устройств, которые позволяют «усиливать» погружение в виртуальную реальность и степень интерактивности во взаимодействии с изучаемым набором виртуальных моделей путем имитации разных каналов для восприятия данных (обоняние, осязание, слух, вкус).

К ним относятся системы трекинга разных типов, 3D мыши и системы управления в виде перчаток виртуальной реальности, устройств по имитации тактильных ощущений – haptic, устройства по имитации запахов, звуковая многоканальная система.

 

2.4. Применение виртуальной реальности в образовании на уроках биологии

 

Системы виртуальной реальности применяются во всевозможных областях наук: гуманитарных, естественных, технических, в соответствующих направлениях образования, а также в инженерии.

Использование технологии виртуальной реальности многогранно, оно обладает нюансами зависимо от сферы применения, но его  преимущества чаще всего являются общими, независимо от рабочей области.

Рассмотрим примеры по применению виртуальной реальности при изучении человека, животных, инженерии.

VR (виртуальная реальность) помогает выполнять контроль над окружением испытуемого животного или человека, когда это не всегда может быть возможно без него.

Примером применения виртуальной реальности для изучения передвижений грызунов является установка для мышей, позволяющая им ходить в любых направлениях по виртуальной сцене с подключением к измерительной аппаратуре (рисунок 6).

 

Рисунок 6 – Система виртуальной реальности для мыши [22]

В данной установке мышь зафиксирована, причем у нее есть возможность двигаться по своеобразной дорожке – шару, который вращается в любую из сторон. Движение этого шара считывается компьютером и дает возможность системе следить за движением мыши, чтобы создать на виртуальной сцене соответствующую 3D-картинку. Сцена представляется на экране в форме тора, охватывающего почти всю область зрения мыши.

В процессе участия в эксперименте мышь решает навигационные задачи, двигаясь по виртуальному миру, при этом происходит фиксация активности нейронов места (place cells) в гиппокампе благодаря тому, что на самом деле голова мыши остается неподвижной. Фиксированная в определенном положении голова позволяет контролировать активность нейронов in vivo через окно при помощи двухфотонного лазерного микроскопа. Причем для наблюдения за клетками гиппокампа требуется удаление небольшого слоя лежащей над ним коры.

В результате проведенной работы установлено, что клетки мозга, которые отвечают за навигацию: координатные нейроны (grid cells), нейроны направления головы (border cells, head direction cells) проявляют активность, соответствующую навигации в настоящем мире.

Еще одним примером исследования вопросов передвижения грызунов в виртуальной реальности – это созданная для крыс, в некотором роде другая система. Система состоит из аналогичной всенаправленной беговой дорожки, проектора и экрана в форме усеченного конуса. В такой системе голова грызуна не фиксируется, поле зрения - 360° [17].

Результат данного эксперимента подтверждает ранее описанный эксперимент: в виртуальном пространстве крысы осуществляют передвижения аналогично навигации в реальном мире. Причем виртуальная среда помогает подключить к исследуемому животному измерительные приборы для получения экспериментальных данных.

Кроме этого, разработана система виртуальной реальности для симуляции полетов насекомых, включающая механические, визуальные и ольфакторные воздействия, а также многоканальную фиксацию нейрофизиологических параметров [24].

В качестве модельного организма применяется Manduca sexta. Бабочка прикрепляется к фиксатору при помощи клея. В брюшную нервную цепь вводятся зонды из кремния, применяемые для записи у насекомого активности нейронов центральной нервной системы.

Симуляция полета может быть под управлением человеком, так и самого насекомого благодаря фиксации движений брюшка. Второй случай является наиболее интересным: в ходе эксперимента насекомые проявили способности к осуществлению навигации в виртуальном пространстве реакцией на выпуск ферромонов, после чего их траектории стали подобными к траекториям, которые наблюдаются в свободном полете.

Среди главных достоинств использования виртуальной реальности в указанных примерах является гибкость виртуальной среды, а также возможность фиксации реакций самого испытуемого.

Подобным образом системы виртуальной реальности применяются психологами при изучении человека.

Использование виртуальной реальности в психологии является одним из наиболее распространенных вариантов применения. При этом рассматриваются варианты практического применения (лечение посттравматического стрессового расстройства и фобий) и в целях исследовательских (изучение стресса).

Ряд созданных работ содержит перечень преимуществ при применении виртуальной реальности: повышение экологической валидности, гибкость в изменении виртуальной среды в сравнении с реальной, полимодальность стимуляции - воздействия на разные системы в восприятии, возможность полной фиксации реакций поведения наблюдателем [10].

 

2.5. Применение виртуальной реальности по курсу химии с использованием системы распознавания жестов

 

Согласно с данными EON Reality, методики, содержащие интерактивное обучение с помощью 3D-технологий в вузах, повышают до 80% запоминаемость учебных материалов. 3D- симуляторы и тренажеры для водителей транспортных средств и спецтехники, пилотов освобождают огромное количество дорогого оборудования и дают возможность в условиях безопасности создать любую из реальных ситуаций [15].

Такое программное обеспечение использует контроллер по захватыванию жестов рук Leap Motion - это одноименная технология, которая основывается на захвате движений, для взаимодействия между человеком и компьютером [21].

В ближайшее время эту технологию планируют реализовывать во всех компьютерных и мобильных сферах, поэтому разработка приложений, которые будут иметь ее в основе, очень актуальна.

Объяснение необходимости проведения научно-исследовательских мероприятий заключается в формировании новой базы данных жестов для распознавания и методов повышения точности, увеличения области, которую захватывают для понимания движения руками. С учетом управления жестами, учащиеся будут намного лучше реагировать на новую информацию.

Рынок приложений наполнен множеством образовательного программного обеспечения, которое визуализирует процессы химического характера, а также строение атомов и молекул.

Но они реализованы на разных системах, большинство из них имеет всевозможные управляющие органы. К примеру, при использовании программного обеспечения на планшетах общение с пользователем реализуется через выполнение команд путем прикосновения к экрану. Кроме этого, благодаря  Leap Motion есть возможность бесконтактного управления программами, а также устройствами с применением простейших жестов рук и, конечно же,  стандартных устройств управления – клавиатуры и мыши. Без учета всех возможностей этих приложений, многие не локализованные, то есть большинство из приложений не подлежали русификации.

Программа Chemex 3D является образовательной в области химии, использование ее платно.

Приложение Molecules визуализирует молекулы в 3D пространстве на мониторе компьютера,  контент бесплатный.

Программа CrystalViewer визуализирует кристаллические решётки для различных молекул. Приложение, по сути, является бесплатным, но применение дополнительных возможностей платно.

Приложение The Elements, визуализирующее элементы таблицы Менделеева в 3D пространстве на экране планшета, использование платное.

Химическая лаборатория Chemist применяется для смешивания всевозможных веществ, в которой можно наблюдать за реакцией взаимодействия между веществами, является платной.

Электронный курс «Виртуальная лаборатория. Химия. 8-11 класс» для учеников, содержащая визуализацию химических реакций, контент является платным.

Приложение Химия. 10 класс содержит массу данных, анимации, а также фото для понимания сути химических процессов, 3D визуализацию молекул, программное обеспечение бесплатное [9].

В таблице 1 представлен сравнительный анализ аналогов.

 

 

 

Таблица 1. Сравнение аналогов

Категория сравнения	Разрабатываемое ПО	ChemE x 3D	Molecules	Crystal-Viewer	The Elements	Chemist	Химия. 8-11 класс. Виртуальная лаборатория	Химия. 10 класс
Визуализация молекул и атомов	+	+	+	+	+	-	+	+
Визуализация химических процессов в 3х мерном пространстве	+	-	-	-	-	+	+	-
Возможность создавать свои молекулы	+	-	-	+	-	+	+	-
Учебные справки, пояснения	+	+	-	+	+	-	+	+
Возможность распоз­навания жестов	+	+	+	+	-	-	-	-
Методы более точного распознавания	+	-	-	-	-	-	-	-
Русификация	+	-	-	-	+	-	+	+
Монетизация	Бесп­латная пробная версия, дополнительные функции – плат­ные	Приложение платное	Бесплатное	Бесплатная пробная версия, дополнительные функции – платные	Платное приложение	Программа платная	ПО платное	Бесплатное приложение

\

 

Описанные программные приложения будут использоваться в сфере образования для игрового обрамления в образовательном процессе, что улучшит качество предоставляемых данных.

Программное обеспечение описанного назначения распространяется и платно, и бесплатно. Причем во многих бесплатных версиях программ присутствует реклама, которую невозможно убрать. Кроме, этого бесплатные версии программ обладают ограниченным функционалом, который не позволяет делать операции, доступные за внесенную оплату.

ГЛАВА 3. ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ВИРТУАЛЬНОЙ, ДОПОЛНЕННОЙ И СМЕШАННОЙ РЕАЛЬНОСТИ

 

3.1. Основные проблемы развития современной дополненной реальности и пути их решения

 

Рассмотрим перечень существующих на сегодня проблем в сфере дополненной реальности и варианты их ликвидации, способные перевести ее в статус основных технологий интерфейсов и вызвать интерес к ней  миллионов пользователей во всем мире:

1. Отображение.

Современные фильмы получаются на практике с бесшовной  вставкой  анимационных компонентов, большая же часть AR-приложений все еще выглядят мультяшными. Они существенно отличаются от показываемого фильма, наподобие «Аватар», и похожи в большей степени на какой-то «Space Jam». Разницу можно оценить на рисунке 7.

 

 

Рисунок 7 – Кадр из мультфильма «Space Jam» («Космический джем») [27]

 

Создание фильма с движениями объекта или человека происходит с  записью путем захвата движений, а после обрабатываются анимационным программным обеспечением. То есть дополнение реальности происходит после записи самих движений и подлежит строгому контролю.

В свою очередь AR-приложения выполняют фиксацию и создание изображения в режиме on-line. В таком случае не получится постфактум ретушировать анимацию, свет и тени будут выглядеть одинаково, не зависимо от окружающей среды. Из-за этой анимационной характеристики появляется ощущение мультяшности, от которого страдают AR-приложения. Также присутствуют недостатки при размещении составляющих, но это будет рассмотрено ниже.

Проблема подлежит решению при использовании освещения на основе картинки (IBL-Image BasedLighting). При подобном способе 3D-рендеринга работает специальная камера для съёмки самого освещения, помещенная в определенную среду и использующая результат картинки, уже созданный компьютером. Проблема заключается в том, что смартфоны не имеют достаточной вычислительной мощности для поддержки таких и подобных ему программных приложений, а на переносные гаджеты оно будет распространяться значительно дольше. Из-за подобного состояния технологий к этим аппаратам никто не будет добавлять камеру для улучшения очертаний объектов.

Также проблемной является регистрация перемещения – потребность в ориентирах. Но это уже в большей степени относится ко второй проблеме.

2. Распознавание объектов.

Одно из первых, проанонсированных AR-приложений, стало GoogleGoggles. Корректная работа для регистрации пользователем в кадре обеспечится зафиксированной точкой отсчёта. Смартфоны со встроенным  гироскопом могут решить этот вопрос до определенной степени, поскольку он предлагает им слабую проприоцепцию. Фиксированная точка нужна и для определения перемещения анимированного объекта по отношению к живой сцене.

Существует возможность ее устранения путем увеличения базы данных, с которой взаимодействует гаджет, и улучшением программного обеспечения. Распознавание объектов можно сопоставлять результату поиска. Входная информация поступает, сопоставляется с другими изображениями в существующей базе данных и определяется принадлежность путем совокупности алгоритмов. Но поиск изображений является сложным процессом в сравнении с обычным поиском в Сети и вычисления опаздывают. Интеллектуальный анализ, необходимый для распознавания видеоряда, дается компьютеру с огромной нагрузкой.

Распознавание объектов можно выполнять без применения 2D-маркеров и QR-кодов, использующие практически все современные AR-приложения. К тому же это может стать базой для создания браузера дополненной реальности в физическом мире, со способностью взаимодействия с реальными объектами.

3. Бинокулярное зрение.

Люди обладают бинокулярным зрением, поэтому могут воспринимать понятие глубины и благодаря этому человек ощущает расстояние между вещами. Это недоступно смартфону с одной камерой.

Рассматривают несколько вариантов в устранении этой проблемы. К первому из них относится эхолокация. Она не является лучшим вариантом, так как создаёт звуковое загрязнение. Можно выполнять её на частоте, неслышимой для человека, но она может вызывать дискомфорт среди животных. Кроме этого, она не может создать видимую 3D-среду с применением одного только звука, так как эхолокационные данные нужно объединить с данными о видимом свете. То же самое касается и тепловых данных, хотя применение эхолокации более предпочтительно при слабом освещении [7].

В итоге, необходимо отметить, что одним из лучших способов решения указанной проблемы является то, к чему люди пришли в результате эволюции, - к бинокулярному зрению. Это получилось реализовать Kinect, в тринокулярном режиме, и  FirePhone. Он применяет пять камер, направленных в сторону пользователя и способных определить местоположение по отношению к смартфону. Пока существуют накладки в работе, но так как это передовая технология, то, как и ожидалось, первые модели содержат определенное количество ошибок.

 

3.2. Перспективы развития AR и VR в сфере образования

 

AR и VR - технологии  - это следующий этап во взаимодействии  человека и машин (HCI – human-computer interaction)  - дисциплина, являющаяся междисциплинарной, и  включающая в себя инженерные науки, психологию, философию, кибернетику, не обладающую на сегодня базовыми теоретическими знаниями. За ограничение можно считать неопределенную таксономию всех вариантов взаимодействия человека и компьютера в мульти-пространстве (AR&VR&MR-пространства), парадигмы вездесущих компьютерных расчетов.

Рассмотрим концепции реальностно-виртуального континуума, автором которых является Пол Милгрэм (рисунок 8), их модификации с новыми концепциями отображения (рисунок 9), концепции, созданные Стивом Манном (рисунок 10), концепции с объединением различных парадигм, рассмотренных Марком Биллингхерстом (рисунок 11), таксономия реальности, представленная Силтанен (рисунок 12) и другие.

 

 

Рисунок 8 – Описание реальностно-виртуального континиума (RV)

 

 

Рисунок 9 – Модификация описания реальностно-виртуального континиума (RV) с предложенными новыми концепциями

 

Рисунок 10 – Типы реальностей предложенные Стивом Манном

Рисунок 11 – Объединение различных парадигм, представленное Марком Биллингхерстом

 

 

Рисунок 12 – Таксономия реальностей, представленная Силтанен

После реализации первого этапа развития обучающего программного обеспечения для школ, запланировано введение платной подписки сроком на один год – 50 долларов с ученика.

Системы виртуальной и дополненной реальности помогут  улучшить в плане качества процесс обучения, но это не потянет за собой кардинальных изменений в процессе обучения.

Образовательная система в сравнении с остальными сферами не обеспечит технологиям VR и AR доход в значительных размерах, но стабильно будет приносить прибыль производителям программных приложений.

Рассуждая об уровне образования, нельзя упустить образовательные программы, готовящие кадры для рынка виртуальной реальности. В России до сих пор отсутствуют полноценные государственные программы подобного рода.

Но начинают появляются программы дополнительного образования. Например, первая в государстве «Академия реальностей» - школа по подготовке AR- и VR-специалистов, открывшаяся в декабре 2015 года. Существуют видеолекции профессионального уровня (Microsoft).

В 2016 году Высшая школа бизнес-информатики в программу «Менеджмент игровых интернет-проектов» включила предмет «Виртуальная реальность» [23].

Доход мирового рынка дополненной и виртуальной реальности (AR/VR) достигнет уровня в 13,9 миллиардов долларов, увеличившись на 130,5% с 6,1 миллиардов долларов в 2016 году. Планируется, что рост затрат на AR/VR ускорится в следующие несколько лет, среднегодовой темп роста (в сложных процентах, CAGR) составит 198,0% на протяжении 2015-2020 годов - прогнозного периода. В результате, к 2020 году сумма затрат достигнет 143,3 миллиардов долларов.

Планируется, что потребительский рынок будет одним из крупнейших сегментов дополненной и виртуальной реальности на протяжении всего прогнозного периода, и мировые расходы на оснащение, программное обеспечение и услуги в 2017 году достигнут 6,2 миллиардов долларов, увеличившись на 130,5% в  сравнении с прошлым годом, по предположению IDC.

Подводя итоги, стоит указать, что одними из наиболее важных задач перспектив развития является понимание сути всех видов рассмотренных выше реальностей, определение всех параметров, относящихся к оптимизации и их классификационные характеристики в сфере обучения. Необходимо рассматривать существующие концепции под углом парадигмы с повсеместными вычислениями и естественным взаимодействием с окружающей средой.

Целью, заложенной в перспективы развития, является совершенно новая таксономия реальностей, которая может использоваться при классификации взаимодействия с виртуальными объектами и всевозможных взаимодействий системы машина-человек.

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В данной работе были проанализированы модели использования технологий виртуальной, дополненной и смешанной реальности в сфере образования

Для достижения цели, были решены следующие задачи:

• рассмотрены проекты виртуальной, дополненной и смешанной реальности;
• изучены техническое обеспечение для создания виртуальной и дополненной реальности;
• изучены сферы применения AR/VR-технологий;
• изучены общие положения и проблемы развития в сфере образования;
• рассмотрены преимущества AR в учебном процессе;
• исследовано применение виртуальной реальности в учебном процессе;
• рассмотрено использование технологий AR/VR для организации школьных мероприятий;
• рассмотрено применение технологий виртуальной реальности для обучения и исследований с помощью VE 3D ieCenter;
• рассмотрено применение виртуальной реальности в образовании на уроках биологии;
• рассмотрено применение виртуальной реальности по курсу химии с использованием системы распознавания жестов;
• выявлены основные проблемы развития современной дополненной реальности и пути их решения;
• выделены основные перспективы развития AR и VR в сфере образования.

Подводя итог, стоит сделать следующие выводы.

Рассуждая об уровне образования, нельзя упустить образовательные программы, готовящие кадры для рынка виртуальной реальности. В России до сих пор отсутствуют полноценные государственные программы подобного рода.

Но, начинают появляются программы дополнительного образования. Например, первая в государстве «Академия реальностей» - школа по подготовке AR- и VR-специалистов, открывшаяся в декабре 2015 года. Существуют видеолекции профессионального уровня (Microsoft).

В 2016 году Высшая школа бизнес-информатики в программу «Менеджмент игровых интернет-проектов» включила предмет «Виртуальная реальность».

Виртуальная реальность выступает мощным средством для создания острых ощущений и интерактивных проекций непосредственно в трехмерном виртуальном пространстве. Подключая различные рецепторы (осязательные, зрительные, обонятельные и слуховые), решения в сфере виртуальной реальности дают пользователю полное представление об окружающей среде и обеспечивают высокий уровень его вовлеченности в этот мир.

Виртуальная реальность реализуется с помощью изображения, звука, имитации тактильных ощущений, которые используются при решении задач по виртуальному прототипированию и эргономическому проектированию, создании различных тренажеров, в том числе и медицинских, дистанционном управлении роботами, в том числе и в микро- и нано системах при создании виртуальных скульптур.

В современных условиях виртуальная реальность под контролем преподавателей дает возможность создавать инновационные учебные материалы, организовывать VR-лаборатории. Происходит это таким образом: во время уроков по информатике преподаватель знакомит с программным обеспечением, которое требуется для применения комплекса, а необходимые данные и заготовки рисунков отбираются на уроках математики, химии и на других предметах.

На уроках по рисованию можно создать 3D-картинки с применением  программных средств 3D-графики. После чего вся подобранная и созданная информация собираются воедино в определенной программе, чтоб в результате получить уникальные образовательные ресурсы в трехмерном изображении.

После этого аппаратно-программный комплекс размещают в кабинете, где будет выполняться сам процесс обучения. Разработчики образовательных ресурсов могут находиться в других городах и даже странах. Результативная работа над проектом стала реальной при помощи сетевого взаимодействия. Похожие экспериментальные лаборатории активно применяются во многих учебных заведениях.

При ограниченном финансировании российского образования, воплощение в процесс обучения технологий AR не требует значительных затрат: учащиеся используют собственные устройства, а учебники не нужно будет перепечатывать.

При проведении исследований и разработок в сфере AR фирма Lab24 запатентовала десятки базовых технологий, которые призваны обеспечить полный цикл для подготовки учебных пособий с дополненной реальностью. Уже реализованы следующие проекты в образовании:

• движение Земли в Солнечной системе - география, 5 класс;
• «живая азбука» для обучения чтению для детей 4-6 лет;
• животный мир Земли - биология и география, 5 класс;
• знакомство со звездным небом - география, 5 класс;
• объекты всемирного наследия ЮНЕСКО - география, 5 класс;
• процесс диссоциации молекул NaCl в водном растворе с возможностью интерактивного управления молекулами H₂O - химия, 9 класс.

Основным направлением технологий виртуальной реальности в науке, является визуализация сложных и разрозненных данных в единую, наглядную модель исследуемого объекта или процесса, которая позволяет экспертам в полной мере использовать свою интуицию и зрительную память при различных исследованиях, например в биологии, исторических реконструкциях.

В целом, возможности технологий виртуальной реальности для обучения и исследований имеют чрезвычайно высокий потенциал применения.

Подводя итоги, стоит указать, что одними из наиболее важных задач перспектив развития является понимание сути всех видов рассмотренных выше реальностей, определение всех параметров, относящихся к оптимизации и их классификационные характеристики в сфере обучения. Необходимо рассматривать существующие концепции под углом парадигмы с повсеместными вычислениями и естественным взаимодействием с окружающей средой.

Целью, заложенной в перспективы развития, является совершенно новая таксономия реальностей, которая может использоваться при классификации взаимодействия с виртуальными объектами и всевозможных взаимодействий системы машина-человек.

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ доступен в полной версии работы

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

 

Краткие результаты исследования по каждой сфере

 

Скачать: diplom__-1.rar