Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Имитационно-тернажерные системы подготовки персонала 13
1.1. Компьютерное обеспечение тренажерных систем 13
1.2. Состав тренажерной системы 20
1.3. Характеристики устройств тренажера 23
1.4. Классификация тренажерных систем 32
1.5. Тренажерные системы подготовки к полету 35
1.5.1. Тренажер сближения и стыковки 35
1.5.2. Проект МКС 36
1.6. Общие принципы обучения на тренажерах 40
1.7. Условия тренировок 45
1.8. Контроль и управление 46
ГЛАВА 2. Основы построения тренажерно-обучающих систем 51
2.1. Тренажеры с открытыми связями 51
2.2. Унифицированные учебно-исследовательские лабораторные стенды . 52
2.3. Моделирование внешней визуальной обстановки в тренажерных системах с использованием систем визуализации 56
2.4. Применение технологий виртуальной реальности 58
2.5. Виртуальные интерьеры в тренажерных комплексах 60
2.6. Подсистема синхронизации видеоканалов 61
2.7. Информационные технологии в тренажерно-обучающем комплексе.. 63
2.7.1. Возможности информационных технологий в тренажерно-обучающем комплексе 63
2.7.2. Общая характеристика информационных технологий обучения и технические средства обучения 63
2.7.3. Использование мультимедийных технологий в образовании 66
2.7.4. Использование и развитие технологий дистанционного обучения 67
2.8. Метод визуализации разнородной учебной информации 70
ГЛАВА 3. Концептуальная модель построения программно-аппаратного обеспечения тренажерно-обучающей системы 72
3.1. Архитектура модуля подготовки структуры курса 75
3.2. Технология совмещения объектов «реального» и «виртуального» пространства 76
3.3. Метод цветовой электронной рирпроекции 79
3.4. Ограничения использования метода цветовой электронной рирпроекции 82
3.5. Спецификация оборудования для цветовой электронной рирпроекции 83
3.6. Архитектура программно-аппаратного комплекса для подготовки персонала 89
3.7. Графическая трехмерная модель «универсального окружения» 94
3.8. Архитектура модуля структурированной демонстрации мультимедийного материала 98
3.9. Подсистема вывода информации на базе комплекса средств отображения коллективного пользования 103
3.10. Организация удаленного доступа к тренажерно-обу чающей системе 106
ГЛАВА 4. Практическая апробация результатов исследования 109
Выводы 111
Список литературы 113
- Компьютерное обеспечение тренажерных систем
- Унифицированные учебно-исследовательские лабораторные стенды
- Общая характеристика информационных технологий обучения и технические средства обучения
- Технология совмещения объектов «реального» и «виртуального» пространства
Введение к работе
Тренировки операторов сложных промышленных технических систем на реальных установках и в реальных условиях слишком опасны и дороги, а часто и не реализуемы. Альтернативой являются компьютерные имитационно-тренажерные комплексы, которые в максимально возможной степени моделируют реальные установки, порождают виртуальные объекты и позволяют тренирующимся приобрести правильные и устойчивые навыки. Управление сложными техническими системами (промышленными предприятиями, АЭС, сборочным цехом и т.д.) представляет сложный процесс, требующий длительного обучения и соответствующих тренировок. Подготовка операторов таких систем включает как теоретическую часть (изучение соответствующих математических моделей, теории игр, дифференциальных систем, критериев надежности и т.д.), так и практическую, без которой невозможно получение устойчивых навыков управления.
История создания тренажерных комплексов длится долгий период. В связи с отсутствием необходимых знаний по влиянию технического обеспечения на жизнедеятельность человека разработка тренажеров требовала повышенной обстоятельности. И прежде чем ввести в эксплуатацию сложные тренажерные системы учеными активно проводились различные исследования, в том числе и на животных. Приматологический центр ставил эксперименты на обезьянах для выявления особенностей влияния искусственно созданных условий на биологические функции организма.
При подготовке к полетам человека в Космос были проведены исследования на обезьянах. В полетах биологических спутников Земли были разработаны и созданы системы жизнеобеспечения, методы отбора и тренировки животных к условиям автономного эксперимента, созданы наземные тренажерные комплексы для выработки инструментальных
5 рефлексов и методы регистрации физиологической информации в автоматическом режиме во время космического полета. Разработанные специалистами ГНЦ РФ - ИМБП РАН, и в первую очередь специалистами приматологического центра, система комплексной подготовки животных, инженерно-технический комплекс обеспечения жизнедеятельности в условиях космического полета, а также программы клинико-физиологического обследования до и после космического полета, позволили успешно провести исследования в автономных полетах 6 российских биоспутников с 12 обезьянами на борту длительностью до 14 суток.
Первые тренажеры для человека были стационарными — все движения в машинах происходили только на экране. Сам же участник тренинга, сидя за штурвалом, не ощущал тряски и наклонов аппарата, поскольку кабина, пол и кресло тренажера оставались неподвижными. Но недостатки с имитацией действительности были исправлены довольно быстро: учебную кабину самолета стали устанавливать на специальную платформу, которая могла раскачиваться в различных направлениях, имитируя взлет, воздушные ямы, посадку и другие ситуации.
Первые отечественные тренажерные комплексы по своей сложности едва ли уступали самим изделиям. Еще не имея возможности имитировать визуальную обстановку ученые инженеры создавали первые тренажеры на основе оптико-механических средств визуализации, когда модели авиакосмических аппаратов на самом деле двигались (по рельсам шахты) навстречу друг другу, а иллюзию обстановки полета создавали сложные оптические системы.
Сегодня подобных динамических платформ, предназначенных для различных видов техники, существует много: от подвижной копии кресла пилота до макета кабин многоместной лётной и наземной техники. В основном динамические платформы различаются по количеству плоскостей, в которых может перемещаться тренажер. Простые платформы могут двигаться только в одной плоскости, более сложные имеют до шести
степеней свободы. В последнем случае обучаемые (тренирующиеся) перемещаются во всех трех координатных плоскостях. Для приведения динамических платформ в действие используются гидравлические, пневматические, электромеханические и электромагнитные двигатели. Но далеко не все нюансы движения реальной техники можно сымитировать, даже имея платформу с шестью степенями свободы. Поэтому системе проведения тренировки приходится корректировать воздействие на вестибулярный аппарат человека, используя не только динамические воздействия, но и «наклоны» тренажера. Например, создавая эффект езды по кругу, длительного торможения машины или, напротив, разгона, кабина тренажера наклоняется в нужную сторону на заданный угол.
Имитируя движение, разработчики сталкиваются с жесткими физическими ограничениями, но за счет усовершенствования конструкции тренажеров, например, создания большого свободного хода и использования мощного привода, они создают нужный диапазон механических нагрузок для экипажа. И тогда во время тренингов возникают правдоподобные ощущения езды по кочкам или же прохождения крутого виража. Главная задача изготовителей тренажеров на динамических платформах состоит в том, чтобы человек реально ощущал перегрузки и небольшие перемещения в пространстве, поскольку подобные эффекты существенно повышают результативность тренировок.
Но прежде чем приступить к тренировкам на тренажере, обучаемый должен пройти теоретический курс обучения, успешно его освоить и сдать контрольные проверки — экзамены.
Особо значимым при разработке и изготовлении тренажеров на этом этапе является видеоряд. С появлением первых учебных комплексов он стал основой обучающего процесса. Ведь человеку эпохи кинематографа было привычным вживаться в события, запечатленные на кинопленке, и принимать их как реальность. Так, кадры военной хроники на экране учебной машины стимулировали обучающегося быстро реагировать на
7 изменяющуюся обстановку, правильно использовать имеющиеся приборы и привыкать к нестандартным ситуациям. Однако количество отрабатываемых на тренировках ситуаций было небольшим, к тому же взаимосвязь между ними и действиями обучаемого отсутствовала. Иными словами, отображаемая информация на экране не зависела от его решений, и это было очень большим недостатком тренировки. Лишь с развитием компьютерных технологий программное обеспечение тренажера позволило скоординировать видеоряд с действиями обучающегося. Тренажерная система в свою очередь стала имитировать довольно сложные ситуации, например, пробуксовку или прокол одного из колес автомобиля, обледенение фюзеляжа или отказ рулей высоты у самолета.
Реалистичность видеоряда, которую человек видит через окуляры приборов или лобовое стекло, является сегодня одним из основных показателей качества тренажерных комплексов. Чем выше адекватность воспроизводимой ситуации, тем легче соотнести тренажер с реальностью, тем проще вжиться в управление сложными системами и полностью погрузится в создаваемую реальность.
Рис. В1 Тренажер подготовки водителей транспорта
В любом моделируемом комплексе имеется достаточно много приборов, по которым оператор следит за состоянием комплекса, параметрами происходящих процессов, проводит ориентировку в пространстве и во времени и т.д. (рис. В1) В тренажерных комплексах многие из этих приборов моделируются физически на рабочем месте оператора и управляются от моделирующего комплекса. Например, это могут быть спидометры, показатели высоты полета, датчики давления и т.д.
Основной проблемой для разработчиков является интерактивность, поскольку заранее подготовить и предугадать все нужные ракурсы, направления движений, ландшафты и пейзажи рассматриваемых ситуаций очень сложно. Вычислительной системе приходится синтезировать виртуальное окружение, то есть создавать на основе информации, находящейся в базе данных, то изображение, которое должен видеть обучаемый с той точки, где он находится с учетом перемещения в пространстве его самого и его товарищей по учебному тренажерному классу.
9 Основными требованиями к виртуальной среде являются следующие:
достаточно подробная виртуальная модель объектов, а также окружающей среды (звезды, водная и земная поверхность и т.д.);
хорошее качество визуализации, без ступенек на границах объектов, без исчезновения или мигания мелких деталей (антиалиасинг);
работа в реальном режиме времени, т.е. визуализация сцены со скоростью не менее 25 кадров в секунду;
имитация внешних условий исследуемого процесса или объекта;
имитация приборов и специальных средств наблюдения, а также реальных условий работы, включающих помехи, засветки, блики от оптических приборов и т.д.;
синхронизация каналов, если их несколько, то есть качественная сшивка соседних изображений.
При создании виртуального пространства в качестве исходных данных для каркасной модели используются элементы проектной документации, аэрофотоснимки и снимки, сделанные из космоса, данные радарных установок и градостроительные планы или киносъемки реальных объектов или синтезированные изображения (если объекты в реальности еще не созданы) и др. В задачах обучения должны использоваться все вышеперечисленные визуальные средства. [12], [17].
Сегодня при разработке и изготовлении тренажеров используются собственные специализированные многопроцессорные компьютеры и специальные проблемно-ориентированные операционные системы.
Развитие микропроцессорных вычислительных систем предоставило возможность создания нового класса тренажеров - распределенных компьютерных тренажерно-обучающих систем на основе персональных компьютеров и массовых операционных систем. Подобные системы позволяют проводить обучение персонала с использованием синтезированного окружения, максимально приближенного к реальным условиям, с внедрением в виртуальное пространство изображения
инструктора. Таким образом, создается возможность проведения подготовки и тренировки обучаемого персонала с сохранением накопленного ранее опыта с возможностью создания и воссоздания нештатных ситуаций. Также появляется возможность отображения рассматриваемых объектов, в недоступном для визуального наблюдения в реальной обстановке виде, с целью изучения внутренних механизмов и процессов.
Комплекс может работать как с непосредственным участием инструктора, так и использовать заранее подготовленную тренировочную базу, что позволяет, используя глобальные телекоммуникационные сети, использовать его в задачах удаленной подготовки персонала, а также в дистанционном и открытом образовании.
Цель исследования диссертационной работы - разработка моделей и методов решения задач визуализации и синтеза информации в тренажерно-обучающих системах подготовки персонала, которые в максимально возможной степени приближены к реальным установкам, обеспечивают объединение разнородной аудиовизуальной информации, позволяют тренирующимся приобрести правильные и устойчивые навыки.
В ходе исследования проанализирован ряд работ в области систем подготовки персонала. Исследования К.С.Строгалова, Е.Вашика посвящено моделированию процессов обучения, созданию и использованию экспертных систем при подготовке специалистов. В работах Б.С.Долговесова отражены алгоритмы и методы создания компьютерных систем визуализации, предложены алгоритмы рирпроекции. А.И.Башмаков предложил методику разработки компьютерных учебников и обучающих систем. В исследованиях А.А.Самарского изложены универсальные методологические подходы, позволяющие строить адекватные математические модели изучаемых объектов. В работах Г.В.Лаврентьева описаны методы разработки электронного учебно-методического комплекса. М.Ю.Земенкова разработала методы решения задач управления сложными техническими системами. В исследованиях М.В.Михайлюк разработаны новые методы имитации визуальной обстановки в тренажерных системах. Рассмотрены тренажерные
системы ЗАО "ТРАНЗАС", ООО "НЛП "ЭМС", ЗАО "Р.Е.Т. Кронштадт", ГП "ЦНИИТОЧМАШ", РГНИИ ЦПК.
Результаты анализа показывают, что вопросы создания моделей и методов визуализации и синтеза разнородной информации в тренажёрно-обучающих системах раскрыты недостаточно.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
Исследование основных характеристик ТОС, влияющих на степень адекватности представления происходящих процессов в системе;
Создание метода визуализации разнородной учебной информации;
Создание графической трехмерной модели «универсального окружения» методами полигонального моделирования и методами моделирования с использованием модификаторов;
Разработка концептуальной модели построения программно-аппаратного обеспечения тренажерно-обучающей системы;
Создание архитектуры программного обеспечения, позволяющего использовать любые разнородные аудиовизуальные материалы, представленные в различных стандартах, в едином виртуальном окружении;
Разработка архитектуры программного обеспечения для реализации интерактивности тренировочных процессов на базе соответствующего программно-аппаратного комплекса, позволяющего использовать метод цветовой электронной рирпроекции.
Материалы исследований докладывались на следующих конференциях:
Международная конференция «Гагаринские чтения» в 2007, 2008 годах;
Седьмая международная научно-практическая конференция в РГНИИ -Центре подготовки космонавтов имени Ю.А.Гагарина;
Международная конференция «Научные исследования по проблемам открытого и дистанционного образования», проводимая Комитетом министров образования стран АСЕАН в 2007, 2008 годах;
Международная научная конференция, посвященная 80-летию со дня рождения академика В.А.Мельникова, г.Москва, 2009 год;
Семинар в ЦВСИТ НИИСИ РАН в 2008, 2009 годах.
В 2007 году работе присуждена премия «Кристалл знаний», учрежденная Комитетом министров образования стран АСЕАН, в 2009 году присуждена золотая медаль Российской академии наук за лучшую научную работу 2008 года молодых ученых России.
Компьютерное обеспечение тренажерных систем
Все условия космического полета трудно воспроизводить на Земле, отсутствуют специальные учебно-тренировочные изделия, как это иногда делается в авиации, да и сам сложный космический комплекс, такой как орбитальная станция, впервые в полном объеме реализуется только на орбите. А экипажи, десятки и даже сотни космонавтов, должны быть подготовлены заранее. Уже первый космонавт планеты Ю.А. Гагарин готовился к своему историческому полету на тренажере космического корабля "Восток". С усложнением космических кораблей постоянно усложнялись и задачи космических тренажеров, и основную нагрузку по имитации динамики полета, работы двигателей и бортовых систем, имитации визуальной обстановки в иллюминаторах и приборах наблюдения взяли на себя компьютерные вычислительные системы.
В начале своего развития космическая техника была сравнительно несложной, и тренажеры строились, исходя, прежде всего, из возможностей человека и его реакций. Отсюда был выбран квант времени обработки и представления информации в 100 мс. Если давать информацию чаще, то человек не успевает реагировать и не замечает изменений — для него она представляется непрерывным потоком. Все скоростные характеристики вычислительных систем, используемых в тренажерных комплексах, определялись физиологическими возможностями человека.
Первые космические тренажеры создавались еще с использованием аналоговых вычислительных машин - МН-18, на смену им пришли универсальные вычислительные машины класса ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ, цифровые ЭВМ - «Днепр», М-220, М-222.
Следующий значительный шаг — переход от вычислительной машины каждого тренажера к идее распределенного тренажного комплекса. Первые распределенные вычислительные системы, которые строились в 1970-1980-е и состояли из четырех-шести больших вычислительных машин класса ЕС-ЭВМ и приблизительно из двух десятков CM-ЭВМ, обеспечивали режим реального времени с характерной реакцией 100 мс. За этот период они успевали просчитать достаточно сложную динамику, обменяться между собой данными по каналам связи и представить информацию оператору. Тогда же была реализована схема распределенной тренажерной системы: — единый вычислительный комплекс обслуживал от семи до десяти тренажеров, работая одновременно на несколько тренировок. С их помощью приходилось не только обеспечивать сложнейшие расчеты для моделирования динамики полета, расчета параметров визуальной обстановки в условиях реального времени, но и обеспечивать ввод-вывод в реальном времени тысяч параметров на устройства в макетах космических кораблей в дискретном и аналоговом виде. Для этого использовались многочисленные ряды стоек оборудования серий АСВТ или КАМАК.
Крупный комплексный тренажер обслуживали три машины типа ЕС-1066, а также коммутационные ЭВМ и машины, которые использовались как комплексы устройств сопряжения с объектом (УСО). Требования к тренажерам определялись возможностями вычислительной техники - по мере поступления более мощных машин модели становились все сложнее, увеличивалась "глубина моделирования".
Любопытно, что штатной ОС для системы ЕС-ЭВМ была MVT 6.1 — универсальная операционная система, предназначенная в первую очередь для пакетной обработки информации. Чтобы заставить ее функционировать в режиме реального времени, пришлось прибегнуть к определенным ухищрениям — разными способами перехватывать прерывания.
Где-то в 1978-1979 гг. в ЦПК была создана система пакетной передачи сообщений в тренажерной сети ЭВМ. Для обмена информацией между разными процессами, исполнявшимися на различных машинах, обслуживающих тренажеры, была организована своеобразная почтовая служба: данные сопровождались заголовком, в котором указывались адреса отправителя и получателя и время генерации сообщения, а сформированный таким образом пакет попадал в коммуникационную машину, которая по таблицам коммутации определяла путь назначения. Пакеты были разной длины и могли адресоваться сразу нескольким адресатам. Проект разрабатывался независимо от развития технологии Ethernet, идея которой была сформулирована Робертом Меткалфом и Дэвидом Боггсом в 1973 г., а сетевой адаптер создан в 1982-м. Эта система увидела свет, когда летала орбитальная станция "Салют-7" (1982-1991), и использовалась на протяжении всей истории полетов станции "Мир". Идеи сетевой передачи информации появлялись в различных проектах, поскольку это было обусловлено логикой развития вычислительной техники. В космических тренажерах ЦПК они нашли свое материальное воплощение, даже несколько опередив Ethernet, причем эти идеи сразу реализовывались для условий реального времени.
Унифицированные учебно-исследовательские лабораторные стенды
Освоение современных методов и средств исследования объектов контроля и управления является одним из важнейших составляющих в процессе подготовки квалифицированных специалистов. Для обеспечения этого процесса используются модульные унифицированные учебно-исследовательские лабораторные стенды. Учебно-лабораторный стенд предназначается для осуществления функций: настраиваемой системы ввода измерительной информации; обработки и интерпретации полученной информации; интерактивного взаимодействия с объектом контроля и управления и выводом информации в реальном масштабе времени; организации системы регистрации и хранения экспериментальной информации; создания средств апостериорного анализа и обработки информации об исследуемом объекте, планирования (разработка сценариев) проведения экспериментов. обработки и л стер п ретация информации нтерактнвн и моде неп і объектом управления [«формации реальном масштабе Схема модулей учебно-лабораторного стенда Это позволит создать унифицированную техническую и методическую базу для проведения научных исследований и организации лабораторных практикумов по различным учебным курсам специализаций. Разрабатываемая аппаратура может быть использована для автономных проверок сложных систем, имитируя отсутствующие компоненты оборудования, и должна обеспечивать контроль, измерение и оценку характеристик систем и их элементов, оперативный поиск неисправностей и контроль достаточности мер, принятых для их устранения и повышение - за счет этого - качества подготовки систем к совместным испытаниям с системой управления, а также сокращение продолжительности совместных испытаний систем и объекта в целом. В современных технических системах и комплексах можно выделить средства, связанные с решением задач снятия информации с объекта контроля, исследования и управления, первичной обработкой информации (преобразованием), ее интерпретацией, выводом информации на объект и хранением этой экспериментальной информации в реальном масштабе времени. Подобные средства имеют в разных изделиях различные наименования, но решают одинаковые задачи связи информационной управляющей системы с внешним миром, оборудованием. Например, комплексы автоматизированных систем управления и контроля технологических процессов, технологические наладочные комплексы сложных систем и объектов, исследовательские стенды, учебно-лабораторные стенды, тренажеры по подготовке операторов сложных систем, системы медицинского мониторинга больных (наблюдаемых), тестовые комплексы и т.п. Характерными особенностями задач сопряжения в современных информацио-обучающих системах являются: значительный объем сигналов - от нескольких сотен до нескольких тысяч единиц; широкий спектр технических характеристик сигналов - от простого аналогового и цифрового ввода и вывода до сопряжения сложных интерфейсов; территориально распределенный характер оборудования тренажеров; широкий спектр задач первичной обработки информации, выполняемый средствами УСО - от маршрутизации квантов информации до задач форматирования, интерполяции и моделирования элементов логики объекта. Концептуальный образ комплекса сопряжения для решения подобных задач можно сформулировать в следующем виде: модульность - для обеспечения типового и экономичного подхода при обработке большого числа сигналов; блочно-магистральный принцип - для унифицированного и быстродействующего обслуживания, а также для компактного размещения большого числа модулей УСО; наличие программируемых логических контроллеров (PLC) - для выполнения задач преобразования информации и управления модулями УСО; возможность применения инструментальных средств разработки специального и тестового программного обеспечения, а также для отладки программно-аппаратных средств УСО. Формирование структуры УСО, выбор технологии ее реализации полностью определяется составом и техническими характеристиками объектов сопряжения с изделием. В общем случае виртуальный унифицированный учебно-лабораторный стенд представляет собой информационную среду, позволяющую проводить эксперименты, не имея непосредственного доступа к объекту исследования. При этом эксперименты могут проводиться на базе математических моделей, так и с использованием удаленного доступа к изучаемому объекту.
Виртуальным унифицированным учебно-лабораторным стендом в данном случае назовем трехуровневый программно-аппаратный комплекс, состоящий из ЭВМ экспериментатора с клиентским программным обеспечением (ПО), сервера моделирования лабораторной установки с серверным ПО, интеллектуального комплекса преобразователей и устройств ввода-вывода информации с ПО нижнего уровня, подключенного к серверу и обеспечивающего управление лабораторной установкой. При этом сервер моделирования лабораторной установки, кроме доступа к оборудованию, может также предоставлять экспериментатору справочные и методические материалы.
Общая характеристика информационных технологий обучения и технические средства обучения
Систематические исследования применения информационных технологий в образовании ведутся уже около 60 лет. В учебных заведениях успешно применяются различные программные комплексы - как широко распространенные (текстовые и графические редакторы, средства для подготовки презентаций), так и узкоспециализированные (системы программирования, системы управления базами данных, пакеты символьной математики и статистической обработки данных).
Разработка полноценных программных продуктов учебного назначения требует совместной работы высококвалифицированных специалистов -психологов, преподавателей-предметников, компьютерных дизайнеров, инженеров. Программные продукты для учебного процесса чаще всего представляли собой электронные версии учебно-методических материалов: компьютерные презентации иллюстрированного характера; электронные словари, справочники и учебники; лабораторные практикумы с возможностью частичного моделирования реальных процессов; тестовые программы; простейшие электронные учебники. Стали появляться интеллектуальные обучающие системы, базирующиеся на работах в области искусственного интеллекта, в частности, теории экспертных систем -программ, манипулирующих специальными экспертными знаниями в предметных областях. Решение задач в данных системах осуществляется с применением математической логики и эмпирических правил, где присутствует средствами системы возможность пополнения базы знаний. Интеллектуальные обучающие системы - это качественно новая технология, особенностями которой являются моделирование процесса обучения, использование динамически развивающейся базы знаний; автоматический подбор рациональной стратегии обучения для каждого обучаемого, автоматизированный учет новой информации, поступающей в базу данных.
Стало возможным широко применять графику (рисунки, схемы, диаграммы, чертежи, карты, фотографии). Графические иллюстрации в учебных компьютерных системах позволяют передавать больший объем наглядной информации обучаемому, облегчают ее понимание. Учебные программные продукты, использующие графику, способствуют развитию интуиции и образного мышления.
Возросшая производительность информационных систем позволила достаточно широко применять системы виртуальной реальности, технологии мультимедиа, которые позволяют использовать текст, графику, видео и анимацию в интерактивном режиме. Мультимедийные программы - это дорогостоящий наукоемкий продукт, для их разработки привлекаются не только специалисты в предметной области, педагоги, психологи, программисты, но и художники, звукооператоры, сценаристы и др. Автоматизированная обучающая система на основе гипертекстовой технологии позволяет повысить усвояемость не только благодаря наглядности представляемой информации. Использование изменяющегося, гипертекста дает возможность провести диагностику обучаемого, а затем автоматически выбрать один из оптимальных уровней изучения одной и той же темы. Обучающие системы с использованием гипертекстовой технологии передают информацию таким образом, что и сам обучающийся, следуя графическим или текстовым ссылкам, может применять различные схемы работы с материалом. Распространение гипертекстовой технологии явилось своеобразным толчком к созданию и широкому тиражированию на компакт-дисках разнообразных электронных изданий: учебников, справочников, словарей, энциклопедий и др.
Можно выделить основные дидактические преимущества информационной среды: в технологии мультимедиа возникает обучающая среда с наглядным представлением информации; осуществляется интеграция значительных объемов информации; гипертекстовая технология благодаря применению гиперссылок упрощает навигацию и дает возможность выбора индивидуальной схемы изучения материала; технология интеллектуальных обучающих систем, применяя моделирование процесса обучения, позволяет отслеживать и направлять ход изучения материала, осуществляя, таким образом, обратную связь. средства коммуникации, к которым относятся глобальные, региональные и локальные сети связи и обмена данными, предоставляют для обучения дополнительные возможности, особенно в условиях демографических проблем в регионе. оперативную передачу на разные расстояния информации; интерактивность и оперативную обратную связь; доступ к различным источникам информации; запрос информации по любому интересующему вопросу через систему электронных конференции и т.д. Дистанционное обучение, как правило, требует наличие учебной инфраструктуры. Это методические центры, разрабатывающие и распространяющие необходимые материалы, студии подготовки аудиовизуального материала, специализированные узлы компьютерной сети и др. Дистанционное обучение способствует решению задач подготовки и повышения квалификации специалистов, находящихся вдали от учебных, научных и технических центров. Мультимедийные технологии являются одними из наиболее перспективных и популярных педагогических информационных технологий. Они позволяют создавать банки данных обучающих курсов, лекций, содержащих изображения, тексты, сопровождающиеся аудио, видео, анимацией и другими визуальными эффектами; включают в себя интерактивный интерфейс и другие механизмы управления; позволяют эффективно использовать накопленную информацию при организации дистанционного и распределенного обучения.
Технология совмещения объектов «реального» и «виртуального» пространства
Для практической реализации данного метода необходимы: студийное помещение с синей или зеленой циклорамой на заднике и синтезированная на ЭВМ окружающая обстановка.
Синтезированное виртуальное окружение содержит результат объединения объектов реального и виртуального пространства в одном изображении, предназначенном для наблюдателя. Инструктора должны быть погружены в виртуальную среду наиболее естественным способом. Небольшие изменения или неточности в пространственном положении, освещении или цвете будут замечены обучающимися.
На адекватность итоговой сцены влияет ряд факторов - прежде всего, высокая реалистичность синтезированного окружения. Правильные взаимосвязи между действующими лицами и виртуальным окружением - еще один важный фактор. Это одна из сложных проблем, особенно при перемещении инструктора или элементов виртуальной среды. Каждое движение в студии должно быть тщательно спланировано так, чтобы сохранялись правильные взаимосвязи с трехмерными виртуальными объектами.
Сложную проблему представляет имитация освещения и теней. Если тени в виртуальной среде будут расположены неверно или преломление света в стеклянных предметах произойдет не так, это значительно снизит реалистичность сцены. Используются три различные схемы освещения и теней: модель освещения задника в студии, освещение участников в студии и светотеневое решение трехмерной сцены. Освещение задника не используется при компоновке изображения и служит лишь для создания равномерного фона, который заменяет устройство цветовой рирпроекции на синтезированное окружение. Создание адекватного освещения циклорамы -обязательный этап при создании виртуальной студии. Он требует планирования и тесного взаимодействия специалистов по свету и проектировщика виртуальной среды. Тени участников на заднике студии могут быть реконструированы в скомпонованном изображении. Отражение реальных объектов от пола в тех местах, где предполагается наличие блестящего виртуального пола, может быть получено размещением глянцевого материала на полу студии. [3]
При использовании телевизионных или компьютерных мониторов задача формирование восприятия глубины изображения усложняется. Один из методов ее решения, состоит в отличии в резкости изображения предметов переднего и заднего планов. При традиционной технологии съемок подобное различие возникает из-за ограниченной глубины резко изображаемого пространства в объективе камеры. Объектив камеры фокусируется на объектах переднего плана, в то время как элементы фона остаются удаленными от области фокусировки. Уровень расфокусировки (размытия изображения) зависит от расстояния до объектива камеры и раскрытия диафрагмы, на которую оказывает влияние уровень освещенности в студии.
При использовании виртуальных объектов естественный порядок формирования глубины изображения нарушается. Участники находятся в фокусе снимающей их камеры, а рассчитанное на компьютере изображение фона имеет высокий и постоянный уровень резкости. В составе системы имеются специальные средства для задания глубины резко изображаемого пространства. На основе информации от установленных в объективе электромеханических датчиков по специальным алгоритмам рассчитывается расфокусировка изображения виртуального фона.
Реалистичность виртуального пространства во многом зависит от способности графических процессоров рассчитывать изображения с высокой детализацией. Процессоры должны выполнять расчеты динамики трехмерных объектов, представленных большим числом примитивов, с учетом разнообразных текстур и моделей освещения. Расчет изображения виртуальных декораций в реальном времени в соответствии с перемещением камеры переднего плана использовался компьютер класса Pentium D с графическим ускорителем. Для снижения числа примитивов в представлении виртуальных объектов и разрешающей способности используемых текстур применяются специальные методы, однако некоторые алгоритмы визуализации с повышенной степенью реалистичности, например, метод трассировки лучей, в настоящее время может использоваться только в режиме постобработки. [2] Первый метод рирпроекции по яркости появился, когда видеоизображение было только черно-белым.
Идея обоих методов состоит в следующем: из изображения удаляются определенные элементы и взамен вводятся другие, поступающие с иного источника. «Метод рирпроекции по яркости» предполагает удаление наиболее или наименее ярких элементов изображения, место которых заменяет фон. В методе цветовой рирпроекции критерием фона служит определенный цвет. Метод цветовой рирпроекции принципиально сложнее яркостной рирпроекции. Для удаления части картинки нужно проконтролировать несколько компонентов каждого элемента изображения -три компоненты видеосигнала - яркость и две цветоразностные компоненты -их амплитуды у элементов фона должны находиться в определенных границах.
