Информационные технологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Раздел 1. Информационные системы в физической культуре и спорте

Раздел 2. Информационные технологии в изучении и моделирование движений человека

2.1 3D-графические методы в подготовке спортсменов

2.2 Моделирование двигательной деятельности человека

2.3 Робототехника в медицине и адаптивной физической культуре

Список используемых источников

Введение

"Создание единой государственной системы информационного обеспечения в области физической культуры и спорта".

Указанная задача составной частью входит в государственную программу "Развитие единой образовательной информационной среды с 2001 по 2005 годы".

С другой стороны, известны примеры частичной реализации подобных задач в других странах. Например, фирма Netpulse Communications, Inc. (США) объявила о своем намерении, начиная с конца 2003 года, израсходовать $100 млн. на оснащение нескольких тысяч гимнастических клубов и фитнес-центров так называемыми Интернет-терминалами, вмонтированными в тренажерное оборудование. Вместо привычных контрольных панелей устанавливаются сенсорные экраны, которые позволяют вести интерактивный диалог с центральной программой, это дает возможность занимающимся фиксировать результаты тренировок и оценивать достижения за определенный промежуток времени (неделя, месяц, год). Тренер также имеет доступ к базе данных и на ее основе следит за точным соблюдением режима занятий, дает соответствующие рекомендации.

В западном спорте достижения в области информационных технологий применяются с Токийской олимпиады 1964 года, когда впервые был применен компьютер с объемом памяти 64 кБ (для сравнения - флоппи-диск имеет объем 1440 кБ). Активное использование информационных технологий в области измерений движения спортсменов позволило западным атлетам неоднократно завоевывать олимпийские медали. Компьютерное моделирование и прогнозирование позволило не только внести существенные коррективы в учебно-тренировочный процесс, но и существенно повлиять на обновление системы спортивных сооружений, снарядов и амуниции. А начало эры спортивных соревнований роботов (с 1997 года) существенно влияет на саму философию спорта - специалисты получают возможность по-иному взглянуть на механизмы мышечной деятельности, иначе моделировать тактико-техническую деятельность спортсменов людей.

Информационные технологии представляют собой совокупность средств и методов, которые разработаны на основе использования современных достижений вычислительной и телекоммуникационной техники, обеспечивают автоматическую обработку информации и оптимизацию учебной и производственной деятельности человека.

Ярко выраженная информатизация современного общества объясняет необходимость все более широкого использования информационных и телекоммуникационных технологий в сфере физической культуры и спорта.

Раздел 1. Информационные системы физической культуре и спорте

Информатизация отрасли "физическая культура и спорт" предполагает разработку и применение информационных технологий в следующих информационных системах:

1. Делопроизводство педагога, тренера-преподавателя, научного работника, студента;

2. Обслуживание спортивных соревнований;

3. Научно-методическое обеспечение подготовки спортсменов:

а. автоматизированные диагностические комплексы для оценки и мониторинга состояния спортсменов;

б. компьютеризированные тренажерно-диагностические стенды для обеспечения комплексного контроля специальной подготовленности спортсменов;

в. компьютеризированные комплексы для сбора и анализа информации о технической подготовленности спортсменов;

г. экспертные системы для планирования тренировочного процесса спортсменов;

д. системы "виртуальной реальности" для формирования у спортсменов двигательных навыков и умений;

е. автоматизированные системы для контроля и управления тренировочным процессом спортсменов;

ж. компьютерные программы для решения задач моделирования и прогнозирования в спорте.

4. Научно-методическое обеспечение физического воспитания детей, подростков, учащейся молодежи:

а. автоматизированные методы оценки физического состояния человека;

б. реализация дифференцированного подхода на основе использования современных информационных технологий.

5. Учебный процесс в вузах физической культуры:

а. электронные учебные пособия в системе высшего физкультурного образования;

б. информационно-поисковые и справочные системы;

в. автоматизированные обучающие системы;

г. моделирование предметной среды;

д. компьютеризированные учебные курсы;

е. системы компьютеризированного контроля знаний;

ж. экспертные системы учебного назначения с элементами искусственного интеллекта.

6. Научно-исследовательская, организационная и управленческая деятельность:

а. автоматизация социологических исследований;

б. создание баз данных и баз знаний по актуальным проблемам физического воспитания, спортивной тренировки, оздоровительной и адаптивной физической культуры;

в. создание баз данных нормативно-правовых документов в отрасли "Физическая культура и спорт" и т.п.

г. создание баз данных и баз знаний по актуальным проблемам физического воспитания, спортивной тренировки, оздоровительной и адаптивной физической культуры.

Раздел 2. Информационные технологии в изучении моделирования движений человека

2.1 3D-графические методы в подготовке спортсменов

3D-графика (3-dimension) - это трехмерная компьютерная графика, используемая либо для моделирования на ПК сцен (background), либо для моделирования движений (animation).

Классификация ПО 3D-графики:

а. мультимедийные виртуальные симуляторы (компьютерные игры);

б. обучающие и моделирующие системы;

в. пакеты трехмерной графики и системы автоматического проектирования (САПР).

а. Мультимедийные виртуальные симуляторы (компьютерные игры). Социальная значимость спорта отражает этот вид деятельности в компьютерных играх - гольф и автогонки, спортивные игры и единоборства, далеко не полный перечень знакомых многим игр. Их социальную роль в системе ИТ ФКС можно назвать мотивирующей. Одной из наиболее точно отвечающих запросам настоящего можно назвать детскую компьютерную игру по спортивной гимнастике "Барби Гимнастика". Задача игры - составить комплексы выступлений на спортивных снарядах и подготовить спортсменок к соревнованиям. В память игры введено более ста гимнастических упражнений для опорного прыжка, бревна, брусьев (рис.5.1), упражнений на ковре.

б. 3D-графические обучающие и моделирующие системы.

Получившие распространение программы моделирования тела и движений человека 3D-графика позволяют решать ряд задач тренировочного этапа технической и тактической подготовок. Например, пакет для 3D моделирования анализа движений человека (рис.5.2) "Solid Dynamics", в который заложен более 100 параметров человеческого тела.

Прекрасной иллюстрацией 3D-графического решения поставленных задач является компьютерная энциклопедия "Профессиональный бокс". Здесь помимо справочного материала содержатся сведения о более 4000 поединках и 2300 боксерах, участвовавших в них, фотографий более 300 спортсменов и 30 минут уникальных видеосъемок, приведен небольшой учебный блок для ознакомления с основными ударами и защитами в боксе.

в. Пакеты трехмерной графики.

Наиболее распространенным программным продуктом для решения задач моделирования и анализа движений в нашей стране следует назвать 3D Studio Max (Мортье Ш., 2003), хотя существует и множество других программ 3D-графики.

Овладение 3D-мультимедиа позволяет тренеру эффективнее реализовывать педагогический принцип наглядности: демонстрация двигательных действий, тактических замыслов, спортивного оборудования и тренажеров в 3D-графике, моделирование спортивных программ - вот неполный перечень возможностей анимации в физической культуре и спорте.

г. Системы автоматического проектирования (САПР). Наиболее распространенной программой для проектирования спортивных сооружений является AutoCAD. Другим ее достоинством, для применения в физической культуре и спорте, является возможность оцифровки движений человека, например, со стробофотографии при использовании электронных планшетов (дигитайзеров).

2.2 Моделирование мышечной деятельности

Высшим пиком моделирования двигательной деятельности человека является робототехника.

Примером такого глубокого мышечного анализа является работа аспиранта Дэвида Хэнсона из Техасского университета в Далласе, который в начале 2003 года на научной конференции в Денвере, штат Колорадо, продемонстрировал лицо робота (www.androidworld.com; Фербер Д., 2003). Чтобы лицо робота (рис.5.8), состоящее из полимерных мышц изменило гримасу, электрический сигнал от панели управления заставляет вращаться сервомотор (1), тот натягивает нейлоновую леску, которая, в свою очередь, приподнимает анкеры, находящиеся в коже из презинафа в уголках рта робота (2). Другие сервомоторы вращают глазное яблоко, оснащенное цифровыми камерами (3); набор бронзовых трубок позволяет наклонять голову (4), вращать ее (5), вытягивать шею (6) и кивать подобно человеческой голове.

Маска, прикрепленная к деревянной платформе, очень похожа на лицо человека с нежной кожей, тонкими чертами, высокими скулами и большими голубыми глазами. Хэнсон присоединяет ее к своему ноутбуку. Затем он нажимает несколько клавиш и маска начинает двигаться. Она поворачивается направо и налево, улыбается, хмурится, гримасничает, тревожится.

По его слова, в голове имеется 24 сервомотора, приводящие в движение основные мышцы человеческого лица. В глаза вмонтированы цифровые видеокамеры, чтобы наблюдать за теми, кто рассматривает голову, а новое программное обеспечение позволит голове повторять ужимки зрителей. Голову зовут Крис, а ее прототипом послужила лаборантка по имени Кристина Нельсон.

"Напрямую" изделие Хэнсона не относится к физической культуре и спорту, но его исследования параллельны исследованиям управления мышечной системой человека, поэтому не следует оставлять без внимания такое изобретение. Моделируя мимику лицевых мышц, Дэвид Хэнсон выявил ряд некоторых закономерностей мышечной деятельности, о которой ранее судили исключительно субъективно. В частности было выявлено, какие мышцы лица и как реагируют на те или иные эмоциональные состояния человека. Как они количественно управляются.

Спорт роботов - техника и тактика. Безусловно, спорт киборгов - искусственных "органических" роботов - и соревнования между спортсменами людьми и киборгами спрогнозированные еще 1973 году футурологом и президентом крупной японской компании по производству автоматики Татеиси Кадзума (1992) на 2050 год, дело весьма далекое, но разработка многих вопросов и связанная с ним суть, несомненно, область действия именно информационных технологий в физической культуре и спорте. Такие проблемные вопросы, как моделирование мышечной деятельности и связанные с ним особенности технической подготовки спортсменов, тактическая подготовка спортсменов и разработка теоретических вопросов спортивной тактики, - вот далеко не полный перечень областей, где именно роботы смогут стать ответом на многие из них.

Спортивные соревнования "железных" роботов - уже не вымысел фантастов. Чемпионаты по футболу среди роботов под общим названием RoboCup проводятся ежегодно, начиная с 1997 г. В 2003 году чемпионат проходил в Фукуоке (Япония) и привлек участников из 29 стран и 112 тысяч зрителей. Столь высокий интерес к чемпионату можно объяснить традиционной любовью японцев к роботам, а также проходившим на территории страны чемпионатом мира по футболу среди людей Соревнования проводятся в нескольких лигах. В лиге малых роботов (small size) играют машины размером 15 Ч 18 сантиметров, которые управляются внешней компьютерной системой. В играх в лиге средних роботов (middle size) участвуют более мощные автономные роботы размером 50Ч50 сантиметров, оснащённые собственным мощным бортовым компьютером и системой технического зрения. С недавних пор введена ещё одна лига, в которой играют робо-собаки, тренирующиеся у Хошэн Ху и производящиеся компанией Sony.

В компьютерной имитации боты учатся играть в футбол путем выполнения случайной последовательности основных движений - они ведут мяч, бегут за ним, бьют по нему, перехватывают. За каждую последовательность действий программа либо награждает, либо наказывает бота, посылая ему цифровой сигнал, сообщающий, удалась ли "атака" или же ее надо повторить.

Д-р Боч разделяет ботов на две команды, представленные кружками на экране монитора. Боты из контрольной группы могут передавать мяч, защищаться и атаковать с момента начального свистка, в процессе развертывания игры они должны учиться на своих промахах и переигрывать неудачные моменты.

Как оказалось, контрольная выборка ботов ведет себя по-разному в зависимости от того, награждается ли вся команда вместе либо ее игроки по отдельности. По первому сценарию, поощрительный сигнал посылается только тому боту, который забил гол. В продолжение матча каждый командный игрок действует по единой схеме поведения - устремляется за мячом в едином порыве забить мяч. В результате кружки на экране монитора скапливаются вокруг единой точки - мяча, оставляя все остальные участки поля открытыми для атаки. По другой схеме награждается вся команда, если кто-то из ее членов забивает гол. После нескольких тренировочных циклов некоторые боты начинают действовать исключительно как защитники, другие же рвутся в форварды. "Коллективное поощрение порождает разные линия поведения, - отметил д-р Боч, - и это приносит команде победу". Результаты такого рода наблюдений могут удивить тех, кто верит в силу индивидуального поощрения как в основу капитализма, порождающую многообразие идей, точек зрения, целей и методов их достижения. Д-р Боч пока не спешит переносить свои выводы на человеческое общество, так как, по его словам, нельзя не учитывать всю сложность и многообразность человеческой натуры, а также такие факторы, как мотивация и зависть, которые невозможно воспроизвести в системах искусственного интеллекта. Однако заявляет ученый, его эксперименты показывают, что изучение ботов может служить окном в мир понимания поведения человека. "Боты могут учиться и планировать, и общаться между собою, - отметил д-р Боч. - Они, вероятно, представляют собой наилучшую на сегодняшний день модель для проведения контрольных экспериментов над социальными системами".

2.3 Робототехника в медицине и адаптивной физической культуре

Медицинский институт Джона Хопкинса (Балтимора, США) представил результаты исследования по применению роботов в хирургии. Как было заявлено, использование роботов и компьютерной техники позволит осуществить проведение операций в любой точке земного шара самыми лучшим специалистами при помощи сетевых технологий. Кроме того, возможно создание миниатюрных управляемых устройств, которые смогут проводить операции, будучи помещенными в организм без совершения внешних надрезов.

С сентября 1998г. по июль 2000г. исследователи института Д. Хопкинса провели серию удаленных хирургических экспериментов, используя компьютерную технику, средства связи и видеоконференций и хирургических роботов последнего поколения. Как показал опыт экспериментов, хирургические роботы имеют неоспоримое преимущество, поскольку они способны обеспечить более точные траектории движения инструментов, трехмерное изображение оперируемого участка, а также избавлены от естественного для человека тремора рук.

Уже появился прообраз такого устройства - робот для совершения операций на мозге разработки Armstrong Healthcare Ltd. Представив на выставке в Лондоне робота "PathFinder", компания заявила, что обеспечит хирургов технологией точного управления инструментами при операциях на участках головного мозга, сводящей к минимуму поражения прилежащих тканей. информационный моделирование робототехника медицина

Экоскелеты

Современные роботехнологии предлагают для инвалидов устройства, получившие название "экоскелеты" (рис.5.16), которые уже выпускаются в Японии с апреля 2004 года (Розенвальд М., 2004). Йошиюки Санкаи - профессор Университета Цукубы (Япония) - заявляет, что создал моторизованные ноги или экзоскелет, который вернет инвалидам возможность ходить, подниматься по лестнице и даже заниматься тяжелой атлетикой (рис.5.17). Устройство, названное HAL-3, сочетает в себе достижения нейронауки, биологии, робототехники и немного научной фантастики. К оснащенному батарейками пластмассовому каркасу прикреплены кожные датчики, компьютер, выступающие наружу моторизованные суставы и приводы, движущиеся синхронно с пользователем. Аппарат стоит недешево. "Примерно столько же, сколько автомобиль", - говорит Санкаи.

Содержит шесть конструктивных блоков HAL:

1. Система управления. "Мозг" HAL-3 носится как рюкзак - на спине.

Он содержит компьютер с операционной системой Linux, беспроводную местную сеть, мотоприводы и программное обеспечение для измерения силы.

Вся масса рюкзака-компьютера приходится на раму, внутри которой находится инвалид.

2. Моторизованные суставы. Четыре привода, каждый из которых снабжен миниатюрной коробкой передач и прикрепляются в области тазобедренного и коленного суставов, обеспечивают плавность движений. Угловые сенсоры измеряют ротацию и степень сгибания в суставах.

3. Источник питания. HAL-3 снабжен никелевыми батарейками, которые крепятся к поясу. Они рассчитаны на три часа ходьбы или на час сиденияна корточках.

4. Рама изготовлена из пластмассы, легкого сплава алюминия и хрома. По словам Санкаи, "вы чувствуете себя так, как будто надели горнолыжные ботинки". HAL-3 требует индивидуальной подгонки, но в будущем модели будут универсальными.

5. Мышечные датчики. Датчики, расположенные на мышцах, улавливают идущие от мозга двигательные импульсы.

Система обратной связи экоскелета должна четко соответствовать намерениям пользователя.

"Иначе - говорит автор, - устройство станет не столько помогать, сколько мешать".

6. Опора для стопы. HAL-3 не носится, а, как говорит Сан-каи, "прикрепляется, как транспортное средство". Устройство весом около 20 кг поддерживается двумя "чашечками" в области лодыжек. Размещенные внутри индивидуально изготовленных кроссовок датчики позволяют компьютеру измерять давление подошвы на пол.

Другой экоскелет, также созданный в Японии, позволяет человеку поднимать грузы, превышающие его собственный вес. Группа учёных из Канагавского технологического института в Японии под руководством Кейдзиро Ямамото разработала экоскелет, позволяющий медсёстрам и физиотерапевтам поднимать пациентов, не прилагая к этому никаких усилий. Во время испытаний устройства медсестра весом 64 килограмма смогла поднять и перенести пациента, весящего 70 килограмм.

Список использованной литературы

1.Воловник, А.А. Знакомьтесь, информационные технологии .-СПб.: БХВ-Петербург, 2002, -352с.;

2. Кулагин, Б.Ю. 3ds max и character studio 4. Анимация персонажей / Б.Ю. -СПб.: БХВ-Петербург, 2004г. -224с

3. Мирошниченко, А. Новое измерение. Первые шаги в VR / А. Мирошниченко "ЧИП", 11, 2002 стр. 64-67.

4. Мирошниченко, А. Виртуальная жизнь. Системы Motion Capture / А. Мирошниченко // "ЧИП", 03, 2003 стр. 56-61.

5. Розенвальд, М. Электронные брюки / М. Розенвальд //"Что нового в науке и технике", №1 (15) январь, 2004. с.54-55.

6. Сучилин, Н.Г. Оптикоэлектронные методы измерения движений человека / Н.Г. Сучилин, Н.Г. Савельев, Г.И. Попов. - М.: ФОН, 2000.-126с.

7. Фербер, Д. История о том, как жених сделал робота из невесты / Д. Фербер //"Что нового в науке и технике", №10 октябрь, 2003. с.90-98.

8. www.androidworld.com

9. www.compulenta.ru

10. www.virtusphere.com

Размещено на Allbest.ru