Метод противопоставления систем искусственного интеллекта и виртуальной реальности в преподавании когнитивной графики в университете

Размещено на http://www.allbest.ru/

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

МЕТОД ПРОТИВОПОСТАВЛЕНИЯ СИСТЕМ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА И ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ В ПРЕПОДАВАНИИ КОГНИТИВНОЙ ГРАФИКИ В УНИВЕРСИТЕТЕ

К.Д.Яшин, Г.В.Лосик, В.В. Ткаченко,

В.С.Осипович, О.А. Скаскевич

Аннотация: Описывается применение трехмерной визуализации информации в рамках изучения спецкурса «Когнитивная графика». Рассмотрены возможности, строение и принцип действия некоторых современных разработок, которые используются в процессе преподавания студентам высших учебных заведений одного из разделов информатики - компьютерной графики и визуализации.

Ключевые слова: трехмерная визуализация, зеркальный стереомонитор, шлем виртуальной реальности, монитор трехмерного изображения, трекер глаз, стереоскопический видеоэкран, кластерный суперкомпьютер.

THE METHOD OF THE OPPOSITION OF THE ARTIFICIAL INTELLIGENCE SYSTEMS AND VIRTUAL REALITY IN TEACHING COGNITIVE GRAPHICS AT UNIVERSITY

K.D. Yashin, G.V. Losik, V.V. Tkachenko, V.S. Osipovich, O.A. Skaskevich

Abstract: Describes the use of three-dimensional visualization of the information in the study of the special course "Cognitive graphics." The possibilities, the structure and function of some modern developments, which are used in teaching university students from one section of computer science - computer graphics and visualization.

Keywords: Three-dimensional visualization, mirror stereomonitor Stereo Pixel, a virtual reality helmet, three-dimensional image monitor Philips, the system controlling the computer with eye movement, stereoscopic video display wall, a cluster supercomputer SKIF-Triad.

Введение. Новизна в исследованиях формируется зачастую на стыке нескольких научных направлений, поэтому их преподавание в университете требует междисциплинарного подхода, новых дидактический приёмов. Компьютерные системы трёхмерной, стереоскопической визуализации образной информации все шире входят в практику. Отсутствие глубины пространства в плоскостном дисплее или на экране мобильного телефона непринципиально для восприятия человеком текста, страницы сайта. Оно принципиально для тренажёров, где важен эффект присутствия человека в виртуальном пространстве. Стереоскопическая компьютерная визуализация, обеспечивающая человеку эффект присутствия, дала толчок второй технической идее - передать управление перерисовкой воспринимаемой человеком образной стереосцены трекеру. Система компьютерной визуализации, получая информацию о направлении взора человека, управляет перерисовкой видеосцены. В итоге сегодня системы виртуальной реальности - это не только системы стереоскопической трёхмерной визуализации, но и системы-тренажёры, диагностические системы, технические параметры которых в разработке подчиняются психологическому параметру: увеличение эффекта присутствия и взаимодействия.

Процесс технической эволюции систем виртуальной реальности идёт неоднозначным и сложным путём. Но преподавание в университете требует научного анализа этой эволюции, вскрытия закономерностей, предсказания хода её дальнейшего развития. Поэтому концепция преподавания систем виртуальной реальности - это проекция в будущее развития информационных технологий (ИТ).

Состоялись первые выпуски инженеров по специальности “Инженерно-психологическое обеспечение информационных технологий” и квалификацией инженер-системотехник в Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники (БГУИР, Минск). Подготовка этих специалистов проводится в рамках новых для Беларуси направления образования «Эргономика» и группы специальностей «Эргономика информационных систем». Такой инженер обеспечивает проектирование и эксплуатацию различных информационных систем, а также технических систем, созданных с использованием современных когнитивно-информационных технологий. Это специалист по анализу информационных систем, их разработке, внесению в разработку психологически обоснованных требований и параметров 1-4. Таким образом, у авторов статьи имелся опыт многолетних экспериментов по преподаванию студентам спецкурса «Когнитивная графика», в частности, одного из самых крупных его разделов, по изучению систем виртуальной реальности и тренажёров. В основу разработок названного спецкурса легли рекомендации по преподаванию информатики в университетах, одобренные кафедрой системного программирования С. - Петербургского государственного университета. В статье рассмотрены вопросы преподавания студентам 3 курса одного из разделов информатики, а именно, - компьютерной графики и визуализации, т.е. раздела GV5.

Организация и методическое обеспечение преподавания курса “Когнитивная графика”. Подготовку инженеров-системотехников специальности ИПОИТ в БГУИР выполняет кафедра инженерной психологии и эргономики. Имеется филиал кафедры в Объединенном институте проблем информатики (ОИПИ) Национальной академии наук Беларуси, где реализуются практические занятия для студентов. Перечислим некоторые разработки, с которыми знакомятся будущие инженеры-системотехники в Академии наук при изучении систем трехмерной визуализации информации: стереомонитор StereoPixel; шлем виртуальной реальности i-glasses-Pro; стереомонитор Philips; трекер движения головы и трекер глаз; стереоскопический видеоэкран; кластерный суперкомпьютер СКИФ-Триада и др.

Зеркальный стереомонитор StereoPixel имеет размер экрана по диагонали 17 дюймов (43 мм). Принцип действия стереомонитора основан на совмещении

Рисунок 1 Стереомонитор StereoPixel

двух ортогонально поляризованных изображений, полученных от пары жидкокристаллических дисплеев (рисунок 1). Последующая сепарация левой/правой половины стереопары осуществляется через пассивные поляризационные очки. Глубина воображаемого объемного изображения достигает 3-5 метров, т.е. например, можно видеть комнату в объемном изображении, где совсем рядом с человеком-зрителем расположен журнальный столик с книгой, а около дальней стены комнаты стоит телевизор и ваза с цветами. Для проведения практических занятий со студентами используется монитор модели IcReflex. Профессиональные стереодисплеи IcReflex предназначены для медицины, а также для систем автоматизированного проектирования трехмерных объектов. Для работы с дисплеем StereoPixel студенты используют современные персональные компьютеры. Полноэкранные стереорежимы поддерживаются видеокартами персонального компьютера на основе чипсейтов nVidia. В этом режиме на персональном компьютере могут быть запущены 3D-программы на основе стандартов DirectX и OpenGL с визуализацией образной информации через StereoPixel.

Студенты изучают как аппаратно-программную составляющую, так и психолого-когнитивную составляющую современных систем трехмерной визуализации информации.

Шлем виртуальной реальности i-glasses Pro закрепляется на голове пользователя, как очки, и поддерживает стереоэффект (рисунок 2). Такой переносной монитор предоставляет (одновременно) для левого и правого глаза различную картинку. За счет горизонтального смещения кадров для левого и

Рисунок 2 Шлем виртуальной реальности

правого глаза относительно друг друга, формируется стереоэффект. Шлем состоит из двух миниатюрных экранов (дисплеев) для глаз и наушников. В каждом из окуляров шлема i-Glasses PC/SVGA 3DPro студент видит перед собой большой виртуальный экран диагональю примерно 70 дюймов (около 180 см). Человек видит изображение на экране в объеме; глубина изображения достигает 3-5 метров. Такие шлемы применяют в центрах подготовки спецперсонала, который по роду своей деятельности сталкивается с очень быстро меняющейся ситуацией и должен уметь почти мгновенно и определенным образом действовать в зависимости от возникающей проблемы. Шлем виртуальной реальности подключается к VGA выходу видеокарты или к видеовыходу DVD плеера.

Трекер для отслеживания поворотов головы представляет собой устройство, встраиваемое в шлем виртуальной реальности. Трекер заменяет манипулятор «мышь» и предназначен для передвижения объемной картинки влево-вправо. Если использовать пример автомобиля, то трекер дает возможность заглянуть и увидеть салон либо со стороны водителя, либо со стороны пассажира. Перемещение объемной картинки осуществляется за счет незначительного движения головы человека, на которую одет шлем виртуальной реальности со встроенным трекером.

Стереомонитор трехмерного изображения Philips. Стереоэкран имеет размер 48x65 см и крепится на стене. Глубина объемной картинки достигает 1-2 метров. По всей площади монитора вертикально расположены 500-600 оптических полуцилиндров. На жидкокристаллический экран подаются два изображения - для левого и правого глаза. Оптические полуцилиндры (полулинзы) с частотой 60 Гц дают изображение влево-вправо. Пространство между зрителем и экраном пронизано многими лучами. Есть 6-8 мест перед экраном дисплея, где человек может комфортно наблюдать объемное изображение. Каждый, исходя из особенностей своего зрения, находит для себя наиболее удобное место перед экраном. Просмотр трёхмерного изображения не требует применения специальных очков.

Система управления компьютером движением глаз перемещает курсор по экрану монитора. Глазное яблоко - электрический диполь и при движении глаз в районе глазниц регистрируются изменения потенциалов. Знак потенциала зависит от направления поворота глаз, а амплитуда - от угла поворота глаз. Разработчики системы используют четыре электрода, закрепляя их около глаз человека. Нижние электроды служат для оценки вертикальной составляющей смещений взгляда человека (взора). Боковые электроды служат для оценки горизонтальной составляющей взора. По картинке потенциалов можно описать траекторию взгляда человека (взора) и использовать глаза в режиме реального времени для управления компьютером, например, для перемещения экранного курсора. Разработка относится к, так называемым, мозг-компьютерным интерфейсам.

Стереоскопический экран предназначен для создания комнат виртуальной реальности, где стенами являются именно такие стереоэкраны (рисунок 3). Размер экрана 2х3 метра. Ткань экрана способна отражать свет двух поляризаций. На

Рисунок 3 Комната виртуальной реальности

Рисунок 4 Приборная панель автомобиля

экран проецируется изображение одновременно с двух видеопроекторов. Специально разработанные линзы к видеопроекторам позволяют получать изображения - с одного видеопроектора с горизонтальной поляризацией света, а с другого - с вертикальной поляризацией. Человек снабжается специальными очками. Очки восстанавливают единую картину. При этом мозг человека воспроизводит ощущение глубины пространства, которая достигает 2 - 3 метров. Поляризационные линзы к видеопроекторам разработаны в ОИПИ НАН Беларуси.

Приборная панель автомобиля создана на основе дисплея с объемным изображением картинок участков автомобильных дорог. Два налагаемых друг на друга изображения воспроизводят 3D-эффект на дисплее. После поворота ключа зажигания на дисплее автомобиля появляется объемная модель города (рисунок 4). Встроенная навигационная система направляет автомобилиста к месту

Рисунок 5 Компьютер СКИФ-Триада

назначения. Две камеры расположены прямо перед водителем и направлены на него. В режиме реального времени камера фиксирует положение глаз водителя и расстояние между водителем и камерами. В результате в каждый момент времени изображения на 3D-дисплее приспосабливаются к зрительному аппарату водителя. Это гарантирует эффект объемного видения даже при быстром (беглом) взгляде водителя на панель и при любом положении водителя в кресле. Главное, для просмотра 3D-изображения не требуется специальных очков.

Суперкомпьютеры серии СКИФ. Первая разработка - это большой суперкомпьютер с 60-ядерным процессором. Вторая разработка - серия персональных компьютеров СКИФ-Триада (рисунок 5). Третья разработка - серия «малых» компьютеров для персонального применения (еще меньших, чем персональные кластеры СКИФ-Триада). Четвертый этап: идет разработка еще большего, чем первый СКИФ, суперкомпьютера, полностью отвечающего самым современным международным стандартам.

Компьютеры СКИФ-Триада разработаны в рамках программы Союзного государства России и Беларуси. Они заполняют нишу, разделяющую обычные ПК и суперкомпьютеры, обеспечивая возможность использования суперкомпьютерных технологий в отдельно взятой организации. Компьютеры позволяют пользователям адаптироваться к переходу на вычислительную технику с параллельной архитектурой, которая существенно изменяет привычный стиль взаимодействия с компьютером. В семействе персональных кластеров СКИФ-Триада реализована возможность работы под управлением как операционной системы Linux, так и операционной системы WindowsComputeClusterServer 2003. Опытный образец кластера СКИФ-Триада применяется в качестве высокопроизводительного вычислительного устройства в аппаратно-программном комплексе слежения в реальном масштабе времени за движущимися объектами. Второй образец используется в противотуберкулезном диспансере Минска в качестве высоко-производительного вычислительного устройства в распределенной телемедицинской системе реального времени по цифровой флюорографии. К кластеру подключены городские поликлиники, объединенные в единую телекоммуникационную сеть. Третий образец используется в ОИПИ для проведения научных и инженерных расчетов и моделирования. Четвертый образец персонального кластера используется в ОИПИ в составе gLite сайта «BY-UIIP» грид-сегмента Baltic-grid общеевропейской грид-сети.

Противопоставление концепций искусственного интеллекта и систем виртуальной реальности. При преподавании в ВУЗе двух лекционных курсов: системы искусственного интеллекта и системы виртуальной реальности, - можно констатировать, что они близки по тематике частных научных вопросов, которые входят в их состав. Оба курса непосредственно касаются вопросов переработки информации мозгом и компьютером, вопросов обучаемости нейронных структур, алгоритмов обучения с преподавателем и самообучения, константности распознавания образов. В то же время эти два научных направления различаются концепциями, по которым исследователи планируют использовать научные сведения о работе компьютера и мозга человека. Системы искусственного интеллекта ставят цель заменить собой мозг человека, а системы виртуальной реальности ставят цель состыковать с мозгом современный компьютер, придав ему функции своеобразного нового “полушария” мозга. Появление систем виртуальной реальности стало возможным только недавно и объясняется не теоретическими, а технологическими успехами науки и техники. Значительно возросла быстрота работы процессора, возросли разрешающая способность и цветность дисплеев, появились трекеры, мгновенно отслеживающие движения разных органов человека. Системы виртуальной реальности рассчитаны на интерактивное взаимодействие компьютера с мозгом человека только в сфере образной, но не вербальной переработки информации. Поэтому в ходе обучения студентов по курсу “Когнитивная графика” мы отмечаем превосходство систем искусственного интеллекта над системами виртуальной реальности и тренажёрами в области обработки вербальной, знаковой информации, анализа текстовой информации. Нами подчёркивается в дидактических целях перспективность систем виртуальной реальности как концепции сохранить за мозгом в тандеме “мозг-компьютер” функцию совершать мыслительный акт, генерировать новую информацию, как концепцию, отрицающую возможность нейросетевой модели, экспортной системы генерировать новые знания в области образной информации.

В связи с обязательным присутствием в системе виртуальной реальности как подсистемы - мозга человека, зрения, рефлекторных навыков, - мы отводим большое внимание в учебном процессе рассмотрению эффекта присутствия и эффекта взаимодействия. Именно эти два феномена мозга невозможно смоделировать в системах искусственного интеллекта.

Одновременно в дидактическом плане мы называем сходство архитектуры обучающих систем в области искусственного интеллекта и виртуальной реальности. Мы условно противопоставляем их, называя в первом случае системами обучения текстовым знаниям и во втором случае обучения - образным знаниям. Обучающая система и в том, и в другом случае предъявляет студенту порцию новой информации, регистрирует его реакцию как ответ на восприятие, измеряет ошибку и по запрограммированному сценарию корректирует ошибку неким сообщением в адрес студента. Аналогично архитектуре систем искусственного интеллекта, обучающим студента текстовым знаниям, мы в курсе “Когнитивная графика” рассматриваем определённую архитектуру системы обучения образным знаниям (архитектуру тренажёра). Архитектуру составляют пять обязательных для тренажёра модулей: модуль системы отображения информации для предъявления студенту стереоизображения, модуль регистрации реакции, модуль измерения ошибки, интеллектуальный модуль алгоритма обучения и модуль истории тренинга. Если в системе отсутствуют два последних модуля, она превращается в диагностическую, если три последних - в автоматизированное рабочее место.

Перспектива развития научно-технического и образовательного направления. Изучение современных систем трехмерной визуализации информации предполагает широкую самостоятельную работу студентов при выполнении курсовых и дипломных проектов. Ниже сформулированы некоторые актуальные для медицины, промышленности и образования прикладные темы. 1) Разработка и испытание обучающих алгоритмов для тренажеров виртуальной реальности по формированию у человека сенсомоторных, инструментальных и навигационных навыков. 2) Разработка концепции и технологий виртуальной реальности: методов и средств сканирования, визуализации и интерактивного управления трехмерной машинной графикой в тренажерах обучения профессиям операторской деятельности. 3) Разработка тренажера для развития и поддержания на должном уровне устойчивости и переключаемости внимания людей различного возраста с использованием виртуальной информации. 4) Разработка компьютерного тренажера на базе шлема виртуальной реальности для обучения зрительному таможенному осмотру. 5) Разработка тренажера на основе трехмерной стереоскопической визуализации для обучения хирургов медицинским навыкам. 6) Разработка компьютерной системы диагностики когнитивных функций человека по тренингу его взора. 7) Разработка тренажера для формирования у пожарных навыков работы с огнетушительным и насосным оборудованием. 8) Разработка тренажера для формирования в среде виртуальной реальности навыка психологической совместимости людей. 9) Моделирование средствами виртуальной реальности рабочих мест и действий авиадиспетчеров. 10) Разработка аппаратно-программных средств и сценариев для обучения работе на станках с числовым программным управлением. 11) Разработка тренажера с 3D-изображением для подготовки медицинских специалистов; привыкания к медицинским и хирургическим сценам; приобретения навыков идентификации и анатомического осмотра внутренних органов человека; приобретения навыков диагностики заболеваний по визуальным картинам органов человека и др.). 12) Разработка компьютерного тренажера с 3D-изображением для подготовки специалистов в области авиационной техники (для приобретения навыков распознания и идентификации узлов и агрегатов самолетов и вертолетов; для приобретения навыков осмотра и оценки работоспособности узлов и агрегатов самолетов и вертолетов по визуальным картинкам этой аппаратуры и др.). 13) Разработка компьютерного тренажера с 3D-изображением для подготовки специалистов по управлению беспилотными летательными аппаратами (для приобретения навыков восприятия операторами речевых сообщений, посылаемых аппаратурой летательного аппарата и др.). 14) Разработка манипулятора для передачи в руку пользователя персонального компьютера ощущения упругости и гибкости виртуального предмета, наблюдаемого на мониторе компьютера, с целью передачи пользователю не только визуального восприятия, но и тактильного восприятия этого предмета (разработка тренажера для хирургов с использованием тактильного манипулятора; разработка интернет - магазина для реализации возможности использования тактильного манипулятора; разработка информационной компьютерной системы для слепых людей и реализации возможности ощупывать с помощью компьютера трудно доступные для них предметы и др.).

Выводы. Выбрана концепция преподавания вопросов техногенеза информационных технологий, а именно, - дидактический противопоставления развития систем искусственного интеллекта и бурного прогресса систем виртуальной реальности. Лекционный курс “Системы искусственного интеллекта” более 15 лет читается в БГУИР. В его состав входят спецкурсы “Нейросетевые модели”, “Автоматическое распознавание образов”, “Экспертные системы”. Студентам известно, что как самостоятельное направление в информационных технологиях системы искусственного интеллекта сформировалась уже давно. Новое направление в информационных технологиях - системы виртуальной реальности, - нельзя рассматривать как звено направления искусственного интеллекта. Поэтому с дидактической целью эти два направления сравниваются, анализируются и противопоставляются.

При подготовке статьи использовались информационные ресурсы: www.stereo-pixel.ru, www.politex.by, www.really.ru, www.3dhd.ru, www.ohgizmo.com, www.irinagruzdeva.blogspot.com, www.nvworld.ru, www.reghardware.com, www.niievm.by, www.by.all.biz/g9945/, www.armsexpo.ru.

искусственный интеллект преподавание образовательный

Литература

1. Общеобразовательный стандарт Республики Беларусь ОС РБ -58 01 01 - 2007 «Высшее образование, первая ступень, специальность -58-01 01 Инженерно-психологическое обеспечение информационных технологий, квалификация инженер-системотехник». Разработан Белорусским государственным университетом информатики и радиоэлектроники (Шупейко И.Г., Яшин К.Д.), утвержден и введен в действие постановлением Министерства образования Республики Беларусь от 2.05.2008, № 4, Минск.

2. Борисенко В.Е., Олекс О.А., Прокопчик Т.К., Яшин К.Д. Инженерно-психологическое обеспечение информационных технологий. Вышэйшая школа, 2005, №4, с. 18-20.

3. Борисенко В.Е., Осипов А.Н., Яшин К.Д. Инженерная психология информационных технологий. Парк высоких технологий - путь в интеллектуальное мировое сообщество. Доклады IV Международного конгресса “Развитие информатизации и системы научно-технической информации в Республики Беларусь” (Минск, 2004г.), с. 262-267.

4. Шупейко И.Г. Эргономика в Беларуси. Вышэйшая школа, 2007, № 5, с. 54-57.

5. Рекомендации по преподаванию информатики в университете. Пер. с англ. С. - Петербургский университет, СПб., 2002. 372 с.

Размещено на Allbest.ru