Объемные виртуальные модели в инженерном образовании

Размещено на http://www.allbest.ru/

объемные виртуальные модели в инженерном образовании

Алексеев А.Н.

Постановка проблемы. Инженерное образование, в отличие от гуманитарного, имеет специфику, связанную с необходимостью приобретения студентами практических умений и навыков профессиональной работы. Как следствие, его неотъемлемым требованием является включение в учебный процесс практических занятий на станках, стендах, профильно-ориентированных рабочих местах и т.п. Использование при организации лабораторно-практических занятий электронных учебников со встроенными мультимедийными иллюстрациями облегчает студенту понимание принципа работы и устройства изучаемых процессов и конструкций, позволяет больше внимания уделить теоретическому обоснованию тех умений, которые ему предстоит приобрести. Наличие в учебнике виртуальных моделей и тренажеров способствует скорейшему приобретению и закреплению необходимых умений и навыков работы с реальными объектами.

Общее требование для всех случаев применения имитационных моделей в учебном процессе высшей технической школы состоит в том, что модель должна быть не только адекватной изучаемому явлению, но и наглядной. При этом требование наглядности для модели столь же важно, что и требование адекватности, т.к. именно через нее в значительной мере реализуется обучающая функция.

На рисунке 1 показаны примеры, достаточно часто встречающиеся при изучении конструкций узлов и деталей машин, когда детали, составляющие сборочную единицу, не могут быть заменены их электронными моделями, т.к. при этом возможна потеря значительной части информации о форме и относительных размерах деталей, входящих в сборку. Если модели деталей показаны таким образом, что их изображения не накладываются друг на друга (рисунок 1,а), то трудно составить представление о будущей конструкции, т.к. модели вписываются в поле визуализации рисунка не в реальном масштабе, а в соответствии с тем, как они должны выглядеть на экране монитора. При этом меняется соотношение масштабов отображения каждой из деталей, которые впоследствии должны составить общую сборочную единицу. В приведенном примере модели деталей представлены на рисунке в масштабе, определенном границами поля визуализации, и в этих условиях практически невозможно установить даже какая из моделируемых деталей больше или меньше. Но и в том случае, когда модели деталей расположены в пространстве так, как показано на рисунке 1,б определить взаимное расположение и относительные размеры деталей можно только с достаточно большой степенью погрешности. Плоское изображение трехмерных деталей не позволяет сделать заключение о том, чему соответствуют видимые размеры деталей - близости детали от наблюдателя или же их истинным размерам. А изображение трехмерной сферы на плоскости монитора (рисунок 1,в) не дает возможности установить форму отверстия, которое можно увидеть с правой стороны сферы.

В традиционном образовании накоплен большой опыт обучения студентов работе с графической информацией, однако этот опыт не всегда применим в условиях компьютеризированного обучения. Большинство исследований, посвященных проблеме создания виртуальных моделей и графических иллюстраций, в основном ориентированы на создание трехмерных изображений на плоскости. В то же время окружающий нас мир является трехмерным и поэтому является предопределенным, что любое изображение пространственных моделей на плоскости монитора в той или иной степени будет ошибочным и исказит представление о моделируемых объектах. Изображения, отображающие трехмерные физические объекты на плоскости монитора, часто не являются достаточно наглядными. Поэтому получить абсолютно достоверную имитацию работы на виртуальной модели в большинстве случаев не удается и полностью отказаться от проведения реальных лабораторных работ не представляется возможным.

Анализ последних исследований и публикаций. Публикации о результатах исследований, выполненных в последние годы [1-5 и др.], свидетельствуют о том, что ускоренное развитие вычислительной и мультимедийной техники значительно расширяет возможности использования стереографических моделей во многих отраслях науки и техники, и, как следствие, требуют от современного инженерного образования подготовки специалистов, способных применять и развивать новые технологии проектирования. Одновременно с этим применение стереографических изображений может стать эффективным инструментом для совершенствования методики преподавания значительного числа общеинженерных и специальных учебных дисциплин.

Постановка задачи. Основной задачей статьи является анализ существующих методов проектирования объемных виртуальных моделей с позиции их рационального использования в учебном процессе специальностей инженерного профиля и замены виртуальными моделями изучаемых физических объектов. В силу ограниченности финансовых и технических возможностей отечественных вузов по приобретению и использованию технических устройств, действующих на весь спектр чувств, в работе рассматриваются модели, предназначенных только для зрительного восприятия.

Изложение основного материала. Создание и применение объемных виртуальных моделей в вузе.

Из известных методов формирования трехмерных изображений, использующих технические устройства для воспроизведения объемности, наиболее развитыми на сегодняшний день являются решения, полученные на основе голографии и круговых визуализаторов.

Голография - это объемное изображение предмета, создаваемое с помощью когерентного (лазерного) излучения [1]. Преимущество голограммы заключается в том, что она является наиболее полным носителем информации о внешнем виде воспроизводимого объекта. Однако для того чтобы освоить эту технологию, необходимо иметь соответствующее оборудование и стоимость этого оборудования будет тем значительнее, чем выше требования к качеству создаваемой голограммы. В связи с развитием компьютерных технологий привлекательность голографии для создания учебных моделей уже не является столь очевидной, как это представлялось два-три десятилетия назад. Более того, наблюдаемая в отечественных вузах доминирующая тенденция на техническое перевооружение учебной материальной базы вузов в значительной мере за счет средств компьютерной техники может потребовать существенных дополнительных расходов для внедрения голографических моделей, мало совместимых с компьютерными технологиями.

Круговые визуализаторы (volumetric дисплеи) позволяют создавать объемное изображение видимое в пределах 360^о вокруг визуализатора. Технологии, которые применяются в круговых визуализаторах, могут быть различны [2, 3, 4], но в большинстве случаев для создания объема визуализации они используют быстровращающееся твердое тело специальной формы, при вращении образующее спиральную или другой формы развертку. Свет лазера синхронно модулируется по амплитуде и рассеивается на вращающемся теле, многократно высвечивая множество плоских срезов-экранов объемного изображения и создавая видимое изображение проецируемой модели.

К сожалению работы в области проектирования круговых визуализаторов начались сравнительно недавно и поэтому еще не существует конструкций, которые можно было бы рекомендовать для использования в качестве аппаратного обеспечения учебных занятий. Созданные на их основе технические устройства работают с ограниченным числом цветов (поддерживают в среднем до 8 цветов при частоте регенерации объемного изображения не более 24 Гц) и требуют больших вычислительных мощностей (для визуализации изображения в течение одной секунды необходимо обработать информацию объемом до полутора гигабайт). В дополнение к этому они имеют высокую стоимость, что не позволяет их рекомендовать в качестве базового инструмента для создания объемных виртуальных моделей в технических университетах Украины.

Иллюзию объемного представления окружающего мира в значительной мере воссоздает стереофотография, которая также может быть использована для создания моделей, зрительно воспринимаемых как трехмерные. Для создания стереографических изображений можно воспользоваться готовыми программными решениями, например, стереомодулями таких известных систем трехмерного проектирования, как 3D Studio MAX (Autodesk Corporation) или SolidWorks (SolidWorks Corporation). Если же создаваемую модель предполагается использовать как ограниченный набор фрагментов видеоизображения, то ее стереографическое представление может быть сформировано из проекции объемного изображения на плоскость с помощью одной из программ для работы с растровыми изображениями, например, графического пакета Photoshop (Adobe Systems Incorporated).

Просмотр стереоизображений возможен с помощью различного рода стереоочков и шлемов виртуальной реальности [4,5] или непосредственно на экране специализированных мониторов [4].

К числу объемных можно условно отнести и модели, полученные проецированием трехмерного изображения на плоскость монитора. В настоящее время такие модели широко используется при конструировании, изготовлении и эксплуатации объектов машиностроительного производства, а также в высшей школе для компьютерного моделирования конструкций и процессов реальных производств.

Среди всего многообразия способов плоского представления объемных моделей можно выделить три основных, получивших наибольшее распространение. Это модели, основанные на описании объекта сплошными средами (solid - модели), сплошными поверхностями (surface - модели) и ячеистыми поверхностями (cell-модели). Каждая из моделей имеет свои достоинства и недостатки, однако не рассматривая их, отметим, что в настоящее время наиболее разработанными являются модели созданные на основе solid-моделирования. К решающим преимуществам solid-моделирования относятся ограниченные требования к ресурсам средств компьютерной техники при относительной простоте взаимодействия с алгоритмами формирования фотореалистических изображений. Solid -макетирование используется в таких известных CAD/CAM системах, как CATIA (Dassault Systems), AutoCAD, Inventor (Autodesk), SolidWorks и др.

Solid - моделирование также не свободно от недостатков (метод построения модели ограничен рамками булевых операций, усложнено создание объектов с поверхностями выше чем второго порядка и др.), что препятствует точному отображению сложных пространственных форм. Дополнительное искажение вносит проецирование объемной трехмерной модели на плоскую двухмерную поверхность.

Для выявления возможности и целесообразности использования объемных моделей при обучении студентов инженерных специальностей был проведен педагогический эксперимент. В эксперименте, продолжавшимся в течение шести лет, участвовали студенты 2 курса бакалавратуры «Инженерная механика» двух родственных машиностроительных специальностей. Количество студентов, принявших участие в эксперименте определялось численным составом учебных групп соответствующих специальностей. Всего в эксперименте участвовало свыше двухсот студентов, разделенных на экспериментальные и контрольные группы. Эксперимент проводился на базе вычислительных и учебных лабораторий Инженерного факультета Сумского государственного университета.

В таблице приведены полученные сравнительные оценки качества отдельных этапов учебных занятий, осуществляемых при подготовке к выполнению и выполнении лабораторных работ, методические указания к которым были представлены в электронном виде и иллюстрированы графикой в виде плоскопроекционных изображений (2D), проекции трехмерных моделей на плоскость (3D) и с использованием стереографии (3Ds) (табл.). Изображения электронных тренажеров приведено на рисунке 2. Диаграмма на рисунке 3 демонстрируют изменение познавательного интереса в тех же условиях (дополнительно детализируется способ отображения стереографических изображений: 3Dsi - изображение формируется за плоскостью монитора, 3Dso - перед монитором) в двухнедельные промежутки времени в начале учебного семестра, середине и по его завершению.

Таблица 1 Сравнительные оценки качества отдельных этапов учебных занятий, осуществляемых при подготовке к выполнению и выполнении лабораторных работ

стереографический изображение инженерный виртуальный

В качестве пояснений к таблице и диаграмме отметим, что для получения количественных характеристик качества учебной работы на этапах построения алгоритма, моделирования и выполнения заданий лабораторного практикума привлекались эксперты - преподаватели, которые оценивали работу студентов по стобальной шкале, результаты усреднялись и затем определялись процентные отношения. Качество умений оценивалось по результатам тестирования, а познавательный интерес - по результатам анкетирования на основе самооценки студентов.

Приведенные данные подтверждают целесообразность использования стереографических моделей при разработке электронных учебно-методических материалов. При этом следует отметить, что наблюдаемое резкое повышение познавательного интереса в начале семестра сопровождается снижением эффективности в результате увеличивающихся затрат учебного времени. По мере обучения студенты привыкают к первоначально необычным для них учебным материалам и уже не тратят так много времени на наблюдение за создаваемым эффектом объемности. При наличии повышенного познавательного интереса, большей наглядности и информативности стереоизображений обучение становится все более эффективным. Поэтому уже к середине семестра эффективность материалов со стереоиллюстрациями становится выше, чем у аналогичных, но с 3D или 2D иллюстрациями. Следует так же отметить, что чрезмерное насыщение учебно-методических материалов стереографическими, как и любыми другими, иллюстрациями снижает эффективность занятия.

Выводы и перспективы дальнейших исследований. Как показал опыт автора, существующие компьютерные технологии позволяют оперативно создавать трехмерные, в том числе, стереографические модели, которые могут результативно использоваться в учебном процессе. Применение стереографии дает возможность с большей степенью правдоподобности формировать виртуальные модели изучаемых объектов. Как следствие у студента вырабатывается более правильное и полное представление о предметах реального мира, возрастает интерес к изучаемому предмету, быстрее усваивается учебный материал. Очевидно, что дальнейшая работа в части совершенствования объемных виртуальных моделей должна способствовать повышению качества учебно-методических материалов и, в конечном счете, позволит все в большей мере заменять реальные изучаемые объекты их виртуальными объемными моделями.

Литература

1. Избранные труды: в 3-х т. Т. 2. Теория автоматов и голография. Работоспособность и серийнопригодность. Системный анализ и эффективность. Киносценарии и учебное кино / В.К. Елисеев. -- К.: Сталь, 2007. -- 643 с.

2. Сергей Книгин. 3D дисплеи. Часть 1

3. Stereoscopic Display Application Issues

4. Сергей Митилино. Трехмерные дисплеи: обзор технологий

5. С. Козинцев. Стереоскопический Интернет.

Размещено на Allbest.ru