XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Создание мира виртуальной реальности
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Аннотация
Выявленная проблема
В настоящее время в связи с карантинными ограничениями вызванными новой коронавирусной инфекцией Covid-19 большинство учебных заведений переходит на дистанционное обучение, что значительно усложняет объяснение материала стандартными способами в особенности, если для понимания тех или иных фактов необходимы наглядные пособия (модели изучаемых устройств, явлений и т.п.).
Предложенное решение
Комплексы, создающие эффект виртуальной реальности, получили широкое распространение в различных сферах общества, в том числе и образовании. Для решения поставленной проблемы целесообразным будет использование технологий виртуальной реальности, в связи с улучшением восприятия материала, наглядности представления информации.
Результат проекта
Нами изучена информация о сфере виртуальной реальности, способы её реализации. В качестве продукта проекта создан прототип виртуальной реальности: «Виртуальное пособие для изучения системного блока компьютера». Задачи работы выполнены. Цель достигнута.
Введение
Актуальность
В настоящее время в связи с карантинными ограничениями вызванными новой коронавирусной инфекцией Covid-19 большинство учебных заведений переходит на дистанционное обучение, что значительно усложняет объяснение материала стандартными способами, в следствие чего для обучения все чаще применяются компьютерные технологии. Поэтому создание виртуального пособия для изучения системного блока компьютера поможет преподавателям и ученикам облегчить процесс обучения.
Цель:
Изучить материал по данной теме, на основе чего создать прототип виртуального пособия для изучения устройства системного блока компьютера.
Исходя из поставленной цели, мы определили задачи, стоящие перед нами:
Изучение теоретического материала по данной теме;
Изучение принципов работы программ, используемых для создания мира виртуальной реальности;
Создание словесной модели виртуального пособия по изучению устройства системного блока компьютера;
Создание виртуального пособия по изучению устройства системного блока компьютера
Целевой аудиторией данной проектной научной работы являются ученики средней школы при изучении устройства компьютера и преподаватели информатики в средней школе.
Методы: теоретические (анализ, моделирование); математический (методы визуализации данных).
Объект: мир виртуальной реальности.
Предмет: системный блок.
Продукт: прототип виртуальной реальности: «Виртуальное пособие для изучения системного блока компьютера».
Анализ существующих решений
Понятие о виртуальной реальности
Феликс Воройский в своём справочнике «Информатика. Новый систематизированный толковый словарь» приводит следующее определение термина: «Виртуальная реальность – искусственно созданный мир путем подмены окружающей действительности информацией, генерируемой компьютером.» [1] Развитие виртуальной реальности начинается в 50-е годы двадцатого века. В 1962 году Мортоном Хейлингом было запатентовано первое устройство виртуальной реальности. Наибольшее распространение данная сфера получила в 2015 году, когда компанией Oculus был выпущен первый VR-шлем. [2]
Устройства виртуальной реальности осуществляют погружение человека в искусственно созданный мир благодаря «обману» органов чувств: так как около 85% получаемой информации приходится на зрение, то при восприятии изображения виртуального мира, мозг буквально отключает остальные органы чувств, заставляя человека ощущать себя в другом пространстве.[3] [4] С технической точки зрения виртуальная реальность обеспечивается с помощью трёхмерной графики и стереозвука. Связь человека с процессами, происходящими в воспроизводимом мире, имитируется с помощью специальных устройств, среди которых, например:
Шлемы-дисплеи, с помощью которых человек может видеть трёхмерное изображение виртуального мира, а компьютер получать данные о положении и ориентации головы (это осуществляется с помощью датчиков движения) и в соответствии с ними изменять изображение;
Манипуляторные устройства, с помощью которых компьютер получает данные о положении рук и пальцев, и человек может взаимодействовать с объектами искусственного мира;
Аудиостереосистемы, с помощью которых создаётся объёмное звучание и имитируется звуковое давление;
Электромагнитные и пневматические устройства, с помощью которых осуществляются механические воздействия на человека. [1]
Схема работы генератора виртуальной реальности представлена в Приложении 1. [3]
Различают различные виды виртуальной реальности в зависимости от возможности взаимодействия с искусственно созданной средой. Среди них:
Пассивная виртуальная реальность – среда воспроизводится компьютером, и пользователь не имеет возможности взаимодействия с ним;
Обследуемая виртуальная реальность – возможно частичное взаимодействие с объектами виртуального мира;
Интерактивная виртуальная реальность – пользователь свободно взаимодействует с объектами искусственно созданного мира. [1]
Способы реализации виртуальной реальности с помощью современного ПО
Сейчас различают несколько видов виртуальной реальности, среди которых компьютерная VR, мобильная VR и веб-реализация виртуальной реальности. В первом случае необходимо специализированное оборудование, о котором говорилось выше (VR-очки/шлемы, манипуляторные устройства, аудиостереосистемы и т.п.), в последних же базовым устройством является смартфон.
Для разработки веб-реализации виртуальной реальности используются:
Язык разработки Mozilla A-Frame, подходящий для создания кроссплатформенных VR-приложений;
Веб-приложение Vizor – позволяет создавать 3D-сцены; возможностей у приложения значительно меньше, чем у игровых движков, но основным плюсом является простота освоения платформы;
Большинство разработчиков виртуальной реальности (в основном - компьютерная и мобильная VR) для создания проектов использует игровые движки, наиболее востребованными среди которых являются Unreal Engine 4 (UE4) и Unity. Каждый из них позволяет управлять 3D-окружением, импортировать собственные модели, звуки, видео и текст, программировать интерактивность, геймплей, но кроме того есть ряд особенностей:
Unity – понятен в освоении для начинающих разработчиков; есть несколько версий, среди которых платные примиум-версии и бесплатные версии для студентов и физических лиц;
Unreal Engine 4 – более сложен в освоении, но позволяет создать более достоверную картинку; можно использовать бесплатно, но в том случае, если доход с игры превысит $3000 необходимо регулярно выплачивать авторам 5% дохода. [5]
Непосредственно внутри игрового движка не создаются активы-объекты и звуки, которые являются составляющими виртуального мира. Для этого используются специализированные внешние программы, называемые инструментами создания цифрового контента (DCC). Существует несколько типов DCC:
3D DCCs – программы для создания 3D-моделей. Наиболее распространёнными являются: Maya, ZBrush, Blender, 3ds Max, MODO Indie, Speedtree (предназначено для создания качественных моделей различных видов растений);
2D DCC – программы для создания 2D-изображений (в том числе текстур). Наиболее востребованные: Photoshop, Illustrator, Substance Painter, Gimp;
Аудио DCCs – программы для создания звукового сопровождения. Наиболеераспространенные: Audition, Logic Pro, Reaper, Audacity;
Интегрированные среды разработки (IDE) – программы для написания кода. Наиболее распространенные: Visual Studio, Rider. [6]
Не всегда материал для проекта необходимо создавать самостоятельно. Можно воспользоваться созданными ранее моделями других пользователей и создателей непосредственно игровых движков. В качестве примера библиотек бесплатных и коммерческих моделей и сред можно назвать Asset Stores Unity, Asset Stores Unreal, Turbosquid, Sketchfab и другие.
Еще одним распространённым способом создания реалистичных 3D-моделей является фотограмметрия и 3D-сканирование. Принцип работы заключается в преобразовании множества фотографий объекта, сделанных под разными ракурсами, в единую модель. Осуществить это возможно благодаря Agisoft Photoscan (набор приложений для 3D-сканирования) или Autodesk. [5]
Пошаговая реализация проекта
Работу над прототипом виртуальной реальности начнем с создания словесной модели «Виртуального пособия для изучения системного блока компьютера.»
Системный блок компьютера представляется собой корпус из металла или пластмассы, внутри которого располагаются следующие элементы:
Материнская (системная) плата (на материнской плате размещаются: аппаратные порты (разъёмы, предназначенные для работы периферийного оборудования), ПК-шины, видеоадаптер, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), конденсаторы, микроконтроллеры, разъём центрального процессора, микросхемы чипсета (южный и северный мост), процессор с кулером); (Приложение 2)
Блок питания (Включает в себя модуль микропроцессора с радиатором и вентилятор, охлаждающий микропроцессор);
Жесткий диск;
DVD-привод, CD-привод. [7]
Для реализации Виртуального пособия для изучения системного блока компьютера предлагается создать отдельно модели каждого элемента, затем объединив их в единое целое. 3D-модели создадим в программе Blender.
Blender – программа трёхмерного моделирования, позволяющая работать с 3D-моделями, создавать анимации и игровой дизайн. Программа обладает широким спектром возможностей и обучающими статьями и видео в сети Интернет, что значительно упрощает её освоение (для обучения созданию 3D-моделей в программе использовались источники [8], [9]).
Разберем процесс создания модели на примере создания микросхемы чипсета – северного моста.
Открыть 3D-редактор Blender (Приложение 3);
Создать основу для корпуса (Добавить – Меш – Куб (назовём полученную модель «Куб»)) (Приложение 4);
Преобразовать корпус. Шаг 1 (способ 1: Добавить – Меш – Куб (полученный куб назовём «Куб_1») – Выделить – Настройки объекта – Масштаб (изменяем численные значения масштаба по осям координат) – Положение (изменяем численные значения координат, соответствующих положению тела, таким образом «накладывая» полученный параллелепипед на куб, созданный в пункте 2) – Выделить (Куб_1) – Правая кнопка мыши – Копировать объекты – Вставить (Полученную модель назовём «Куб_2») – Повторить операцию с начала, создав таким образом 10 параллелепипедов и разместить из в соответствии с внешним видом и устройством северного моста; способ 2: Добавить – Меш – Куб (полученный куб назовём «Куб_1») – Выделить – Масштабировать (Shift+Пробел+S (для версии на MacOS); с помощью появившихся стрелок изменяем масштаб объекта: зеленая стрелка – по оси Oy, красная – по оси Ox, синяя – по оси Oz, круг в центре – равномерное преобразование по всем осям) – Переместить (Shift+Пробел+G (для версии на MacOS); с помощью появившихся стрелок изменяем положение объекта: зеленая стрелка – по оси Oy, красная – по оси Ox, синяя – по оси Oz, круг в центре – равномерное перемещение по всем осям) – Выделить (Куб_1) – Правая кнопка мыши – Копировать объекты – Вставить (Полученную модель назовём «Куб_2») – Повторить операцию с начала, создав таким образом 10 параллелепипедов и разместить из в соответствии с внешним видом и устройством северного моста; Полученные модели Куб_1, …, Куб_10 объединяем в новую коллекцию «Collection2»);
Преобразовать корпус. Шаг 2 (Выделить – Куб – Настройки модификаторов – Добавить модификатор – Логический – Разница – Коллекция – Collection2 – Применить – Выделить (выделяем объекты Collection2) – Удалить);
Преобразовать корпус. Шаг 3 (Добавить – Куб – аналогично шагу 1 изменяем масштаб и положение, в конечном итоге параллелепипед должен находиться «над» Кубом в центре)
Преобразовать корпус. Шаг 4 (Выделить – Куб – Настройки модификаторов – Добавить модификатор – Логический – Объединение – Объект – Куб_11 – Применить – Выделить – Куб_11 – Удалить);
Преобразовать корпус. Шаг 5 (Добавить – Меш – Куб (полученный куб назовём «Куб_12») – Выделить – Настройки объекта – Масштаб (изменяем численные значения масштаба по осям координат) – Положение (изменяем численные значения координат, соответствующих положению тела, таким образом «накладывая» полученный параллелепипед на куб, созданный в пункте 2) – Выделить - Куб_12 – Правая кнопка мыши – Копировать объекты – Вставить (Полученную модель назовём «Куб_13» - Выделить – Куб – Настройки модификаторов - Добавить модификатор – Логический – Разница – Объект – Куб_12 – Применить – Добавить модификатор – Логический – Разница – Объект – Куб_14 – Применить – Выделить – Куб_12 – Удалить – Выделить – Куб_13 - Удалить) (Приложение 5)
Работа с текстурой и материалом. (Выделить – Куб – Texture Paint – Создать – Металл (вписываем в поле «Имя») – Сохранить – Кисть – Цвет (выбираем серый цвет: R – 0,450, G – 0,450, B – 0,450) – Рисовать (закрашиваем всю поверхность развёртки) – Сохранить – Shading – Создать – Добавить – Текстура – Изображение-текстура – Металл – Зеркальность – 1 – Блик – 1 – Шероховатость – 0,5 – Лак – 0,5 (остальные характеристики материала по умолчанию)). (Приложение 6)
Модель готова.
Аналогичным образом создаём все составляющие системного блока, затем
объединяем в единую модель.
Затем необходимо экспортировать 3D-модель из Blender в Unity.
1. Настраиваем характеристики модели для Unity (Выделить все – Объект – Применить – Вращение и масштаб; Выделить все – Настройки объекта – Вращение – Ox - -90 – Объект – Применить – Вращение – настройки объекта – Вращение – Ox – 90);
2. Экспорт (Файл – Экспортировать – FBX – Экспортировать FBX);
3. Открыть Unity;
4. Создать новый проект;
5. В папку Assets перенести модель с формате .fbx и папку с текстурами (она создаётся автоматически при сохранении текстур в Blender)
Импортировав модель в Unity, необходимо добавить в модель VR. Сделать это можно с использованием плагина SteamVR Plugin. Добавляем плагин в наш проект, настраиваем управление, камеру и освещение. После чего модель становится полноценным прототипом виртуальной реальности. [10]
Опишем подробно процесс добавления плагина в проект.
Настроим управление: Window\SteamVR Imput;
В открывшемся диалоговом окне необходимо и достаточно нажать "Save and generate";
В окне Hierarchy необходимо удалить объект Main Camera;
Добавим игрока: \Assets\SteamVR\InteractionSystem\Core\Prefabs\Player (в свойствах игрока необходимо включить режим имитации).
Описание результата
Нами создан прототип виртуальной реальности «Виртуальное пособие для изучения системного блока компьютера.» Он представляет собой корпус системного блока, с материнской платой, блоком питания, жестким диском и DVD- и CD-приводом. Провода и мелкие, незначительные детали в прототипе не представлены с целью упрощения восприятия основного устройства системного блока.
Ссылка на Google Диск, где хранятся созданные модели – https://drive.google.com/
Список литературы
Воройский, Ф. С. Информатика. Новый систематизированный толковый словарь-справочник (Введение в современные информационные и телекоммуникационные технологии в терминах и фактах) / Ф. С. Воройский – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003 – 760с.
DenisKozhar: Blender | Уроки на русском: Перевод: Beginner Blender Tutorial [Плейлист видеозаписей]//YouTube, 2021 - . – Режим доступа : https://www.youtube.com/playlist, свободный.
Дойч, Д. Структура реальности. Наука параллельных вселенных [текст]/ под ред. И. Лисова, А. Сергеева. – М.: ООО «Альпина нон-фикшн», 2015 – 449с.
Скрынникова, А. Всё, что нужно знать о VR/AR-технологии [Электронный ресурс]. – Rusbase, 2017 - . – Режим доступа : https://rb.ru/story/vsyo-o-vr-ar/ , свободный. – Загл. с экрана.
Таненбаум, Э. Архитектура компьютера, 4-е издание / Э. Таненбаум. – М.: С^ППТЕР, 2003. – 695с.
Хабр:Unity & Vive: Tutorial [Электронный ресурс]. – 2018 - . – Режим доступа : https://m.habr.com/ru/post/426357/, свободный. – Загл. с экрана.
Blender 2.79 Manual: руководство по Blender [Электронный ресурс]. – Режим доступа : https://docs.blender.org/manual/ru/2.79/index.html, свободный. – Загл. с экрана.
Reddit:LearnVirtualRealityDevelopment [Электронный ресурс]. – 2017 - . – Режим доступа : https://www.reddit.com/ , свободный. – Загл. с экрана.
UnityLearn [Электронный ресурс]. – 2021 - . – Режим доступа : https://learn.unity.com, свободный. – Загл. с экрана.
Приложение
Приложение 1 «Схема работы генератора виртуальной реальности»
Приложение 2 «Устройство материнской платы»
П риложение 3 «Рабочая область программы Blender»
Приложение 4 «Куб, созданный в программе Blender»
Приложение 5 «Модель северного моста»
П риложение 6 «Работа с материалами и текстурой»
Приложение 7 «Работа с освещением в Unity»