Дополненная реальность

• Проект ARTag. Проект ARTag посвящен вставке цифровых моделей в видеопоток с камеры. Специальная программа анализирует картинку с камеры, выделяет и декодирует штрихкоды, вставляет в кадр модели, соответствующие этим кодам, и выдает картинку пользователю.

• Проект Layar. Голландский сервис Layar позволяет с помощью телефона на базе Android получать в реальном времени доступ к информации об окружающем мире через его камеру. Это может быть информация о кафе, ресторанах, гостиницах и других социальных местах.

• Проект ARGET. Проект ARGET посвящен фундаментальным исследованиям в области создания планарной системы маркеров расширенной реальности и является альтернативой проекту ARTag. Генерация AR-маркеров и их распознавание базируется на природе обработки изображений в компьютерной графике.

На основе дополненной  реальности реализуются и российские проекты:

• Компания 2Nova. Реализовала проект для SonyEricsson, интерактивные киоски и промо-сайт с дополненной реальностью стали частью кампании по продвижению SonyEricsson Red Satio. Для бренда Sobranie реализовала небольшой Интернет-проект с дополненной реальностью

• Компания Ailove. Ведет разработку нескольких проектов: сервис для визуального ориентирования с помощью мобильных телефонов (аналог проекта Layar для телефонов на базе Symbian); использование маркеров для дистанционного управления виртуальными объектами (пример подобного проекта: распечатанная на листе бумаги форма помещается перед вебкамерой, далее эта форма управляет виртуальными объектами - при перемещении в пространстве листа с формой объекты реагируют специально запрограммированным образом (маркер как руль для виртуальной машины)); разработка системы дополненной реальности на основе естественных объектов, в этом проекте в качестве маркеров используются реальные объекты, а не напечатанные на бумаге штрих-коды.

• Компания Redmadrobot. Реализовала проект обложки для газеты F5, разработала поздравительные открытки на базе технологии дополненной реальности. Ведет разработку проектов: использование дополненной реальности для создания промо-материалов (персонажи кино, игр); настольная игра с использованием маркеров дополненной реальности в качестве боевых единиц; использование дополненной реальности в социальных государственных программах.

• Компания Wi2Geo. Ведет разработку проекта AlterGeo: глядя сквозь камеру своего мобильного устройства, пользователи теперь могут видеть всплывающие информационные сообщения о местах и друзьях, наложенные на реальное изображение окружающего: например, в 500 метрах в этом направлении находится кафе, в 710 — банкомат, а через 843 — шиномонтаж. Такие же всплывающие в соответствующем направлении сообщения расскажут о том, кто из друзей, зарегистрированных в AlterGeo, находится поблизости и на каком именно расстоянии. Приложение для iPhone 3GS использует встроенный в мобильное устройство компас, для других моделей iPhone предусмотрена линейка ручного компаса, которую прокручивает сам пользователь.[5]

Зародившись в 60-х годах 20-го века, технологии дополненной реальности переживают бурное развитие. При этом разработчики сталкиваются с рядом  проблем и достаточно успешно  их решают. В дополненной реальности не происходит различия между реальным и виртуальным мирами, что может  сделать мир интереснее и насыщеннее. Таким образом, технологии дополненной  реальности постепенно входят в нашу жизнь, меняя и делая ее более  комфортной.

1.3 Технология дополненной реальности

Взаимодействие пользователя с системой дополненной реальности требует нестандартных решений. В экспериментальных устройствах  исследователи пытаются использовать практически весь арсенал методик  ввода информации: манипуляторы с  шестью степенями свободы, распознавание  речи и жестов. Но, как правило, для  полноценного взаимодействия с дополненной  реальностью приходится комбинировать  несколько устройств.

Наибольший интерес вызывают «виртуальные интерфейсы», поражающие своей простотой и оригинальностью. Например, человек берет в руки панель, а компьютер «дорисовывает» на ней органы управления: клавиши, переключатели и дисплеи. Такой способ реализован в PIP (Personal Interaction Panel).

Восхищает элегантность концепции Magic Book — реальная книга, страницы которой  служат «порталами» в различные  виртуальные миры. Когда пользователь, листая альбом, принимает решение  «войти» в определенный мир, его  аватар появляется на соответствующей  странице книг других пользователей  системы.

Дисплеи (HMD или HWD, Head-Worn Displays) для дополненной реальности делятся  на два основных типа: оптически  прозрачные (optical see-through) и видеопрозрачные (video see-through). Первые позволяют человеку видеть сквозь них окружающий мир  — зритель наблюдает и сгенерированное  изображение, и пространство вокруг себя. Видеопрозрачные очки используют внешнюю видеокамеру для генерирования  изображения реальных предметов.

Помимо видеоочков, нашли  применение и обыкновенные плоские  мобильные и проекционные дисплеи. Последние, в частности, хорошо подходят для использования в транспортных средствах (автомобилях, самолетах) и  стационарных системах (краны, пульты управления производственными процессами и т. д.). Наконец, самый необычный  вариант предусматривает проецирование  изображений непосредственно на предметах окружающего мира, покрытых ретрорефлективным светоотражающим  слоем. В данном случае отражение  происходит строго по линии падения  света, поэтому несколько человек, рассматривающих один предмет с  различных точек зрения, не замечают «информацию» соседей. С помощью  ретрорефлективного покрытия можно  делать предметы прозрачными — для  этого на их поверхности надо отображать расположенное за ними пространство.

К сожалению, оптически прозрачные дисплеи не всегда позволяют исключать  реальные объекты, да и добиться точного  совпадения виртуального и реального  мира чрезвычайно сложно. А видеопрозрачные  системы, в свою очередь, страдают от расхождения между расположением  камер и глаз человека (параллакс) — картинка получается весьма далекой  от той позиции, с которой он привык видеть мир. Кроме того, должна быть решена извечная проблема трехмерных дисплеев — четкая зависимость между  фокусировкой зрачка и межзрачковым расстоянием. В зависимости от удаленности  предметов оба эти параметра  согласованно меняются, но когда объемные предметы проецируются на равноудаленную от глаз плоскость, связь между ними нарушается, что приводит к сильному дискомфорту. Это ощущение знакомо  любому посетителю кинотеатров IMAX 3D.

Есть еще один вариант  отображения информации – линзы-дисплеи, одно из перспективнейших решений. Инженеры и учёные из университета Вашингтона во главе с профессором Бабаком  Парвизом впервые совместили микросхемы и миниатюрные источники света  с биологически совместимым гибким и прозрачным материалом, создав контактные линзы, которые способны выводить в  поле зрения владельца различные  изображения. Такие контактные линзы  могут помочь улучшить зрение слабовидящих людей или создать перед глазами  водителя виртуальную приборную  доску, или обеспечить сёрфинг в  Интернете на ходу, или погрузить  игроков в виртуальный мир  без ограничения в движениях.

Пока, правда, возможности  линзы-микросхемы довольно скромны, но эти первые прототипы — важный шаг на пути к обозначенному выше будущему, к переходу от дисплеев в  «очках» к дисплеям в контактных линзах. Авторы новинки лишь хотели показать, что технология работоспособна и что такие линзы безопасны.

Создание такого устройства было трудоемким, поскольку биологически совместимые материалы, обычно применяемые в контактных линзах, требуют деликатного обращения, не совместимого с обычными технологиями создания микросхем (где используются высокие температуры, химикаты и так далее). Потому исследователи создали металлические проводники толщиной в несколько нанометров и светодиоды с поперечником всего в треть миллиметра. Набор таких деталей образовал нечто вроде порошка, где каждая частица обладала специфической формой и неповторимыми краями, позволяющими подсоединить лишь «комплиментарный» кусочек будущей схемы. Этот порошок авторы новой технологии рассыпали на поверхность пластика, где намеченная схема собиралась сама собой, благодаря капиллярным силам между микроскопическими компонентами.

Вокруг зрачка и радужки у глазного яблока имеется достаточно много открытой площади, где можно было бы размещать различные устройства вне поля зрения человека. Авторы необычной линзы намерены в дальнейшем добавить в неё схему для беспроводной двухсторонней связи. И хотя до внедрения в такой прибор полноценного полупрозрачного экрана — далеко, версия со сравнительно небольшим числом пикселей может быть готова в ближайшем будущем.

Сложности технологического характера — это еще не все. В дополненной реальности возникает  реальная угроза «перегруженности кадра» — угроза слишком большого объема выводимой информации. В поле зрения иногда одновременно попадают сотни  значащих объектов. Чтобы облегчить  жизнь, пользователю приходится фильтровать  сведения и вычленять из них действительно  необходимые. Также нельзя допускать  наложения виртуальных элементов  на важные для пользователя объекты  реального мира: к примеру, виртуальные  указатели на гостиницы и рестораны, проецируемые на лобовом стекле автомобиля, не должны заслонить собой встречный  грузовик или светофор.[7]

Глава II Использование технологии дополненной реальности при разработке электронного учебника

2.1 Основы электронного учебника

В последние годы педагоги активно используют информационно- коммуникационные технологии обучения. Все более актуальным становится использование электронных учебников.

Стремительный процесс информатизации школ на основе современных компьютеров, поступающих в учебные заведения  страны, открывает путь электронным  учебникам (ЭУ). Учебник, в классическом понимании, – это книга для  учащихся или студентов, в которой  систематически излагается материал в  определенной области знаний на современном  уровне достижений науки и культуры. Следовательно, учебник, как электронный, так и печатный, имеют общие признаки, а именно:

• учебный материал излагается из определенной области знаний;
• этот материал освещен на современном уровне достижений науки и культуры;
• материал в учебниках излагается систематически, т.е. представляет собой целое завершённое произведение, состоящее из многих элементов,  имеющих смысловые отношения и связи между собой, которые обеспечивают целостность учебника. 
  Необходимо четко определить отличительные признаки электронного учебника от   печатного учебника. Они состоят в следующем.

Каждый печатный учебник (на бумажном носителе) рассчитан на определенный исходный уровень подготовки учащихся и предполагает конечный уровень обучения.  По многим общеобразовательным предметам имеются учебники обычные (базовые), повышенной сложности,  факультативные и др. Электронный учебник по конкретному учебному предмету может содержат материал нескольких уровней сложности. При этом все они размещены на одном лазерном компакт-диске, содержат иллюстрации и анимацию к тексту, многовариантные задания для проверки знаний в интерактивном режиме для каждого уровня. 
Наглядность в электронном учебнике (ЭУ) значительно выше, чем  в печатном учебнике. Она обеспечивается использованием при создании  электронных учебников мультимедийных технологий: анимации, звукового сопровождения, гиперссылок, видеосюжетов и т.п.   
Электронный учебник обеспечивает вариантность и разнообразие проверочных заданий, тестов. Электронный учебник позволяет все задания и тесты давать  в интерактивном  и обучающем режиме. При неверном ответе можно давать верный ответ с разъяснениями и комментариями.  
Электронный учебник  является мобильным: при его создании и распространении выпадают стадии типографской работы. Электронные учебники являются по своей структуре открытыми системами.  Их можно дополнять, корректировать, модифицировать в процессе эксплуатации. 
Доступность электронных учебников выше, чем у печатных учебников. При спросе на ЭУ легко можно увеличить его тираж, можно переслать по сети. 
Для обеспечения многофункциональности при использовании и в зависимости от целей разработки электронные учебники могут иметь различную структуру. Например, для  использования на уроках можно создавать электронный учебник, поддерживающий школьную программу по конкретному предмету и учебный материал подавать согласно имеющемуся тематическому планированию. Можно разрабатывать электронные учебники без привязки к тематическому  планированию, а просто следуя учебному плану по конкретному школьному курсу. Можно создавать электронные учебники по принципу вертикального изучения учебного материала.

В любом учебнике (электронном  и печатном) выделяются две основные части: содержательная и процессуальная. В электронном учебнике к ним  добавляются еще две части: управляющая  и диагностическая. Содержательная часть учебника включает следующие компоненты: познавательный, демонстрационный; процессуальная часть включает компоненты: моделирующий, контрольный, закрепляющий. Познавательный компонент направлен на передачу знаний обучаемому. Это, как правило, тестовая информация. Демонстрационный компонент поддерживает и раскрывает  содержательный; моделирующий компонент позволяет применять знания к решению практических задач, моделировать изучаемые явления, процессы, контрольно-закрепляющий компонент определяет степень усвоения учащимися  изучаемого материала.  Управляющая часть представляет собой программную оболочку электронного учебника, способную обеспечить взаимосвязь между его частями и компонентами.  Диагностическая часть хранит статистическую информацию о работе с конкретными программами

Технология создания электронных  учебников достаточно трудоемка и включает следующие этапы:

• Определение целей и задач разработки
• Разработка структуры электронного учебника
• Разработка содержания по разделам и темам учебника
• Подготовка сценариев отдельных структур электронного учебника
• Программирование
• Апробация
• Корректировка содержания ЭУ по результатам апробации
• Подготовка методического пособия для пользователя

Определение целей и задач  разработки. Отправной точкой в создании электронных учебников являются  дидактические цели, для достижения и решения которых используются информационные технологии. 
Структура в общепринятом понимании (от лат.  struktura  - строение, расположение, порядок) – совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих его целостность. Исходя из этого определения, при разработке электронного учебника необходимо первоначально выработать его структуру, порядок следования учебного материала, вид навигации по разделам, сделать выбор основного опорного пункта будущего учебника. 
Разработка содержания  по разделам и темам ЭУ. Понятие о содержании электронного учебника является частью понятия содержания образования, под которым понимается система знаний, умений, навыков, овладение которыми обеспечивает развитие умственных способностей школьника. 
Сценарий электронного учебника – это покадровое распределение содержания учебного курса и его процессуальной части в рамках программных структур разного уровня и назначения.  
Программные структуры  разного уровня – компоненты мультимедийных технологий: гипертекст, анимация, звук, графика и т.п. 
Использование  этих средств носит целенаправленный характер: для  развития познавательного интереса, повышения мотивации учения.  
В программировании электронного учебника участвуют: постановщик курса,  программисты, программисты – дизайнеры, психолог.  
Эта работа  начинается с создания основных шаблонов кадров будущего ЭУ; они различаются в зависимости от назначения кадра:  разместить в нем познавательный материал, подкрепить его рисунком, анимацией графиком и т. п. Иной вид имеет шаблон кадра для заданий, тестов. После создания  основных шаблонов кадров процесс программирования упрощается, делается более целенаправленным.  ЭУ необходимо  апробировать в условиях реального школьного учебного процесса. Во время апробации выявляются отдельные незамеченные разработчиками ошибки: некорректность, неудобства в эксплуатации и.т.п. 
По результатам апробации проводится корректировка программ электронного учебника. Эта работа может касаться и сценарной линии учебника, его структуры; она касается  неточностей и ошибок в ответах при работе с заданиями и т.п.  
Подготовка методического пособия для пользователя венчает работу над электронным учебником. Подготовка методического пособия для учителя может включать  следующие материалы: содержание отдельных программных модулей; задания, тесты, предлагаемые после изучения каждой темы; примерное тематическое планирование с указанием места использования данного электронного учебника; инструкцию для работы с ЭУ; необходимую конфигурацию компьютера для инсталляции ЭУ. Пособие может быть записано на электронном носителе, либо издано на бумажном носителе. Упомянутые отличительные особенности  электронных учебников позволяют сделать вывод о том, что они являются эффективным средством обучения, позволяющим на высоком уровне реализовать основные принципы дидактики. 
В настоящее время авторские коллективы под руководством Министерства образования разрабатывают современные средства обучения. Однако, не вызывает сомнения тот факт, что учителя-практики не должны оставаться в стороне.   Необходимо использовать имеющийся опыт работы, творческие находки, принимать активное участие в разработке, участвовать в различных конкурсах, предлагать вниманию специалистов   результаты своей исследовательской деятельности. Только при условии совместной работы ученых, методистов, педагогов можно разработать такой УМК, который действительно будет способствовать повышению качества образования, а исследовательская, экспериментальная работа учителя скажется на его профессиональной компетентности.[2]