В  настоящее время  игры и  имитация  средств  передвижения -  основные области   применения   виртуальной  реальности,  но  в   ближайшем   будущем предвидится   огромное  количество  новых   областей  ее   применения[1].   Для архитекторов  скоро  станет обычным  делом  создавать  виртуальные прототипы зданий, по  которым клиенты смогут пройтись и проверить  модификации на  той стадии, когда их  можно будет внедрить без особых  усилий. Покупатели смогут пройти (или даже пролететь) по виртуальным супермаркетам, не выходя из дома, даже не  встречаясь  с толпой других покупателей и не слушая музыку, которая им  не  нравится. Но  совсем не обязательно, что они останутся в виртуальном супермаркете в  одиночестве:  в виртуальной реальности  за  покупками  могут пойти  вместе  сколько  угодно  человек,  у  каждого  будут как  изображения остальных, так  и  изображение  супермаркета,  но  никому из них не придется выходить из дома. Концерты и конференции будут проводить, не назначая  места встречи; и  выгода  здесь  не  только  в экономии  на  стоимости  аудиторий, гостиниц  и  перелетов, но и в том, что  все участники смогут сидеть на самом лучшем месте одновременно.

2 Тренажеры с виртуальной реальностью в теории

2.1 Структура и особенности использования

Тренажер – автоматизированный аппаратно-программный функционально ориентированный комплекс для обучения человека и отработки определенных навыков и умений.

Тренажерные технологии ТТ – это сложные комплексы, системы моделирования и симуляции, компьютерные программы и физические модели, специальные методики, создаваемые для того, чтобы подготовить личность к принятию качественных и быстрых решений.

В современных тренажерах и в программах подготовки и обучения, на них основанных, закладываются принципы развития практических навыков с одновременной теоретической подготовкой. Реализация такого подхода стала возможна в связи с бурным развитием и удешевлением электронно- вычислительной техники и прогрессом в области создания виртуальной реальности. На базе этих технологий разработаны многочисленные тренажеры для военного применения, позволяющие имитировать боевые действия с высочайшей детальностью в реальном времени, создано множество приложений технологии виртуальной реальности для медицины, позволяющих проводить операции электронному пациенту с высокой степенью достоверности и многое другое, при этом области применения тренажерных технологий постоянно расширяются.

ТТ возникли и получили наибольшее развитие там, где ошибки при обучении на реальных объектах могут привести к чрезвычайным последствиям, а их устранение – к большим финансовым затратам: в военном деле, медицине, ликвидации последствий стихийных бедствий, в атомной энергетике, авиации и космосе.

В общем случае тренажер представляет собой программно-аппаратный комплекс, имеющий структуру, представленную на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структура тренажера

Определим некоторые понятия, применяемые при анализе автоматизированных тренажерно-обучающих комплексов (тренажеров).

Моделирующий компьютер МК может быть столь же прост, как персональный компьютер, или таким сложным, как многопроцессорный сверхсовременный мини-компьютер. МК связан с интерфейсом оператора через систему ввода-вывода.

Интерфейс оператора ИО может состоять как из панелей управления и контроля, так и видеотерминалов и распределенной системы управления, обслуживающей видеотерминалы. В большинстве случаев физические свойства ИО точно или в максимально приближенной степени соответствуют конкретному моделируемому процессу. ИО позволяет обучающемуся манипулировать органами управления способом, приближенным или идентичным используемому в реальном процессе. Динамический отклик тренажера должен быть максимально приближен к отклику систем и компонентов реального объекта.

Программные модели, используемые в имитационном компьютере, реалистично отображают взаимодействие компонентов и систем моделируемого процесса. Это наиболее важная часть тренажерной системы, от степени приближенности имитационной модели к реальному объекту или ситуации зависит качество получаемых навыков.

Интерфейс инструктора позволяет управлять работой тренажера, выбирать сценарий тренировки и начальное состояние имитируемого процесса, вводя сбои моделируемого процесса или его компонентов либо изменяя внешние факторы. Часть функций инструктора может автоматически выполнять и сама имитационная модель.

Дополнительное периферийное оборудование включает в себя принтеры, панели аварийной сигнализации и любое другое оборудование, необходимое для повышения реалистичности моделируемой окружающей обстановки или документирования процесса тренировки.

Тренажеры могут объединяться между собой в сеть для отработки навыков взаимодействия нескольких лиц. При этом может использоваться общий МК с несколькими ИО, или отдельные МК с согласующим устройством между ними.

Отдельно следует отметить класс тренажеров, не использующих специальную аппаратную интерфейсную часть. Это чисто компьютерные тренажеры. Роль интерфейса в них выполняют стандартные устройства ввода-вывода компьютера: клавиатура, мышь, монитор. Использование таких тренажеров целесообразно в случаях, когда в моделируемых объектах и ситуациях нет необходимости в использовании специального оборудования. Примером может быть тренажеры по принятию решений и выработки навыков поведения, не связанные напрямую с управлением какими-то устройствами.

Использование тренажеров с ВР имеет ряд особенностей[3], а именно:

1) тренажеры могут использоваться как в курсах подготовки

специалистов, входящих в программы различных учебных заведений, так и при самостоятельном образовании специалистов, стремящихся повысить свою квалификацию;

2) обучение с применением тренажера должно базироваться на определенном объеме теоретических знаний;

3) использование тренажера предполагает наличие у обучающегося базовых навыков работы с вычислительной техникой.

Тренажеры предназначены для применения в первую очередь в учебных программах подготовки технических и медицинских специалистов. Их целью является отработка базовых навыков работы с тем или иным технологическим оборудованием или порядок проведения медицинских операций. Таким образом, тренажеры должны разрабатываться с учетом методики подготовки специалистов той или иной отрасли.

2.2 Статические и динамические модели идеального тренажера

Анализ места ситуационного тренажера в общей концепции разработки и применения обучающих средств, а также возможностей мультимедиа технологий позволяют сделать вывод о возможности рассмотрения тренажера как некоторого искусственного мира, который имеет более удобную и эффективную, чем реальный мир, организацию, направленную на интенсификацию процессов передачи, восприятия, усвоения и переработки информации.

В зависимости от концепции сценария и задач, которые решают пользователи, различают две группы ситуационных тренажеров: на основе статической модели идеального мира и на основе динамической модели[4].

Обучение на тренажерах обычно не касается точных наук, и связано с задачами, при решении которых человек не только использует абстрактные категории и общие понятия, а дополняет их яркими образами. Рассмотрим концепцию структуры модели статического мира тренажера, ориентированную на три уровня представления знаний и данных: концептуальный КУ, логический ЛУ и физический ФУ.

На концептуальном уровне описание мира тренажера наиболее эффективно выполняется на основе сценарных моделей. Знания о мире тренажера представляются сетевой моделью КУ. Вершинами сети являются ситуации СС, отображаемые в сценарии, а дугами – отношения, устанавливающиеся в ходе навигации по законам этого мира. На концептуальном уровне решаются вопросы выявления общего числа моделируемых ситуаций и тип связей между ними. В тренажерах на основе статической модели мира необходимо различать три типа ситуаций: множество рабочих ситуаций РС, множество тупиковых ситуаций ТС, связанных с ошибочными действиями пользователя в мире тренажера, множество ситуаций НС, связанных с действиями пользователя в нештатных ситуациях реального мира и определяемых особенностью его модели поведения.

На логическом уровне знания о мире тренажера приобретают более конкретный характер. Они интерпретируют идею множественности представлений одной и той же ситуации с помощью различных классов информационных образов. При таком подходе ЛУ- задается множеством вершин типа СС, каждая из которых интерпретирует представление о ситуации, исходя из особенности модели восприятия пользователя. На данном этапе модель позволяет воспроизводить предпочтения в использовании каналов восприятия информации.

Раскрытие вершин графа КУ можно осуществить в двух плоскостях. В плоскости КУ дочерние вершины каждой ситуации соответствуют новому состоянию объектов мира тренажера. В плоскости ЛУ дочерние вершины образуют альтернативы представления одной и той же ситуации в виртуальном мире.

Проектируя сценарий, необходимо учитывать как специфику его развития, так и особенности его прохождения обучаемым. Специфика развития определяется количеством нештатных ситуаций и возможностью отработки действий специалиста исходя из типа его личности. Практически она строится на прогнозе поведения специалиста в реальном мире. Для ее реализации во множество СС включают дополнительное подмножество ситуаций НС.

Специфика прохождения сценария определяется особенностями реакций человека на возникновения ситуации СС в виртуальном мире.

Как показали исследования, для активизации образного мышления у левополушарных групп обучаемых при решении технических задач достаточно 5 видов образов: текстовых, звуковых, статических графических двухмерных, статических графических трехмерных и динамических графических.

Как показали проведенные исследования степень ограниченности мира в мультимедиа тренажере, его идеальный характер можно изменять, варьируя следующие характеристики:

• количество динамических объектов в отдельной сцене (ситуации),

• общее количество динамических объектов в замкнутом мире,

• число степеней свободы у каждого из динамических объектов,

• число обрабатываемых событий, активизированных по инициативе пользователя (количеством допустимых действий пользователя с элементами мира тренажера),

• число развивающихся во времени событий, связанных с каждым динамическим объектом.

• Степень адекватности моделей сцен ситуации объектам реального мира в простейшем случае может регулироваться параметрами файлов мира образов:

• число кадров анимации или ее продолжительность и частота кадров (мир динамических графических образов),

• глубина цвета, степень насыщенности кадра (мир статических графических образов),

• частота и высота тона (мир аудио образов).

3 Области применения

3.1 Автотренажеры

3.1.1 Тренажеры легковых и грузовых автомобилей

Технические ресурсы современных компаний, например «Центра тренажерных технологий» позволяют произвести тренажер любого легкового и грузового автомобиля. Можно купить тренажер, выбрав из предложенных серийных моделей, или заказать автотренажер по индивидуальному проекту.

Возможности тренажера:

• Высокореалистичная имитация вождения

• Изучение органов управления автомобиля

• Отработка посадки и правильного положения рук и ног на органах управления

• Тренировка выполнения упражнений на автодроме

• Тренировка выполнения всех видов парковки

• Отработка проезда нерегулируемых перекрестков

• Отработка проезда регулируемых перекрестков

• Вождение задним ходом по зеркалам

• Вождение в условиях ограниченной видимости (дождь, туман, ночь)

• Программный контроль вождения

• Возможность подключения места инструктора

На момент написания обзора на сайте компании присутствовали серийные модели автотренажеров: Car Master, Лада Приора, Форд Фокус (в двух вариантах), Master Truck, Камаз (в двух вариантах), Isuzu.

3.1.2 Тренажеры строительной и сельскохозяйственной техники

Как с юридической, так и с технической точек зрения, строительная и сельскохозяйственная техника имеет весомые отличия от легковых и грузовых автомобилей. Поэтому для этих видов техники есть свои тренажеры. Рассмотрим также на примере компании «Центр тренажерных технологий».

Возможности тренажера:

• изучение состава, расположения органов управления и контрольно-измерительных приборов кабины, а также практическое обучение правилам пользования органами управления;

• изучение порядка подготовки к пуску и пуск двигателя, прогрева его после пуска, остановки двигателя, контроль его работы;

• имитацию приемов трогания с места с различных позиций, переключения передач, руления, поворотов, торможения различными способами, движения задним ходом;

• имитацию разгонных характеристик, изменения скорости движения в диапазоне скоростей реальной машины, времени движения по инерции, времени скатывания на подъемах и спусках, торможение тормозом, двигателем и комбинированным способом;

• изучение управления гидросистемой и навесными устройствами;

• изучение особенностей работы с машинами с задним приводом;

• выполнение упражнений по вождению;

• имитация различного времени суток: день/ночь;

• имитация звукового сигнала, шума работающего двигателя, и основных агрегатов и узлов машины на месте обучаемого;

• автоматическая фиксация допускаемых ошибок.

На момент написания обзора на сайте компании присутствовали тренажеры для такой техники: автомобильный кран, строительный кран, бульдозер, экскаватор, колесный трактор, гусеничный трактор, комбайн.

3.1.3 Тренажеры экстренных служб

Подготовка водителей для силовых ведомств и экстренных служб – задача сложная. Профессионализм вырабатывается за многие годы вождения с помощью опытных наставников. Но не везде и не всегда есть возможность дать водителю специальную подготовку, так как использование для тренировок служебных машин и дорог общего пользования чревато материальным потерями и риском для жизни людей. В этом случае незаменимы комплексные автотренажеры, позволяющие вести учебный процесс на очень высоком уровне, близком к тренировкам в реальных условиях на полноценном автомобиле.