Моделирование оптических систем виртуальной реальностью для создания наглядных пособий в электронном виде
| Вид материала | Документы |
- Формат представления налоговых деклараций, бухгалтерской отчётности и иных документов,, 2094.09kb.
- Список учебных пособий, представленных в электронном виде, 56.44kb.
- Ее файлам обмена) передачи в электронном виде сведений с данными отчета об изменениях, 449.55kb.
- Файлам обмена) передачи в электронном виде сведений с данными отчета о движении денежных, 378.9kb.
- Применение flash – анимаций на уроках биологии, 68.93kb.
- Для юридических лиц 1 этап: Предоставить начальный пакет документов в электронном виде, 27.94kb.
- Утвержден приказом мнс россии, 70.13kb.
- Порядок предоставления родителями (законными представителями) информации о текущей, 7.68kb.
- Уждается применение предварительной обработки для повышения качества декодирования, 27.18kb.
- Администрация города перми постановление, 393.68kb.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТЬЮ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАГЛЯДНЫХ ПОСОБИЙ В ЭЛЕКТРОННОМ ВИДЕ
Ю.М. Беляков, Д.А. Молин, В.В. Рожин
Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева,
г. Казань
e-mail: Molin_Dm@mail.ru
Современные информационные технологии обучения стендовый
Предлагается методика создания наглядных пособий в электронном виде по оптическим системам. Пособия предназначены к применению в учебном процессе. Они представляют собой смоделированные в виртуальной реальности оптические системы. На ЭВМ разрабатывается программа, использующая аппарат аналитической геометрии в пространстве.
В настоящее время при изложении докладов технического содержания иногда требуется обеспечить наглядность тех приборов или процессов, о которых идёт речь. Наилучшую информативность дают трёхмерные модели. Применение современных технических средств обучения позволяет использовать наглядные пособия созданные в электронном виде. Такие пособия могут изображать не просто трёхмерные объекты, они способны показать их в динамике.
Существует множество программ автоматизированного проектирования, позволяющих моделировать трехмерные объекты. Однако для применения в области создания динамически перемещающихся объектов удобнее использовать пакеты программ, предназначенные для создания моделей интерьера и применяемые преимущественно в дизайн проектах в архитектуре. Примером такого пакета является широко распространенная программа 3D Studio Max. Для эффективной работы подобные программы требуют довольно глубокого изучения методов работы в них. Поэтому возникает необходимость создания упрощённого варианта приложения, ориентированного на выполнение узкого круга задач, например моделирования оптических систем.
На кафедре оптико-электронных систем КГТУ ведётся разработка программы создания электронных наглядных пособий оптических систем. Основное её назначение заключается в моделировании оптических систем, процессов, с использованием базы данных элементов оптических приборов, таких как линз и призм. Пользователь при создании пособия располагает элементы оптической системы, подобранные из базы данных, в нужной последовательности, задаёт их размеры и расстояния между ними. Если необходимо, то указывает законы движения частей моделируемой системы или ход лучей в ней. Затем происходит моделирование созданной оптической системы в виртуальном пространстве и вывод на экран её трёхмерного изображения. Для повышения информативности пособия предусматривается возможность изображения смоделированных объектов с разных сторон, а также режим записи видеороликов.
Подобный подход не требует от пользователя глубокого изучения методов работы с программой, а использование базы данных оптических элементов позволяет свести к минимуму необходимость построения поверхностей сложной формы. В базу данных включаются стандартные заготовки форм элементов оптических систем. Пользователю остаётся лишь указать тип объекта, его размер и расположение, а координаты точек полученной поверхности вычисляются автоматически, согласно заложенным в базу данных сведений о выбранной поверхности.
В целом система по своей работе напоминает 3D Studio Max, являясь существенно упрощённым вариантом. На данном этапе разработки не ставится задачи отображения текстур материалов на моделируемых объектах. Объекты различаются формой, цветом и яркостью цвета, в зависимости от заданного освещения. В этом и в отсутствии теней от объектов заключается основное отличие разрабатываемой программы от 3D Studio Max, однако при разработке моделей оптических систем эти отличия не играют существенной роли, учитывая то, что основное внимание при разработке уделяется упрощению использования, а именно простоте моделирования и задания движения объектов. Кроме того, инженеру проще задать движение предмета, используя математическую запись закона перемещения, чем работать с программой, предназначенной для профессионального создания компьютерной графики.
Разработка программы ведётся в среде программирования Delphi. В программе предусмотрено несколько режимов работы. Это собственно моделирование оптических систем, режим отображения, режим редактирования базы данных, режим воспроизведения предварительно записанных видеороликов. Общий принцип работы заключается в следующем. Пользователь моделирует систему и дает команду на отображение. Согласно созданным параметрам вычисляются координаты всех элементов в виртуальном пространстве, и запускается механизм прорисовки. Далее при нажатии определённых клавиш управления происходит повторная прорисовка с учётом изменённых параметров изображения. Может быть включён режим записи видеоролика, при котором в файл записываются все действия и параметры расположения системы в каждый момент времени. При демонстрации можно просто запустить воспроизведение ранее записанного ролика.
Для реализации изображения объектов был разработан алгоритм, работающий на основе аппарата аналитической геометрии в пространстве. Алгоритм работает следующим образом. Элементарный виртуальный объект плоскость задаётся в пространстве набором точек с соответствующими координатами. Виртуальный наблюдатель имеет координаты точки расположения глаза, а также координаты тройки взаимоортогональных векторов, определяющих положение наблюдателя в виртуальном пространстве. Один из векторов определяет направление взгляда наблюдателя, другой показывает направление «верха» наблюдателя, третий является векторным произведением двух предыдущих. На некотором расстоянии перед наблюдателем перпендикулярно направлению взгляда располагается плоскость проекции изображения (ППИ). На эту плоскость осуществляется проекция изображения виртуального объекта. В реальном пространстве это плоскость монитора. Затем путём аналитических вычислений находятся координаты точки пересечения линии, соединяющей точку расположения глаза и одну из точек виртуального объекта, с ППИ. Затем эти координаты переводятся в относительные двумерные координаты на ППИ, которые одновременно являются координатами расположения точки на мониторе. Подобная операция проводится для всех точек виртуального объекта, и полученные точки выводятся на экран и соединяются линиями. Таким образом, получается изображение виртуального объекта на экране. В описанный алгоритм включены процедуры вычисления яркости цвета объекта в зависимости от угла падающего на него виртуального освещения; определения порядка прорисовки изображений в зависимости от того, какой объект находится ближе к наблюдателю; оценки факта попадания изображения предмета в область экрана.
Разрабатываемая программа предназначена для создания наглядных пособий в электронном виде, применяемых при изложении докладов на научных конференциях, при проведении лекций, требующих наглядного представления данных, а также иных применений в учебном процессе по оптическим дисциплинам.