С развитием компьютерной графики стало возможным создавать высокореалистичные трехмерные модели лабораторных установок, станков, приборов и прочих объектов. Модели изготавливаются в строгом соответствии с чертежами типового оборудования и полностью отражают его конструктивно-функциональное назначение. Примеры трехмерных моделей типового лабораторного строительного оборудования приведены на рисунке 1.
Рисунок 1 – Точные трехмерные модели оборудования лаборатории строительного материаловедения: а – вибрационная площадка, б – бетоносмеситель, в – шаровая мельница
При создании виртуального тренажера разработчик применяет методы имитационно-численного моделирования и выполняет ряд рабочих этапов:
1. Изучение физики исследуемых процессов, установление входных и измеряемых параметров. На данном этапе работы необходимо определить, из каких основных элементов будет строиться имитация физического явления или процесса. Зная конкретные входные параметры опыта (постоянные или изменяемые), разработчик решает, каким способом будут реализованы элементы управления виртуальной модели – «устройства» регулирования. Знание выходных параметров опыта позволяет решить задачу, каким способом будут реализованы «устройства» измерения.
Примеры имитации устройств регулирования и измерения представлены на рисунках 2 и 3 соответственно.
Рисунок 2 – Имитация устройств регулирования лабораторной установки: рукоятки вращения лимбов подач токарного станка (а); вентиль подачи воды (б)
Рисунок 3 – Имитация устройств измерения выходных параметров опыта: прибор с круговой измерительной шкалой (а), прибор с линейной измерительной шкалой (б)
Положения стрелок измерительных приборов задаются методом линейной интерполяции в зависимости от конкретного измеряемого параметра. К примеру, на рисунке 3.а показан циферблат манометра, отображающий величину давления P (кПа), изменяющегося в пределах 0…100 кПа. Начальному положению стрелки манометра соответствует относительный угол отклонения 0 градусов, конечному положению соответствует угол 340 градусов. Следовательно, положение стрелки манометра (относительный угол отклонения в плоскости циферблата) определяется как P·340/100. В целях приближения работы измерительного устройства к реальным условиям, к положению стрелки прибавляется случайное отклонение в пределах одного процента в положительную и отрицательную стороны от фактического значения давления. Таким образом, можно имитировать дрожание стрелок приборов и создавать разброс измерений в каждом опыте, что является неотъемлемым атрибутом реального эксперимента.
2. Создание геометрических моделей лабораторного оборудования. На данном этапе разработчик выполняет графическое решение виртуальной модели – современные виртуальные тренажеры выполняются в трехмерной графике с максимальной имитацией материалов и освещения, что существенно повышает качество работы. Главной задачей здесь является приближение модели к реальному объекту, за счет соблюдения правильных пропорций, размеров, цветовых решений и освещения [1, 2]. На рисунке 4 изображена трехмерная модель токарного станка 1К62, применяемая в виртуальном тренажере по курсу «металлорежущие станки и инструменты».
Рисунок 4 – Трехмерная модель токарного станка 1К62
3. Разработка интерактивного модуля, объединяющего геометрические модели и физические зависимости. Написание программного кода виртуальной модели является наиболее трудоемкой частью работы. В задачи программиста входит разработка алгоритма, адекватно описывающего физику реального процесса или явления. Программа связывает воедино графические элементы, звуковое и текстовое сопровождение, интерактивную составляющую, и, согласно точным математическим зависимостям, имитирует динамику протекания процесса или явления. Программный код разрабатывается в соответствии с алгоритмической схемой, пример которой приведен на рисунке 5. Согласно алгоритму, вначале задаются параметры графической системы (разрешение и глубина цвета экрана, а также ограничение количества кадров в секунду). После установки параметров проверяется поддержка видеосистемой компьютера заданных параметров на основании контрольной таблицы поддерживаемых графических режимов (эта информация считывается из библиотеки драйвера видеокарты). В случае успешного выполнения проверки происходит последовательная загрузка медиа-файлов (3D моделей, текстур и пр.). После загрузки медиа-файлов задается основной цикл программы, в котором последовательно выполняется обработка событий мыши (и клавиатуры), то есть проверка кликирования мышью по объекту N1 (например, лабораторный стол, установка в целом или кнопка запуска двигателя и т.д.), после чего камера обзора и объекты меняют свои координаты, углы поворота, масштабы по координатным осям, цветовые и текстурные свойства, выходные параметры F1. Таким образом, происходит последовательная проверка событий для всех элементов объекта исследования, а также расчет и вывод выходных данных.
Рисунок 5 – Блок схема алгоритма виртуальной лабораторной работы
Последний элемент управления Ni служит для завершения рабочего цикла, при этом выводится информация о выполнении опыта и запрос на повтор опыта, в случае отказа от которого, программа завершается. Для реализации интерактивной части проверяются условия наведения мыши на объекты, нажатие кнопок мыши и клавиш клавиатуры при каждом положении камеры обзора. В зависимости от сложности имитируемого лабораторного опыта, алгоритм усложняется, так например, если в опыте присутствует замер времени секундомером, цикл программы оснащается вложенным циклом и подпрограммой. Количество элементов Ni также определяется сложностью лабораторной работы.
4. Внедрение системы методических указаний и справочной информации. Когда виртуальная модель сформирована, ее необходимо снабдить сопровождающей информацией методического или справочного характера, что позволит пользователю более полно изучить суть исследования, а также освоить управление виртуальным тренажером. На данном этапе важнейшей задачей является структурирование всего учебного материала с целью сделать доступное, удобное в обращении «рабочее место» обучаемого пользователя.
Одним из эффективных способов реализации системы методического сопровождения виртуального тренажера является разработка программной оболочки, позволяющей пользователю ознакомиться со структурой учебного курса, осуществлять прямой доступ к основным разделам курса, запускать интерактивные модули лабораторных работ, сохранять и читать статистические данные прохождения курса. В общем виде структуру виртуальных лабораторий можно представить в виде схемы на рисунке 6.
Рисунок 6 – Схема взаимодействия модулей виртуальной лаборатории
Основной задачей обучающего программного продукта является развитие творческого мышления и профессиональных способностей студентов, умения решать вопросы прикладного характера, делать самостоятельные выводы, в виду чего виртуальные лабораторные практикумы должны полностью соответствовать реальному учебному процессу. Приступая к выполнению лабораторного опыта, студент должен знать методику исследования и хорошо представлять ход работы, последовательность действий и расчетов. В реальном учебном процессе данную информативную функцию выполняют учебные пособия и брошюры с методическими указаниями. Виртуальные лаборатории полностью имитируют реальную лабораторию, а методика экспериментов здесь интегрирована в сам программный продукт в форме комплекса сопровождающих инструментов и надстроек. В программах продумывается раздельная система методического сопровождения – методические указания к выполнению лабораторных работ, дающие полное изложение принципов проведения эксперимента, интегрированная в оболочку учебного курса, как правило, в формате HTML-документа, и система инструкций, интегрированная непосредственно в лабораторные работы, позволяющая правильно выполнять эксперимент и поясняющая принципы управления программой.
5. Тестирование разработанной системы. Тестирование – это заключительный этап разработки. По завершению работы необходимо выявить возможные уязвимости алгоритма, и предусмотреть реагирование программы на «неправильные» действия пользователя.
Библиографические ссылки:
[1] – Колганов, Д.А. Нереальная физика. Тестирование NVIDIA PhysX на конфигурации SLI Multi-Card / Д.А. Колганов // Игромания. Февраль. 2010. С. 162-164.
[2] – Zhang, G. Precise algorithm to generate random sequential addition of hard hyperspheres at saturation / G. Zhang, S. Torquato // Physical review, E 88. 2013. pp.053312-1-9.