پایان نامه به کارگیری واقعیت مجازی در آموزش

پایان نامه  کارشناسی

کامپیوتر – سخت افزار

چکیده

استفاده از محیط مجازی کاربرد های واقعی و توان واقعی بالقوه فوق العاده ای دارد به طوری که کاربران می توانند مدل شبیه زندگی را تجربه کنند یا در محیطی امن قدم بزنند و در عین حال بر روی آن محیط کنترل داشته باشند .

واقعیت مجازی،یک محیط سه بعدی شبیه سازی شده است که کاربر میتواند به گونه ای با آن ارتباط برقرار کند که گویی یک محیط فیزیکی است. کاربر،محیط را در صفحه های نمایشی می بیند که احتمالا بر روی یک جفت عینک های ویژه سوار شده است .

وسایل ورودی خاص ،همچون دستکش هایا لباسهای مجهز به سنسورهای حرکت یاب،عملیات کاربر را تشخیص می دهد.

در این پایان نامه بکار گیری واقعیت مجازی در آموزش مورد بررسی قرار گرفته که شامل به کارگیری واقعیت مجازی در آموزش سربازان و هم چنین به عنوان ابزار آموزشی برای خلبانان، رانندگان، معدنکاران و به کارگیری آن در تحصیل و کلاس مجازی و در آموزش پزشکی و گرافیک وانیمیشن کامپیوتری است .

بنا براین نتیجه می شود که واقعیت مجازی می تواند هزینه های بالای آموزش با استفاده از تجهیزات آموزشی که ناشی ازکمبود در تعدادوقیمت گران آنها می باشد راکاهش دهد و با خلق یک محیط واقعی برای آموزش، کارایی سیستم های آموزشی و روند یادگیری را بهبود بخشد.

واژه های کلیدی :

واقعیت مجازی ،  نمایشگر متصل به سر ،    CAVE،  HMD 5- BOOM ،  شبیه سازی آموزشی ، VRML .

فصل اول :

تعریف واقعیت مجازی و کاربردها

11 تعریف واقعیت مجازی

1 واقعیت مجازی یک محیط سه بعدی شبیه سازی شده است که کاربر می تواند به گونه ای با آن کار کند که گویی یک محیط فیزیکی است.

2 واقعیت مجازی، تولید نرم افزاری رایانه ای از یک پنداره یا محیط است که برای حواس (بیشتر بصری) معادل واقعیت، وانمود گردد و به فضای سه بعدی که توسط کامپیوتر ایجاد می شود، اطلاق می گردد.

در حقیقت مجازی استفاده از فناوری پیشرفته از جمله کامپیوتر و لوازم جانبی آن و ابزارهای چند رسانه ای مختلف برای ایجاد یک محیط مجازی شبیه سازی شده است.

در این محیط کاربر اشیاء، حوادث و رخدادهای مجازی قابل مقایسه با دنیای واقعی را با استفاده از مبدلهای طراحی شده و حسگرهای خاص به طور تعاملی در دست می گیرد و تصاویر نمایشی و حرکتی را مشاهده می کند طوری که فرد گمان کند در محیط واقعی قرار گرفته است.

12 تاریخچه VR (واقعیت مجازی) :

1910 پنوماتیک و حرکت هواپیما و آموزش خلبانان (شبیه سازهای مکانیکی)

1929 مفهوم شبیه سازهای الکترونیکی

1955 سیستمهای Video based ، سینمای سه بعدی

اواخر دهه 60 طرح دنیای مجازی تحت کنترل کامپیوتر

تولید دستگاه واقعیت مجازی توسط میرون کودگر

دهه 70 تولید گرافیک های سه بعدی شبکه سیمی و استفاده از آن در اولین شبیه سازی های کامپیوتری ایوان ساترلند

1970 اضافه کردن هوش مصنوعی به این سیستم میرون کروگر

1983 (Head Mounted Display) HMD

1989 اصلاح واقعیت مجازی توسط یارون لانیر

1989 ساخت HMD های تجاری شرکت VPL

3-1- تاریخچه ای از گرافیک کامپیوتری و انیمیشن :

در طول اواخر دهد 1980 و 1990، واقعیت مجازی به عنوان یک برنامه کاربردی جدید و در حال ظهور منتشر شد که قول داد انقلابی ایجاد کند و واسطه های انسان کامپیوتر را متحول کند. در واقع ، VR بسیار قدیمی تر از دهه 1980، قدیمی تر یا تقریباً به عمر کل خود رشته گرافیک کامپیوتر است.

در سال 1956، مورتون میلگا شروع به طراحی اولین تجربیات مجازی چند حسی کرد . Sensorama که شبیه یکی از ماشینهای دالانی امروزه است، فیلم تصویری، صوتی، لرزش، باد و بوها و همه چیزهایی که طراحی شدند تا کاربر احساس کند انگار او واقعا در فیلم است تا اینکه فقط آنرا تماشا کند،  را ترکیب کرد. Sensorama که در 1961 به ثبت رسید، بیننده را در یک تئاتر یک نفره قرار داد و به مدت یک ربع ساعت، بیننده توانست یکی از پنج فیلم تمام رنگی سه بعدی دو دقیقه ای را با احساس کمک حرکت، صدا، باد در صورت و بوها تجربه کند.

شکل1: Sensorama

          پنج "تجربه" شامل یک موتورسواری در نیویورک، دوچرخه سواری، سواری روی درشکه ، هلیکوپتر سواری بر فراز شهر سنچری (Century) در 1960 و یک رقص به وسیله رقاص شکم می باشد. از آنجا که با گرافیک کامپیوتری بدون رنگ سالها فاصله بود، کل تجربه از قبل ضبط شد، و برای کاربر دوباره پخش می شد.

هیلیگا همچنین ایده ای برای دستگاهی که برخی آنرا اولین نمایشگر روی سر (HMD) در نظر می گیرند، را به ثبت رساند.

شکل2:نمایشگر روی سر

 او اول این ایده را در سال 1960 مطرح کرد و در سال 1962 برای حق امتیاز انحصاری تقاضا کرد. این ایده از عینک با میدان دید وسیع برای مشاهده اسلایدهای تصویری سه بعدی استفاده کرد و صدای استریو و "مولد بو" داشت. او بعداً ایده ای برای یک تئاتر شناور مطرح کرد که پخش تصاویر سه بعدی بدون الزام بیننده به پوشیدن عینکهای مخصوص یا دستگاههای دیگر را ممکن می سازد. تماشاچیان به ردیف می نشینند و صندلیها با پیشرفت فیلم متصل هستند تا نه تنها صدای برجسته نگاری ایجاد کنند، بلکه همچنین احساس حرکت را به وجود آورند. بوها با تزریق رایحه های مختلف در سیستم تهویه هوا ایجاد می شوند. متأسفانه، تئاتر "تجربه کامل" هلیگا هرگز ساخته نشد.

کامو و برلیان کارمندان شرکت فیلکو، اولین نمایشگر روی سر واقعاً ساخته شده را در سال 1961 ساختند. سیستم آنها، به نام Headsight (دید سر) دارای یک عامل CRT مجزا متصل به کلاه و سیستم دریاب مغناطیسی برای تعیین جهت سر بود. HMD طراحی شد تا همراه با یک سیستم ویدئویی مدار بسته کنترل از راه دور برای مشاهده وضعیتهای خطرناک دور دست استفاده شود. در حالیکه این دستگاهها به ایده های ذهنی برای نمایشگر و تجربیات مجازی کمک کرد، کامپیوتر و تولید تصویر هنوز باید یکپارچه می شدند.

رشته ای که ما اکنون به نام واقعیت مجازی (VR) می شناسیم، یک رشته چند شاخه ای کامپیوتری است که از تحقیقات روی گرافیک تعاملی سه بعدی و شبیه سازی وسایل نقلیه در دهه 1960 و 1970 ظاهر شد. جای تعجب نیست که توسعه این رشته می تواند تا کارهای اولیه MIT و یوتا و البته ایوان ساترلند ردیابی شود.

دو شالوده ضروری VR توسط لری را برتز و ساترلند، به MIT اشاره داشتند. اولین کمکهای ضروری عملی شامل تحقیقات و توسعه بود که به CRT امکان داد به عنوان دستگاهی با قیمت مقبول و مؤثر عمل کند که بر مبنای آن یک تصویر تولید شده کامپیوتری و واسطه های تعاملی که نشان دادند کاربر می تواند با تصویر CRT برای انجام وظایف دلخواه تعامل داشته باشد، ایجاد شدند.

همانطور که در بخش قبلی گفتیم، رابرتز اولین الگوریتم حذف سطوح پنهان و مبهم از یک تصویر منظره در سال 1963 را نوشت. راه حلهای او برای این مشکل و مشکلات مرتبط دیگر، تلاشهای دهه آینده برای پیدا کردن الگوریتم های سریعتر برای تولید سطوح پنهان را برانگیخت. در میان فعالیتهای مهم ساترلند و همکارانش و دانشجویان دانشگاه یوتا، تلاشهایی برای ایجاد الگوریتم های سریع برای برطرف کردن سطوح پنهان از تصاویر گرافیک سه بعدی، مشکلی که به عنوان گلوگاه محاسباتی اصلی شناخته شد، وجود داشت.

دانشجویان برنامه یوتا، دو کمک مهم به این رشته کردند، شامل یک روش جستجوی ناحیه ای توسط وارنوک (1969) و یک الگوریتم خط اسکن که به وسیله وانکینز (1970) ایجاد شدند و به شکل یک            سیستم سخت افزاری توسعه یافتند. یکی از مهمترین پیشرفتها، تدوین یک طرح ساده توسط هنری گوراد برای سایه اندازی پیوسته (1971) بود. بر خلاف سایه اندازی چند ضلعی، که در آن یک چند ضلعی کامل (نمایش استاندارد سطح)، یک سطح خاکستری بود، طرح گوراد شامل الحاق بین نقاط روی سطح برای توصیف سایه اندازی پیوسته در طول یک چند ضلعی مجزا بود، بنابراین به تقریب نزدیکتری از واقعیت می رسد. این اثر، سطحی متشکل از چند ضلعیهای مجزا که به نظر پیوسته بودند، ساخت. این قابلیت در فرآیند تولید کیفیت تصاویر بصری ضروری برای ارائه دادن یک محیط VR قابل باور لازم است.

هر کدام از این اقدامات بخشی از شالوده برای تلاشهای اولیه در توجه به مفهوم یک محیط مجازی را فراهم کرد. بخش دیگر، کار قبلی بود که منجر به توسعه تجاری نمایشگر مهم روی سر شد.

نمایشگر نهایی توسط ساترلند در سال 1965 خلق شد. آنچه آنرا این قدر مهم ساخت این حقیقت بود که یک نمایشگر برجسته بینی داشت (یک عامل CRT برای هر چشم). HMD یک سیستم ردیابی مکانیکی داشت، و بعداً ساترلند با یک ردیاب ماوراء صوت آزمایش کرد. همانطور که در آکادمی ملی علوم، سرمایه گذاری روی یک انقلاب را گزارش می کند: حمایت دولت از تحقیقات کامپیوتری، گفتیم، HMD جزء مرکزی تحقیقات رشته ظهور کرده بود.

کار روی نمایشگرهای روی سر، همکاری بین محیط های کاربردی محور صنعت و پروژه های سرمایه گذاری دولتی (هم نظامی و هم شخصی) را به تصویر می کشد و تمرکز تحقیقات بنیادی دانشگاه که در امتداد مرزهای انتظامی معلوم می شود. کار روی نمایشگرهای روی سر، از تعامل گسترده و پیوند متقابل ایده ها در میان پروژه های سرمایه گذاری فدرالی ، نظامی مأموریتی و قراردادها به علاوه ابتکارات بخش خصوصی بهره می برد. بازیکنان شامل ناسا، آزمایشگاه تحقیقات پزشکی هوا فضای آرمسترلنگ نیروی      هوایی، پایگاه نیروی هوایی رایت، پترسون، و اخیراً برنامه های DOD برای مدلسازی و شبیه سازی، مثل برنامه ساختگی تئاتر جنگ می باشد. هر کدام از این پروژه ها جریانی از مقالات منتشر شده، گزارشات تکنیکی، نرم افزار (که برخی از آنها در بازار موجودند)، فیلمهای متحرک کامپیوتری و حتی سخت افزارهایی که در دسترس محققان گرافیکهای دیگر است، تولید کردند. ایده های مهم دیگر برای نمایشگر روی سر از کارهای نولتون و شرودر در آزمایشگاههای بِل، روش راه حلهای خط پنهان زمان واقعی توسط گروه MAGI و پروژه شبیه ساز GE (ساترلند، 1968) نشئت می گیرد.

کارهای اولیه روی نمایشگر روی سر در شرکت هلیکوپتر بل رخ داد. نمایشگر بل که طراحی شد تا خلبانان آنرا بپوشند، ورودی اش را از یک دوربین مادون قرمز خود کنترلی، که پایین یک هلیکوپتر نصب شد، دریافت می کرد. هنگامی که سر خلبان حرکت می کرد، دوربین هم حرکت می کرد، و میدان دید خلبان همان میدان دید دوربین بود. این سیستم در نظر داشت به خلبان هلیکوپتر نظامی توانایی فرود درست در زمین نا هموار را بدهد. آزمایشات هلیکوپتر نشان داد که انسان می تواند کاملاً در یک محیط دور دست از طریق چشم های دوربین فرو برود.

قدرت این تکنولوژی شناور در مثال بیان شده توسط ساترلند (1968) نشان داده شد. یک دوربین روی پشت بام یک ساختمان نصب شد، با میدان دید متمرکز بر دو شخص که بیسبال بازی می کردند. نمایشگر روی سر توسط بیننده ای داخل ساختمان که حرکت توپ را دنبال می کرد و دوربین را با استفاده از حرکات سر، حرکت می داد پوشیده شد. ناگهان توپ به طرف دوربین پرتاب (روی پشت بام) و بیننده (داخل ساختمان) دولا شد. هنگامی که دوربین به افق تغییر جهت داد، بیننده دیدن خط آسمان وسیع و باز را گزارش کرد. هنگامی که دوربین به پایین نگاه کرد تا نشان دهد که روی یک تخته پهن دور از پشت بام ساختمان «قرار گرفته» ، بیننده ترسید!

در سال 1966، ایوان ساترلند از ARPA به دانشگاه هاروارد به عنوان استادیار ریاضی کاربردی نقل مکان کرد. در ARPA، به اجرای تصور تعامل انسان کامپیوتر جی.سی.آر یک لایدر کمک کرده بود و به محیط دانشگاهی بازگشت تا تلاشهایش برای گسترش قابلیتهای انسانی را دنبال کند. ساترلند و یک دانشجو به نام رابرت اسپرول، سیستم دیداری «واقعیت از راه دور» پروژه هلیکوپتر پل را به وسیله جایگزینی دوربین با تصاویر کامپیوتری به VR تبدیل کردند (دیگر پروژه های نمایشگر روی سر که از سیستم دوربین تلویزیون استفاده می کنند، توسط فیلکو در اوایل دهه 1960 به عهده گرفته شد، همانطور که توسط اِلیس در سال 1996 مطرح شد). اولین مورد از چنین محیط کامپیوتری، چیزی بیشتر از یک اتاق چارچوب سیمی با جهات اصلی شمال، جنوب، شرق، غرب که روی دیوارها نوشته بود، نبود. بیننده می توانست از راه در غربی، وارد اتاق شود و بچرخد تا از پنجره ها به سه جهت دیگر نگاه کند. آنچه آن زمان نمایشگر روی سر نامیده شد، بعداً به عنوان VR شناخته شد.