Анализ и выбор инструментов для разработки приложения с элементами дополненной реальности в сфере образования

Объектом исследования выступило учебно-методическое пособие для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Инженерная графика», автор к.т.н., доцент кафедры «Прикладная информатика» Богданова Е.А.

Предметом исследования является технология дополненной реальности.

Развитие технологии дополненной реальности уже оказало влияние на сферу образования. С помощью технологий дополненной реальности существует возможность создавать новые возможности для обучения и позволяет смоделировать необычные образовательные практики. Перспектива заключается в том, чтобы в вузах, а после и в школах, создавать интерактивные иллюстрации, которые можно рассмотреть с разных сторон, с которыми можно взаимодействовать и тут же видеть результат своих действий.

Еще одной задумкой дополненной реальности в образовании является добавление технологии в книги или учебные материалы. При их прочтении можно будет пользоваться преимуществами данной технологии, например будут показываться дополнительные иллюстрации и справочные материалы. Также возможно появление полностью цифровых книг в AR для чтения на виртуальном экране.

Представленная технология позволяет также учиться в условиях дистанционного взаимодействия, в котором студенты и преподаватели могут поделить совместную виртуальную среду обучения, населенную виртуальными объектами.

Таким образом, внедрение мобильного приложения с элементами технологии дополненной реальности поможет решить такую проблему, как отсутствие у студентов адекватного восприятия пространственных изображений с бумажных или электронных носителей.

Разрабатываемое мобильное приложение с внедренной технологией дополненной Реальности для образовательных учреждений будет представлять собой справочник по той или иной дисциплине в университете. Оно будет познавательно и практично, также из-за простоты интерфейса понятно в пользовании.

Для обоснования необходимости и целесообразности внедрения технологии дополненной реальности в учебный процесс был сформирован опросный лист с использованием сервиса «Google Forms».

Ссылка на опрос была распространена среди учащихся ПГУТИ 3 и 4 курса факультета Информационных систем и технологий, так же его прошли студенты 2 и 3 курса, обучающиеся в СамГМУ Минздрава России. Общее количество студентов, прошедших опрос, составило 63 человека.

Так, например по данным опроса 85% студентов знают, что такое дополненная реальность (рисунок 1).

Из них 55% процентов никогда не использовались приложениями с дополненной реальностью, а 44% используют приложения с данной технологией.

Все опрашиваемые уверены в том, что технологии дополненной реальности можно применять в любых областях жизненной сферы. Также по данным опроса видно, что 92% студентов раз- ных университетов хотели бы видеть это приложение с их дисциплинами (рисунок 2).

Анализ результатов проведенного опроса доказывает актуальность внедрения приложения с элементами дополненной реальности в учебный процесс.

Анализ практического опыта использования дополненной реальности в процессе обучения приведен в [1, 2, 3, 4].

Рисунок 1. Знаете ли вы, что такое дополненная реальность?

Рисунок 2. Хотели бы вы видеть проявления технологии дополненной реальности в вашем учебном заведении?

Инструменты для работы с дополненной реальностью

Рассмотрим инновационные технологии и инструменты дополненной реальности (AR), которые несут в себе большой потенциал совершенствования и развития, они позволяют пользователям увидеть реальный мир с наложенными на него виртуальными объектами. AR не может полностью заменить реальность, а может лишь дополнить ее. Для пользователя это выглядит как связь между виртуальным и реальным миром, реальность дополняется цифровыми данными с помощью таких устройств как смартфон, планшет и программы.

Однако низкая мощность телефонов и планшетов в отличии от стационарных компьютеров и ноутбуков является, скажем так, основной про- блемой использования дополненной реальности в мобильных устройствах.

При разработке технологии АR используются наиболее популярные инструменты: Vuforia, Tango, ARCore, ARKit. Рассмотрим их более подробно.

Vuforia Engine – это программный комплекс, включающий в себя платформу дополненной реальности и инструментарий разработчика программного обеспечения дополненной реальности. Vuforia Engine интегрирована с Unity 3D, поэтому разработка AR-приложений становится намного легче.

В Vuforia применяется технология компьютерного зрения, отслеживания плоских изображений, отслеживание объемных реальных объектов.

Благодаря технологии определению мишеней разработчик может устанавливать виртуальные объекты на них. В роли объектов могут выступать как 3D-модели, так и медиаконтент.

Объект виртуальной реальности ориентируется на реальный объект так, чтобы наблюдающий был расположен к ним одинаково. Наблюдатель должен видеть четкую картину того, что виртуальный объект является частью реального мира.

Tango – это платформа, разработанная компанией Google для работы с дополненной реальностью. Для таких устройств, как смартфоны и планшеты применяется технология компьютерного зрения для определения своего места положения относительно реального мира без использования GPS. Это позволяет разработчикам приложений создавать системы, включающие в себя внутреннюю 8 навигацию, 3D-картографи-рование, распознавание окружающей среды и использование дополненной реальности.

Платформа Tango поддерживается только на устройствах, оснащенных специальными сенсорами.

ARCore – это платформа, созданная Google для облегчения создания приложений дополненной реальности. Поддерживает платформы Android и iOS.

ARKit – это платформа для разработки приложений дополненной реальности. ARKit является собственной разработкой Apple и дает разработчикам специальный набор инструментов для создания приложений с дополненной реальностью.

Для упрощения разработки приложения с дополненной реальностью ARKit использует наблюдения за движениями устройства, захват камеры, отображение объектов.

В таблице 1 представлен анализ инструментов дополненной реальности в разрезе таких критериев, как кроссплатформенность, поддержка средств разработки и поддержка языков программирования.

Далее рассмотрим инструменты для создания приложения, в которое будет интегрирована технология дополненной реальности (таблица 2).

• 1.    Unity 3D – это инструмент для разработки 2D и 3D приложений и игр, который работает под операционными системами Windows, Linux и OS X. Приложения разработанные с помощью Unity работают под операционными системами Windows, OS X, Windows Phone, Android, Apple iOS, Linux, а также на игровых приставках Wii, PlayStation 3, PlayStation 4, Xbox 360, Xbox One и MotionParallax3D дисплеях (устройства для воспроизведения виртуальных голограмм), например, Nettlebox.

• 2.    Unreal Engine – это игровой движок для создания 2D и 3D приложений, разработанный специалистами Epic Games. Движком называют рабочую среду, позволяющую управлять всей системой элементов, из которых состоит игра. Разработка в Unreal Engine очень проста для начинающих. С помощью системы визуального создания скриптов Blueprints Visual Scripting можно создавать готовые игры, не написав ни строчки кода. Благодаря удобному интерфейсу это приложение позволяет быстро изготавливать рабочие прототипы.

Есть возможность создавать приложения для запуска в браузерах с помощью специального подключаемого модуля Unity (Unity Web Player), а также с помощью реализации технологии WebGL.

Далее проанализируем инструменты для создания 3D моделей и иллюстраций (таблица 3). Они необходимы для построения объемных фигур.

• 1.    Blender 3D

• 2.    3Ds Max

Blender 3D – это бесплатная программа, разработанная для создания и редактирования трехмерной графики. Программа распространена на всех популярных платформах, имеет открытый исходный код и доступна совершенно бесплатно всем желающим, а также есть версия на русском языке.

Также множество инструментов, которые есть в этой программе, были добавлены совершенно разными людьми, создававшими те или иные функции для решения своих задач и одним из важнейших качеством Blender является то, что можно экспортировать разные файловые расширения.

3Ds Max – это инструмент для моделирования 3D-моделей, анимации и рендеринга, созданное и разработанное для игр и визуализации дизайна. Программа включена в коллекцию мультимедийных и развлекательных программных продуктов, предлагаемых Autodesk.

3DS Max помогает пользователям создавать массивные игровые миры, детализированных персонажей, настраивать окружение здания, соз-

Таблица 1. Анализ инструментов дополненной реальности

Альтернативы	Критерии
	Кроссплатформенность	Поддержка средств разработки	Поддержка языков программирования
Vuforia	iOS, Android	Unity, AndroidStudio	C++, Java, C# и др.
Tango	iOS, Android	AndroidStudio	JavaScript, Python, C++
ARCore	iOS, Android	Unity, Unreal Engine, AndroidStudio	HTML, Java
ARKit	iOS	Unity	C#, JavaScript

Таблица 2. Анализ инструментов разработки приложений

Альтернативы	Критерии
	Кроссплатформенность	Обучающие ресурсы	Поддержка языков программирования
Unity	Windows, Linux, macOS	Большое количество	C#
Unreal Engine	Windows, Linux, macOS	Достаточно, но есть платные	C++

Таблица 3. Анализ инструментов разработки 3D–моделей

Альтернативы Критерии Кроссплатформенность Простота использования Распространение копий Blender Windows, Linux, MacOS Легкий в своем освоении Бесплатно 3Ds Max Windows, Linux, MacOS Интерфейс не слишком удобен в использовании Подписка давать сцены, в которых много людей, имитировать физические свойства жидкостей.

Выводы

Проведенный анализ позволил выбрать необходимые инструменты для разработки приложения с элементами дополненной реальности для внедрения в учебный процесс.

Для реализации приложения были использованы следующие инструменты:

• 1.    Vuforia. Является более развитым приложением чем аналоги. Есть хорошие обучающие курсы и дополнительная литература. К тому же она легка в своем освоении и хорошо взаимодействует с Unity.

• 2.    Unity Благодпря своим бесплатным обучающим источникам и своей простой, понятной оболочке. Приложение поддерживает множество плагинов, которые добавляют новые функции и отлично взаимодействует с другими приложениями.

• 3.    Blender 3D Поскольку им можно пользоваться бесплатно и он справится со всеми поставленными задачами. На фоне всех остальных приложений Blender 3D выглядит довольно уверенно. Он имеет бесплатную поддержку плагинов, которые создали сами пользователи прило-

• жения. Также модели, созданные в нем, можно конвертировать в любой формат.