» E-mentor nr 2 (44) / 2012

Coraz częściej do szeroko pojętej edukacji wkracza rzeczywistość rozszerzona, która stanowi przyszłość wirtualnego kształcenia. Rzeczywistość rozszerzona to obszar informatyki zajmujący się łączeniem świata realnego z elementami wirtualnymi, wygenerowanymi przy użyciu grafiki komputerowej¹. Główny potencjał edukacji opartej na rozszerzonej rzeczywistości tkwi w metodzie AR - nakładaniu informacji generowanych komputerowo na rzeczywiste obiekty oraz pracy na wirtualnych obiektach w rzeczywistym otoczeniu. Pozwala to na edukację nieomal „namacalną”, spektakularną oraz oddziałującą na wszystkie zmysły, które uczestniczą w procesie uczenia się. Celem niniejszego artykułu jest zaprezentowanie najnowszych osiągnięć z zakresu rzeczywistości rozszerzonej (augmented reality, AR)² oraz jej zastosowań w edukacji: zarówno w obszarze nauczania teoretycznego, jak i zdobywania praktycznych umiejętności.

Rzeczywistość rozszerzona i jej charakterystyka

Ronald Azuma definiuje AR jako system łączący w sobie świat realny oraz rzeczywistość wirtualną, interaktywny w czasie rzeczywistym, umożliwiający swobodę ruchów w trzech wymiarach³. Rzeczywistość rozszerzona nie tworzy nowego, w pełni wirtualnego trójwymiarowego świata, lecz „uzupełnia” świat rzeczywisty (który oczywiście nie ulega zmianie) o nowe obrazy lub informacje (wirtualną powłokę)⁴. Może to być uzupełnienie w formie prostej informacji (nazwy ulic, informacje nawigacyjne) lub rozszerzenie oparte na skomplikowanych obiektach fotorealistycznych, które wtapiają się w świat realny i tworzą z nim całość (np. w przypadku rekonstrukcji zniszczonych historycznych budynków, symulacji militarnych⁵).

Rzeczywistość rozszerzona nie jest tożsama z wirtualną rzeczywistością (VR), która tworzy nowy świat, wygenerowany komputerowo przy użyciu techniki 3D. AR nie tworzy „wirtualnych światów”, lecz rozpoznaje obiekty świata rzeczywistego, a następnie nakłada na nie wirtualne informacje. Współcześnie rozwijane aplikacje AR kładą duży nacisk na to, aby wirtualne „rozszerzenie” było nierozróżnialne od rzeczywistości. Jest to możliwe tylko wtedy, gdy oświetlenie wirtualnych obiektów jest zgodne z oświetleniem występującym w realnym środowisku⁶.

Systemy rzeczywistości rozszerzonej można podzielić według wielu różnorodnych kryteriów. Na potrzeby zastosowań AR w edukacji przedstawione zostaną tylko dwa z nich (tabela 1).

Tabela 1. Wybrane klasyfikacje rzeczywistości rozszerzonej

Kryterium	Opis
Miejsce zastosowania	Obszar zamknięty - internal AR Przestrzeń otwarta - external AR (inna nazwa outdoor AR)
Sposób wizualizacji	Wyświetlacze optyczne HMD oraz OMD

Źródło: opracowanie własne
Główny podział rzeczywistości rozszerzonej to podział z uwzględnieniem miejsca zastosowania AR. Internal AR to generowanie obiektów rzeczywistości rozszerzonej na gotowych obrazach rzeczywistego świata w przestrzeni zamkniętej - w systemie statycznym lub dynamicznym. W systemie statycznym można np. nakierować kamerę internetową na obiekt (zdjęcie, ilustrację) i przy użyciu oprogramowania AR „nanieść” dodatkowy obraz, który jest widoczny na ekranie monitora. Z kolei systemy dynamiczne oparte są na czujnikach ruchu - kamera nakierowana jest na poruszający się obiekt, a „wirtualna powłoka” nanoszona jest na niego w czasie rzeczywistym na ekranie komputera lub telefonu.

Internal AR ma zastosowanie w szkoleniach inżynierskich (konstrukcja i testowanie urządzeń), nauczaniu umiejętności zawodowych praktycznych (budownictwo, serwis urządzeń specjalistycznych), szkoleniach chirurgicznych i ratowniczych (wirtualne operacje, symulacja akcji ratunkowej⁷), nauczaniu początkowym oraz w laboratoriach naukowych⁸. External AR to z kolei rejestracja realnego i tworzenie wirtualnego świata w przestrzeni otwartej. Jest to proces bardziej skomplikowany, wymagający większych nakładów finansowych i bardziej zawansowanej technologii (np. wykorzystania systemów lokalizacji względnej opartych na GPS, które pozwalają na określenie pozycji obiektu w ruchu na otwartej przestrzeni⁹). Zastosowanie external AR to między innymi rekonstrukcje zniszczonych budynków, systemy nawigacji 3D oraz trójwymiarowe szkolenia w terenie (np. z zakresu historii sztuki).

Ważny aspekt rozwoju systemów rzeczywistości rozszerzonej stanowi technologia, która umożliwia wprowadzanie coraz nowocześniejszych sposobów wizualizacji obrazu. Systemy AR korzystają z różnego rodzaju wyświetlaczy dopasowanych do rodzaju obsługiwanej aplikacji edukacyjnej. Najbardziej znane technologie wizualizacyjne to HMD (head-mounted display), które wykorzystują wyświetlacze umieszczone na głowie obserwatora oraz zestawy kamer stereowizyjnych, co umożliwia obserwację wzbogaconego komputerowo obrazu otoczenia. Wyświetlacz HMD mogą stanowić gogle wirtualne lub hełm wirtualny¹⁰. Systemy HMD połączone są z systemami ruchu, wobec czego obraz 3D zmienia się, gdy użytkownik, który widzi równocześnie świat rzeczywisty i wygenerowany, poszerzony, przemieszcza się. Wizualizację taką stosuje się głównie na obszarze otwartym lub w warunkach szkoleń dedykowanych.

Do tworzenia prostszych wersji wizualizacji OMD (open-marker display) służą markery wraz z kamerą internetową oraz odpowiednim oprogramowaniem. W tym przypadku obraz oglądany jest monitorze komputera lub w okularach multimedialnych podłączonych do systemu.

Wraz z rozwojem technologii i rozszerzaniem się jej dostępności pojawiły się nowe obszary zastosowań AR - jednym z nich jest wykorzystanie rzeczywistości rozszerzonej w edukacji. Wybrane obszary zastosowań AR na tym polu przedstawia tabela 2.

Tabela 2. Wybrane obszary zastosowań rzeczywistości rozszerzonej w e-learningu

Obszar zastosowań	Opis
Edukacja historyczna	Muzea, przewodniki AR, szkolenia z zakresu historii sztuki, rekonstrukcje obiektów zabytkowych w systemie AR
Wiedza encyklopedyczna	Biblioteki z AR, podręczniki z rzeczywistością rozszerzoną
Szkolenia dla firm	Konstrukcje techniczne i szkolenia wewnątrzkorporacyjne
Laboratoria wirtualne	Symulacje doświadczeń z różnych obszarów nauki
Edukacja wczesnoszkolna	Nauczanie początkowe oraz nauka poprzez zabawę

Źródło: opracowanie własne
E-learning stanowi typ edukacji, w ramach którego rzeczywistość rozszerzona może zostać wykorzystana na wiele sposobów. Obecnie ciekawe rozwiązania AR to pierwsze wdrożenia praktyczne, ale także wizje futurystyczne.

Edukacja historyczna - wybrane zastosowania AR

Najszersze zastosowanie AR w zakresie edukacji historycznej to przewodniki AR po miastach historycznych i muzeach. Użytkownik może poruszać się po historycznym obiekcie i uzyskiwać informacje na wyświetlaczu (gogle, wyświetlacz telefonu, wyświetlacz komputerowy). Informacje są aktualizowane zgodnie z tym, jak porusza się użytkownik, i wyświetlane równocześnie według jego indywidualnych potrzeb. Przykład przewodnika z AR (wyświetlacz komputerowy) prezentuje rysunek 1.

Rysunek 1. Przewodnik wizualny z AR




Źródło: Virtual Sightseeing Augmented Reality Scenic Viewer - Cascais Lookout Point: http://www.youtube.com/watch?v=hPX9uqHq9BQ&feature=related, [20.01.2012]
Na rysunku zaprezentowany został panel informacyjno-szkoleniowy z zastosowaniem rzeczywistości rozszerzonej. Po uruchomieniu panelu użytkownik może nakierowywać kamerę umieszczoną we frontowej ścianie urządzenia na obiekty znajdujące się na danym obszarze i uzyskiwać na monitorze obraz będący wynikiem połączenia rzeczywistości realnej i „wirtualnej powłoki”. System AR stanowi więc doskonałe narzędzie edukacyjne - oglądając wybrany obszar, użytkownik widzi na wyświetlaczu dodatkowe informacje historyczne, schematy, rysunki, zdjęcia uzupełniające obraz, filmy multimedialne. W każdej chwili ma też możliwość przesunięcia panelu na inny obiekt i jego przybliżenia optycznego.

Aplikacje AR można również zainstalować w telefonie komórkowym¹¹ - wówczas np. osoba zwiedzająca miasto kieruje kamerę telefonu na wybrany obiekt, uzyskując na wyświetlaczu dodatkowe informacje - np. tekst, rysunki, rekonstrukcje obiektów, materiały multimedialne związane z danym miastem (rysunek 2).

Rysunek 2. Połączenie AR z telefonem komórkowym


Źródło: Tuscany+ iPhone Augmented Reality App: http://www.youtube.com/watch?v=czJRmaTVGHs, [20.01.2012]
Ciekawym zastosowaniem edukacji historycznej wykorzystującej rozwiązania AR w telefonie komórkowym jest projekt Miejsca Pamięci Powstania Warszawskiego¹² (rysunek 3). Dzięki rzeczywistości rozszerzonej mieszkańcy Warszawy oraz turyści odwiedzający stolicę mogą na bieżąco uzyskiwać\ informacje o miejscach związanych z powstaniem. Po uruchomieniu aplikacji z AR oraz nakierowaniu kamery w telefonie na wybrane obiekty w mieście użytkownik zobaczy na ekranie obraz rzeczywisty wzbogacony o dodatkowe treści historyczne.

Rysunek 3. Połączenie AR z telefonem komórkowym - projekt Miejsca Pamięci Powstania Warszawskiego


Źródło: Warszawa '44 - Śladami Miejsc Pamięci, http://www.youtube.com/watch?v=BCND0hQh0Y8&feature=player_embedded, [20.01.2012]
Rzeczywistość rozszerzona ma także zastosowanie w obiektach zamkniętych - np. muzeach (rysunek 4). W tym przypadku aplikacja z AR może być zarówno zainstalowana w urządzeniach stacjonarnych znajdujących się w muzeum, jak i udostępniona do pobrania na urządzenia przenośne (przewodniki multimedialne) lub na prywatne telefony zwiedzających. Poprzez nakierowanie urządzenia z aplikacją rzeczywistości rozszerzonej np. na obraz, mapę lub zdjęcie budowli można uzyskać szczegółowe informacje na temat obiektu, zapoznać się z materiałami multimedialnymi czy też zobaczyć, jak wyglądała budowla w wybranym przez zwiedzającego okresie¹³.

Rysunek 4. Przewodnik muzealny z możliwością obejrzenia obiektów z kilku okresów historycznych


Źródło: Fraunhofer IGD: www.youtube.com/watch?v=gwtmk1ZjhY0&feature=related, [20.01.2012]
Rzeczywistość rozszerzona ma także zastosowanie w przestrzeni otwartej - przykładem jest projekt Archeoguide¹⁴ (rysunek 5). Podczas zwiedzania obiektów muzealnych w przestrzeni otwartej użytkownik systemu uzyskuje dostęp do informacji z wykorzystaniem systemów lokalizacji względnej opartych na GPS, które pozwalają na określenie pozycji obiektu w ruchu.

Rysunek 5. Projekt Archeoguide - nałożenie obrazu AR na zniszczony budynek kompleksu muzealnego


Źródło: Projekt Archeoguide: http://archeoguide.intranet.gr/project.htm, [20.01.2012]
Zwiedzający otrzymuje w czasie rzeczywistym spersonalizowane informacje, dostosowane do swoich potrzeb (np. wieku, języka). Warstwa AR umożliwia prezentację artefaktów oraz rekonstrukcji zniszczonych obiektów na wyświetlaczu multimedialnym.

Futurystyczne podręczniki

W e-learningu ważnym aspektem jest przygotowanie dobrych materiałów szkoleniowych dla uczestników kursu. Do tej pory papierowe podręczniki zastępowały w e-learningu multimedialne prezentacje, animacje oraz symulacje działań. Bez względu na tematykę szkolenia AR w przyszłości mogłaby umożliwić korzystanie z encyklopedii i podręczników zawierających rzeczywistość rozszerzoną. Przy użyciu oprogramowania oraz odpowiednio scentrowanych kamer odbiorca mógłby na ekranie obejrzeć rozszerzenie informacji zawartych w podręczniku. Biorąc pod uwagę możliwości AR, byłoby to szczególnie przydatne w blended learningu, gdy nauczanie wirtualne łączy się z tradycyjnym i materiały pomocnicze do nauki mogą być wykorzystywane zarówno podczas tradycyjnego, jak i wirtualnego nauczania.

Futurystyczna wizja zaprezentowana przez Sorina Voicu, studenta uniwersytetu La Sapienza w Rzymie pt. Augmented Reality - The Future of Education Technology ukazuje, że w przyszłości powstawać mogą ogólnodostępne multimedialne biblioteki z rzeczywistością rozszerzoną (rysunek 6).

Rysunek 6. Podręczniki z rzeczywistością rozszerzoną - wersja futurystyczna


Źródło: Augmented Reality - The Future of Education, praca studencka w zakresie projektowania graficznego i multimediów - autor Sorin Voicu, http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=Q_xF8ujj7ko, [20.01.2012]
Z podręczników będzie można korzystać w specjalnie do tego przeznaczonych pomieszczeniach (odpowiedniki współczesnych bibliotek) lub za pośrednictwem internetu. W obiekcie publicznym użytkownik powinien posiadać okulary z aplikacją AR i za jej pomocą przeglądać dostępne materiały. W przypadku zastosowania internetu podręczniki mają mieć postać stron ze znacznikami (rysunek 7).

Rysunek 7. Wielka encyklopedia z rzeczywistością rozszerzoną


Źródło: Prezentacja encyklopedii AR: http://www.youtube.com/watch?v=oHkUOpYNhoM&feature=related, [20.01.2012]
Po otwarciu książki i nakierowaniu kamery internetowej na znacznik („marker”) system AR połączy się online z treściami kursu internetowego i wyświetli materiały dodatkowe widoczne na ekranie komputera (instrukcje obsługi, trójwymiarowe wizualizacje przedmiotów). Ciekawym rozwiązaniem będzie również możliwość obracania obiektów trójwymiarowych i oglądania ich z wielu stron.

Edukacja szkolna

W dobie rozwoju internetu i e-learningu dzieci także chętnie sięgają po nowe rozwiązania technologiczne, aby bawić się i uczyć. Rzeczywistość rozszerzona pojawia się w kursach edukacyjnych przeznaczonych dla najmłodszych - jest to najczęściej nauka powiązana z zabawą, gry edukacyjne, symulacje itp. Najprostszą metodą nauczania w okresie wczesnego dzieciństwa jest zastosowanie edukacyjnych filmików powiązanych z zadaniami umieszczanymi w internecie w połączeniu z AR (rysunek 8).

Rysunek 8. Bajki edukacyjne z rzeczywistością rozszerzoną


Źródło: Total Immersion: http://www.youtube.com/watch?v=4RKQbbswzh4&feature=related, [20.01.2012]
Firma Total Immerson zaprojektowała aplikację AR dedykowaną dla materiałów edukacyjnych dla dzieci. Po nakierowaniu kamery na książkę w monitorze komputera widoczny jest obraz książeczki z „nakładką” rzeczywistości rozszerzonej. Ilustracje widoczne na monitorze są dynamiczne, powiązane z dodatkowymi materiałami (np. filmami). Multimedialność przekazu wzbudza większe zainteresowanie u dzieci, a tym samym sprawia, że w szybszy sposób mogą sobie przyswajać informacje praktyczne, dotyczące np. otaczającego ich świata.

E-learningowe szkolenia teoretyczne i praktyczne
Szkolenia e-learningowe są dla firm mniej kosztownym niż szkolenia tradycyjne sposobem dokształcania pracowników, oszczędzają także czas. Wśród kursów dla firm z rozszerzeniem AR ważne miejsce zajmują szkolenia z zakresu technologii konstrukcyjnych (konstrukcje stalowe mostów, szkolenia z budowy samolotów) oraz szkolenia projektowane na potrzeby dużych korporacji (np. serwisowe, z zakresu asortymentu produktów oraz ich prezentacji¹⁵) - szczególnie takie, które pozwalają zarówno na zwiększenie atrakcyjności przekazu oraz efektywności nauczania, jak i na obniżenie kosztów związanych z np. pracami serwisowymi. Doskonałym przykładem jest np. system serwisowy firmy BWM, oparty na e-learningu oraz rzeczywistości rozszerzonej¹⁶.

Rysunek 9. Działanie systemu serwisowego z AR przedsiębiorstwa BMW


Źródło: Current research project at BMW, www.youtube.com/watch?v=P9KPJlA5yds&feature=related, [20.01.2012]
Pracownik firmy korzysta podczas naprawy samochodu z okularów przeziernikowych - nakładających wirtualne modele na naprawiane części oraz pokazujących czynności do wykonania. Równocześnie omawiana jest każda wykonywana czynność i niebezpieczeństwa związane z niewłaściwym zastosowaniem części. Jest to zgodne z postulatem just enough, z którego wynika założenie, że pracownicy początkowo przechodzą podstawowe szkolenie, a następnie są na bieżąco doszkalani, zgodnie z potrzebami będącymi konsekwencją zmian rynkowych.

Wirtualna edukacja to zdobywanie wiedzy zarówno teoretycznej, jak i praktycznej. Nie można tutaj pominąć wagi doświadczeń. W tradycyjnym nauczaniu muszą one być przeprowadzane w laboratoriach i są kosztowne. Edukacja w połączeniu z AR umożliwia stworzenie sztucznych laboratoriów, w których można prowadzić badania - zarówno amatorskie (na potrzeby nauczania w szkołach), jak i profesjonalne (dla potrzeb nauki). Najczęściej laboratoria powstają, aby badać zjawiska fizyczne i chemiczne oraz przeprowadzać doświadczenia medyczne. Rysunek 10 prezentuje zastosowanie doświadczeń w e-learningu z AR.

Rysunek 10. Laboratorium e-learningowe z rzeczywistością rozszerzoną - model fizyczny i matematyczny


Źródło: Projekt Golden Submarine, http://www.youtube.com/watch?v=0h-a2OwbEBo, [20.01.2012]
Wirtualne laboratorium z AR składa się ze specjalnej kartki - „markera” - oraz oprogramowania z rzeczywistością rozszerzoną. Aplikacja uruchamia obraz doświadczenia na ekranie komputera, łącząc go z aktywnościami wykonywanymi przez użytkownika (np. zmienianiem parametrów fizycznych). Wirtualne laboratorium umożliwia prześledzenie wszystkich faz doświadczenia oraz obserwowanie tego, co się dzieje, z wielu perspektyw. Dodatkowo użytkownik ma możliwość bezpośredniego wpływania na przebieg doświadczenia poprzez zmiany parametrów wejściowych (zmiany te rejestrowane są przez czujniki ruchu aplikacji AR).

Podsumowanie

Rzeczywistość rozszerzona może w znacznym stopniu uatrakcyjnić materiały edukacyjne, otwierając przed wirtualnym nauczaniem nowe perspektywy. Jednak należy pamiętać, że nawet najciekawsze rozwiązania z AR nie zastąpią dobrze przemyślanego i odpowiednio dopracowanego pod względem dydaktycznym materiału szkoleniowego. Rzeczywistość rozszerzona jest bowiem narzędziem, które należy wykorzystywać, mając na uwadze nadrzędny cel edukacyjny - przekazanie przyszłym odbiorcom informacji najwyższej jakości oraz wiedzy zarówno teoretycznej, jak i praktycznej.

Bibliografia

• R. Azuma, Tracking Requirements for Augmented Reality, „Communications of the ACM” 1993, nr 36 (7).
• R. Boulic, R. Mas, Hierarchical Kinematics Behaviors for Complex Articulated Figures, [w:] Interactive Computer Animation, Prentice Hall, 1996.
• J. Hensley, T. Scheuermann, G. Coombe, A. Lastra, M. Singh, Fast summed-area table generation and its applications. Technical report, University of North Carolina at Chapel Hill and ATI Research, 2005.
• L. Lei i in., ERT-VR: an immersive virtual reality system for emergency rescue training, „Virtual Reality” 2005, t. 8.
• B. Strug, Modele oświetlenia, Uniwersytet Jagielloński, Kraków 2004.
• P. Supan, I. Stuppacher, Image Based Lighting in Augmented Reality. Central European Seminar on Computer Graphics for students, Wiedeń 2006.

Netografia

• An impressive series of Virtual reality helmet drawings found in the US patents, http://nearfuturelab....
• Archeoguide, http://archeoguide.i....
• Augmented Reality - The Future of Education, praca studencka w zakresie projektowania graficznego i multimediów - autor Sorin Voicu, http://www.youtube.c....
• Augmented reality in military, http://teambluehci.b....
• Augmented Reality Sightseeing, Fraunhofer IGD, http://www.youtube.c....
• BMW augmented reality, http://www.youtube.c....
• K. Bonsor, How augmented reality works, http://computer.hows....
• S. Heining, F. Euler, B. Ockert, Virtual mirror: Interaction paradigm for augmented reality, http://campar.in.tum....
• Holographics + Augmented Reality, http://www.youtube.c....
• Interactive Tourist Guide using Augmented Reality, http://www.youtube.c....
• Interaktywna broszura, http://www.youtube.c....
• T. Kanade, Z-Key: A New Method for Creating Virtual Reality, http://www.cs.cmu.ed....
• Layar, http://www.adv.pl/.
• Outdoor Collaborative Augmented Reality, http://www.ims.tuwie....
• Project A Future for the Past exhibition of Allard Pierson Museum, http://www.igd.fraun....
• Projekt Muzeum Powstania Warszawskiego oraz Adv.pl, http://www.youtube.c....
• Projekt Golden Submarine: http://www.goldensub....
• Rozszerzona rzeczywistość - telefonia komórkowa, http://www.youtube.c....
• Total Immersion, http://www.youtube.c....
• Tuscany+ iPhone Augmented Reality App, http://www.youtube.c....
• Virtual Sightseeing Augmented Reality Scenic Viewer - Cascais Lookout Point, http://www.youtube.c....
• Vidina Project, Zastosowanie AR w telefonii komórkowej, http://www.youtube.c....