A Virtuális valóság és alkalmazásai tárgy tanítása Sikné Lányi Cecília (Pannon Egyetem, Veszprém, Magyarország lanyi@almos.uni-pannon.hu) Absztrakt: A Pannon Egyetem Műszaki Informatikai Karán 1991-óta folyik 5 éves műszaki informatikus és 2005-óta BSc szintű mérnök informatikus képzés. A Multimédia, Virtuális valóság és alkalmazásai, valamint a Számítógépes grafika és design választható tárgyak 1998-, 1999 illetőleg 2005-óta. A kurzusok heti 2 elméleti és 3 gyakorlati órából állnak. A Multimédia tárgy gyakorlati óráin a hallgatók megismerkednek a Macromedia Director, illetve Flash használatával, a Virtuális valóság tárgy keretein belül pedig a VRML nyelvvel és a MAYA modellező szoftverrel. Félévi beadandó feladatként pedig olyan multimédiás szoftvereket, olyan virtuális környezeteket, objektumokat kell készíteniük, melyek kapcsolódnak a Laboratórium aktuális kutatásaihoz. A cikkben bemutatjuk a Virtuális valóság és alkalmazásai tárgy oktatatási módszerét, tematikáját és hogyan használjuk fel a számítógépes grafikát a virtuális valóság tárgy oktatása folyamán. Kulcsszavak: Informatika tanítása, Virtuális Valóság, Számítógépes grafika 1 Bevezetés Számítógépes grafika tantárgyat sok egyetemen tanítanak, de a virtuális valóságot és annak alkalmazásait nem értik bele. Mint köztudott a számítógépes grafika multidiszciplináris jellegű és folyamatosan fejlődik. Az új termékek és technológiák hatása, ahogy ma azokat használhatjuk, mint például az internetet is, világosan mutatják, hogy a tanároknak hogyan kell szélesíteniük a tanítási módszerüket, ahogy az új problémák felmerülnek [Próspero dos Santos, 99]. Ullrichhal és Fellnerrel egyetértésben [Ullrich, 05] az e-learning az internet egy fontos alkalmazásává vált, ami különböző szempontokból gazdagítja a tanítást. Vizuális technikákat használ, ami mindig is egy fontos eleme volt a komplex eljárások és algoritmusok megértésének. Különösen az élettudományokban, ahol a problémák gyakran változóak és dinamikus tulajdonságokat mutatnak, amiket nehéz leírni. Ezért a videók, szimulációk és interaktív animációk segítik a tanárt. Az AlgoViz [Ullrich, 05] alkotói egy új oktatószoftverről számoltak be: Az AlgoViz project egy összetett szoftver, amely kifejezetten a számítógépes grafikai alapokra és a geometriai modellezés koncepciójára fókuszál. Nagyon sok publikáció jelent meg a Computer Graphics and Visualization Education kiadványokban, melyek azzal foglalkoznak, hogyan tanítják a számítógépes grafikát a különböző egyetemeken [Próspero dos Santos, 99], [Wolfe, 99], [Brisson, 99], [Case, 99], [Scott Owen, 99]. A virtuális valóságot Zara szerint a világon csupán az egyetemek 3%-án oktatják [Zara, 05]. Zara szerint a következő érthető felmerülő nehézségek miatt: az oktatási anyagok hiánya, a speciális hardver hiánya, és a képzett, tapasztalattal rendelkező oktatók hiánya miatt. Véleményünk szerint egy következő ok a professzionális 3D szoftverek meglehetősen drága ára is. Egy lehetséges megoldás erre a problémára a VRML nyelv, aminek nincs speciális hardver igénye, ezáltal nincs akadálya az esetleges hiányos egyetemi/laboratóriumi drága eszközöknek [Zara, 05]. Ráadásul pedig mivel szabad szoftver, ingyenesen használható. Helyzetelemző cikkünkben először a 2.1 fejezetben bemutatjuk a Virtuális valóság és alkalmazásai tárgy tematikáját. A 2.2 részben a Laboratóriumunkban folyó gyakorlati oktatásról, és annak tapasztalatiról számolunk be. A számítógépes grafika és virtuális valóság kapcsolata, valamint a jelenlegi és jövőbeli lehetéses problémák a 2.3 fejezetben,, illetve a sikeres virtuális valóság projektek kerülnek bemutatásra a 2.4 fejezetben. A 3. részben foglaljuk össze a cikket. 13
2 A Virtuális valóság és a Számítógépes grafika tantárgyak tantervei Ebben a fejezetben részletesen ismertetjük a Virtuális valóság és alkalmazásai, valamint a Számítógépes grafika és Desing tantárgy tanterveit. Minkettő választható tárgy a régi típusú 5 éves műszaki informatikus egyetemi képzésben, valamint a Virtuális valóság és alkalmazásai tárgy az új típusú BSc mérnök informatikus képzésben. A Virtuális valóság és alkalmazásai tárgy 5 kredit értékű, 2 előadásból és 3 gyakorlati órából áll ( a BSc képzésben 4 kredittel rendelkezik 2 előadás és 2 gyakorlati óra keretében). A gyakolrati órákon a hallgatók megismerkednek a VRML nyelvvel és a Maya használatával. A Számítógépes grafika és Desing 4 kredites 2 előadásból és 2 gyakorlati órából áll. A hallgatóknak előfeltételként teljesíteniük kell a C++ programozás, a Matematika és a Színtan kurzusokat. Minden szemeszter 15 oktatási hétből áll. 2.1 A Virtuális valóság és számítógépes grafika alapismeretei A virtuális valóság fő területei [Ames, 00]: 1. 2.. hét: A virtuális valóság definíciója, történelme és felhasználási területei Geometriai primitívek a grafikai rendszerekben Koordinátarendszerek és alapvető transzformációk 2. 9- hét: Modellezés Maya szoftver használatával: Alaptulajdonságok, a Maya felhasználói felülete 3D geometriai transzformációk Poligon modellezés NURBS modellezés Kulcskép kockás animációk Ember modellezése Dinamika Csontozás, inverz kinematika Textúrázás Renderelés Speciális effektusok: füst és részecskék szimulálása Bevezetés a MEL script nyelvbe 10. hét: Avatarok modellezése a Poser használatával 11.-15. hét: Modellezés a VRML használatával A hallgatóknak a félév folyamán 2 beadandó feladatot kell készíteniük, egyet a Maya használatával, egyet pedig VRML nyelven, valamint két évközi zárthelyi dolgozatot írnak a félévi vizsga előfeltételeként. A számítógépes grafikai tematika jól ismert fő területei [Foley, 96]: A számítógépes grafika definíciója, történelme és felhasználási területei A számítógépes grafika feladatai Geometriai modellezés Geometriai transzformációk Virtuális valóság adatok, világmodellek 2D grafikus rendszerek Raszter grafika, vektor grafika Megvilágítási és árnyékolási modellek és algoritmusok 14
Fotorealisztikus megjelenítési algoritmusok 3D renderelési módszerek Sugárkövetés Textúrázás Globális illuminációs algoritmusok Fraktálok Térfogat vizualizáció Számítógépes animáció Térbeli modellezés, sugárkövetés (B-rep, BSP). A hallgatóknak egy beadandó feladatot kell elkészíteniük a félév folyamán C++ nyelven OpenGL TM -t használva és két félévközi zárthelyi dolgozatot kell írniuk a vizsgára bocsáthatóság előfeltételeként. 2.2 A Virtuális környezetek és fénytan laboratóriumban folyó képzés Nagyon nehezen képzelhető el a virtuális valóság és számítógépes grafika oktatása színvonalas laboratóriumi feltételek nélkül. Minden gyakorlati órán a hallgatóknak egy-egy virtuális valóság modellt kell elkészíteniük. Az egyik aktuális probléma, hogy a hallgatók különböző programozási képességekkel, tudással és algoritmikus gondolkodással, projekt szemléletű gyakorlati ismeretekkel rendelkeznek. A másik probléma, hogy a gépteremben 20 PC áll rendelkezésre, ezért minden félévben maximum 25-30 hallgató tudja felvenni a tárgyat. Képtelenség több hallgatót beültetni gyakorlati órára és az órán kívüli laboratóriumi foglalkozást pedig nem tudjuk biztosítani. Ezért a gyakorlati órák nagyon intenzívek, hogy a hallgatók jó modellezési készségre tegyenek szert. Az összes elméleti és gyakorlati óra anyaga letölthető az internetről, így akár a hallgatók előre is felkészülhetnek az órára (ha akarnak). A gyakorlati órák anyaga is több lépésre osztott, a közbülső fázisok, modellek is letölthetők, így ha valaki lemaradt és a csoportban nem tudjuk megvárni, letöltheti a következő kész részfeladatot és újból csatlakozhat a csoporthoz. A beadandó feladatok minden félévben változnak, ezek a Laboratóriumban folyó aktuális kutatásokhoz kapcsolódnak. A hallgatóknak például modellezni kellett objektumokat (házat, utcát) az autóvezetés szimulálásához, bútorokat egy virtuális otthonhoz, stb Ezeket a nagyobb feladatokat csoportmunkában készítették el. Projekt pedagógiai gyakorlatunk alapján jobb csoportmunkában házi beadandó feladatot készíttetni, mert így közösen nagyobb feladatot tudnak megoldani és közben megtanulnak egy csapatban dolgozni. Az egyik fékévi beadandó feladtunk az volt, hogy virtuális szereplőként készítsék el a saját modelljüket. Ez is nagyon motiválta őket és élvezeték a feladat elkészítését. Az 1-3 ábrák egy-egy gyakorlati órai feladatot mutatnak be. 1. ábra: Lengő golyók modellezése. 2. ábra: Lámpa modellezése 15
3. ábra: Csontozás, inverz kinematika 2.3 Problémák és lehetséges megoldásaik A Virtuális valóság és alkalmazásai tárgy sokkal gyakorlatorientáltabb, mint a Számítógépes grafika és Design. A Virtuális valóság és alkalmazásai tárgy a hallgatók között az egyik legnépszerűbb tárgy, a Számítógépes grafika és Design sokkal kevésbé népszerű. Ez annak is köszönhető, hogy a Számítógépes grafika tanulásához sokkal több matematikai tudásra van szükség és a hallgatók nem rendelkeznek megfelelő matematikai előismerettel. Ezért sok időráfordítás szükséges a Számítógépes grafika tárgy kapcsán a megfelelő matematikai alapok tanítására. Ezért csak a hallgatók fele képes elvégzi a tárgyat. Ezért a Számítógépes grafika nem előfeltétele a Virtuális valóság tárgynak ezek a tárgyak párhuzamosan futottak. (Az elmúlt két félévben a Számítógépes grafika tárgy nem is lett meghirdetve.) Ez sajnos megmutatkozik, hogy a Virtuális valóság tárgyban sok számítógépes grafikai alapismeretet kell elmagyarázni. A másik probléma, hogy csatlakoztunk a bolognai rendszerhez, ugyanis a képzésünk a hagyományos 5 éves képzésre épült. Megbontva az 5 éves képzést BSc és MSc képzésre még több problémát vetett fel. Például melyik szemeszterben indulhatnak ezek a tárgyak először választható tárgyként? Melyik tárgy legyen az előfeltételük? Hogyan tudjuk ezeket az ismeretek feldarabolni, kezdő, középhaladó és haladó színetekre? Mi az a minimális tudás, amit a BSc szintű képzésben a hallgatóknak mindenképpen meg kell kapniuk? Egy lehetséges megoldás lehetne a különböző tárgyak természetes kiválasztása és új tárgyak kialakítása a mérnök informatikus képzésben. De ez megkövetelné ezen témában a megfelelően képzett oktatók rendelkezésére állását (jelenleg csupán a szerző oktatja ezeket a tárgyakat). Egy másik lehetséges megoldás lenhetne egy MSc szakirány kialakítása az interaktív rendszerek a multimédia és virtuális valóság területén. A tantárgyak egymásra épülése jól definiálható lenne ebben a programban, sokkal jobb megoldás volna, mint a jelenleg fennálló párhuzamos oktatás. 2.4 Sikeres virtuális valóság projektek 23 diplomadolgozat, 3 szakdolgozat és 11 TDK munka született 2001-óta a Laboratóriumban a virtuális valóság területén a szerző témavezetésével 2001-óta. Ezen munkák fő célja az emberek segítése volt. Ezért olyan virtuális környezetek készültek, amik valamilyen rehabilitációs programhoz kapcsolhatók speciális szükségletű sérült emberek segítésére, oktatására [Sik Lányi, 06], [Home page, 08]. 16
3 Konklúzió Ebben a cikkben bemutattuk a Pannon Egyetemen folyó Virtuális valóság és alkalmazásai, valamint a Számítógépes grafika és Design tantárgy tematikáját és oktatási tapasztatait. A cikk egyik fő célja volt megosztani a Virtuális valóság oktatása kapcsán szerzett 10 éves tapasztalatot. A kurzust eddig elvégzett hallgatók hozzávetőleges száma meghaladta a 350-et. Lehet, hogy ez a szám elenyésző a nagyobb egyetemeken oktatott tárgyak hallgatóinak létszámához, de a szerző az Egyetemen az egyetlen, aki oktatja ezeket a tárgyakat és laboratóriumi feltételek is korlátozottak. A hallgatók pozitív véleménye és megelégedése mutatja, hogy a Virtuális valóság és alkalmazásai egy sikeres és népszerű tantárgy. A hallgatók állítása szerint ez egy hasznos kiegészítő tárgy, ami nemcsak új ismereteket, hanem gyakorlati tudást is ad számukra. A hallgatók motiváltak voltak és nagyon szorgalmasan készítették el a beadandó feladataikat. Sajnos a Számítógépes grafika tárgy nem népszerű, mert sok matematikai előismertet követel. Ezért a Virtuális valóság tárgyon belül minimális számítógépes grafikai ismereteket is kell tanítani. A cikkben rávilágítottunk a meglévő és jövőbeli problémákra a Virtuális valóság és Számítógépes grafika oktatása kapcsán. Reméljük, hogy megvalósul az együttműködés más tantárgyak kapcsán a közeljövőben és a felmerült problémák megoldódnak. Sikeres hallgatói projekt munkákat is megemlítettünk a cikkben. Köszönetnyilvánítás A szerző szeretne köszönetet mondani Tilinger Ádám, Geiszt Zoltán és Benkő Attila PhD hallgatóknak akik korábban közreműködtek a tárgyak oktatásában. Külön köszönet azon hallgatóknak, akik érdekes modelleket fejelsztettek, melyeknek képei a cikkben is bemutatásra kerültek. Kiemelt köszönettel tartozik a szerző a szorgalmas diplomázóknak is, akik diplomaunkájukat a Laboratóriumban készítették [Home page, 08]. A szerző köszöni az Alias Wavefront első évi adományát mellyel lehetővé tették az első évben 5 gépen az oktatást, és köszönet a MOVE EU (GRD1-2001-40094) EU projektnek [Sik Lányi, 03] melynek keretében a virtuális vezetés szimulációja készült. Hivatkozások [Ames, 00] Ames A.L., Nadeau D.R., Moreland J.L.: VRML 2.0 Sourcebook in Hungarian edition Panem Könykiadó- John Willey and Sons, 2000 [Brisson, 99] Brisson Lopes J.M., Gomes M.R., Bernardo J.C., Jorge J., Pereira J.M.: Restructuring Computer Graphics and Visualization Curricula at IST, Proceeding of Eurographics Workshop, Computer Graphics and Visualization Education 99 July 3-5, Coimbra, Portugal, pp. 17-22. [Case, 99] Case C.: Three Collaborative Models for Computer Graphics Education, Proceeding of Eurographics Workshop, Computer Graphics and Visualization Education 99 July 3-5, Coimbra, Portugal, pp. 123-130. [Foley, 96] Foley J.D., van Dam A., Feiner S.K., Hughes J.F.: Computer Graphics Principles and Practice. Second Edition in C. Addison Wesley 1996 [Home page, 08] Home page of the Virtual Environments and Imaging Technologies Laboratory: http://www.knt.vein.hu/index_en.html [Próspero dos Santos, 99] Próspero dos Santos M.: Computer Graphics in the Scope of Informatics Engineering Education, Proceeding of Eurographics Workshop, Computer Graphics and Visualization Education 99 July 3-5, Coimbra, Portugal, pp. 31-37. [Scott Owen, 99] Scott Owen G.: Web Based Multi-User Interactive Graphics Worlds for Education, Proceeding of Eurographics Workshop, Computer Graphics and Visualization Education 99 July 3-5, Coimbra, Portugal, pp. 137-139. 17
[Sik Lányi, 03] Sik Lányi C, Schanda J: Preparing Virtual Streets for the Investigation of Mesopic Vision, Presence 2003, Aalborg, 6-8 Oktober 2003. abstract pp 20. [Sik Lányi, 06] Sik Lányi C, Geiszt Z, Károlyi P, Tilinger Á, Magyar V: Virtual Reality in special needs early education, The International Journal of Virtual Reality, 2006, 5(4): 55-68. ISSN1081-1451: http://www.ijvr.org/issues/issue4/7.pdf [Ullrich, 05] Ullrich T., Fellner D.W.: Computer Graphics Courseware, Eurographics Digital Library, 2005 [Wolfe, 99] Wolfe R: Bringing the Introductory Computer Graphics Course into the 21th Century, Proceeding of Eurographics Workshop, Computer Graphics and Visualization Education 99 July 3-5, Coimbra, Portugal, pp. 3-8. [Zara, 05] Zara J: Virtual Reality Course - A Natural Enrichment of Computer Graphics Classes, Eurographics 05 - Education Papers. Dublin, Ireland, The Eurographics Association, 2005, p. 25-32. 18