CC BY
44
риям. При выборе пользователем шаблона конкретной тематики, боковая панель заполняется фигурами.
Существуют также специальные онлайн-сервисы, позволяющие быстро и легко создавать статическую и динамическую инфографику. Приведем примеры некоторых таких сервисов: Infogr.am
(http://infogr.am), Easel. ly (http://www.easel.ly), Hohli Builder (http://charts.hohli.com), ^eately (http://creately.com); Piktochart (http://piktochart.com); Inkscape (http://inkscape.org/en); Google Charts (https://developers.google.com/chart); Tagxedo
(http://www.tagxedo.com) и т. д.
Как эффективное средство коммуникации способ визуализации результатов научного исследования магистрантов инфографика в научной и образовательной сфере способствует формированию визуального мышления, анализу и глубокому осмыслению материала, развитию критического мышления, обеспечивает четкость и системность представления и восприятия информации.
А. А. Евсюков
Информатизация обучения правилам пожарной безопасности в общеобразовательных учреждениях
Ежегодно пожары в жилых и общественных зданиях становятся причиной гибели людей. Наиболее беззащитными перед лицом опасности являются дети и пожилые люди. В случае пожара в образовательном учреждении важную роль при организации мер эвакуации играет предварительная учебная подготовка его учащихся и сотрудников. Важно с раннего детства обучить ребенка правилам поведения при пожаре, познакомить со схемами эвакуации. Подобные знания можно приобрести не только в процессе учебных тренировок по эвакуации, но и с применением современных средств компьютерного моделирования. Данная статья посвящена информатизации процесса обучения, а именно разработке учебного тренажера пожарной безопасности.
Ценность использования тренажера заключается в применении методов компьютерного моделирования, позволяющих рассчитывать процессы распространения дыма и эвакуации людей. Пользователь программного тренажера получает возможность эвакуироваться из здания в момент его возгорания вместе с другими, находящимися в здании людьми. Тренажер помогает представить себя в ситуации пожара, выработать план спасительных действий. Важно отметить игровую форму обучения и наглядность
333
представления результатов моделирования, повышающие эффективность обучения учащихся.
Для моделирования эвакуации людей при пожарах необходимо разработать графическую среду двухмерной и трехмерной визуализации результатов. В двухмерном режиме графическая среда должна обеспечивать работу с электронными планами зданий, осуществлять ввод входных данных с определением местоположения всех объектов, строить схемы эвакуации. В трехмерном режиме графическая среда должна быть визуальным инструментом для отображения результатов моделирования эвакуации людей при пожаре, выполнять функции учебного тренажера пожарной безопасности.
Инструментарий построения планов зданий. Инструментарий реализован в виде графического векторного редактора. В его состав входят следующие компоненты: полотно для отображения планов зданий, панель инструментов навигации и редактирования объектов здания, дерево объектов здания, инспектор свойств объектов.
Основные функции редактора: чтение и визуализация планов зданий, навигация по плану с возможностью выбора этажа, добавление новых объектов мебели, задание расположения людей в автоматическом и (или) ручном режиме, выполнение пространственных запросов к объектам плана с получением информации по выбранному объекту, редактирование свойств объектов плана, сохранение и чтение результатов проектирования. Роль входных данных выполняет файл в xml-формате с геометрией всех помещений здания, его проемов и лестниц. После прочтения файла формируется дерево объектов здания, а также происходит визуализация геометрии полученных данных.
На основе геометрии здания, заданного расположения мебели, людей и состояния дверей можно выполнить расчет путей эвакуации для заданного времени. Для этого происходит поиск путей на взвешенном графе, вершинами которого являются прямоугольные участки комнат, ребрами - проемы между участками. Чтобы построить пути эвакуации для людей, находящихся на верхних этажах здания, используются лестничные переходы. Рассчитанные пути эвакуации используются при моделировании различных сценариев развития пожара.
Кроме ввода исходных данных, инструментарий построения планов зданий используется для получения представления о текущем местонахождении: пользователь имеет возможность переключиться из трехмерного тренажера на двухмерный план здания. Стрелками на плане отображен рассчитанный путь эвакуации, кружками - текущее местоположение людей, прямоугольниками - мебель внутри здания. Предусмотрена панель навигации по плану и возможность переключения текущего этажа.
334
Трехмерный тренажер эвакуации людей при пожарах. К основным задачам трехмерного тренажера относится получение визуально-пространственного представления о здании, визуализация процессов эвакуации и развития пожара. Навигация по зданию осуществляется от третьего лица: камера трехмерной сцены следует за анимированной моделью человека, управляемой пользователем с помощью мыши, а также клавиш управления курсором. При движении учитываются препятствия в виде стен и дверей здания, а также расставленной мебели. Если на пути следования происходит пересечение с подобным препятствием, прямолинейная траектория движения изменяется на траекторию, огибающую препятствие и исключающую пересечение человека и стороннего объекта.
С помощью трехмерного тренажера происходит изучение схем эвакуации, приобретение знаний о местонахождении эвакуационных выходов. Пользователю предлагается выйти из здания по кратчайшему пути до указанного в задании выхода. Для этого на пути следования 3D-тренажер расставляет специальные указатели, позволяющие не сбиться с направления до заданного эвакуационного выхода. В том случае, если пользователь отклонится от предложенного пути, система отреагирует перестроением эвакуационных указателей, учитывая текущее местоположение. После успешного прохождения нескольких заданий предусмотрена возможность отключения расстановки указателей для самостоятельного обучения. Кроме обучения схемам эвакуации трехмерный тренажер позволяет визуализировать процесс эвакуации людей и распространения опасных факторов пожара.
Выбор графических технологий. При создании инструментария построения планов здания для ускорения работы с графикой использованы средства технологии DirectX, обеспечивающей более быстрое выполнение графических операций, чем интерфейс GDI (Graphics Device Interface) Windows. Используется объект DirectDrawSurface компоненты DirectDraw, входящей в базовый слой DirectX Foundation. Объект DirectDrawSurface представляет видеопамять, куда помещаются отображаемые данные. Использование видеобуфера позволяет производить плавные перемещения при просмотре планов зданий.
При реализации 3D-тренажера использован GLScene - графический движок, написанный для использования на языке программирования Delphi и использующий библиотеку OpenGL в качестве интерфейса программирования приложений. GLScene позволяет создавать 3D-объекты OpenGL в режимах разработки (design-time) и запуска приложения (run-time).
335
Оптимизация видеопамяти. Для оптимизации видеопамяти при визуализации сложных процессов в трехмерном пространстве решены следующие важные задачи:
• Решена задача локализации области подробной визуализации, позволяющая удаленные объекты заменять моделями с упрощенной каркасной сеткой и текстурой.
• Оптимизирована процедура определения видимых объектов в зависимости от пространственно-временных характеристик сцены. Графический движок GLScene самостоятельно решает задачу определения видимых объектов. При этом скорость перерисовки сцены (количество кадров в секунду) прямо пропорциональна мощности множества всех объектов. Для увеличения скорости перерисовки все объекты, которые невозможно увидеть из помещения в текущий момент объявляются невидимыми. Процедура определения видимости объектов выполняется лишь тогда, когда управляемый герой оказывается в новой комнате. Для движущихся объектов (эвакуирующихся людей) процедура определения их видимости выполняется, когда уже сам объект оказывается в новой для себя комнате.
• Разработана процедура определения допустимого числа видимых движущихся объектов в зависимости от текущей производительности видеокарты. Процедура применяется при отображении скопления движущихся людей. Если скорость перерисовки сцены падает ниже пороговой, например, 20 кадров в секунду, то происходит сокращение числа видимых эвакуирующихся людей, наиболее удаленных от главного героя.
• Использованы методы классификации отображаемых трехмерных объектов с наследованием признаков. В большинстве случаев нет необходимости хранить индивидуальные свойства объекта. Он наследует структуру и внешний вид своего класса, описание которого хранится в библиотеке объектов. Различаться объекты одного класса будут лишь пропорциями, местоположением и ориентацией в пространстве.
Перечисленные выше решения позволяют отображать динамические трехмерные сцены на компьютерах с невысокой вычислительной производительностью. Пользователь видит на экране трехмерную сцену своего текущего местоположения, а также информацию о времени эвакуации, состоянии здоровья, месте возгорания и состоянии эвакуационных выходов.
Использование продукта в процессе обучения. Апробация тренажера пожарной безопасности проводилась в гимназии № 13 г. Красноярска. Школьники старших классов на уроках информатики познакомились с основами компьютерной графики: построением трехмерных сцен и принципами векторной графики. Во время
336
школьной летней практики старшеклассники, используя конструктор построения планов зданий, сформировали трехмерную модель гимназии, проведя детальное исследование учреждения. После построения трехмерной модели гимназии специалистами из Института вычислительного моделирования были разработаны сценарии развития пожаров, рассчитаны пути эвакуации людей для этих сценариев. В настоящее время тренажер пожарной безопасности успешно используется на уроках ОБЖ (основы безопасности жизнедеятельности) для обучения нормам пожарной безопасности школьников младшего и среднего звена.
Результатом работы является трехмерный тренажер пожарной безопасности, отображающий процессы эвакуации людей и распространения опасных факторов пожара. Тренажер полезен как для обучения персонала, так и для повышения квалификации лиц, ответственных за пожарную безопасность, что в целом ведет к снижению пожарных рисков в зданиях и повышению уровня культуры пожарной безопасности. Создание тренажера пожарной безопасности, выполняющего функции обучения с наглядной демонстрацией сценариев пожара и эвакуации людей, является объективной необходимостью и инновационным шагом для повышения уровня защищенности объектов науки и образования от пожаров.
337
