Разработка информационной системы для лабораторных работ с применением технологий дополненной реальности

Информационная система, состоящая из веб-приложения и Android приложения, позволяет сформировать и вывести виртуальные объекты на экран Android устройства при обнаружении добавленных в систему изображений и пространственных карт. Внедрение технологий дополненной реальности в образование позволяет повысить уровень вовлеченности и мозговой активности обучающихся, а также упростить понимание сложных процессов и явлений технических и естественных наук.

РЕФЕРАТ …………………………………………………………………………………………… 9
ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………………. 15
1. Обзор VR/AR технологий…………………………………………………………. 17
1.1 Применение VR/AR технологий………………………………………………… 18
1.1.1 Корпоративный сегмент …………………………………………………………… 18
1.1.2 Образовательный сегмент…………………………………………………………. 21
1.1.3 Исследования о применимости VR/AR технологий ……………………… 21
1.2 Платформы VR/AR ………………………………………………………………….. 24
1.2.1 VR-тренажеры ………………………………………………………………………… 24
1.2.2 Инструменты и онлайн редакторы для работы с дополненной
реальностью………………………………………………………………………………………. 25
1.2.3 Платформа «ClassVR» ……………………………………………………………… 27
1.2.4 Платформа «Физикон» …………………………………………………………….. 29
1.2.5 Сравнение с разрабатываемой информационной системой …………… 30
2. Обзор SDK дополненной реальности …………………………………………. 32
2.1 Технологии распознавания целей дополненной реальности ………….. 32
2.1.1 Отслеживание изображений ……………………………………………………… 33
2.1.2 Отслеживание объектов……………………………………………………………. 34
2.1.3 Отслеживание поверхностей …………………………………………………….. 34
2.1.4 VSLAM ………………………………………………………………………………….. 35
2.2 SDK дополненной реальности …………………………………………………… 37
2.2.1 ARCore…………………………………………………………………………………… 37
2.2.2 ARKit …………………………………………………………………………………….. 39
2.2.3 ARFoundation ………………………………………………………………………….. 39
2.2.4 8th Wall ………………………………………………………………………………….. 40
2.2.5 Wikitude …………………………………………………………………………………. 41
2.2.6 Vuforia……………………………………………………………………………………. 41
2.2.7 EasyAR…………………………………………………………………………………… 43
2.2.8 Выбор AR SDK ……………………………………………………………………….. 45
3. Проектирование информационной системы………………………………… 47
3.1 Инструментарий ……………………………………………………………………… 49
3.2 Логическая структура базы данных ……………………………………………. 51
3.3 Описание процесса создания AR-изображения ……………………………. 53
3.4 Описание процесса отслеживания и дополнения AR изображения .. 55
3.5 Описание процесса сохранения пространственной карты……………… 56
4. Реализация информационной системы ……………………………………….. 57
4.1 Веб-приложение ……………………………………………………………………… 57
4.2 Управление контентом дополненной реальности…………………………. 58
4.3 Управление AR-изображениями………………………………………………… 60
4.4 Управление пространственными картами …………………………………… 64
4.5 Управление лабораторными работами ……………………………………….. 65
4.6 Android-приложение для распознавания AR-целей………………………. 67
4.7 Android-приложение для построения пространственной карты ……… 69
5. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение …………………………………………………………………………….. 72
5.1 Организация и планирование работ……………………………………………. 72
5.2 Расчет сметы затрат на выполнение проекта ……………………………….. 76
5.2.1 Расчет затрат на материалы ………………………………………………………. 76
5.2.2 Расчет заработной платы ………………………………………………………….. 77
5.2.3 Расчет затрат на социальный налог ……………………………………………. 78
5.2.4 Расчет затрат на электроэнергию……………………………………………….. 79
5.2.5 Расчет амортизационных расходов…………………………………………….. 80
5.2.6 Расчет прочих расходов……………………………………………………………. 81
5.2.7 Расчет общей себестоимости разработки ……………………………………. 81
5.2.8 Расчет прибыли……………………………………………………………………….. 82
5.2.9 Расчет НДС …………………………………………………………………………….. 82
5.2.10 Цена разработки НИР ………………………………………………………………. 82
5.3 Оценка экономической эффективности проекта ………………………….. 82
6. Социальная ответственность …………………………………………………….. 84
6.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности … 85
6.1.1 Специальные правовые нормы трудового законодательства …………. 85
6.1.2 Эргономические требования к рабочему месту исследователя ………. 86
6.2 Производственная безопасность………………………………………………… 87
6.2.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов ……………… 88
6.2.1.1 Отсутствие или недостаток естественного света ………………………….. 88
6.2.1.2 Отклонение показателей микроклимата ……………………………………… 89
6.2.1.3 Превышение уровня шума ………………………………………………………… 90
6.2.1.4 Повышенная напряженность магнитного поля ……………………………. 91
6.2.2 Обоснование мероприятий по снижению уровней воздействия опасных
и вредных факторов на исследователя ………………………………………………….. 92
6.2.2.1 Отсутствие или недостаток естественного света ………………………….. 92
6.2.2.2 Отклонение показателей микроклимата ……………………………………… 93
6.2.2.3 Превышение уровня шума ………………………………………………………… 94
6.2.2.4 Повышенная напряженность магнитного поля ……………………………. 94
6.3 Экологическая безопасность …………………………………………………….. 95
6.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ……………………………………. 96
6.4.1 Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть при разработке и
эксплуатации предмета исследования …………………………………………………… 96
6.4.2 Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка
порядка действия в случае возникновения ЧС ……………………………………….. 97
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………. 99
CONCLUSION …………………………………………………………………………………. 100
Список источников…………………………………………………………………………… 101
Приложение A …………………………………………………………………………………. 105

В ходе выполнения магистерской диссертации были изучены SDK
дополненной реальности, проведен их сравнительный анализ. Многие из них
были применены на практике, что позволило более детально изучить их
особенности и различия.

Сегодня имеется информационная система по управлению объектами
дополненной реальности и реализован базовый функционал по управлению
лабораторными работами. С помощью веб приложения пользователь может
выбрать изображение или пространственную карту в качестве цели
дополненной реальности, и расположить относительно нее виртуальные
объекты: изображения, видео, текст, ссылки и объемные модели. А используя
Android приложение, пользователь осуществляет поиск добавленных в
систему целей, и при их обнаружении загружаются и выводятся зависимые от
нее виртуальные объекты. Такой функционал уже позволяет организовать
простой сценарий подготовки к лабораторной работе или учебному занятию.

Работа над системой продолжается:

• В Android приложение добавляется возможность компоновки
виртуальных объектов при создании пространственных карт,
предоставляя функционал, аналогичный в веб-приложении.
• В веб-приложение при компоновке виртуальных объектов
реализуется выделение и обработка нескольких объектов
одновременно с возможностью ввода значений их позиции, углов
вращения и масштаба через пользовательский интерфейс.
CONCLUSION
In master’s thesis the analytical analysis SDK of augmented reality was
conducted. Every AR SDK has unique features and determines the functionality of
the application.

Today the information system offers extensive functionality for managing of
augmented reality objects and the common functionality for managing of laboratory
work. Using a web application, a user can select an image or spatial map as the target
of augmented reality, and locate virtual objects relative to target. The virtual objects
include: images. video, text, links and 3D models.

Using the Android application, a user searches for AR-targets. When
AR-target is detected, virtual objects will be downloaded and rendered on display of
device.

The current functionality allows to organize a simple scene of preparation
for laboratory work

The system is developing. Will be added the next features:

• Managing of virtual objects and saving of the result to server in Android
application.
• Input data for the position, rotation and scale for the virtual objects using
UI in web application.