Soft educaţional de instruire în domeniul circulaţiei rutiere

Puşcaşu Gheorghe (*) – gpuscasu@ugal.ro Codreş Alexandru (*) – codres_ali@yahoo.com

Codreş Bogdan (*) – bcodres@ugal.ro Puşcaşu Profiriţa (**) – firicapuscasu@yahoo.com

Universitatea Dunărea de Jos, Galaţi (*) Şcoala Nr. 25 Petru Rareş, Galaţi (**)

Abstract În această lucrare se prezintă un soft educaţional de instruire în domeniul circulaţiei rutiere care utilizează elemente de realitate virtuală pentru a prezenta posibile accidente rutiere. Informaţia obţinută printr-o ilustrare vizuală a unor evenimente reprezintă un avantaj major în asimilarea rapidă a cunoştinţelor necesare operării în domeniul respectiv. Un alt avantaj de necontestat al realităţii virtuale constă în faptul că se pot prezenta situaţii limită care în realitate nu ar putea fi prezentate. În cadrul lucrării se prezintă modulele de program necesare implementării softului educaţional şi utilitatea acestora în ceea ce priveşte ilustrarea situaţiilor critice întâlnite în trafic. Pentru o clarificare a tuturor aspectelor întâlnite în cadrul aplicaţiei, în finalul lucrării se prezintă scenariul unui accident des întâlnit în trafic.

1. Introducere O dată cu creşterea numărului de autovehicule, circulaţia rutieră a devenit o activitate

importantă a societăţii actuale. În consecinţă, o instruire adecvată ar reduce considerabil numărul de accidente şi al pagubelor materiale. Datorită globalizării, problema unei instruiri solide în domeniul circulaţiei rutiere reprezintă o prioritate majoră care nu trebuie restrânsă doar la nivelul unei ţări. Din alt punct de vedere traficul rutier este un spaţiu în care operează persoane din toate categoriile sociale şi de diferite profesii, astfel încât o educaţie adecvată în domeniul circulaţiei rutiere reprezintă un factor important în diminuarea efectelor negative asupra societăţii. O instruire continuă începând cu preşcolarii şi terminând cu elevii din ani terminali ai liceului, instruire axată pe latura preventivă, reprezintă un factor decisiv în reducerea accidentelor rutiere.

De menţionat este faptul că la nivel mondial mor anual în accidente de circulaţie 1,2 milioane de persoane, iar procentul cel mai mare se regăseşte în rândul ţărilor slab dezvoltate. În Europa pagubele produse din cauza accidentelor rutiere sunt de aproximativ 310 miliarde euro în decursul unui an.

În contextul celor evidenţiate mai sus, în cadrul acestei lucrări se prezintă softul educaţional de instruire bazat pe platforme virtuale, soft ce conţine un număr semnificativ de cazuri în care au fost implicaţi copii de toate vârstele.

Situaţiile prezentate în cadrul lecţiilor utilizează mijloace de instruire moderne şi eficiente, atât pentru asimilarea cunoştinţelor de bază, cât şi pentru dezvoltarea unei conduite preventive a participanţilor la trafic.

Avantajul major al realităţii virtuale constă în faptul că se pot ilustra situaţii limită în care au fost implicaţi sau în care ar putea fi implicaţi participanţii la trafic [1]. Scenariile lecţiilor virtuale permit analiza, atât din perspectiva pietonului, cât şi din perspectiva conducătorului auto.

Structurile virtuale permit ca o anumită realitate să se desfăşoare fără ca aceasta să existe fizic. În acest mod, într-o primă fază, se elimină efortul de a implementa fizic respectiva realitate. Un

Conferinţa Naţională de Învăţământ Virtual, ediţia a VII-a, 2009 87

alt avantaj al acestui mod de abordare este şi cel referitor la faptul că se poate realiza o instruire eficientă fără riscuri. Mediile virtuale permit reconfigurarea strategiilor de instruire care la rândul lor se pot adapta în funcţie de necesităţile persoanelor care se instruiesc.

2. Structura generală a softului educaţional de instruire în domeniul circulaţiei rutiere

Softul educaţional de instruire în domeniul circulaţiei rutiere conţine module de program care manipulează structuri informaţionale complexe având drept scop ilustrarea unor situaţii ce se pot întâlni în trafic.

Mediul de programare folosit este Microsoft Visual C++ deoarece oferă avantajul programării obiectuale şi poate lucra cu elemente COM (Component Object Model – modelul componentelor obiectuale) [2], [3]. Un element COM este şi DirectX folosit la dezvoltarea aplicaţiilor 3D.

Cele mai importante componente ale elementelor COM sunt interfeţele acestora pentru care obiectele propriu-zise reprezintă cutii negre ce implementează o funcţionalitate particulară. Pentru a putea utiliza această funcţionalitate, programele trebuie să respecte un protocol bine definit privind transmiterea parametrilor şi obţinerea rezultatelor. Acest protocol dintre programul client şi obiect este numit interfaţă.

Programele realizate în acest mediu de dezvoltare sunt riguros structurate, deci ocupă un spaţiu de memorie mic, iar execuţia acestora este rapidă. Aceste aspecte sunt importante într-o aplicaţie de prelucrare a imaginilor şi a sunetului.

Microsoft Visual C++ oferă posibilitatea de a realiza aplicaţii utilizând MFC (Microsoft Foundation Classes) şi astfel simplificându-se programarea sub Windows deoarece se foloseşte programarea orientată pe obiecte, dar şi posibilitatea de a folosi numai funcţii standard API (Aplication Program Interfaces). Aceste ultime aplicaţii împreună cu mediul de dezvoltare SDK (Standard Developer Kit) reprezintă instrumentele soft cu ajutorul cărora se implementează softul educaţional de instruire în domeniul circulaţiei rutiere.

Structura generala a softului educaţional care face obiectul acestei lucrări este ilustrată în figura următoare:

Figura 1. Structura generală a softului educaţional

Semnificaţia componentelor software este următoarea: Modulul soft de generare şi manipulare a interfeţei utilizator pune la dispoziţia

utilizatorului o serie de unelte de lucru care permit un dialog prietenos şi eficient în prezentarea şi ilustrarea situaţiilor tratate în cazul fiecărei lecţii.

Modulul soft de interpretare a scriptului asociat unei lecţii reprezintă componenta software care are menirea de a interpreta scenariul unei lecţii şi de a manipula elementele virtuale în scopul ilustrării cazuisticii prezentate.

Universitatea din Bucureşti şi Universitatea Tehnică “Gh. Asachi” Iaşi 88

Scriptului asociat unei lecţii conţine o succesiune de evenimente ce se declanşează la momente de timp bine definite astfel încât situaţiile prezentate să coincidă în totalitate cu evenimente rutiere care au avut loc sau care ar putea să se întâmple.

Tematica tratată în cadrul softului este structurată în nouă categorii de evenimente după cum urmează: situaţii la trecerea de pietoni, situaţii la semafor, situaţii în care se traversează prin locuri nemarcate, situaţii în apropierea carosabilului, semnale utilizate în trafic, situaţii cu biciclişti, situaţii cu motociclişti, situaţii în staţiile mijloacelor de transport în comun, situaţii periculoase pe timp de iarnă.

Mediul virtual necesar ilustrării evenimentelor rutiere [4] este format din platforme virtuale care conţin elemente ale infrastructurii rutiere : semafoare, indicatoare, marcaje, intersecţii, pietoni, biciclişti etc. Aceste obiecte virtuale sunt animate prin intermediul scriptului. În figura următoare se reprezintă o platformă virtuală care conţine şi elemente ale infrastructurii rutiere:

Figura 2. Exemplu de mediu virtual

Soft pentru proiecţia lumii virtuale Pentru proiecţia lumii virtuale se utilizează Direct3D care conţine un modul de transformare,

unul de iluminare şi unul de rasterizare, aşa cum este ilustrat în figura nr.3. Aceste module au rolul de a transforma obiectele 3D, de a procesa texturile şi respectiv de a stabili ordinea de desenare, astfel încât percepţia să fie similară cu cea a unei camere video.

Figura 3. Modelele Direct3D

Modulul de transformare conţine un număr de trei transformări care se aplică obiectelor 3D,

astfel încât acestea, reprezentate într-un plan (ecranul monitorului), să ofere o percepţie 3D a obiectelor desenate [5]. În cele ce urmează se va prezenta doar modulul de transformare (figura nr. 4), deoarece acesta presupune un volum de calcul mare şi necesită o procesare specială a informaţiei - procesare de tip pipeline.

Procesarea informaţiei este de tip pipeline şi presupune trei etape de calcul asupra

coordonatelor punctelor din spaţiul de lucru.

Conferinţa Naţională de Învăţământ Virtual, ediţia a VII-a, 2009 89

Figura 4. Procesare pipeline

Transformarea lumii 3D [6] are rolul de a transforma coordonatele verticelor de la un sistem

propriu de coordonate, la un sistem comun de coordonate, sistem corespunzător noii lumi 3D. În esenţă, această transformare plasează obiectele 3D în spaţiul corespunzător lumii create. Transformarea utilizează în majoritatea cazurilor translaţii, rotaţii şi scalări. Modul de realizare a transformării unui obiect în lumea 3D este ilustrat în figura nr. 5.

Transformarea în raport cu un punct de vedere are drept scop recalcularea coordonatelor obiectelor raportate la un nou sistem de coordonate care are aceeaşi origine cu originea spaţiului camerei, iar axa Oz este orientată pe direcţia camerei. O posibilitate de a crea o matrice prin care să se realizeze o transformare în raport cu un punct de vedere, constă în combinarea unei matrici de translaţie cu trei matrici de rotaţie corespunzătoare celor trei axe. În acest context, formula de calcul a unei matrici V este următoarea:

, (1) unde:

T - este matricea de translaţie; Rx - matricea de rotaţie în jurul axei OX; Ry - matricea de rotaţie în jurul axei OY; Rz - matricea de rotaţie în jurul axei OZ. Transformările de tip proiecţii au rolul de a micşora dimensiunea obiectelor aflate la

distanţă, în comparaţie cu cele apropiate, pentru a realiza o percepţie reală a scenei renderizate. De exemplu: camera se află la o distanţă D faţă de originea spaţiului lumii 3D, atunci o primă transformare (TR1) care se aplică obiectului care se doreşte a fi desenat este următoarea:

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

=

1000

110000100001

1D

TR

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−

=

100010000100001

2

D

TR

Figura 5. Transformare

de coordonate

Universitatea din Bucureşti şi Universitatea Tehnică “Gh. Asachi” Iaşi 90

Ţinând cont de faptul că noul punct de vedere se află în punctul corespunzător camerei, se impune o transformare de translaţie utilizând matricea TR2. Prin înmulţirea celor două matrici rezultă următoarea matrice compusă:

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−

=∗=

100

110000100001

213

DD

TRTRTR

care se utilizează pentru realizarea proiecţiilor obiectelor corespunzătoare lumii 3D. Stabilirea volumului vizibil reprezintă procedura prin care se determină obiectele ce se

afişează şi care corespund unui volum bine definit (figura nr. 6.).

Figura 6. Stabilirea volumului vizibil

În urma procesării datelor iniţiale de către modulul de transformare se obţin datele finale, date

care sunt trimise modului de rasterizare pentru afişarea acestora pe monitor. Ilustrarea unei situaţii critice la trecerea pentru pietoni După cum se ştie, trecerile de pietoni reprezintă acea parte a carosabilului unde se întâlnesc atât

pietonii cât şi autovehiculele. Trecerile de pietoni au generat multe accidente în situaţia în care nu se respectă regulile de circulaţie.

Pentru a ilustra o situaţie critică la trecerea de pietoni [7] se consideră următorul scenariu (figura nr.7):

• un autobuz staţionat lângă trecerea de pietoni, • microbuz care circulă pe banda doi şi care a sesizat pietonul şi are timp să oprească la

trecerea de pietoni • maşina albastră care vine cu viteză pe banda trei şi nu observă pietonul din cauză că

acesta este mascat de microbuz. • maşini care circulă pe benzile din sens invers dând impresia conducătorului

autoturismului albastru că trecerea de pietoni este liberă. • pietonul grăbit care nu prevede pericolul coliziunii cu maşina de pe banda trei.

Acest complex de factori a generat multe accidente pe trecerile de pietoni, deoarece şoferul autoturismului albastru (figura nr. 8) are impresia că pe trecerea de pietoni nu se află nici o persoană, impresie sugerată de deplasarea microbuzului roşu.

Conferinţa Naţională de Învăţământ Virtual, ediţia a VII-a, 2009 91

Figura 7. Vedere exterioară Figura 8. Vedere din perspectiva şoferului implicat în accident

În momentul în care maşina albastră ajunge în dreptul trecerii de pietoni, din cauza distanţei

mici între maşină şi pieton, accidentul nu mai poate fi evitat. Aşa cum reiese din figurile nr. 9 şi nr. 10 sincronizarea pietonului şi a autoturismului albastru a dus la imposibilitatea evitării accidentului.

Figura 7. Vedere exterioară Figura 8. Vedere din perspectiva şoferului implicat în accident

Factorii care au determinat acest accident sunt:

• oprirea autobuzului în dreptul trecerii de pietoni • viteza mare a autoturismului albastru (120 Km/h) • trecerea pietonului fără o asigurare temeinică.

Prezentarea situaţiei descrise mai sus, dispunând de instrumente software moderne şi de platforme virtuale în care evenimentele se pot analiza atât din perspectiva pietonului cat şi din cea a conducătorului auto, reprezintă o modalitate modernă şi eficientă de instruire.

Universitatea din Bucureşti şi Universitatea Tehnică “Gh. Asachi” Iaşi 92

3. Concluzii Dezvoltarea tehnicilor moderne de realitatea virtuală permite realizarea unor medii 3D care

facilitează un transfer de informaţie cu un spectru larg în ceea ce priveşte problematica accidentelor de circulaţie în rândul pietonilor. O asemenea abordare permite o prezentare a tuturor cauzelor care stau la baza evenimentelor rutiere. Softul menţionat pune la dispoziţia utilizatorului un set de platforme virtuale dedicate lecţiilor de circulaţie pentru copii, structurate pe tipuri de evenimente însoţite de accidente grave.

Lecţiile incluse în cadrul softului prezentat în această lucrare oferă avantaje deosebite faţă de cele care există la acest moment, prin faptul că dispun de un mediu 3D bine structurat în raport cu tematica necesară. De asemenea, ele permit o interacţiune completă cu problematica prezentată: camere multiple, posibilitatea schimbării unghiului de vedere al acestora, oprirea animaţiei şi posibilitatea marcării unor aspecte în cadrul scenei.

BIBLIOGRAFIA

[1] F. Lawrence, J. G. Casali, W. W. Wierwille, “Effects of Visual Display and Motion System Delays on Operator Performance and Uneasiness in Driving Simulator”, Human Factor, 1988, pp 201-217. [2] N. Barakakati, “Borland C++4 Ghidul Programatorului”, Ed. Teora, 1997. [3] F. Moldoveanu, G. Hera, “Programarea aplicaţiilor WINDOWS”, Ed. Teora, 1994 [4] F. Ionescu, “Grafica în realitatea virtuală”, Ed. Tehnică, 2000. [5] P. J. Kovach, “The Awesome Power of Direct3D/DirectX”, Softbound, 1997 [6] M. T. Peterson, “3D Studio MAX FUNDAMENTE”, Ed. Teora 2001. [7] V. Wolffelaar PC, V. Winsum, “Traffic simulation and driving simulation – an integrated approach”, In

Proceedings of the Driving Simulation Conference (DSC’95), Toulouse, France.