AR技術(shù)在機(jī)械制圖課程教學(xué)上的應(yīng)用

李琳　石峰　董楠楠

摘要：目前，各高校的教學(xué)模式仍為傳統(tǒng)的單一教學(xué)模式，為提升教學(xué)水平，提高教學(xué)質(zhì)量，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中，是目前改變傳統(tǒng)教學(xué)模式的一種方法。論文以《機(jī)械制圖》課程為例，使用HoloLens虛擬智能眼鏡，探究將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到該課程上的優(yōu)勢(shì)，以及該課程的AR輔助教學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí);機(jī)械制圖;HoloLens;虛擬現(xiàn)實(shí);教育應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）04-0213-02

Abstract： At present， the teaching method of university is still the traditional single teaching method. In order to improve the teaching level and teaching quality， virtual reality technology and augmented reality technology are applied to teaching， which is a way to change the traditional teaching method. Taking Mechanical Drawing course as an example， this paper uses Hololens virtual goggles to explore the advantages of applying augmented reality technology to this course， as well as the development and application of AR assistant instructional system of this course.

Key words： augmented reality; mechanical drawing; hololens; virtual reality; education application

1 引言

《機(jī)械制圖》是各院校工科專(zhuān)業(yè)的一門(mén)非常重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。其教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生具有一定的識(shí)圖、讀圖和制圖能力，并培養(yǎng)學(xué)生使其具有一定的空間想象能力[1]。但在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，由于教學(xué)模式單一、教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際聯(lián)系脫節(jié)以及課程設(shè)置不合理等原因，使得部分學(xué)生對(duì)平面上的三維零件圖，很難想象出其三視圖的效果。進(jìn)而逐漸使學(xué)生對(duì)該課程產(chǎn)生抵觸心理，而達(dá)不到良好的教學(xué)效果。但隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷蓬勃發(fā)展，將AR技術(shù)應(yīng)用到《機(jī)械制圖》的課程中，學(xué)生將從被動(dòng)轉(zhuǎn)向主動(dòng)，通過(guò)增強(qiáng)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的感知和認(rèn)知途徑，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，進(jìn)而達(dá)到更好的教學(xué)效果。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR的英文全稱(chēng)為Augmented Reality）是一種將真實(shí)的現(xiàn)實(shí)世界與虛擬環(huán)境中的信息巧妙融合的技術(shù)[2]。該技術(shù)廣泛運(yùn)用了多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)跟蹤及注冊(cè)、智能交互、傳感等多種技術(shù)手段，將由計(jì)算機(jī)制作出來(lái)的三維模型、虛擬場(chǎng)景以及音樂(lè)、文字、視頻等信息應(yīng)用到真實(shí)世界中[3]，使人們能都在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中與虛擬的各種場(chǎng)景信息進(jìn)行觀(guān)摩或互動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到真實(shí)世界“增強(qiáng)”的目的。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要有三個(gè)特點(diǎn)，分別是三維注冊(cè)、虛擬現(xiàn)實(shí)融合顯示以及人機(jī)交互[4]。其中三維注冊(cè)是指，為了讓虛擬環(huán)境中的各個(gè)虛擬物體能夠與周?chē)恼鎸?shí)環(huán)境完美融合，且不會(huì)讓體驗(yàn)者在A(yíng)R環(huán)境中產(chǎn)生異物感或沖突感，而對(duì)虛擬物體和真實(shí)環(huán)境的三維空間位置坐標(biāo)進(jìn)行的精準(zhǔn)匹配。正是由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的這三個(gè)主要特點(diǎn)，為現(xiàn)代教育領(lǐng)域增添了新的教學(xué)方式，使那些晦澀難懂或者需要較強(qiáng)空間想象能力的學(xué)習(xí)內(nèi)容有了一個(gè)全新的展示方式，也為學(xué)習(xí)者搭建了更具有探索性的學(xué)習(xí)平臺(tái)，為未來(lái)的教學(xué)領(lǐng)域開(kāi)拓了更廣闊的空間。

3 AR技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械制圖課程的優(yōu)勢(shì)分析

3.1教學(xué)模式多樣化，開(kāi)闊學(xué)生視野

在傳統(tǒng)的《機(jī)械制圖》課堂教學(xué)模式下，學(xué)生通過(guò)教師單向的進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的傳遞，學(xué)生也只能被動(dòng)的通過(guò)聽(tīng)取課堂教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)自己的空間想象能力對(duì)機(jī)械零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行繪制主視圖、俯視圖、左視圖以及剖面圖。將AR技術(shù)應(yīng)用到課堂教學(xué)中，學(xué)生可以在課堂上更直觀(guān)地看到機(jī)械結(jié)構(gòu)，充分理解機(jī)械結(jié)構(gòu)在圖紙上的展現(xiàn)形式，一方面使課堂教學(xué)活動(dòng)變得更加活躍不再如傳統(tǒng)教學(xué)那般的單一、枯燥。另一方面，讓學(xué)生能夠更多地接觸新設(shè)備，新技術(shù)，感受科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，進(jìn)而開(kāi)闊了學(xué)生的視野。

3.2虛實(shí)結(jié)合，提高學(xué)生空間想象能力

不同于VR技術(shù)的純虛擬環(huán)境下展示，AR技術(shù)可以借用AR設(shè)備，將虛擬模型與真實(shí)環(huán)境相結(jié)合并反映在同一個(gè)空間中。而且對(duì)于《機(jī)械制圖》課程中一些較為復(fù)雜的機(jī)械零件，學(xué)生是需要具有一定的空間想象能力才能畫(huà)出其三視圖。而通過(guò)AR技術(shù)，機(jī)械零件會(huì)以更為直觀(guān)的形式呈現(xiàn)在學(xué)生面前，學(xué)生可以直接360°的觀(guān)察模型，充分理解機(jī)械零件在圖紙上的表達(dá)方式，幫助學(xué)生理解對(duì)三視圖畫(huà)法原理，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的空間想象能力。

3.3交互設(shè)計(jì)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

在課堂教學(xué)中，使用圖片展示，視頻播放或者增加與學(xué)生之間的互動(dòng)，可以在一定程度上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。而在《機(jī)械制圖》課堂教學(xué)中，學(xué)生可以通過(guò)AR虛擬場(chǎng)景與零件模型進(jìn)行環(huán)繞走動(dòng)觀(guān)察和點(diǎn)擊模型的互動(dòng)交互，使書(shū)本上靜態(tài)的知識(shí)，變得可以互動(dòng)選擇、可以接觸甚至可以近距離觀(guān)察。這樣的互動(dòng)交互將極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也為學(xué)生創(chuàng)造更多的探索式學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，增加教師與學(xué)生之間的交流互通，活躍課堂氛圍。

4 AR輔助教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)

4.1系統(tǒng)研發(fā)工具的選擇

該系統(tǒng)采用微軟公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的虛擬智能眼鏡產(chǎn)品——HoloLens，并采用的是第一代設(shè)備產(chǎn)品。該設(shè)備采用Windows10系統(tǒng)，擁有先進(jìn)的傳感器、高清晰度3D光學(xué)透鏡顯示器和環(huán)繞音效，允許用戶(hù)在虛擬場(chǎng)景中通過(guò)凝視（Gaze Input）、語(yǔ)音輸入（Voice Input）和手勢(shì)（Gesture）與虛擬場(chǎng)景進(jìn)行交互[5]，圖1簡(jiǎn)要列舉HoloLens的一些硬件細(xì)節(jié)。在HoloLens設(shè)備中，是通過(guò)創(chuàng)建一種稱(chēng)為全息圖（Hologram）的包含光線(xiàn)和聲音的物體，在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行展示和交互。使用者可通過(guò)手勢(shì)或者語(yǔ)音對(duì)Hologram進(jìn)行互動(dòng)，在與用戶(hù)互動(dòng)的同時(shí)，Hologram同樣能夠與真實(shí)世界的表面產(chǎn)生互動(dòng)。

全息圖在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中有兩種處理方式。一種處理方式是放置。使用者可以將創(chuàng)建出來(lái)的虛擬物體非常準(zhǔn)確的放置在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的某個(gè)位置，并且可以360°觀(guān)察它且虛擬物體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)或者消失的現(xiàn)象。另一種處理方式是跟隨。開(kāi)發(fā)者可以將虛擬物體的位置設(shè)置在相對(duì)用戶(hù)的某個(gè)位置。即，使用者無(wú)論位置發(fā)生怎樣的變換，虛擬物體都會(huì)跟隨使用者，且相對(duì)位置不發(fā)生改變。

4.2自主選擇觀(guān)察模型功能實(shí)現(xiàn)

對(duì)模型添加自主選擇功能，可增加系統(tǒng)操作的靈活性。HoloLens設(shè)備可通過(guò)添加手勢(shì)功能實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的選擇交互功能。HoloLens設(shè)備的手勢(shì)功能分為低級(jí)別的收視數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)和高級(jí)別手勢(shì)識(shí)別。該系統(tǒng)采用高級(jí)別手勢(shì)識(shí)別中的tap（單擊）功能。

在Unity中添加創(chuàng)建好的機(jī)械零件模型，對(duì)Unity環(huán)境進(jìn)行場(chǎng)景設(shè)置和工程設(shè)置。創(chuàng)建Gesture Recognizer后制定需要捕捉的手勢(shì)類(lèi)型，該程序設(shè)置手勢(shì)類(lèi)型為單擊，圖2為零件模型的手勢(shì)識(shí)別效果圖。添加捕捉的單擊手勢(shì)后的處理程序，設(shè)定為選擇目標(biāo)模型后，模型移動(dòng)至用戶(hù)眼前適當(dāng)距離并放大。

4.3多方位觀(guān)察模型功能實(shí)現(xiàn)

HoloLens的強(qiáng)大功能在于用戶(hù)佩戴上設(shè)備后，觀(guān)察到的虛擬物體和周?chē)恼鎸?shí)世界是有機(jī)完美結(jié)合的。而將真實(shí)世界和虛擬物體完美結(jié)合的橋梁，便是世界錨（World Anchor）。通過(guò)世界錨，設(shè)計(jì)人員可以在Unity中添加一個(gè)虛擬物體并定位到現(xiàn)實(shí)世界的某個(gè)位置，增加虛擬物體與真實(shí)環(huán)境的融合性。

該系統(tǒng)中，用戶(hù)佩戴上HoloLens設(shè)備后，場(chǎng)景中的機(jī)械模型是跟隨用戶(hù)的頭部轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)的，始終保持在相對(duì)人眼的一個(gè)固定位置。單擊選擇需要觀(guān)察的機(jī)械模型后，模型會(huì)移動(dòng)到用戶(hù)眼前的位置并固定，用戶(hù)可圍繞模型走動(dòng)，即可觀(guān)察機(jī)械模型三視圖的畫(huà)法。

5 AR技術(shù)在教學(xué)上的展望

將AR技術(shù)應(yīng)用在《機(jī)械制圖》的教學(xué)課堂上，只是AR技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域上應(yīng)用的一個(gè)縮影。AR技術(shù)的直觀(guān)性、交互性以及可定位性等特點(diǎn)，決定了AR技術(shù)在教育教學(xué)上有著巨大的發(fā)揮空間。不論是將教學(xué)內(nèi)容向?qū)W生展示，降低學(xué)生理解抽象理論的難度，還是讓學(xué)生在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中，與模型進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，比如進(jìn)行實(shí)訓(xùn)操作方面的練習(xí)等等。AR技術(shù)，使學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)從被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)式探究學(xué)習(xí)，開(kāi)拓學(xué)生的眼界，發(fā)散學(xué)生的思維，進(jìn)而培養(yǎng)出創(chuàng)新型人才。

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【通聯(lián)編輯：王力】