基于Unity 3D的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與維修AR教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)

高峰 左德遙 樓丹 廖觀福 余謙 葉蘇蓮

[摘? ? ? ? ? ?要]? 基于Unity 3D，開(kāi)發(fā)了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與維修AR教學(xué)軟件，產(chǎn)品形態(tài)上表現(xiàn)為APP，分為安卓版和IOS版。開(kāi)發(fā)本教學(xué)軟件，關(guān)鍵技術(shù)主要包括跟蹤注冊(cè)技術(shù)、顯示技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)。在跟蹤注冊(cè)技術(shù)方面，采用基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的跟蹤注冊(cè)技術(shù);在顯示技術(shù)方面，適配透視式頭盔顯示器和智能移動(dòng)終端;在人機(jī)交互技術(shù)方面，采用藍(lán)牙輸入（透視式頭盔顯示器）和觸控（智能移動(dòng)終端）。底層識(shí)別算法由Vuforia SDK提供;屏幕識(shí)別技術(shù)采用FingerGestures插件實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用效果表明，所開(kāi)發(fā)的教學(xué)軟件具備新形態(tài)一體化教材的所有優(yōu)點(diǎn);此外，該教學(xué)軟件能夠在最貼近自然的交互形式下為學(xué)習(xí)者搭建一個(gè)自主探索的空間，進(jìn)而改變教育方式，改變閱讀方式。除了提供汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與維修AR教學(xué)軟件，還為后續(xù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教育教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)者提供方法論指引和技術(shù)指引。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? Unity 3D;發(fā)動(dòng)機(jī);構(gòu)造;維修;增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

[中圖分類(lèi)號(hào)]? TP391.9? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)]? 2096-0603（2021）15-0106-03

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與維修課程是普通高校、高職高專、中職學(xué)校汽車(chē)類(lèi)各專業(yè)的主干課程之一。該課程教學(xué)包括理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)。理論教學(xué)系統(tǒng)講解發(fā)動(dòng)機(jī)的總體構(gòu)造、發(fā)動(dòng)機(jī)的基本工作原理;實(shí)踐教學(xué)通過(guò)拆、裝發(fā)動(dòng)機(jī)，增進(jìn)學(xué)生對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)知，獲得檢測(cè)、拆裝、維修發(fā)動(dòng)機(jī)的基本技能，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各部分原理進(jìn)行分析、驗(yàn)證[1]?？梢?jiàn)，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與維修課程是一門(mén)與實(shí)踐環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系的課程，這對(duì)相關(guān)教學(xué)資源的質(zhì)量和形態(tài)提出了極高的要求。

目前，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與維修課程的相關(guān)教學(xué)資源在形態(tài)上主要表現(xiàn)為新形態(tài)一體化教材及相關(guān)多媒體教學(xué)資源庫(kù)、實(shí)物實(shí)驗(yàn)資源、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源等[1-3]。這些教學(xué)資源，雖然能夠有效支撐教師開(kāi)展“翻轉(zhuǎn)課堂”“混合式教學(xué)”等教學(xué)活動(dòng)，但也存在較大的改進(jìn)空間。例如，目前新形態(tài)一體化教材的電子素材主要包括PPT、視頻、音頻、CAD三維構(gòu)圖、Flash動(dòng)畫(huà)等，主要靠聲、光、電的綜合運(yùn)用吸引學(xué)生的注意力，提高學(xué)習(xí)興趣。各種媒體資源的相互作用比較簡(jiǎn)單，學(xué)生面對(duì)的是其簡(jiǎn)單聯(lián)合、合作，不同媒體形式之間還存在一定的隔閡，有時(shí)候不得不面對(duì)單選題，比如數(shù)字閱讀與紙質(zhì)閱讀[4]。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）技術(shù)的發(fā)展為改進(jìn)上述不足提供了一條現(xiàn)實(shí)路線。AR是對(duì)真實(shí)環(huán)境的增強(qiáng)，將計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地疊加到真實(shí)場(chǎng)景中，創(chuàng)造出一種全新的體驗(yàn)和交互方式，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)與人們生活的零距離接觸[5]。將AR技術(shù)與云平臺(tái)融合，設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與維修AR教學(xué)軟件，能夠在最貼近自然的交互形式下為學(xué)生搭建一個(gè)自主探索的空間，進(jìn)而改變教育方式，改變閱讀方式[6]。

基于上述觀點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與維修AR教學(xué)軟件。在下文中，如無(wú)特別說(shuō)明，將汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與維修AR教學(xué)軟件簡(jiǎn)稱為“發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件”。

一、發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件設(shè)計(jì)

（一）發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件的結(jié)構(gòu)、資源和內(nèi)容

發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件的內(nèi)容非常廣泛，大體上分為三個(gè)部分[3]：（1）汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的總體構(gòu)造。（2）發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車(chē)上的布置以及各機(jī)構(gòu)和各系統(tǒng)的裝配關(guān)系。（3）現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)和新材料。這就要求發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件在設(shè)計(jì)階段，必須統(tǒng)籌兼顧，既要涵蓋所有講授內(nèi)容，又要做到突出重點(diǎn)、力求實(shí)效，有效幫助學(xué)生掌握發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理知識(shí)和相關(guān)技術(shù)技能。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件采用理實(shí)一體化的教學(xué)設(shè)計(jì)[7]，根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)和職業(yè)工作需求，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)方式安排教學(xué)內(nèi)容。例如，內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)四沖程汽油機(jī)由兩大機(jī)構(gòu)（曲柄連桿機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu)）、五大系統(tǒng)（燃料供給系、點(diǎn)火系、潤(rùn)滑系、冷卻系、起動(dòng)系）組成。相應(yīng)的，發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件由10個(gè)單元、24個(gè)工作任務(wù)構(gòu)成。根據(jù)實(shí)際情況，每個(gè)工作任務(wù)又被細(xì)分成若干個(gè)工作子任務(wù)。最終，發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件由10個(gè)單元、24個(gè)工作任務(wù)、58個(gè)工作子任務(wù)構(gòu)成。

（二）發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件的功能

1.發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件的功能性需求

發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件在產(chǎn)品形態(tài)上表現(xiàn)為APP，分為安卓版和IOS版。發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件適配的顯示技術(shù)包括透視式頭盔顯示器和智能移動(dòng)終端[8]。對(duì)于兩種顯示技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件在功能性方面的需求大同小異，區(qū)別主要表現(xiàn)在人機(jī)交互技術(shù)方面。限于篇幅，本文僅給出適配智能移動(dòng)終端的發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件的功能性需求，如下表所示。

2.發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件的體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)上表，確定發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件包括兩個(gè)基本功能模塊：AR掃描、資源庫(kù)。

（1）AR掃描

學(xué)習(xí)者使用AR掃描模塊掃描紙質(zhì)上或網(wǎng)頁(yè)上的圖片，可以獲取與圖片對(duì)應(yīng)的模型資源。發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件的顯著優(yōu)點(diǎn)是：支持下載資源離線使用。利用這一特性，學(xué)習(xí)者可以提前下載好下次需要學(xué)習(xí)的資源，避免在線下載等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。資源下載后，學(xué)習(xí)者可以對(duì)資源模型進(jìn)行相應(yīng)的操作，包括但不限于拆裝、放大、縮小、旋轉(zhuǎn)等。

（2）資源庫(kù)

資源庫(kù)界面為資源下載界面，分為資源管理和資源列表，資源列表以表格形式陳列可供下載的資源;資源管理對(duì)已下載或在下載的資源進(jìn)行管理，可對(duì)資源進(jìn)行刪除，資源在刪除后可以再次下載。

二、發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件實(shí)現(xiàn)

（一）關(guān)鍵技術(shù)

AR的關(guān)鍵技術(shù)主要包括跟蹤注冊(cè)技術(shù)、顯示技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)等[8]。

1.跟蹤注冊(cè)技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件采用基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的跟蹤注冊(cè)技術(shù)，使用標(biāo)定的攝像機(jī)利用單幅圖像中已知點(diǎn)的位置實(shí)現(xiàn)跟蹤注冊(cè)。在實(shí)現(xiàn)方式上，采用基于人工標(biāo)志的方法[8]，將包含有特定人工標(biāo)志（例如拐點(diǎn)、孔洞、人為放置的標(biāo)志點(diǎn)）的物體放置在真實(shí)場(chǎng)景中，通過(guò)對(duì)攝像機(jī)采集到的圖像中的已知模板進(jìn)行識(shí)別獲得攝像機(jī)位置，之后經(jīng)過(guò)坐標(biāo)系的變換，將虛擬物體疊加到真實(shí)場(chǎng)景中。發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件采用的跟蹤注冊(cè)技術(shù)，利用圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)的方法協(xié)助注冊(cè)，優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)硬件要求較低;使得測(cè)量誤差局限在圖像空間范圍（以像素為單位）。

2.顯示技術(shù)

顯示技術(shù)，即AR的視覺(jué)通道，是AR系統(tǒng)的重要組成部分。發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件適配兩類(lèi)顯示技術(shù)，即：透視式頭盔顯示器和智能移動(dòng)終端。實(shí)現(xiàn)思路如下：?jiǎn)?dòng)APP，進(jìn)入AR掃描界面，掃描圖片加載對(duì)應(yīng)模型，顯示在智能移動(dòng)終端屏幕上或透視式頭盔顯示器上;若掃描一張圖片對(duì)應(yīng)多個(gè)模型或資源時(shí)，可在資源庫(kù)界面中點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)模塊按鈕實(shí)現(xiàn)相互切換，不用再重新掃描。

3.人機(jī)交互技術(shù)

人機(jī)交互是AR的核心問(wèn)題。傳統(tǒng)的人機(jī)交互方式包括鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、麥克風(fēng)等。隨著技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)不斷出現(xiàn)一些更加自然的交互方式，例如語(yǔ)音、觸控、眼動(dòng)、手勢(shì)、體感等?？紤]到便攜性、移動(dòng)性等因素，發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件在適配透視式頭盔顯示器時(shí)，采用藍(lán)牙輸入交互方式;在適配智能移動(dòng)終端時(shí)，采用觸控交互方式。在掃描圖片并加載模型后，學(xué)習(xí)者可以“身臨其境”地與模型進(jìn)行交互。例如，在智能移動(dòng)終端，學(xué)習(xí)者單點(diǎn)觸摸屏幕，可實(shí)現(xiàn)模型的上下左右旋轉(zhuǎn);多點(diǎn)觸摸屏幕，可實(shí)現(xiàn)模型的放大與縮小。

（二）開(kāi)發(fā)環(huán)境

概括地說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件在開(kāi)發(fā)階段需要完成3項(xiàng)任務(wù)：3D建模、底層識(shí)別算法設(shè)計(jì)、應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

3D建模任務(wù)在3ds Max 2019環(huán)境下完成，建模內(nèi)容為四沖程汽油機(jī)的兩大機(jī)構(gòu)和五大系統(tǒng)，建模對(duì)象為四沖程汽油機(jī)相關(guān)的全部零部件。發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件的核心目標(biāo)是：用戶將在AR場(chǎng)景中完成全部學(xué)習(xí)任務(wù)，包括完成放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、拆裝、檢測(cè)、清洗、測(cè)量、移動(dòng)等操作。這就需要美術(shù)工程師在3ds Max 2019環(huán)境下完成相關(guān)動(dòng)畫(huà)、特效的設(shè)計(jì)與建模。

發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件沒(méi)有特別設(shè)計(jì)底層識(shí)別算法，而是由AR開(kāi)發(fā)插件提供。目前，主流的AR開(kāi)發(fā)插件有Vuforia、Metaio、Wikitude、Easy AR、Hiar、ARToolkit、ARVR云設(shè)計(jì)等[9]。AR教程選擇Vuforia SDK，底層識(shí)別算法由Vuforia SDK提供。集成陀螺儀、GPS等功能模塊實(shí)現(xiàn)AR教程的相關(guān)功能。

應(yīng)用開(kāi)發(fā)在Unity 2018.2.9f1 （64-bit） 引擎上完成，腳本編輯器為Visual Studio 2017，程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言采用C#。智能移動(dòng)終端屏幕識(shí)別技術(shù)可以采用Unity原生的觸控API實(shí)現(xiàn)，也可以采用目前成熟的Unity屏幕觸控插件，例如FingerGestures插件、Touch Script插件等進(jìn)行開(kāi)發(fā)。在發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件中，為提高開(kāi)發(fā)效率，屏幕識(shí)別技術(shù)采用FingerGestures插件實(shí)現(xiàn)。

（三）網(wǎng)絡(luò)模塊視圖

發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件的服務(wù)器部署在云端，為此，需要設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)模塊，網(wǎng)絡(luò)模塊視圖如圖2所示，各組件功能描述如下：

1.Upload Handler組件

處理數(shù)據(jù)到服務(wù)器的傳輸。

2.Download Handler組件

處理從服務(wù)器收到的數(shù)據(jù)的接收、緩沖和后處理。

3.UnityWebRequest組件

管理另外兩個(gè)對(duì)象，并處理HTTP流量控制。

4.User-Authored Scripts組件

處理相關(guān)業(yè)務(wù)邏輯的腳本。

三、發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件發(fā)布與測(cè)試

（一）發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件發(fā)布技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件APP包括IOS版和安卓版。面向IOS平臺(tái)發(fā)布*.ipa文件，發(fā)布步驟比較簡(jiǎn)單，只需兩個(gè)步驟：通過(guò)Unity導(dǎo)出工程文件到XCode編輯器;然后，通過(guò)XCode編輯器生成最終軟件包。面向Android 平臺(tái)發(fā)布*.apk文件，步驟較為繁瑣：首先，需要安裝與配置java SDK;其次，需要安裝與配置Android SDK;最后，需要在Unity中配置各類(lèi)SDK的路徑。

發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件支持智能移動(dòng)終端和透視式頭盔顯示器。針對(duì)不同的虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備，需要在APP發(fā)布過(guò)程中，通過(guò)Unity引擎分別配置不同的支持虛擬現(xiàn)實(shí)的參數(shù)。

（二）發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件測(cè)試

手持安卓手機(jī)，點(diǎn)擊打開(kāi)APP，默認(rèn)加載AR掃描界面;以AR掃描二維碼、紙質(zhì)教材或網(wǎng)頁(yè)上的圖片，加載對(duì)應(yīng)的模型;觸摸手機(jī)屏幕，可以對(duì)虛擬場(chǎng)景的模型進(jìn)行各類(lèi)操作，包括縮放、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、拆裝等，猶如身臨其境。加載模型后的效果如圖3所示。測(cè)試結(jié)果表明：發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件基本滿足設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)目標(biāo)。

四、結(jié)語(yǔ)

針對(duì)普通高校、高職高專、中職學(xué)校汽車(chē)類(lèi)各專業(yè)的主干課程汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與維修或相近課程，設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)了發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件，產(chǎn)品形態(tài)為APP，分為安卓版和IOS版。通過(guò)該APP，用戶穿戴透視式頭盔顯示器或手持智能移動(dòng)終端，可以隨時(shí)隨地、“身臨其境”地學(xué)習(xí)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造、檢測(cè)、拆裝、維修等相關(guān)知識(shí)，并獲取相關(guān)技術(shù)技能。與現(xiàn)行的新形態(tài)一體化教材相比，發(fā)動(dòng)機(jī)AR教學(xué)軟件的顯著優(yōu)勢(shì)是：對(duì)硬件要求低，支持資源下載離線使用，從而保障應(yīng)用和資源模型流暢運(yùn)行;在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，用戶能夠獲得較好的“沉浸式”體驗(yàn)，猶如身臨其境。

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◎編輯 魯翠紅