于 勇，趙 罡，李亞初

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增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在工程圖學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

于 勇，趙 罡，李亞初

(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191)

教學(xué)和科研是兩個具有很強(qiáng)互動性的學(xué)習(xí)范疇，科研為教學(xué)提供素材，教學(xué)為科研提供創(chuàng)新靈感。針對《工程圖學(xué)》的教學(xué)，探討了以教研互動增加課堂信息量、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的教學(xué)實踐方法，通過增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)模型虛擬展示的教學(xué)案例，說明了“給課堂加點料”不僅使課堂講授變得生動和飽滿，而且拓寬了學(xué)生的知識面，激發(fā)了學(xué)生的科研興趣。

工程圖學(xué)；教研互動；增強(qiáng)現(xiàn)實

《工程圖學(xué)》是一門以圖形為研究對象，用圖形來表達(dá)設(shè)計思維的一門學(xué)科。該課程屬于專業(yè)基礎(chǔ)課，既有理論又是實踐性很強(qiáng)的課程，是工科各專業(yè)的必修課，是學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計等后續(xù)課程以及進(jìn)行課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計的必備基礎(chǔ)。該課程對培養(yǎng)學(xué)生的空間想象、空間思維分析能力及讀圖、繪圖等初步設(shè)計能力起著極其重要的作用。目前，計算機(jī)三維造型軟件和多媒體技術(shù)為《工程圖學(xué)》的教學(xué)提供了強(qiáng)有力的手段，使教師除了板書之外，還有形象、直觀的三維空間與實體模型多媒體展示，豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容，提高了教學(xué)效果和效率。然而，如何進(jìn)一步擴(kuò)充課堂教學(xué)的信息量，使學(xué)生更多地了解與所學(xué)內(nèi)容有關(guān)的來自于工程實際的知識，是值得探討和實踐的教學(xué)步驟。

本教研實驗室主要在數(shù)字化設(shè)計制造領(lǐng)域從事科研和教學(xué)服務(wù)，在工程項目科研中會使用先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)，如增強(qiáng)現(xiàn)實(augmented reality, AR)技術(shù)。AR技術(shù)是起源于虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)技術(shù)而發(fā)展起來的一種新的交互技術(shù)，其將計算機(jī)生成的虛擬信息實時疊加在真實環(huán)境中，從而創(chuàng)造出一種虛實融合的視覺感受和用戶體驗[1-3]。AR技術(shù)在工程上的典型應(yīng)用——裝配工藝過程的虛擬展示，通過在裝配現(xiàn)場實時顯示虛擬的工藝信息，幫助現(xiàn)場操作人員能夠更加準(zhǔn)確、迅速了解裝配過程，從而提高裝配效率與裝配質(zhì)量[4]。應(yīng)用AR技術(shù)可使用戶能夠同時接受對虛擬和物理環(huán)境的雙重信息，獲得雙重感受，交互效果也最為直觀。因此，在《工程圖學(xué)》的教學(xué)中可以與工程科研相結(jié)合，利用AR技術(shù)將二維圖紙以三維模型呈現(xiàn)實時瀏覽，一方面可輔助培養(yǎng)學(xué)生空間思維的能力，另一方面可開闊學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與創(chuàng)新思維，從而形成科學(xué)研究與教學(xué)之間的良性互動。

1 增強(qiáng)模型展示技術(shù)實現(xiàn)

通常在《工程圖學(xué)》課程開篇的緒論中，需要介紹課程的范圍和研究對象，還會介紹工程圖學(xué)的發(fā)展史、工程圖學(xué)涵蓋的領(lǐng)域范疇以及工程圖學(xué)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀等。課程之初，同學(xué)們并不能想象出二維圖樣所代表的空間三維形體，教師單純的以PPT、視頻或CAD軟件展示的三維形體和動畫帶給學(xué)生的也僅是常規(guī)的用戶體驗。因此在這部分內(nèi)容介紹時，教師通過手機(jī)鏡頭對著二維圖樣，其所對應(yīng)的三維模型就可以完美地展示在同學(xué)們的面前，同時在現(xiàn)場學(xué)生可進(jìn)行放大、縮小和旋轉(zhuǎn)等交互操作，由此帶給學(xué)生很新奇的視覺體驗。新奇之余，部分同學(xué)會追問，這是如何實現(xiàn)的？由此激發(fā)學(xué)生的思考和聽課興趣。但在課堂上一般不教授實現(xiàn)的具體方法，而是告訴學(xué)生大致的原理以及采用了什么軟件，讓同學(xué)們課后自己在圖書館或網(wǎng)上查閱資料。這樣，一部分動手能力強(qiáng)，勤于思考的學(xué)生在課后往往自己會親自動手實踐，這不僅拓寬了學(xué)生的知識面，也激發(fā)了其科研興趣，鍛煉了動手能力。此外，“圖樣畫法”知識點介紹的手繪實踐環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的授課方式是需要將泵體零件實物帶到繪圖教室讓同學(xué)們參考，而通過AR技術(shù)，同學(xué)們只要安裝一個應(yīng)用APP，即可全方位展示零件的形體特征，輔助同學(xué)進(jìn)行二維圖樣的繪制。增強(qiáng)模型實現(xiàn)流程如圖1所示，主要包括三維注冊、虛實融合、實時交互3方面內(nèi)容[5]：

圖1 實現(xiàn)流程

(1) 三維注冊。三維注冊技術(shù)是通過攝像機(jī)對實際場景中標(biāo)識物的位姿進(jìn)行感知，從而建立虛擬與現(xiàn)實環(huán)境坐標(biāo)系之間的映射關(guān)系[6]。由于標(biāo)識物的不同，基于視覺的AR三維注冊方法可以分為基于引入標(biāo)識物的注冊方法和基于自然標(biāo)識物的注冊方法。其中，基于引入標(biāo)識物的注冊方法主要指在應(yīng)用現(xiàn)場放置二維標(biāo)識來實現(xiàn)注冊，而基于自然標(biāo)識物的注冊方法則是運用現(xiàn)實環(huán)境中的自然物體來進(jìn)行注冊跟蹤[7]。本文選取齒輪泵二維圖樣的增強(qiáng)模型作為案例，采用了引入標(biāo)識物的注冊方法，即將二維圖樣作為引入標(biāo)識物，通過人工標(biāo)志特征點的識別，建立基于真實環(huán)境下的虛擬坐標(biāo)系，進(jìn)行二維圖樣關(guān)聯(lián)三維模型的虛擬展示。人工標(biāo)志特征點三維注冊技術(shù)是目前AR技術(shù)開發(fā)者使用范圍較廣的技術(shù)，該技術(shù)在識別人工標(biāo)志特征點之后，在目標(biāo)圖片上提取特征點作為標(biāo)志點，再以標(biāo)志點作為參考建立虛擬的三維坐標(biāo)系，并在該虛擬的三維坐標(biāo)系中完成對攝像頭位置、姿態(tài)的追蹤。根據(jù)對攝像頭三維注冊追蹤的結(jié)果反過來計算預(yù)設(shè)的虛擬物體在三維坐標(biāo)系中的位置及姿態(tài)，然后利用顯示技術(shù)將虛擬的三維物體在顯示屏幕中顯示，從而完成三維跟蹤注冊的過程。目前，在提取特征點比較經(jīng)典的算法主要有SIFT(scale-invariant feature transform)、SURF(speededuprobust transform)與FAST(features from accelerated segment test)等算法。本案例通過Vuforia增強(qiáng)現(xiàn)實軟件開發(fā)包實現(xiàn)特征點的標(biāo)識與提取，其通過對二維圖樣的識別，標(biāo)記出人工識別的特征點，如圖2所示。

(2) 虛實融合。在指定的位置中實時加載AR模型與動畫信息，由于需要在移動終端進(jìn)行三維模型的展示和繪制，為提高圖形繪制速度和確保交互流暢度，采用了簡化后的輕量化三維模型進(jìn)行展示，并通過3ds MAX軟件進(jìn)行光照、材質(zhì)以及顏色等信息的編輯，供AR程序使用。增強(qiáng)模型編輯方法如圖3所示。

圖2 Vuforia對圖片的特征點標(biāo)識

圖3 增強(qiáng)模型編輯方法

本案例借助Unity3D開發(fā)引擎建立虛擬場景和真實世界間的映射，進(jìn)行增強(qiáng)現(xiàn)實模型與二維圖樣間的虛實融合，如圖4所示。

(3) 實時交互。目前，增強(qiáng)現(xiàn)實虛實信息的交互方法包括：使用鍵盤與鼠標(biāo)進(jìn)行的基本交互、運用人體輸入學(xué)設(shè)備或體感設(shè)備如Kinect等進(jìn)行人機(jī)交互、通過計算機(jī)視覺技術(shù)識別手勢從而 進(jìn)行虛實交互[8]。這些交互方式的優(yōu)點與缺點見表1。

隨著移動終端設(shè)備的發(fā)展，其所支持的交互方式也在不斷拓展，觸摸屏技術(shù)已經(jīng)作為移動終端的主流交互技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。在移動增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)中，觸摸屏交互方式較之于表1中的主流交互方式有著交互體驗直觀、觸控操作便捷、不需要外接設(shè)備的優(yōu)點。因此，本案例使用觸摸屏交互方法來進(jìn)行AR模型的展示，采用了Unity引擎的Transform類通過C#腳本實現(xiàn)虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實模型的放大、縮小以及旋轉(zhuǎn)等操作，交互方式采用單點旋轉(zhuǎn)，兩點縮放與平移的方式，具體實現(xiàn)流程如圖5所示。

圖4 Unity3D虛實融合

表1 主流虛實交互方法比較

圖5 實時交互實現(xiàn)流程

2 案例展示

圖6為齒輪泵二維圖樣增強(qiáng)模型的展示，其可以進(jìn)行放大、縮小以及旋轉(zhuǎn)等操作。增強(qiáng)模型展示的不僅僅是模型，也可以是裝配動畫，如圖7所示，選取柱塞泵二維裝配圖進(jìn)行裝配動畫的展示，并以交互方式進(jìn)行裝配體中各組成零件的詳細(xì)展示。

圖6 齒輪泵增強(qiáng)模型交互

圖7 柱塞泵增強(qiáng)模型交互

3 結(jié) 論

將AR技術(shù)引入到《工程圖學(xué)》的教學(xué)實踐中，以直觀、新奇的視覺體驗建立了二維圖紙和增強(qiáng)三維模型之間的聯(lián)系，不僅使課堂講授變得生動和飽滿，吸引了學(xué)生的聽課興趣，而且拓寬了學(xué)生的知識面，激發(fā)了其科研興趣和創(chuàng)新意識。相比傳統(tǒng)“灌輸式”的空洞說教和“走馬觀花式”的圖片視頻展示，更能取得事半功倍的效果。因此，教學(xué)與科研互動，將AR技術(shù)引入到圖學(xué)課程的教學(xué)當(dāng)中，給出了一種新的教學(xué)展示手段，是值得借鑒和推廣的教學(xué)方法。

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Application of Augmented Reality Technology in Engineering Graphics Education

YU Yong, ZHAO Gang, LI Yachu

(School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China)

Teaching and research are two categories with strong interaction. Scientific research supplies materials for teaching, while teaching provides innovation inspiration for scientific research in turn. This paper explores how to enrich the amount of information in class and stimulate students’ interest in learning engineering graphics through interaction between teaching and research. It proves that not only the teaching becomes vivid and full of lectures, but the students’ knowledge is broadened and their interests in scientific research are stimulated effectively, if we add some scientific research cases to the classroom, such as virtual model representation by Augmented Reality technology.

engineering graphics; interaction between teaching and research; augmented reality

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2018010175

A

2095-302X(2018)01-0175-04

2017-07-07；

2017-08-02

于 勇(1977–)，女，黑龍江大慶人，講師，博士。主要研究方向為復(fù)雜產(chǎn)品數(shù)字化協(xié)同設(shè)計制造、數(shù)字孿生模型定義與應(yīng)用、產(chǎn)品構(gòu)型管理。E-mail：yuyong@buaa.edu.cn