卜祥風(fēng) 鄧景泉

摘 要：針對目前汽車發(fā)動機(jī)拆裝課程存在的“教”“學(xué)”兩難問題，探索基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)發(fā)動機(jī)拆裝教學(xué)指導(dǎo)系統(tǒng)，在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境下通過虛擬三維模型及動畫和二維文字提示等增強(qiáng)信息，指導(dǎo)學(xué)生發(fā)動機(jī)拆裝的具體操作和所需使用的拆裝工具。系統(tǒng)采用基于框型標(biāo)志的三維注冊算法，利用CAD系統(tǒng)進(jìn)行三維虛擬物體的建模和動畫制作，使用ARToolKit完成虛實(shí)融合輸出增強(qiáng)圖像。在增強(qiáng)圖像的幫助下，學(xué)生提高了發(fā)動機(jī)拆裝工作效率，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：教學(xué)研究；教學(xué)指導(dǎo)系統(tǒng)；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；發(fā)動機(jī)拆裝教學(xué)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）01-0102-03

Abstract： By drawing on the difficulties in teaching and learning the course of auto engine disassembling and assembling， this paper explores the teaching guiding system based on the AR. In this system， information is augmented by using 3D model and 2D word. Teachers can show students the detailed operation and tools in engine disassembling and assembling. This system adopts 3D registration algorithm based on the frame sign， applies CAD to make a model for 3D virtual object and animation， and uses ARToolKit to output augmented image with virtual-real integration. Based on the augmented image， students' working efficiency is improved and their interests in learning are stimulated.

Keywords： teaching and research； teaching guiding system； Augmented Reality（AR）； teaching of engine disassembling and assembling

一、概述

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmentedreality，簡稱AR）由虛擬現(xiàn)實(shí)（virtualreality，簡稱VR）發(fā)展而來，它將現(xiàn)實(shí)世界與計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬物體結(jié)合起來，將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬物體實(shí)時(shí)疊加在現(xiàn)實(shí)場景中。1992年，T.Caudell首次提出增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的概念，并把增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到制造業(yè)中以提高工人的工作效率[1]。之后，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人技術(shù)[2]、機(jī)械設(shè)計(jì)[3]、汽車工程[4]、游戲娛樂[5]、軍事[6]、教育等領(lǐng)域中流行開來。近年來，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域取得了長足發(fā)展。張鵬飛[7]研究了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在室內(nèi)設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用，提出的室內(nèi)設(shè)計(jì)動態(tài)視頻教學(xué)系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)室內(nèi)設(shè)計(jì)教學(xué)時(shí)，無法實(shí)時(shí)觀察具體實(shí)施效果的問題。左大利[8]利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)把“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程中的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖制作成基于圖片的“魔法書”，使學(xué)生能夠利用智能手機(jī)觀看機(jī)構(gòu)的三維模型等信息，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。普磊[9]研究了將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到汽車技術(shù)服務(wù)與營銷專業(yè)教學(xué)中的方法，為傳統(tǒng)汽車專業(yè)教育方式開拓了新思路。

目前傳統(tǒng)的汽車發(fā)動機(jī)拆裝實(shí)踐存在“教”“學(xué)”兩難的情況。發(fā)動機(jī)零部件繁多，拆裝工序復(fù)雜，涉及很多專用工具，精確裝配技術(shù)要求高。如圖1、圖2為一臺V6發(fā)動機(jī)的部分零部件和部分拆裝工具，表1為相應(yīng)發(fā)動機(jī)的簡化拆卸工序，安裝工序與之相反。

傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)拆裝，學(xué)生要對照長達(dá)幾百頁的操作指導(dǎo)書一步步拆卸，而指導(dǎo)書并不夠直觀，提示圖往往是簡單的示意圖，導(dǎo)致學(xué)生實(shí)際拆裝發(fā)動機(jī)時(shí)會遇到很大困難。另一方面，應(yīng)用型本科汽車類專業(yè)缺少有實(shí)際拆裝經(jīng)驗(yàn)、技能嫻熟的專任教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行發(fā)動機(jī)拆裝實(shí)踐學(xué)習(xí)，通常需要聘請企業(yè)技工進(jìn)行指導(dǎo)。這種做法具有不可持續(xù)性，而且聘請技工價(jià)格不菲。針對上述問題，本文提出一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)動機(jī)拆裝教學(xué)系統(tǒng)，能夠直觀地指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行發(fā)動機(jī)拆裝，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

二、系統(tǒng)架構(gòu)

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)動機(jī)拆裝教學(xué)

系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，包括發(fā)動機(jī)、兩個(gè)與電腦相連的攝像頭、兩個(gè)顯示屏和一套發(fā)動機(jī)拆裝工具。攝像頭1抓取發(fā)動機(jī)的圖像并傳送給電腦，系統(tǒng)軟件經(jīng)分析處理把用于指導(dǎo)學(xué)生操作的虛擬圖像和文字說明疊加在真實(shí)的發(fā)動機(jī)圖像上，顯示在顯示屏1上。攝像頭2抓取發(fā)動機(jī)拆裝工具的圖像并傳送給電腦，軟件將相應(yīng)工序所需使用的工具用閃亮框提示出來，如圖4所示，并在顯示屏2上顯示出來。這樣學(xué)生帶上HMD眼鏡就可以從顯示屏1獲得相應(yīng)工序的操作指示，從顯示屏2獲得當(dāng)前工序所需的工具，根據(jù)這些疊加在真實(shí)圖像上的虛擬提示一步步完成發(fā)動機(jī)的拆裝。

三、關(guān)鍵技術(shù)

（一）三維注冊算法

三維注冊是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的特征所在，也是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)。三維注冊解決的問題是如何把計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬物體與真實(shí)場景對準(zhǔn)，把虛擬物體疊加到正確的地方，使虛擬物體與真實(shí)場景完美融合。

目前的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要采用基于硬件的注冊算法、基于計(jì)算機(jī)視覺的注冊算法和混合注冊算法。本系統(tǒng)采用基于框型標(biāo)志點(diǎn)的三維注冊算法，屬于計(jì)算機(jī)視覺注冊算法的范疇。這種三維注冊算法框架簡單，計(jì)算過程線性且誤差小，圖形處理計(jì)算量小，一般只需提取提前放置的四個(gè)標(biāo)志點(diǎn)特征，就可以計(jì)算出像面位置，實(shí)時(shí)性好。系統(tǒng)虛實(shí)注冊流程如圖5所示。系統(tǒng)采用ARToolKit進(jìn)行三維注冊，主要步驟包括二值化、標(biāo)致識別和坐標(biāo)變化。

（二）發(fā)動機(jī)拆裝指導(dǎo)信息建模

發(fā)動機(jī)拆裝指導(dǎo)信息是指每個(gè)拆裝工序中，用于指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行發(fā)動機(jī)拆裝方式方法、步驟、所用工具的虛擬信息，形式上包括三維模型及動畫、二維圖像、文字、標(biāo)識等。根據(jù)學(xué)生所處的發(fā)動機(jī)拆裝工序，從發(fā)動機(jī)拆裝資料中分析得到當(dāng)前步驟所需的輔助指導(dǎo)信息，并在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的虛擬環(huán)境中建模實(shí)現(xiàn)。

本系統(tǒng)的指導(dǎo)信息以三維模型及動畫、文字和標(biāo)識為主。三維模型及動畫用于直觀地指導(dǎo)拆裝操作，文字用于輔助說明，標(biāo)識用于工具提示。

使用CAD系統(tǒng)可將發(fā)動機(jī)零部件的CAD模型轉(zhuǎn)化為三維虛擬模型，其包含各部件的幾何模型、裝配約束關(guān)系和空間位姿。發(fā)動機(jī)拆裝指導(dǎo)信息的獲取有兩個(gè)方面，一方面通過CAD接口獲取零部件幾何信息，另一方面通過用戶輸入獲取發(fā)動機(jī)拆裝工序、拆裝工具信息。具體流程如圖6所示。

（三）虛實(shí)融合

系統(tǒng)虛實(shí)融合過程如圖7所示。三維注冊算法采用（一）節(jié)介紹的算法，給類增強(qiáng)提示信息由（二）節(jié)介紹的發(fā)動機(jī)拆裝指導(dǎo)信息建模方法完成，最后用ARToolKit完成虛實(shí)融合過程，并輸出增強(qiáng)圖像。

四、結(jié)束語

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)動機(jī)拆裝教學(xué)指導(dǎo)系統(tǒng)，利用CAD系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)動機(jī)拆裝指導(dǎo)信息建模，基于框型標(biāo)志進(jìn)行三維注冊，能夠輸出直觀的增強(qiáng)圖像指導(dǎo)學(xué)生發(fā)動機(jī)的拆裝操作步驟、操作方法和所需使用的工具。可以提高學(xué)生拆裝發(fā)動機(jī)的工作效率，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。探索增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在現(xiàn)代教育中的更深一步應(yīng)用，將為現(xiàn)代教育帶來更大的貢獻(xiàn)。

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