葉子城 周飛躍 陳嘉 林偉順 何家旗

摘 要：為方便機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)工業(yè)設(shè)計(jì)制圖等相關(guān)課程，文中開(kāi)發(fā)了一款基于AR技術(shù)的《夢(mèng)幻3D機(jī)械制圖冊(cè)》軟件，將AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與高等教育教學(xué)相結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，拓展學(xué)習(xí)空間，方便教師教學(xué)的同時(shí)，易于學(xué)生學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：3D設(shè)計(jì)；機(jī)械制圖；AR技術(shù)

1 作品簡(jiǎn)介

《夢(mèng)幻3D機(jī)械制圖冊(cè)》是一款A(yù)R增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與高等教育教學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)品，能起到增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，拓展學(xué)習(xí)空間的作用。產(chǎn)品主要包括《夢(mèng)幻3D機(jī)械制圖冊(cè)》和配套APP。其中《夢(mèng)幻3D機(jī)械制圖冊(cè)》是一本內(nèi)容豐富、涵蓋諸多經(jīng)典機(jī)械制圖習(xí)題的書(shū)籍，分為三個(gè)章節(jié)，涵蓋了機(jī)械制圖的基本知識(shí)點(diǎn)。手機(jī)APP界面如圖1所示。

APP主要基于Unity3D平臺(tái)開(kāi)發(fā)，并發(fā)布在安卓平臺(tái)上，使用者通過(guò)手機(jī)攝像頭掃描《夢(mèng)幻3D機(jī)械制圖冊(cè)》任何頁(yè)面，識(shí)別后即可看到相對(duì)應(yīng)的機(jī)械零件模型。另外，用戶(hù)還可與零件模型進(jìn)行交互，如放大、縮小、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等功能。為了讓用戶(hù)更加清楚、細(xì)致地學(xué)習(xí)該門(mén)課程，本團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了相關(guān)學(xué)習(xí)視頻及替換模型，供用戶(hù)觀看學(xué)習(xí)。部分內(nèi)容及模型展示如圖2～圖5所示。

2 工作原理

機(jī)械制圖是通過(guò)圖樣確切表示機(jī)械的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小、工作原理及技術(shù)要求的學(xué)科。圖樣由圖形、符號(hào)、文字和數(shù)字等組成，是表達(dá)設(shè)計(jì)意圖和制造要求及交流經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)文件，常被稱(chēng)為工程界的語(yǔ)言。按照設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)可分為兩個(gè)基本功能模塊，即畫(huà)冊(cè)及安卓終端。

機(jī)械制圖課程是每名機(jī)械類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的必修課程，而《夢(mèng)幻3D機(jī)械制圖冊(cè)》以教材《機(jī)械制圖習(xí)題集》為原型創(chuàng)

作，本團(tuán)隊(duì)通過(guò)進(jìn)一步的整理排版將機(jī)械制圖這門(mén)課程需掌握的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)及原理收錄在《夢(mèng)幻3D機(jī)械制圖冊(cè)》中，并分為三個(gè)章節(jié)。

本團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)了一款具有豐富功能的APP軟件，通過(guò)Unity3D游戲引擎平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。Unity3D是由丹麥Unity公司開(kāi)發(fā)的游戲開(kāi)發(fā)工具，作為一款跨平臺(tái)的游戲開(kāi)發(fā)工具，支持包括iOS，Android，PC，Web，PS3，Xbox等多平臺(tái)的發(fā)布。具體特性包含整合的編輯器、跨平臺(tái)發(fā)布、地形編輯、著色器、腳本、網(wǎng)絡(luò)、物理及版本控制等特性。利用Unity的諸多性能，再通過(guò)引用Vofuria的底層AR技術(shù)包，將AR技術(shù)與APP結(jié)合起來(lái)，進(jìn)而開(kāi)發(fā)相對(duì)應(yīng)圖冊(cè)功能的軟件。工作原理如圖6所示， 軟件開(kāi)發(fā)流程如圖7所示。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 教學(xué)模式創(chuàng)新

傳統(tǒng)的機(jī)械制圖冊(cè)僅是教學(xué)配套，主體內(nèi)容基于文字與零件的結(jié)構(gòu)圖。該模式內(nèi)容單一，缺乏創(chuàng)新，易讓學(xué)生產(chǎn)生枯燥感，而普通高校的課堂教學(xué)主要通過(guò)教師講授，該種模式下，知識(shí)單向傳遞，不利于學(xué)生融會(huì)貫通。未來(lái)的高校教學(xué)模式將加入AR技術(shù)應(yīng)用，本團(tuán)隊(duì)致力于開(kāi)發(fā)基于AR技術(shù)的3D零件模型展示，方便教師日常教學(xué)的同時(shí)，學(xué)生易于學(xué)習(xí)掌握。

3.2 技術(shù)創(chuàng)新

本設(shè)計(jì)不僅顯現(xiàn)3D模型，為更好地適應(yīng)課堂教學(xué)，部分章節(jié)的模型還包括相應(yīng)的專(zhuān)業(yè)視頻，更加全面地幫助同學(xué)們學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)的AR技術(shù)多以模型或視頻單一使用，本設(shè)計(jì)采用模型和視頻相結(jié)合的教學(xué)方式，通俗易懂。

3.3 產(chǎn)品創(chuàng)新

經(jīng)過(guò)調(diào)查，此類(lèi)產(chǎn)品很少應(yīng)用于高校教育，大多數(shù)教育行業(yè)的AR產(chǎn)品主要聚焦于兒童識(shí)別圖冊(cè)和醫(yī)學(xué)學(xué)習(xí)軟件，本團(tuán)隊(duì)將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)融入大學(xué)課程屬于一類(lèi)新產(chǎn)品，特別是應(yīng)用到機(jī)械零件的立體模型中。

3.4 市場(chǎng)創(chuàng)新

《夢(mèng)幻3D機(jī)械制圖冊(cè)》的購(gòu)買(mǎi)者主要是大學(xué)生，而APP上免費(fèi)的AR技術(shù)應(yīng)用使得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)較激烈。但特定的軟件配上指定的書(shū)籍，使用率隨之增高，加上同類(lèi)產(chǎn)品的空缺，本產(chǎn)品具有強(qiáng)大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

4 市場(chǎng)前景

4.1 市場(chǎng)現(xiàn)狀綜述

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)是一個(gè)飛速發(fā)展并具有巨大潛力的市場(chǎng)。

基于AR技術(shù)的移動(dòng)平臺(tái)APP應(yīng)用是指通過(guò)軟件將手持移動(dòng)終端（如智能手機(jī)、平板等）變成虛擬顯示器，軟件系統(tǒng)使用移動(dòng)終端上的攝像頭捕捉現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的某個(gè)對(duì)象（實(shí)體或圖像），在終端顯示器上顯示對(duì)應(yīng)對(duì)象的3D圖像，實(shí)時(shí)融合成虛實(shí)結(jié)合的場(chǎng)景?；?dòng)性體現(xiàn)在軟件可跟蹤用戶(hù)或物體在實(shí)際空間的移動(dòng)，及他們通過(guò)終端屏幕和虛擬模型的互動(dòng)。采用AutoCAD技術(shù)將所需要的模型制造出來(lái)，再通過(guò)高通的圖像識(shí)別應(yīng)用到Unity3D中，進(jìn)行模型和圖像匹配，編寫(xiě)控制程序，最后所發(fā)布的APP即為夢(mèng)幻3D機(jī)械制圖冊(cè)。

基于AR技術(shù)的移動(dòng)平臺(tái)APP主要特點(diǎn)包括虛實(shí)結(jié)合、三維定位、高度交互性，應(yīng)用主要集中在營(yíng)銷(xiāo)展示、街景導(dǎo)航、游戲、增強(qiáng)讀物等領(lǐng)域。國(guó)外這方面的應(yīng)用已平民化，而國(guó)內(nèi)由于從業(yè)者較少，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，用戶(hù)認(rèn)知欠缺，開(kāi)發(fā)成本較大，是目前面臨的主要問(wèn)題。AR實(shí)景應(yīng)用具備更直觀、更豐富的視覺(jué)信息，實(shí)時(shí)互動(dòng)體驗(yàn)更真實(shí)、已是未來(lái)APP發(fā)展的趨勢(shì)之一。

梅內(nèi)爾認(rèn)為，由于VR頭戴設(shè)備的特殊性，VR只能在“可控的環(huán)境內(nèi)”使用，而AR則可被應(yīng)用于任何場(chǎng)合，后者不會(huì)侵?jǐn)_或阻礙用戶(hù)的體驗(yàn)。此外，VR技術(shù)的使用很大程度上局限于主機(jī)和PC游戲、3D電影以及其他細(xì)分領(lǐng)域，但AR技術(shù)的使用范圍可擴(kuò)大至廣告、互聯(lián)網(wǎng)、視頻直播、商務(wù)溝通、社交媒體等領(lǐng)域?！敖刂?017年，VR市場(chǎng)的收入規(guī)模很可能領(lǐng)先于AR市場(chǎng)，但隨著科技進(jìn)步，我們認(rèn)為AR市場(chǎng)的規(guī)模將遠(yuǎn)超VR市場(chǎng)，至2018年占據(jù)整個(gè)市場(chǎng)約80%份額?！泵穬?nèi)爾說(shuō)，預(yù)計(jì)到2020年，VR市場(chǎng)（涉及到游戲、硬件、電影、主題公園等）規(guī)模約300億美元，而AR市場(chǎng)（AR硬件、電子商務(wù)、數(shù)據(jù)、電影/電視劇、游戲）規(guī)模將達(dá)到1 200億美元。梅內(nèi)爾還對(duì)游戲軟件市場(chǎng)的增長(zhǎng)做出了預(yù)測(cè)。據(jù)他預(yù)計(jì)，2015年全球游戲軟件收入有望達(dá)到880億美元，至2018年將增至1 100億美元，其中移動(dòng)游戲的收入將由290億美元增至450億美元。他認(rèn)為全球Android游戲收入將在2018年超過(guò)iOS游戲。

據(jù)統(tǒng)計(jì)全球科技教育市場(chǎng)總額約5萬(wàn)億美元，AR市場(chǎng)估值1 200億美元，在中國(guó)，早教市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)1 000億。位于歐洲的教育科技組織Edtech Europe不久前發(fā)布了《2016教育科技趨勢(shì)報(bào)告（2016 Edtech Trends）》，分析和預(yù)測(cè)了教育科技行業(yè)的發(fā)展。報(bào)告指出：目前全球教育開(kāi)支超過(guò)5萬(wàn)億美元，是軟件產(chǎn)業(yè)的8倍，是媒體娛樂(lè)產(chǎn)業(yè)的3倍，而亞洲將是科技教育產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的又一板塊。

自2015年開(kāi)始，AR的關(guān)注度快速提高，市場(chǎng)前景廣闊。據(jù)國(guó)外投行Digi-Capital數(shù)據(jù)表明，全球AR市場(chǎng)規(guī)模將在2020年達(dá)到1 200億美元?？梢?jiàn)AR的教育市場(chǎng)發(fā)展前景非?？捎^，未來(lái)AR產(chǎn)品的前景更是無(wú)可限量。

4.2 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)者分析

潛在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的進(jìn)入主要取決于行業(yè)的現(xiàn)狀和進(jìn)入市場(chǎng)的各種障礙。由于AR技術(shù)剛普及大眾，很多AR產(chǎn)品市場(chǎng)現(xiàn)在處于一種成長(zhǎng)的階段，成熟的AR產(chǎn)品較少，且普及度較低，大部分AR公司研發(fā)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域有限，目前教育市場(chǎng)占領(lǐng)較多的市場(chǎng)份額為早教市場(chǎng)，信息教育占比較低，因此本團(tuán)隊(duì)研發(fā)的《夢(mèng)幻3D機(jī)械制圖冊(cè)》搶先關(guān)注信息教育

市場(chǎng)，未來(lái)發(fā)展的前景廣闊，用戶(hù)更易于接受。

4.3 目標(biāo)顧客和目標(biāo)市場(chǎng)

AR技術(shù)應(yīng)用在虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境之間架起一座橋梁，提升互動(dòng)性，因此AR技術(shù)比虛擬現(xiàn)實(shí)更具表現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。但目前大學(xué)生機(jī)械制圖等教材的信息化程度較低，與學(xué)生之間的互動(dòng)較少，也沒(méi)有相應(yīng)的軟件應(yīng)用。本團(tuán)隊(duì)針對(duì)這一點(diǎn)，將長(zhǎng)于互動(dòng)體驗(yàn)的AR技術(shù)手段和具有精準(zhǔn)性、超強(qiáng)的用戶(hù)黏性?xún)?yōu)勢(shì)的移動(dòng)APP相結(jié)合開(kāi)發(fā)應(yīng)用，解決學(xué)生對(duì)于立體感薄弱的這一問(wèn)題，通過(guò)技術(shù)的吸引提高同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣，通過(guò)APP的應(yīng)用能夠方便同學(xué)們的學(xué)習(xí)。由此可見(jiàn)，基于AR技術(shù)增強(qiáng)圖冊(cè)—夢(mèng)幻3D機(jī)械制圖具有廣闊的市場(chǎng)前景。