AR增強現實技術在機械制圖教學中的應用研究

[摘 要] 隨著AR增強現實技術的不斷發展，基于VR和AR的虛擬學習環境開發和應用逐漸受到更多的關注。將AR技術應用到機械制圖教學中，探索AR在教育領域的應用方法，首先分析了機械制圖教學中遇到的問題，然后對AR開發環境做了介紹，最后通過分析和研究，提出了基于手機攝像頭的AR機械制圖教學App開發思路，并開發出了具體案例。

[關 鍵 詞] 增強現實；AR；交互；機械制圖

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2016）25-0108-01

機械制圖課程主要培養學生的空間思維能力，而空間思維過程很難用語言表達。對于空間想象力較差的學生，很難將平面圖想象成三維立體形狀。在傳統教學過程中，教師采用木模加掛圖形式進行教學，教學效果并不理想。近些年，隨著多媒體技術的普及，課堂教學中已經廣泛使用3D計算機模型代替木模和掛圖。但是相關應用也僅限于課堂輔助教學。機械制圖學習除課堂上教師講解外，還需要通過課外做大量習題才能掌握繪圖技能，在課外，學生缺乏可以參考的模型，課外學習效率低、效果差，即使經過大量練習也不能很好地掌握所學內容。為了解決這些問題，筆者嘗試將增強現實技術引入機械制圖教學，經過分析研究，筆者利用AR技術開發了機械制圖輔助教學App，該App很適合在課外環境中幫助學生建立三維模型，輔助學生進行空間思維訓練。

一、增強現實技術簡介

增強現實技術（簡稱AR）是在虛擬現實技術（簡稱VR）的基礎上發展起來的一種新興技術，增強現實創建的是獨立于現實世界之外的虛擬場景，而增強現實將虛擬內容疊加到現實世界中，創建一個虛實結合的世界，讓兩種信息相互補充，真實的環境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個畫面或空間，從而達到超越現實的感官體驗。

二、增強現實技術在機械制圖教學中的應用

在機械制圖課堂教學過程中，教師利用模型、掛圖、多媒體課件輔助講解，讓學生理解立體的物體如何利用投影原理轉換為平面圖形，這一方式只限于課堂教學。學習制圖課程需要進行大量的課外練習才能熟練掌握繪圖、讀圖技能，對于空間想象力尚未建立的初學者來說，在課下沒有模型輔助的時候學習制圖就很艱難，離開實物模型之后初學者無法將教材或者習題集上的平面圖形想象成立體形狀。因此，如果有一種技術能夠在學生看到平面圖時實時呈現出相應的立體模型，就可以很好地輔助學生進行空間思考練習。AR技術正好能解決機械制圖教學中遇到的問題，因此筆者進行了研究和嘗試，找到了基于手機攝像頭AR技術與機械制圖教學的新思路，利用AR技術開發了機械制圖輔助教學App。機械制圖教材中的三視圖，對初學制圖的學生而言，沒有模型輔助很難通過這些平面圖形想象出立體模型。采用增強現實技術之后，可以將虛擬的3D模型疊加到現實世界場景（教材平面圖）中來。在教學過程中，學生在手機上安裝機械制圖輔助教學App，當學習或做練習題遇到難以理解的工程圖時，只需打開App，用手機攝像頭掃描教材、習題集上的平面工程圖，App通過識別匹配出對應的3D模型，然后經過分析和定位，將3D圖像與現實場景疊加在一起，在手機屏幕上顯示，學生可以利用觸摸屏手機對模型進行旋轉、縮放操作，從不同角度觀察模型。

三、開發工具及App設計

本文采用的AR開發環境是Vuforia。Vuforia是高通的AR解決方案，它使用機算機視覺技術實時地識別和跟蹤平面圖像以及簡單的3D圖像，使開發者能夠在現實世界和數字體驗之間架起橋梁。

增強現實的本質是通過計算機技術將生成的虛擬物體疊加到真實世界，得到一個信息增強的虛實混合體，然后將虛實混合體呈現給使用者。根據這一原理，機械制圖輔助教學App程序AR識別流程如下：

程序運行時，利用手機攝像頭掃描教材上三視圖或者其他平面圖形，通過Vuforia平臺對攝像頭采集到的圖片進行處理，再通過圖像識別技術與本地數據進行匹配，找到匹配圖像之后，Vuforia平臺會對圖像進行三維標定，以便實現虛擬物體畫面與真實場景畫面的精確匹配，然后將虛擬模型與真實場景疊加在一起呈現給操作者。

機械制圖輔助教學App，已經在我校機械制圖教學中廣泛使用，在教學實踐過程中應用結果表明，AR機械制圖輔助教學App的開發，為學生學習提供了更加直觀、生動的學習方式，提高了學生課外自主學習的興趣，彌補了實物教具和學習資源的不足。本文的研究，對其他工程類專業課程輔助教學也具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]程彤，汪存友.增強現實技術在非正式學習空間中的應用探討[J].中國教育信息化，2016（22）.

[2]徐敏，童強.一種基于Unity3D+Vuforia的增強現實交互App的開發[J].現代計算機（專業版），2016（12）.