VR和AR技術在機械制圖課程中的應用研究

閻漢生　王清輝　劉子樺　熊巍　陳亮

【摘 要】以VR/AR為代表的虛擬現實技術正迅速發展，對現代職業教育的教學方式方法產生重要影響。機械制圖作為一門傳統的專業基礎課，在教學中存在一些難點，例如組合體的構型、剖視圖的表達、裝配體的識讀等，主要是由于學生空間思維能力不強，對復雜產品的結構認知不足等因素造成。利用VR/AR技術，開發各種更直觀易用，具有良好立體感和交互性的教學資源，通過線上線下等不同的方式供學生采用，有利于提高學生的學習興趣和效果。

【關鍵詞】虛擬現實技術;機械制圖;課程教學

中圖分類號： G712 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）21-0075-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.21.035

Application Research of VR and AR Technology in Mechanical Drawing Course

YAN Han-sheng1 WANG Qing-hui2 LIU Zi-hua3 XIONG Wei3 CHEN Liang3

（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Guangdong Polytechnic of

Industry and Commerce，Guangzhou Guangdong 510510，China;

2.School of Mechanical & Automotive Engineering，South China University of Technology，

Guangzhou Guangdong 510640，China;

3.School of Design，South China University of Technology，Guangzhou Guangdong 510006，China）

【Abstract】The virtual reality technology represented by VR/AR is developing rapidly， which has an important impact on the teaching methods of modern vocational education.As a traditional professional basic course，mechanical drawing has some difficulties in teaching，such as the configuration of the combination，the expression of the sectional view，the reading of the assembly model，etc.，mainly because the students' spatial thinking ability is not strong，and students lack understanding of the structure of complex products.Using VR/AR technology to develop a variety of teaching resources that are more intuitive and easy to use，have good stereoscopic and interactive，and are used by students in different ways，such as online and offline，to improve students' interest and effect.

【Key words】Virtual reality technology;Mechanical drawing;Course teaching

0 引言

虛擬現實技術（VR）的概念產生于20世紀80年代，最初的定義是通過顯示器上的圖形方式表達用戶計算機的數據，在合理操作下產生的交互感受所幻想出來的一個空間，稱之為賽博空間（Cyberspace），和真實物理空間對應[1]。后續經過許多學者的補充完善，從不同的角度提出了虛擬現實的特性?，F在廣受認可的一種描述是，虛擬現實是一種集成了計算機圖形學、電子技術、仿真技術及人工智能等多門技術的綜合領域。它利用計算機生成一種虛擬的三維環境，通過視覺、聽覺、觸覺等多種信息通道為人所感知，并通過各種傳感設備，真正實現了人機交互，從而為用戶帶來良好的沉浸感、交互性和構想性。增強現實技術（AR）的出現則晚了很多，主要原因在于移動終端的圖像處理能力近幾年才得到極大提升。AR是指將基于現實世界之外創建的虛擬場景疊加到真實場景中，形成一個虛實結合的環境，被人類感官所感知，從而達到超越現實的感官體驗，主要作用是在真實物體上疊加該物體的信息。

在高職的機械制圖課程教學中，普遍存在以下幾個難點：組合體的構型方式、剖視圖的準確表達、裝配體的識讀理解等[2][3]。這主要是由于學生空間思維能力不強，對復雜產品的結構認知不足等因素造成。然而傳統的制圖教學方式，多采用教師板書、PPT課件、觀看圖紙或木制模型，從實際效果來看，學生還是覺得抽象、不直觀，沒有很好地解決以上幾個難題。

國家中長期教育改革和發展規劃綱要鼓勵高職院校要利用豐富的信息化技術手段，對原有教學資源、教學方法、教育模式和理念進行全面改進，促進學生自主學習，提高學習效果[4]。本文將研究以VR/AR為代表的虛擬現實技術在機械制圖課程中教學中的綜合應用。

1 虛擬現實技術在組合體構型中的應用

1.1 通過AR技術讓學生“全面”認識組合體

這兩年以來，大量的出版社都在新出版的制圖類教材中，增加了相應立體的AR資源，而且這些資源都是免費公開的[5]。在無法經常更換全體學生教材的情況下，比較可行的做法是，教師通過不同渠道，自己多準備一些不同的教材，將其中帶有組合體AR資源的頁面，掃描為電子圖紙。在課前預習階段，將相應的圖紙發送給學生，并指導學生下載相應的AR資源。這樣學生就可以在課前利用碎片化時間，用手機的攝像頭掃掠電子圖紙中的組合體二維圖形，這時手機屏幕上就會浮現改二維圖形對應的三維模型，還可以觸摸手機屏幕，對三維模型進行旋轉、縮放、移動，從而“全面”認識該組合體（如圖1所示）。這就解決了平面二維圖紙只能表達一兩個“面”的局限性。學生經過課前預習對組合體的“全面”認識，在課中授課階段，必然會更容易聽懂和理解。

1.2 開發組合體拆裝虛擬交互平臺

對組合體進行虛擬拆裝體驗，可使學生對疊加型和切割型組合體的構型方式有更深刻形象的理解，有利于學生后續對組合體進行完整的形體分析[6]。

本研究團隊在HTC VIVE SDK的基礎上，基于Unity3D獨立開發了一個專門用于組合體拆裝體驗教學的虛擬交互平臺，既可以用鼠標操作、在顯示器觀看，也可以讓學生帶上頭盔，用手柄操作。這兩種交互方式各有優缺點，前者傳統，簡單，體驗一般，學生可以下載組合體拆裝的exe文件，到自己電腦上操作自主學習，時間地點自由;后者新奇，復雜，體驗深刻，但學生要到實驗室佩戴必要的設備后，才能在體驗學習，時間地點受限。學生在實驗室體驗虛擬拆裝組合體的情境如圖2所示。

以下是手柄按鍵接口的主要代碼：

public class ButtonTouchAction ： MonoBehaviour {

SteamVR_TrackedObject trackdeObjec;

void Awake（） {

trackdeObjec=GetComponent（）;

}

void FixedUpdate（）

{

var device=SteamVR_Controller.Input（（int）trackdeObjec.index）;

if（device.GetTouch（SteamVR_Controller.ButtonMask.Trigger）） {

var deviceIndex2=SteamVR_Controller.GetDevice Index（SteamVR_

Controller.DeviceRelation.Rightmost）;

}

以下是移動組合體中凸臺對象的主要代碼：

public class tutaimove ： MonoBehaviour {

public GameObject tutaiJ;

private bool Ismove = false;

private bool Needmove = false;

private int i， j = 1;

void Update （） { }

private void device.GetPress（SteamVR_Controller.ButtonMask.Trigger） （）

{

Needmove = true;

if （Ismove == false） {

tutaiJ.transform.position=Vector3.SmoothDamp（tutaiJ.transform.position， Newpos， ref a， 0f）;

Ismove = ！Ismove;

j=1;

}

2 虛擬現實技術在剖視圖表達中的應用

在組合體的視圖表達中，學生反映最難的是剖視圖的畫法，因為剖視圖的畫法實際上是建立在對組合體的完全理解基礎之上，而且剖視圖往往是用來考核學生是否正確理解了組合體構型的途徑。所以剖視圖的正確表達是和組合體的完整理解緊密相連的。經過探索研究，可以通過3D秀秀這類新興的第三方平臺，將事先制作好的三維數字模型上傳，并轉化為可交互瀏覽和剖切顯示的web3D模型，通過在線共享給學生，學生可以很方便的瀏覽該立體，并任意切割該立體，并觀看到完整截斷面細節，相當接近標準剖視圖，對學生理解立體構型并正確繪制剖視圖有很好的指導作用。

筆者在Rhino軟件中建立了支座組合體的三維模型，并將其上傳至3D秀秀平臺，然后對其紋理、燈光、陰影、操作等做設置，便可生成輕量化的web3D文件，可通過網頁地址的方式發給學生用pc使用，也可以通過微信鏈接或朋友圈的方式發給學生，學生在微信中打開使用。在各個不同的客戶端上，學生不但可以順暢的旋轉縮放觀察該組合體，還可以點擊剖切命令，對組合體在任意位置，沿任意方向剖切，系統會自動繪制截斷面上的剖面線，如圖3所示。

學生只要保存該鏈接，便可在任何時間，用各種客戶端進行該組合體的剖視圖學習，有利于提升學生繪制剖視圖的能力，同時提升對復雜組合體的理解力。

3 虛擬現實技術在裝配體識讀中的應用

學生對裝配體的識讀困難，根本原因在于學生缺乏對這類裝配體的結構認知，也就是沒有拆裝過這類產品。但是，隨著高職教育的規模擴折，幾乎所有院校都存在這機械結構認知模型數量不足，質量不佳的狀況。例如筆者所在高校，雖然購買了一批全新的小家電供學生認知學習，但仍然無法滿足全班的需要，而且隨著拆裝次數的增加，真實產品模型損壞率非常高。近年來計算機圖形性能和互聯網技術的飛速發展，通過構建虛擬產品的三維模型，供學生進行虛擬結構認知實驗已成為改善教學條件的一種重要手段[7]。

本研究團隊于2018年建成了一個能通過互聯網共享的三維互動虛擬實驗室。實驗室以Unity3D技術為核心，在實驗平臺上呈現需要認知的產品結構互動三維模型。具體建設過程包括進行需求分析，形成項目方案，平臺方案設計，真實產品的高精度建模，產品零部件的交互動作編程，制作平臺網頁，嵌入虛擬交互模型。目前免費公開提供注塑模具、減速器、加濕器等5個三維模型，其中齒輪減速器的線上拆裝如圖4所示。學生用電腦登錄實驗室網址，加載了Unity Web Player插件后，就可以通過鼠標、鍵盤等輸入設備對模型進行反復拆裝，而且系統還設置了三種不同的拆裝方式，包括拆裝動畫演示、鼠標點擊拆裝、鼠標自由拖曳拆裝，三種方式由淺入深，逐步讓學生自主操作，符合認知規律。該互聯網上的虛擬實驗室大幅度提高了學生實驗的時長、頻次。

4 教學反饋

以上幾種虛擬現實技術，經過1-2個學期在機械制圖課程實際教學應用后，進行了問卷調查。統計數據表明，超過90%的學生對這幾種虛擬現實技術感興趣，80%以上的學生覺得這些技術對疑難知識點的學習有明顯幫助。

5 總結

通過自主研發和采用第三方平臺等多種方式，本文綜合應用了4種虛擬現實具體技術，較好的解決了機械制圖課程中的三個常見難點。VR/AR技術的引入，使這些知識點的學習變得更加直觀、交互性更好，提高了學習效率，尤其是線上模式的開發，極大增加了學生實驗的頻次，降低了實驗設備購置成本。本文介紹的各種技術手段，也適合其他相近課程采用。

【參考文獻】

[1]William Gibson，Cyberspace，Burning Chrome，1983.

[2]曹立波.廣播電視大學機械制圖課程遠程教育教學的幾點思考[J].中國現代教育裝備，2018（11）：78-79+82.

[3]陳志.運用Solidworks突破《機械制圖》教學難點的研究[J].科技視界，2018（06）：179-180.

[4]林書兵，張倩葦.我國信息化教學模式的20年研究述評：借鑒、變革與創新[J].中國電化教育，2015（09）：103-110+117.

[5]潘冬玲.AR增強現實技術在《機械制圖》課程教學中應用初探[J].輕紡工業與技術，2018，47（09）：45-46.

[6]熊巍，劉林，陳錦昌.現代工程制圖課堂教學改革的探索與實踐[J].圖學學報，2014，35（02）：296-300.

[7]閻漢生，曾峰，龍宇輝.基于Unity3D的產品結構認知虛擬實驗室構建[J].實驗室研究與探索，2017，36（08）：117-121.

[8]閻漢生，劉林，熊巍.高職機械制圖課程信息化教學設計——以組合體三視圖的畫法為例[J].科技視界，2018（27）：120-122.