移動增強現(xiàn)實技術(shù)在柴油機教學中的應(yīng)用研究

10.3969/j.issn.1671-489X.2022.05.048

摘 要 柴油機教學中存在設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜、難以觀察，

實踐教學操作過程煩瑣、設(shè)備損耗率高等困難。以某型柴油機動力傳遞組件為對象，使用Vuforia+Unity，

在手機終端實現(xiàn)柴油機動力傳遞組件的圖像采集、注冊跟蹤、計算與顯示、實時交互等功能，將該軟件用于柴油機專業(yè)教學訓練，可為柴油機專業(yè)艦員維修保障訓練提供一種新的模式。

關(guān)鍵詞 移動增強現(xiàn)實技術(shù)；Vuforia；Unity；柴油機；動力傳遞組件

中圖分類號：E251.3 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）05-0048-04

0 引言

在實現(xiàn)軍隊院校教育現(xiàn)代化的道路上離不開傳播技術(shù)的革新，移動增強現(xiàn)實技術(shù)作為一種新型傳播技術(shù)，在教育領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。移動增強現(xiàn)實技術(shù)利用移動終端將真實環(huán)境與計算機構(gòu)建的虛擬信息有機結(jié)合，實現(xiàn)將虛擬環(huán)境套上真實世界并進行互動的新體驗[1]。與傳統(tǒng)的增強現(xiàn)實技術(shù)相比，其不需要龐大的設(shè)備，手機、平板電腦等移動終端都可作為運行工具。智能手機的高度普及，為移動增強現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用提供了堅實的硬件設(shè)備基礎(chǔ)，利于普及應(yīng)用。

動力傳遞組件是柴油機重要的運動部件之一，也是燃燒室的重要組成部分。活塞在氣缸套中做往復運動，連桿組件的作用是連接活塞和曲軸，把活塞的作用力傳遞給曲軸，轉(zhuǎn)變活塞的往復運動為曲軸的回轉(zhuǎn)運動。學習活塞連桿組件的構(gòu)成、運動方式、拆裝方式、工作原理是柴油機課程學習的重要一環(huán)。本文以柴油機動力傳遞組件為對象，基于移動增強現(xiàn)實技術(shù)，搭建柴油機虛擬實驗系統(tǒng)，為后續(xù)的移動增強現(xiàn)實技術(shù)在柴油機實踐培訓中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 柴油機虛擬仿真系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

1.1.1 結(jié)構(gòu)展示模塊 學生與模型進行交互，第一次接觸活塞連桿組件時，對活塞連桿的組成構(gòu)造以及拆裝專用工具不是很熟悉，因此需要在APP中及時獲取零件結(jié)構(gòu)名稱。可以設(shè)置一個結(jié)構(gòu)爆炸圖，能觀察到每一個零件的構(gòu)造，并且顯示名稱。

1.1.2 拆裝訓練模塊 為了更加貼合實際拆裝，可以插入選擇拆裝工具的功能，只有選擇了正確的拆裝工具，才能拆卸下對應(yīng)的零件，否則系統(tǒng)會提示錯誤；定義正確的拆裝順序，只有按照正確的順序點擊零件，才能拆卸下零件，并且顯示正確，而且拆卸下來的零件會放入零件欄，否則系統(tǒng)提示錯誤。而剛接觸活塞連桿的學員，開始面對活塞連桿不知如何下手，因此加入提示功能，正確拆裝順序的零件會高亮顯示。提示功能可以關(guān)閉，便于學員進行訓練。圖1所示為該系統(tǒng)功能圖。

1.2 整體框架設(shè)計

增強現(xiàn)實應(yīng)用程序應(yīng)具有圖像獲取模塊、圖像識別模塊、多媒體呈現(xiàn)模塊、交互模塊。根據(jù)高通Vuforia開發(fā)平臺的特點[2]，基于柴油機中主體機件部分內(nèi)容開發(fā)AR Learning增強現(xiàn)實應(yīng)用程序。本系統(tǒng)可以分為四個部分：識別目標、三維建模、交互、增強現(xiàn)實系統(tǒng)的發(fā)布。圖2所示為系統(tǒng)的整體框架。

1.2.1 識別目標模塊 識別目標模塊就是利用

Vuforia創(chuàng)建識別目標，根據(jù)需求選擇需要的識別方法，利用Vuforia的識別目標管理器導入識別目標的數(shù)據(jù)，再導出識別目標的安裝包得到識別對象。

1.2.2 三維建模模塊 機件三維模型的建立與優(yōu)化，利用SolidWorks進行三維模型的建立，利用3Ds Max進行模型的優(yōu)化，提高識別后顯示模型的穩(wěn)定性。

1.2.3 交互模塊 利用Unity插入C Sharp腳本以實現(xiàn)符合要求的控制，如控制模型技術(shù)、爆炸圖技術(shù)、拆裝技術(shù)等。Unity自帶多種多樣的腳本，可以選擇插入，也可以自行編寫腳本，調(diào)用各種函數(shù)，避免煩瑣的代碼編寫。

1.2.4 增強現(xiàn)實系統(tǒng)的發(fā)布 發(fā)布前，設(shè)計好導入手機的界面，設(shè)定好各個按鍵的位置及功能，并在發(fā)布的時候測試系統(tǒng)的功能是否符合要求，再反復修改軟件，直至達到要求。

2 基于Vuforia+Unity的移動增強現(xiàn)實三

維交互方法研究

2.1 獲取識別目標數(shù)據(jù)的方法研究

增強現(xiàn)實技術(shù)的核心就在于實現(xiàn)虛實結(jié)合，而獲取識別目標數(shù)據(jù)是實現(xiàn)虛實結(jié)合的關(guān)鍵。在Vu-foria中可以用多種方式識別各種各樣的目標，可以根據(jù)實際需求，選用不同的識別方法，其中圖像識別是目前最為穩(wěn)定的識別方法，本文采用的是圖像識別的方法[3]。Vuforia云識別服務(wù)是一個企業(yè)級的圖像識別解決方案，允許開發(fā)者在線托管和管理圖像目標。云識別可與開發(fā)、云、專業(yè)和企業(yè)許可證一起使用，使用量由應(yīng)用程序每月執(zhí)行的圖像識別總數(shù)決定，并在匹配目標時計算。云識別支持使用Vuforia目標管理器或Vuforia Web服務(wù)API在云數(shù)據(jù)庫中上傳和管理目標的兩個渠道。開發(fā)許可證每月支持多達1 000張圖像的1 000次重新編碼。云許可證每月最多支持1萬個重新編碼，最多支持1萬張圖像。專業(yè)許可證每月支持超過10萬張圖像的10萬次重新編碼[4]。

2.2 模型的建立與優(yōu)化

本文以某型柴油機的動力傳遞組件為對象，分別在SolidWorks中建立活塞、連桿組件的三維模型，并裝配為動力傳遞組件，如圖3所示。

為了提高識別后顯示的模型穩(wěn)定性，用3Ds Max軟件對模型進行優(yōu)化，盡量減少模型的面數(shù)，模型面數(shù)控制在300～1 500之間，在Unity中調(diào)整燈光效果，如圖4所示。

2.3 觸屏交互的方法研究

軟件的交互是根據(jù)柴油機動力傳遞組件的結(jié)構(gòu)、工作原理以及在拆裝訓練中的步驟和要求進行設(shè)計的，定義好各個零部件的名稱，定義正確的拆裝工具，排列好拆裝順序，對系統(tǒng)中用到的交互如旋轉(zhuǎn)、拖動、移動視角、用手勢進行放大縮小、拆裝、將動作與按鍵進行綁定、顯示名字等，通過C Sharp語言編寫代碼來實現(xiàn)[5]。

2.3.1 旋轉(zhuǎn) 雙擊讓物體進行旋轉(zhuǎn)。通過設(shè)定一個bool變量xz，然后給xz設(shè)置一個計數(shù)器，當xz為真的時候調(diào)用Rotate函數(shù)實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，當xz為假的時候讓它停止，實現(xiàn)繞Y軸進行旋轉(zhuǎn)。

2.3.2 拖動 通過觸屏拖動物體，原理是當觸屏按在物體上，就可以將鼠標的二維坐標轉(zhuǎn)換到世界三維坐標系中；當手指拖動，實時記錄手指與物體的距離，將記錄好的距離與原坐標進行相加減處理，再將新的坐標添加到物體上，就可得出物體新的位置，實現(xiàn)物體的拖動。

2.3.3 移動視角 通過拖拽手指可以移動觀察物體的方位，即移動視角。具體方法是實時通過手指觸屏的位置變化來獲得位移（Transform）和旋轉(zhuǎn)（Rotate）兩個屬性，再將初始值和變化量都賦予攝像機，就可實現(xiàn)視角的移動。還可以改動Move Speed，改變攝像頭移動視角的速度。

2.3.4 用手勢進行放大縮小 用兩個手指觸屏讓物體放大或者縮小。它實現(xiàn)的過程就是當兩個手指放上去，實時記錄兩個手指的距離；當手指移動，再計算兩個手指的距離，將兩個手指的距離之差記錄為offset，然后將offset轉(zhuǎn)換成縮放因子，并適當調(diào)整縮放因子大小；此時調(diào)用物體的坐標系大小，將縮放因子賦值進去，就能改變物體大小。

2.3.5 拆裝動畫 Unity中的Animation可以錄制物體拆裝的動畫。首先要將模型添加進去，并選中要移動的零件；然后選擇移動的時間，再將零件拖到想要它拆卸或裝配的地方；最后保存動畫。還可以將各個動畫文件設(shè)置播放順序，并與實際操作結(jié)合起來。這時要打開Animator，因為要實現(xiàn)的是通過一定操作使機器進行拆裝，所以設(shè)置一個空狀態(tài)，然后將各個狀態(tài)相連，并將連線賦予trigger，可以通過腳本控制這個trigger，通過點擊來使動畫播放。

2.3.6 將動作與按鍵進行綁定 在UI（用戶界面）按鍵中添加一個Button，可以調(diào)整Button在世界坐標中的位置，并可以在Button的界面設(shè)置它的顏色、文字等，再編寫腳本與Botton綁定。

2.3.7 顯示名字 點擊物體在物體表面顯示它的名字。該代碼先用transform獲取物體的位置坐標，點擊鼠標就能調(diào)用物體的名字，并將名字坐標賦值為物體表面。

2.3.8 爆炸圖 實現(xiàn)爆炸圖效果。爆炸圖模塊包括分開和合并兩個部分。記錄零件原始的位置，然后在世界坐標中調(diào)整它分開后的坐標位置并記錄，再調(diào)用零件名字并賦值到物體表面，就實現(xiàn)爆炸圖。爆炸圖的合并就是直接銷毀原來分開時的操作即可。

2.3.9 拆裝 實現(xiàn)機件的拆卸和裝配。在拆裝技術(shù)中，首先要在零件上定義正確的拆裝工具，排列好拆裝順序，系統(tǒng)就會利用判斷語句判斷所選的拆裝工具以及拆裝順序是否正確，判定正確就可執(zhí)行相應(yīng)函數(shù)，而且可以調(diào)用提示函數(shù)在屏幕上提示拆裝是否正確，如圖5所示。

3 系統(tǒng)測試發(fā)布

3.1 系統(tǒng)界面設(shè)計

各項技術(shù)實現(xiàn)后，要綜合設(shè)計UI，用Photo-shop軟件對圖表進行設(shè)計，加入軟件名稱、背景圖片以及Button按鈕控件，如圖6所示。

在爆炸圖功能界面設(shè)置四個按鍵，分別是“返回”“爆炸圖展開”“爆炸圖合并”“拆裝模式”，點擊“返回”即可返回開始界面，點擊“拆裝模式”即可進入拆裝模式界面。在爆炸圖功能界面即可開始識別目標，顯示活塞連桿模型。而且在爆炸圖的各個零件上能顯示各零件名稱，如圖7所示。

在拆裝模式界面設(shè)置“零件欄”“工具欄”“返回”“拆卸模式”“裝配模式”“導航”等按鍵。“零件欄”可展開，拆卸下來的零件自動放入“零件欄”，裝配時可在“零件欄”中選取零件。“工具欄”可展開，里面有拆裝所需的工具，在“工具欄”上方可顯示所選的工具。點“拆卸模式”可進入拆卸模式，點擊“裝配模式”可進入裝配模式。“導航”可以提示下一步所要安裝或拆卸的零件，也可以關(guān)閉提示進行訓練，如圖8所示。在拆卸或裝配完成后會顯示“重置”和“退出”按鍵，點擊“重置”可以恢復模型，再次進行訓練；點擊“退出”可以退出軟件。

3.2 系統(tǒng)發(fā)布測試

用Unity發(fā)布增強現(xiàn)實系統(tǒng)，將JDK和SDK安裝到計算機中并配置環(huán)境變量，配置好發(fā)布環(huán)境后，在Build Setting中設(shè)置系統(tǒng)的圖標、名稱、分辨率，選擇Android平臺導出APK文件，并在移動手機終端進行安裝測試[6]。

3.2.1 爆炸圖模式測試 該模式中要測試爆炸圖是否按預定的位置展開、文字的顯示是否正常、文字的顯示是否正確、模型的識別是否穩(wěn)定、按“返回”鍵是否能順利回到開始界面、按“拆裝模式”按鈕是否能順利轉(zhuǎn)入拆裝模式。

3.2.2 拆裝模式測試 在該模式中，要測試是否能選中所要用的拆裝工具，拆卸下來的零件是否放入“零件欄”中，選用零件后零件是否會減少，選對或選錯零件和工具是否能正常提示，導航是否正確，導航的開啟關(guān)閉是否正常，零件的拆裝位置是否正確，拆裝的順序是否正確，模型是否能穩(wěn)定顯示，按“返回”鍵是否能返回爆炸圖模式。拆裝完成后重置，測試是否正確重置模型位置，退出是否正常退出，在重置界面是否能正常返回。

4 結(jié)束語

在新時代背景下，提高教學訓練質(zhì)量是重中之重。本文應(yīng)用Vuforia實現(xiàn)對圖像目標以及實物目標的識別，并顯示相應(yīng)的模型；利用Unity設(shè)計用戶界面，使軟件更加人性化，功能更多樣化，最終開發(fā)出“柴油機活塞連桿增強現(xiàn)實拆裝教學軟件”。限于現(xiàn)有條件，本文只進行了對單個目標的識別，雖然可以復制AR工程來實現(xiàn)對多個目標的識別，但這種方法會讓軟件安裝內(nèi)存需求過大，不利于資源的合理利用。可以利用Vuforia的云識別技術(shù)，讓同一個軟件實現(xiàn)對多個目標的識別，乃至對整個柴油機各個機件的識別。在對模型進行交互方面可以有更多創(chuàng)新，不局限于本文中的幾種，因為Unity的功能是足夠強大的，可以實現(xiàn)更復雜的交互。可以在教學訓練實踐中總結(jié)，不斷優(yōu)化，最終開發(fā)出一整套柴油機增強現(xiàn)實訓練系統(tǒng)。

參考文獻

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學中的應(yīng)用[J].教育現(xiàn)代化，2020，7（48）：137-140.

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廣州：廣東工業(yè)大學，2016.

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*項目來源：海軍工程大學教學科研課題“移動增強現(xiàn)實技術(shù)在內(nèi)燃動力專業(yè)教學中的應(yīng)用研究”（課題編號：NUE

2020003）。

作者：王銀、楊昆，中國人民解放軍海軍工程大學動力工程學院，副教授，研究方向為艦船內(nèi)燃動力設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計；周磊，中國人民解放軍海軍工程大學動力工程學院，講師，研究方向為艦船內(nèi)燃動力設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計；羅麗，中國人民解放軍海軍工程大學動力工程學院，助教，研究方向為艦船內(nèi)燃動力設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計；張施航，中國人民解放軍海軍工程大學動力工程學院，工程師，研究方向為艦船內(nèi)燃動力設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計（430033）。