基于增強現(xiàn)實技術的“機械設計基礎”課程教學改革探索

摘要：探索利用增強現(xiàn)實技術把“機械設計基礎”課程中的機構結構簡圖制作成基于圖片的“魔法書”，并開發(fā)出基于智能手機的識別程序，學生利用手機拍攝“魔法書”上的機構圖片，則會在手機屏幕上自動呈現(xiàn)出該機構的三維模型，運動簡圖的繪畫思路、畫法以及自由度計算等，從而擴充學生的學習環(huán)境，激發(fā)學生的學習興趣，提高課程的教學效果。

關鍵詞：機械設計基礎；增強現(xiàn)實技術；機構結構簡圖

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）46-0131-02

傳統(tǒng)的“機械設計基礎”課程中使用圖片、動畫、視頻等多媒體方式來演示像機構運動簡圖等知識點的方法雖然能夠為學生提供比較形象、相對更容易的講解手段，但無法與學生進行有效的交互，難以完全滿足學生的學習需求。

增強現(xiàn)實技術（Augmented Reality，AR）是由虛擬現(xiàn)實發(fā)展出來的新研究領域，是一種將計算機產(chǎn)生的虛擬信息與真實環(huán)境進行融合的技術。增強現(xiàn)實不是把使用者與真實世界隔離，而是將計算機產(chǎn)生的虛擬信息疊加到真實場景中，構造出虛實結合的空間，其中真實物體和虛擬對象是共存的，可以互相增強或互為補充[1]。增強現(xiàn)實技術憑借聲音技術、三維影像、用戶交互等優(yōu)勢，為學生提供一個三維的虛擬環(huán)境，讓學生身臨其境一般，通過與虛擬場景交互獲得知識，從而激發(fā)學生的學習興趣與積極性，提高學生的學習效果。因此，近年來，越來越多相關研究者研究如何把增強現(xiàn)實技術應用到教學中。

一、增強現(xiàn)實技術在教學中的應用現(xiàn)狀

1.利用增強現(xiàn)實技術創(chuàng)設教學情景。該形式的教學應用的主要特征是利用增強現(xiàn)實技術對有意義的真實世界的問題和情境進行模擬與表征，從而構成一種混合的虛實環(huán)境來支持學習者的學習。如哥倫比亞大學曾開發(fā)出移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)（MARS），通過增強現(xiàn)實技術為校園景觀添加的虛擬的多媒體信息，以幫助學生了解學校的歷史；北京理工大學王涌天教授的團隊，利用增強現(xiàn)實技術創(chuàng)作的大型主題景觀《虛擬圓明園》，成為進行愛國主義教育的典范。美國麻省理工大學也創(chuàng)作了各種教學用的“魔法書”，只需要使用一個攝像頭對著書籍中的圖案或文字就會有一個三維圖形展示出來，通過三維圖形來展示各種知識點。

2.利用增強現(xiàn)實技術革新教學模式。信息技術本身就已使得傳統(tǒng)的教學模式發(fā)生了改變，而增強現(xiàn)實技術依靠其鮮明的特色和技術優(yōu)勢，在推進教學模式變革的過程中更能凸顯其地位與價值。在此環(huán)境中學習者可以利用各種工具和信息資源（如文字材料、書籍、音像資料、CAI與多媒體課件以及Internet上的信息等）來達到自己的學習目標。在這一過程中學習者不僅能得到教師的幫助與支持，而且學生之間也可以相互協(xié)作和支持。馬德里卡洛斯三世大學的科研人員利用增強現(xiàn)實技術可以直觀地看到上課教學內(nèi)容和筆記或者評論，并判斷學生是否理解講課內(nèi)容，達到增進教師與學生的溝通的目的。

3.利用增強現(xiàn)實技術游戲開展課外活動。在古希臘語里，“游戲（Paidia）和“教育（Paideia）”只有一個字母之差，二者均與“成長（Pais）”有關，可以說教育與游戲從一開始就結下了不解之緣。游戲是人類的天性，人類的學習很多都是在游戲中獲得的。游戲不僅具有娛樂功能，而且還具有良好的教育功能，游戲中的情境、人物、任務設計都體現(xiàn)一定的教育傾向，游戲是孩子們傳遞信息、培養(yǎng)情感和發(fā)展智能的活動形式，也是探索和學習無縫結合的好方法，學生在游戲中表現(xiàn)出的注意力集中、思維活躍和協(xié)作能力超越其他方式。游戲還是一種思維工具，可以考量用戶的思維能力、反應能力和創(chuàng)造能力?？茖W合理地開發(fā)和利用游戲也不失為學校教育的一種策略。如韓國開發(fā)的增強現(xiàn)實游戲ARPushPush運用追蹤器檢測用戶的運動，并通過頭盔顯示器為用戶提供包含了虛擬景觀的視野，能很好地訓練用戶的運動能力和空間思維能力。北京理工大學開發(fā)的增強現(xiàn)實海底漫游系統(tǒng)讓用戶得以使用交互體驗設備和虛擬場景中的海洋生物互動、嬉戲；威亞視訊科技開發(fā)的增強現(xiàn)實娛樂體驗項目“廣東夢想探險”，實現(xiàn)了珠江暢游、海底漫游和太空探索三個場景，由軌道電車引領觀眾在不同的主題場景中進行漫游，體驗亦真亦幻般的世界、虛實結合的科技奧秘。

二、本課題的實現(xiàn)思路及主要研究內(nèi)容

本課題利用增強現(xiàn)實技術制作一本介紹機構運動簡圖畫法的、基于圖片的“魔法書”。學生利用手機上的攝像頭拍攝到“魔法書”上的機構圖片，則會在手機屏幕上自動呈現(xiàn)出該機構的三維模型、運動簡圖的繪畫思路、畫法以及自由度計算等[2]。具體實現(xiàn)思路及對應的研究內(nèi)容如圖1所示。

三、本課題擬解決的關鍵技術

目前基于計算機的增強現(xiàn)實系統(tǒng)主要包含場景采集系統(tǒng)、跟蹤注冊系統(tǒng)、虛擬場景發(fā)生器、虛實融合系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)和人機交互界面等[3]。硬件主要包括計算機、攝像頭、頭盔顯示器和硬件跟蹤設備等[4]。增強現(xiàn)實系統(tǒng)的最大特點在于其可以實現(xiàn)虛擬場景與實物場景的疊加，通過頭盔或攝像頭等攝像裝置與計算機顯示器將實物場景中的信息與計算機中的虛擬場景信息進行融合，使其同時顯示在用戶的視場中，從而使用戶獲得超越真實場景的視覺感受。

增強現(xiàn)實系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術主要有以下兩個方面[5]：一是虛實融合技術。增強現(xiàn)實系統(tǒng)中要實現(xiàn)預期的顯示效果就必須將計算機中虛擬的場景信息與真實環(huán)境中的信息“平滑”地融合在一起，從而體現(xiàn)對真實場景信息的“增強”。二是三維跟蹤注冊技術?，F(xiàn)有的增強現(xiàn)實系統(tǒng)大多使用攝像頭來采集真實環(huán)境中的信息，這就需要實時地檢測出攝像頭相對于真實場景的位置與姿態(tài)，以便能夠根據(jù)這些信息來確定所需要添加的虛擬三維模型在真實場景中的正確位置。

隨著智能手機及平板電腦技術的發(fā)展，智能手機的功能已經(jīng)接近普通的計算機的功能，而且還內(nèi)置了攝像頭，這就使得基于手機的增強現(xiàn)實系統(tǒng)的開發(fā)成為可能，然而目前的智能手機的運算能力還無法與計算機的運算能力相媲美，因此還無法將基于計算機的增強現(xiàn)實系統(tǒng)直接有效地移植到智能手機上，因此本課題的研究將主要解決以下兩個關鍵技術[6]：endprint

（一）面向手機端的圖片快速識別技術

要實現(xiàn)上述的機構運動簡圖畫法的“魔法書”，首先要能夠準確識別出各個不同的機構照片。傳統(tǒng)的在計算機上運行的模板識別算法往往利用計算機CPU的強大運算能力進行模板匹配方法來達到目的，這種算法要求有較大的內(nèi)存空間以及強大的CPU處理能力才能保證識別的實時性。本課題考慮到手機的內(nèi)存與CPU運算能力相對較弱的現(xiàn)實情況，擬采用小波分解方法來達到對圖片快速識別的目的。其核心是制作出具有形變不變性與旋轉不變性的模板庫，然后把縮小的實時圖像與模板庫進行匹配來實現(xiàn)目標物體的識別。由于圖片可以縮小，因此，可以有效減小匹配時的搜索維度，提高圖像識別速度，減少系統(tǒng)內(nèi)存的消耗。

（二）基于照片的三維注冊技術

對于增強現(xiàn)實而言，三維注冊算法是其實現(xiàn)的核心與基礎。所謂的三維注冊算法即把虛擬物體準確疊加到真實物體之上，讓用戶覺得虛擬物體就是放置在真實物體之上。本課題嘗試利用二維圖片上的特征點，開發(fā)基于普通照片的三維注冊算法（即自然標記的三維注冊算法）。為了能夠把虛擬三維模型正確地“放置”在真實環(huán)境之中，必須要先知道手機攝像頭的位置與姿態(tài)，然后根據(jù)這個位置與姿態(tài)來設置虛擬攝像頭以便渲染出與真實環(huán)境觀察角度一致的虛擬物體。實現(xiàn)的基本思路是先獲得圖像中的特殊特征點，然后根據(jù)這些特征點在預設角度與手機攝像頭實時捕捉的以視頻幀之間的形變值來推算手機的位置與姿態(tài)。

四、結束語

本課題緊扣高職類學生認知規(guī)律的特點，立足于實際生產(chǎn)機器當中典型機構的結構簡圖的繪制及其運動特性的分析，將基于文字、二維圖片的學習內(nèi)容制作成“魔法書”，通過智能手機轉換成三維模型，并融入“游戲”的色彩，增強學習的交互性，讓學生在“娛樂”中學習原本“枯燥”的知識，必將大幅提升學習效果。

參考文獻：

[1]雷靜.增強現(xiàn)實技術在教學中的應用[J].中國教育技術裝備，2011，（35）：7-8.

[2]程志，金義富.智能手機增強現(xiàn)實系統(tǒng)的架構及教育應用研究[J].中國電化教育，2012，（8）：134-138.

[3]鐘惠娟、劉肖琳、吳曉莉.增強現(xiàn)實系統(tǒng)及其關鍵技術研究[J].計算機仿真，2008，25（1）：252-255.

[4]林倞，楊珂，王涌天，劉越.移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)的關鍵技術研究[J].中國圖象圖形學報，2009，14（3）：560-564.

[5]楊彤.增強現(xiàn)實系統(tǒng)的相關技術研究[D].天津：南開大學，2010.

[6]程志，金義富.基于手機的增強現(xiàn)實及其移動學習應用[J].電化教育研究，2013，（2）：66-30.

基金項目：2013年度東莞職業(yè)技術學院院級基金項目：增強現(xiàn)實技術在“機械設計基礎”課程教學中的應用研究（編號：2013c22）。

作者簡介：左大利（1982-），男，講師，湖北廣水人，東莞職業(yè)技術學院機電工程系教師，主要從事數(shù)控技術及其職業(yè)教育研究。endprint