VR和AR技術(shù)在機(jī)械制圖課程中的應(yīng)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(xiàn)實(shí)技術(shù)正迅速發(fā)展，對(duì)現(xiàn)代職業(yè)教育的教學(xué)方式方法產(chǎn)生重要影響。機(jī)械制圖作為一門(mén)傳統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，在教學(xué)中存在一些難點(diǎn)，例如組合體的構(gòu)型、剖視圖的表達(dá)、裝配體的識(shí)讀等，主要是由于學(xué)生空間思維能力不強(qiáng)，對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)認(rèn)知不足等因素造成。利用VR/AR技術(shù)，開(kāi)發(fā)各種更直觀易用，具有良好立體感和交互性的教學(xué)資源，通過(guò)線上線下等不同的方式供學(xué)生采用，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效果。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);機(jī)械制圖;課程教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)： G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）的概念產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代，最初的定義是通過(guò)顯示器上的圖形方式表達(dá)用戶計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)，在合理操作下產(chǎn)生的交互感受所幻想出來(lái)的一個(gè)空間，稱(chēng)之為賽博空間（Cyberspace），和真實(shí)物理空間對(duì)應(yīng)[1]。后續(xù)經(jīng)過(guò)許多學(xué)者的補(bǔ)充完善，從不同的角度提出了虛擬現(xiàn)實(shí)的特性?，F(xiàn)在廣受認(rèn)可的一種描述是，虛擬現(xiàn)實(shí)是一種集成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、電子技術(shù)、仿真技術(shù)及人工智能等多門(mén)技術(shù)的綜合領(lǐng)域。它利用計(jì)算機(jī)生成一種虛擬的三維環(huán)境，通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多種信息通道為人所感知，并通過(guò)各種傳感設(shè)備，真正實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，從而為用戶帶來(lái)良好的沉浸感、交互性和構(gòu)想性。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）的出現(xiàn)則晚了很多，主要原因在于移動(dòng)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(xiàn)實(shí)世界之外創(chuàng)建的虛擬場(chǎng)景疊加到真實(shí)場(chǎng)景中，形成一個(gè)虛實(shí)結(jié)合的環(huán)境，被人類(lèi)感官所感知，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)，主要作用是在真實(shí)物體上疊加該物體的信息。

在高職的機(jī)械制圖課程教學(xué)中，普遍存在以下幾個(gè)難點(diǎn)：組合體的構(gòu)型方式、剖視圖的準(zhǔn)確表達(dá)、裝配體的識(shí)讀理解等[2][3]。這主要是由于學(xué)生空間思維能力不強(qiáng)，對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)認(rèn)知不足等因素造成。然而傳統(tǒng)的制圖教學(xué)方式，多采用教師板書(shū)、PPT課件、觀看圖紙或木制模型，從實(shí)際效果來(lái)看，學(xué)生還是覺(jué)得抽象、不直觀，沒(méi)有很好地解決以上幾個(gè)難題。

國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要鼓勵(lì)高職院校要利用豐富的信息化技術(shù)手段，對(duì)原有教學(xué)資源、教學(xué)方法、教育模式和理念進(jìn)行全面改進(jìn)，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效果[4]。本文將研究以VR/AR為代表的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械制圖課程中教學(xué)中的綜合應(yīng)用。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在組合體構(gòu)型中的應(yīng)用

1.1 通過(guò)AR技術(shù)讓學(xué)生“全面”認(rèn)識(shí)組合體

這兩年以來(lái)，大量的出版社都在新出版的制圖類(lèi)教材中，增加了相應(yīng)立體的AR資源，而且這些資源都是免費(fèi)公開(kāi)的[5]。在無(wú)法經(jīng)常更換全體學(xué)生教材的情況下，比較可行的做法是，教師通過(guò)不同渠道，自己多準(zhǔn)備一些不同的教材，將其中帶有組合體AR資源的頁(yè)面，掃描為電子圖紙。在課前預(yù)習(xí)階段，將相應(yīng)的圖紙發(fā)送給學(xué)生，并指導(dǎo)學(xué)生下載相應(yīng)的AR資源。這樣學(xué)生就可以在課前利用碎片化時(shí)間，用手機(jī)的攝像頭掃掠電子圖紙中的組合體二維圖形，這時(shí)手機(jī)屏幕上就會(huì)浮現(xiàn)改二維圖形對(duì)應(yīng)的三維模型，還可以觸摸手機(jī)屏幕，對(duì)三維模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放、移動(dòng)，從而“全面”認(rèn)識(shí)該組合體（如圖1所示）。這就解決了平面二維圖紙只能表達(dá)一兩個(gè)“面”的局限性。學(xué)生經(jīng)過(guò)課前預(yù)習(xí)對(duì)組合體的“全面”認(rèn)識(shí)，在課中授課階段，必然會(huì)更容易聽(tīng)懂和理解。

1.2 開(kāi)發(fā)組合體拆裝虛擬交互平臺(tái)

對(duì)組合體進(jìn)行虛擬拆裝體驗(yàn)，可使學(xué)生對(duì)疊加型和切割型組合體的構(gòu)型方式有更深刻形象的理解，有利于學(xué)生后續(xù)對(duì)組合體進(jìn)行完整的形體分析[6]。

本研究團(tuán)隊(duì)在HTC VIVE SDK的基礎(chǔ)上，基于Unity3D獨(dú)立開(kāi)發(fā)了一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于組合體拆裝體驗(yàn)教學(xué)的虛擬交互平臺(tái)，既可以用鼠標(biāo)操作、在顯示器觀看，也可以讓學(xué)生帶上頭盔，用手柄操作。這兩種交互方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，前者傳統(tǒng)，簡(jiǎn)單，體驗(yàn)一般，學(xué)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(xué)習(xí)，時(shí)間地點(diǎn)自由;后者新奇，復(fù)雜，體驗(yàn)深刻，但學(xué)生要到實(shí)驗(yàn)室佩戴必要的設(shè)備后，才能在體驗(yàn)學(xué)習(xí)，時(shí)間地點(diǎn)受限。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室體驗(yàn)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(dòng)組合體中凸臺(tái)對(duì)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(xiàn)實(shí)技術(shù)在剖視圖表達(dá)中的應(yīng)用

在組合體的視圖表達(dá)中，學(xué)生反映最難的是剖視圖的畫(huà)法，因?yàn)槠室晥D的畫(huà)法實(shí)際上是建立在對(duì)組合體的完全理解基礎(chǔ)之上，而且剖視圖往往是用來(lái)考核學(xué)生是否正確理解了組合體構(gòu)型的途徑。所以剖視圖的正確表達(dá)是和組合體的完整理解緊密相連的。經(jīng)過(guò)探索研究，可以通過(guò)3D秀秀這類(lèi)新興的第三方平臺(tái)，將事先制作好的三維數(shù)字模型上傳，并轉(zhuǎn)化為可交互瀏覽和剖切顯示的web3D模型，通過(guò)在線共享給學(xué)生，學(xué)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?cái)嗝婕?xì)節(jié)，相當(dāng)接近標(biāo)準(zhǔn)剖視圖，對(duì)學(xué)生理解立體構(gòu)型并正確繪制剖視圖有很好的指導(dǎo)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(tái)，然后對(duì)其紋理、燈光、陰影、操作等做設(shè)置，便可生成輕量化的web3D文件，可通過(guò)網(wǎng)頁(yè)地址的方式發(fā)給學(xué)生用pc使用，也可以通過(guò)微信鏈接或朋友圈的方式發(fā)給學(xué)生，學(xué)生在微信中打開(kāi)使用。在各個(gè)不同的客戶端上，學(xué)生不但可以順暢的旋轉(zhuǎn)縮放觀察該組合體，還可以點(diǎn)擊剖切命令，對(duì)組合體在任意位置，沿任意方向剖切，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)繪制截?cái)嗝嫔系钠拭婢€，如圖3所示。

學(xué)生只要保存該鏈接，便可在任何時(shí)間，用各種客戶端進(jìn)行該組合體的剖視圖學(xué)習(xí)，有利于提升學(xué)生繪制剖視圖的能力，同時(shí)提升對(duì)復(fù)雜組合體的理解力。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在裝配體識(shí)讀中的應(yīng)用

學(xué)生對(duì)裝配體的識(shí)讀困難，根本原因在于學(xué)生缺乏對(duì)這類(lèi)裝配體的結(jié)構(gòu)認(rèn)知，也就是沒(méi)有拆裝過(guò)這類(lèi)產(chǎn)品。但是，隨著高職教育的規(guī)模擴(kuò)折，幾乎所有院校都存在這機(jī)械結(jié)構(gòu)認(rèn)知模型數(shù)量不足，質(zhì)量不佳的狀況。例如筆者所在高校，雖然購(gòu)買(mǎi)了一批全新的小家電供學(xué)生認(rèn)知學(xué)習(xí)，但仍然無(wú)法滿足全班的需要，而且隨著拆裝次數(shù)的增加，真實(shí)產(chǎn)品模型損壞率非常高。近年來(lái)計(jì)算機(jī)圖形性能和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，通過(guò)構(gòu)建虛擬產(chǎn)品的三維模型，供學(xué)生進(jìn)行虛擬結(jié)構(gòu)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)已成為改善教學(xué)條件的一種重要手段[7]。

本研究團(tuán)隊(duì)于2018年建成了一個(gè)能通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)共享的三維互動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室以Unity3D技術(shù)為核心，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上呈現(xiàn)需要認(rèn)知的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)互動(dòng)三維模型。具體建設(shè)過(guò)程包括進(jìn)行需求分析，形成項(xiàng)目方案，平臺(tái)方案設(shè)計(jì)，真實(shí)產(chǎn)品的高精度建模，產(chǎn)品零部件的交互動(dòng)作編程，制作平臺(tái)網(wǎng)頁(yè)，嵌入虛擬交互模型。目前免費(fèi)公開(kāi)提供注塑模具、減速器、加濕器等5個(gè)三維模型，其中齒輪減速器的線上拆裝如圖4所示。學(xué)生用電腦登錄實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)址，加載了Unity Web Player插件后，就可以通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等輸入設(shè)備對(duì)模型進(jìn)行反復(fù)拆裝，而且系統(tǒng)還設(shè)置了三種不同的拆裝方式，包括拆裝動(dòng)畫(huà)演示、鼠標(biāo)點(diǎn)擊拆裝、鼠標(biāo)自由拖曳拆裝，三種方式由淺入深，逐步讓學(xué)生自主操作，符合認(rèn)知規(guī)律。該互聯(lián)網(wǎng)上的虛擬實(shí)驗(yàn)室大幅度提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的時(shí)長(zhǎng)、頻次。

4 教學(xué)反饋

以上幾種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，經(jīng)過(guò)1-2個(gè)學(xué)期在機(jī)械制圖課程實(shí)際教學(xué)應(yīng)用后，進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，超過(guò)90%的學(xué)生對(duì)這幾種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)感興趣，80%以上的學(xué)生覺(jué)得這些技術(shù)對(duì)疑難知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)有明顯幫助。

5 總結(jié)

通過(guò)自主研發(fā)和采用第三方平臺(tái)等多種方式，本文綜合應(yīng)用了4種虛擬現(xiàn)實(shí)具體技術(shù)，較好的解決了機(jī)械制圖課程中的三個(gè)常見(jiàn)難點(diǎn)。VR/AR技術(shù)的引入，使這些知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)變得更加直觀、交互性更好，提高了學(xué)習(xí)效率，尤其是線上模式的開(kāi)發(fā)，極大增加了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的頻次，降低了實(shí)驗(yàn)設(shè)備購(gòu)置成本。本文介紹的各種技術(shù)手段，也適合其他相近課程采用。

【參考文獻(xiàn)】

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