增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) （AR）技術(shù)在汽車(chē)傳感器教學(xué)中的探索與應(yīng)用

張婷

摘 要：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)AR目前在國(guó)內(nèi)的不斷的發(fā)展，人們開(kāi)始更多的關(guān)注于基于VR和AR的虛擬仿真學(xué)習(xí)環(huán)境開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR技術(shù)在汽車(chē)傳感器教學(xué)中進(jìn)行應(yīng)用，探索AR在汽車(chē)傳感器教育教學(xué)方面的應(yīng)用方法，首先提出在教學(xué)中，講授汽車(chē)傳感器這門(mén)課程中遇到的問(wèn)題，然后對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR技術(shù)的系統(tǒng)搭建和開(kāi)發(fā)做了介紹，最后通過(guò)分析和研究，提出了基于手機(jī)識(shí)別的AR汽車(chē)傳感器教學(xué)App開(kāi)發(fā)應(yīng)用，并提出了研究方案。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí);AR;交互;汽車(chē)傳感器

汽車(chē)傳感器課程主要培養(yǎng)學(xué)生在汽車(chē)構(gòu)造以及汽車(chē)檢修等方面的想象空間，而這種思維方式很難用老師的教受和講解以及課件來(lái)描述的很清楚，對(duì)于一個(gè)汽車(chē)傳感器這種三維立體空間的實(shí)物來(lái)說(shuō)，在汽車(chē)的具體的哪個(gè)位置，是需要反復(fù)區(qū)記憶的。對(duì)于立體三維空間概念感較差的學(xué)生，在沒(méi)有經(jīng)常對(duì)汽車(chē)進(jìn)行拆卸和組裝的話，很難想象或者找到某個(gè)傳感器的具體位置。如果使用現(xiàn)實(shí)中的汽車(chē)進(jìn)行教學(xué)，費(fèi)用過(guò)高，同時(shí)學(xué)生在對(duì)汽車(chē)進(jìn)行拆卸時(shí)，存在自身安全隱患。因此在傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中，教師采用多媒體和PPT形式進(jìn)行教學(xué)，教學(xué)效果并不理想。近些年，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，教師已經(jīng)在課件中可以加入三維立體模型，但是學(xué)生對(duì)于每個(gè)傳感器在汽車(chē)中的位置，還是不能很好的理解。同時(shí)在課外，學(xué)生只能通過(guò)書(shū)本進(jìn)行反復(fù)記憶，枯燥無(wú)味，學(xué)習(xí)效果并不理想，課堂中通過(guò)老師的反復(fù)講解，也達(dá)不到很好的效果。為了解決目前教學(xué)過(guò)程中的問(wèn)題，本人采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)AR開(kāi)發(fā)一款汽車(chē)傳感器的輔助教學(xué)APP，可以有效的幫助學(xué)生在任何時(shí)刻，任何地方，對(duì)汽車(chē)傳感器進(jìn)行學(xué)習(xí)。不受時(shí)間和空間的限制，使學(xué)生更好的理解汽車(chē)傳感器的構(gòu)造和用途。

1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡(jiǎn)介

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它是一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息"無(wú)縫"集成的新技術(shù)，是把原本在現(xiàn)實(shí)世界的一定時(shí)間空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)到的實(shí)體信息（視覺(jué)信息，聲音，味道，觸覺(jué)等），通過(guò)電腦等科學(xué)技術(shù)，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，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)。真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體實(shí)時(shí)地疊加到了同一個(gè)畫(huà)面或空間同時(shí)存在。

作為新型的人機(jī)接口和仿真工具，AR受到的關(guān)注日益廣泛，并且已經(jīng)發(fā)揮了重要作用，顯示出了巨大的潛力。

總體來(lái)講，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在中國(guó)處于起步階段，許多虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始專(zhuān)注于"增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)"的研發(fā)和應(yīng)用。比如中視典數(shù)字科技研發(fā)的VRP12.0就集成了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的功能。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車(chē)傳感器教學(xué)中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的汽車(chē)傳感器的課堂教學(xué)過(guò)程中，教師在沒(méi)有實(shí)訓(xùn)條件的情況下，在課堂教學(xué)中，只能使用多媒體課件輔助講解，讓學(xué)生理解傳感器的構(gòu)造以及每個(gè)傳感器在汽車(chē)中的位置，學(xué)生沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)訓(xùn)過(guò)程，在學(xué)習(xí)過(guò)程中存在諸多的問(wèn)題。學(xué)習(xí)汽車(chē)傳感器課程，學(xué)生很難在沒(méi)有實(shí)際操作，只通過(guò)PPT中的一些平面圖片，就可以體會(huì)到每一種傳感器在汽車(chē)中的位置，并且對(duì)于每一種傳感器的樣子也不一定有很深的印象。對(duì)于傳感器的作用和傳感器故障的排除，只停留在書(shū)本表面，并沒(méi)有實(shí)際的操作。這樣，對(duì)職業(yè)技術(shù)院校的學(xué)生在今后的工作和其它院校的學(xué)生之間存在很大差距的競(jìng)爭(zhēng)力。

因此，如果有一種方法讓學(xué)生看到的不再是書(shū)本上的平面圖，并且能夠使學(xué)生明白傳感器的用途和如何排除故障，就可以很好地輔助學(xué)生對(duì)汽車(chē)傳感器的學(xué)習(xí)了。AR技術(shù)目前就可以解決類(lèi)似的問(wèn)題，因此本人試圖開(kāi)發(fā)一款基于AR技術(shù)的輔助汽車(chē)傳感器的APP教學(xué)軟件，利用AR技術(shù)開(kāi)發(fā)了汽車(chē)傳感器輔助教學(xué)App。使得書(shū)本上汽車(chē)傳感器的圖片變成立體的真實(shí)的三維模型，對(duì)初學(xué)汽車(chē)傳感器的學(xué)生而言，帶來(lái)了很大的幫助，方便他們更好的記憶汽車(chē)傳感器。同時(shí)采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)之后，可以將現(xiàn)實(shí)的這是場(chǎng)景，通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR技術(shù)將虛擬的3D模型疊加到現(xiàn)實(shí)世界場(chǎng)景（教材平面圖）中來(lái)。在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生在手機(jī)上安裝汽車(chē)傳感器輔助教學(xué)App，不論是在課前的預(yù)習(xí)，還是課堂中學(xué)習(xí)時(shí)，又或者在課后進(jìn)行復(fù)習(xí)時(shí)，只要學(xué)生在學(xué)習(xí)或做練習(xí)題遇到難以理解的傳感器時(shí)，只需打開(kāi)App，用手機(jī)攝像頭掃描自己所需要的教材圖片，App通過(guò)識(shí)別匹配出對(duì)應(yīng)的三維真實(shí)模型，然后經(jīng)過(guò)分析和定位，將3D圖像與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景疊加在一起，在手機(jī)屏幕上顯示，該傳感器在汽車(chē)中的具體位置，學(xué)生可以利用觸摸屏手機(jī)對(duì)傳感器模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放操作，從不同角度觀察模型[3]。并且對(duì)每個(gè)傳感器還增加了故障檢測(cè)和連接電極的標(biāo)簽，為學(xué)生對(duì)傳感器的故障排除和檢測(cè)提供了方便和指導(dǎo)。此APP不僅學(xué)生可以在學(xué)校學(xué)習(xí)時(shí)使用，同時(shí)在今后的工作中也可以隨時(shí)使用，并且方便攜帶，為學(xué)生在今后工作中也可以提供方便。

3 軟件開(kāi)發(fā)方案以及APP設(shè)計(jì)

本文采用的AR開(kāi)發(fā)環(huán)境是Vuforia。Vuforia是高通的AR解決方案，它使用機(jī)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)實(shí)時(shí)地識(shí)別和跟蹤平面圖像以及簡(jiǎn)單的3D圖像，使開(kāi)發(fā)者能夠在現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)字體驗(yàn)之間架起橋梁。[1]

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，不僅展現(xiàn)了真實(shí)世界的信息，而且將虛擬的信息同時(shí)顯示出來(lái)，兩種信息相互補(bǔ)充、疊加。在視覺(jué)化的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中，用戶(hù)利用手機(jī)，把真實(shí)世界與電腦圖形多重合成在一起，便可以看到真實(shí)的世界圍繞著它[2]。根據(jù)這一原理，汽車(chē)傳感器輔助教學(xué)App程序AR識(shí)別流程如下：

系統(tǒng)首先使用SolidWorks軟件按照汽車(chē)機(jī)構(gòu)實(shí)際尺寸進(jìn)行三維建模，建模完成后，將stl文件導(dǎo)入3DMax軟件，進(jìn)行二次處理，主要是針對(duì)SolidWorks曲面建模導(dǎo)致的破碎三角面進(jìn)行補(bǔ)面或逆向繪制，將多余的點(diǎn)與面刪減，對(duì)模型UVW展開(kāi)繪制，然后導(dǎo)出fbx文件，再將fbx文件導(dǎo)入U(xiǎn)nity，通過(guò)Vuforia插件建立空間錨點(diǎn)識(shí)別信息，并編程開(kāi)發(fā)系統(tǒng)界面、手勢(shì)控制、動(dòng)畫(huà)狀態(tài)機(jī)、PhysX物理運(yùn)算、動(dòng)力學(xué)解算等系統(tǒng)功能。

本系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方式：

（1）借助android（安卓）設(shè)備可識(shí)別設(shè)備圖片、實(shí)際物體。

（2）通過(guò)安卓移動(dòng)端程序能夠?qū)⒄鎸?shí)世界信息和虛擬世界信息無(wú)縫集成，達(dá)到人眼看到的虛擬設(shè)備與真實(shí)世界信息相互補(bǔ)充疊加的效果。

（3）把原本在現(xiàn)實(shí)世界的一定時(shí)間空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)到的實(shí)體信息，通過(guò)AR技術(shù)，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，被用戶(hù)感官所感知，從而超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。

（4）系統(tǒng)具有突出的特點(diǎn)：真實(shí)世界和虛擬的信息集成、具有實(shí)時(shí)交互性、是在三維尺度空間中增添定位虛擬物體。

（5）通過(guò)屏幕的手勢(shì)操作對(duì)識(shí)別出來(lái)的虛擬設(shè)備縮小、放大、旋轉(zhuǎn)。

（6）可點(diǎn)擊現(xiàn)實(shí)世界中設(shè)置的按鈕對(duì)虛擬信息進(jìn)行操作（爆炸圖演示）。

（7）點(diǎn)擊屏幕上的步驟按鈕對(duì)虛擬物體進(jìn)行步驟演示操作。

（8）手持安卓端程序，在圍繞識(shí)別出來(lái)的虛擬設(shè)備移動(dòng)的同時(shí)可詳細(xì)觀察設(shè)備的組成。

汽車(chē)傳感器輔助教學(xué)App，目前以開(kāi)始在教學(xué)中實(shí)驗(yàn)使用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在使用汽車(chē)傳感器輔助教學(xué)APP時(shí)，可以為學(xué)生學(xué)習(xí)帶來(lái)更加便利，更加直觀的學(xué)習(xí)方式，使學(xué)生對(duì)汽車(chē)傳感器這門(mén)課程更感興趣。同時(shí)，讓學(xué)生在實(shí)訓(xùn)中更加深對(duì)傳感器的理解。本項(xiàng)目的研究，對(duì)今后的教學(xué)中存在深遠(yuǎn)的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]程彤，汪存友.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在非正式學(xué)習(xí)空間中的應(yīng)用探討[J].中國(guó)教育信息化，2016（22）.

[2]徐敏，童強(qiáng).一種基于Unity3D+Vuforia的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)交互App的開(kāi)發(fā)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（專(zhuān)業(yè)版），2016（12）.

[3]周云成.AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械制圖教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代職業(yè)教育（高職高專(zhuān)），2016（9）.