混合現(xiàn)實技術(shù)在機械課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

楊曉龍 凌莉

摘? 要：混合現(xiàn)實技術(shù)（MR）突破空間、時間和現(xiàn)實約束，能夠在現(xiàn)實世界中投射出全面、逼真、可編輯的機械結(jié)構(gòu)和物理關(guān)系模型，因此能突破傳統(tǒng)教學(xué)方式枯燥的刻板印象和信息傳遞的局限性，極有可能引領(lǐng)未來機械設(shè)計和制造類課程教育教學(xué)革命。雖然目前MR設(shè)備昂貴、技術(shù)尚不成熟，但根據(jù)歷年微電子產(chǎn)品價格所建立的數(shù)學(xué)模型預(yù)測表明：10年后MR設(shè)備的價格和技術(shù)成熟度將等同于現(xiàn)階段個人計算機。所以，價格和技術(shù)并不是制約未來MR技術(shù)課堂發(fā)展的關(guān)鍵，如何轉(zhuǎn)變高校教師觀念，使他們?nèi)シe極探索和使用MR設(shè)備和技術(shù)才是重點。

關(guān)鍵詞：混合現(xiàn)實;機械設(shè)計;機械制造;高等教育;微電子

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）28-0090-04

Abstract： （MR） Mixed reality technology overcomes constraints of time， space and reality， is able to shoot comprehensive realistic editable mechanical structure and physical relationship model in the real world， thus can break through the traditional teaching mode of boring stereotypes and the limitations of information transmission， is likely to lead future mechanical design and manufacture of class education teaching revolution. Although MR equipment is expensive and the technology is not mature at present， the mathematical model prediction based on the price of microelectronics products over the years shows that after 10 years， the MR equipment price and technical maturity will be equivalent to the current PC. Therefore， price and technology are not the key to restrict the future development of MR technology classroom， but how to change the concept of university teachers is very important so that they can actively explore and use MR equipment and technology.

Keywords： mixed reality; mechanical design; mechanical manufacturing; higher education; microelectronics

隨著信息、微電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了諸多新興科技，例如5G通信、人工智能（AI）、虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality， VR）、增強現(xiàn)實（Augmented Reality， AR）和混合現(xiàn)實（Mixed Reality， MR）等一些存在于科幻影片中的技術(shù)逐漸成為現(xiàn)實。VR/AR/MR技術(shù)作為溝通數(shù)字世界和現(xiàn)實世界的“橋梁”，可營造出超感官的現(xiàn)實體驗，近些年引起了國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。VR/AR/MR技術(shù)概念既有區(qū)別又有相通之處，其關(guān)系可由Paul Milgram提出的“真實-虛擬連續(xù)體”概念來描述[1]。VR技術(shù)，即虛擬現(xiàn)實，又稱“靈境技術(shù)”，是通過電腦等外部設(shè)備產(chǎn)生三維圖像通過穿戴式顯示器投射到眼睛，并通過陀螺儀使圖像跟隨頭部運動而運動，從而營造出接近真實世界的視覺刺激，可見，VR技術(shù)創(chuàng)造的是完全虛擬的世界;AR技術(shù)，即增強現(xiàn)實，是在VR技術(shù)上發(fā)展而來的新興技術(shù)，與VR的區(qū)別在于，AR可以將計算機產(chǎn)生的虛擬影像疊加到現(xiàn)實世界中，實現(xiàn)對現(xiàn)實的增強，所以其營造的世界更接近于真實世界[2]。

混合現(xiàn)實（MR）不同于AR技術(shù)中影像的簡單疊加，它的關(guān)鍵點是與現(xiàn)實世界進行信息獲取及交互，在真實世界、虛擬世界搭建一個信息反饋的“橋梁”。例如，電影《鋼鐵俠》中，托尼·斯塔克利用全息影像投射出鋼鐵戰(zhàn)甲模型，對模型進行“隔空”操作、修改、裝配和調(diào)試的過程就運用了MR技術(shù)。MR技術(shù)突破了空間、時間和現(xiàn)實的局限性，將數(shù)字化的真實世界具象地展現(xiàn)在了用戶面前，供用戶進行剖析式地學(xué)習(xí)、編輯和測試。這種新興的信息交互形式能夠大幅提升用戶學(xué)習(xí)效率和愉悅感，并且實現(xiàn)對真實世界物理系統(tǒng)的準確預(yù)測和設(shè)計，因此它在航空航天[3-4]、醫(yī)療[5-7]、軍事[8-10]、教育[2，11-16]等領(lǐng)域的關(guān)注度日漸高漲。例如，在航空航天領(lǐng)域，MR技術(shù)可構(gòu)建出逼真的航空發(fā)動機模型，結(jié)合全息影像，并通過手勢識別、觸覺反饋、生理計算和語音交互技術(shù)實現(xiàn)發(fā)動機零部件的拆解、尺寸/材料設(shè)計、組裝和運行模擬[3]。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，MR技術(shù)可結(jié)合血管超聲、核磁共振、CT血管造影獲取的數(shù)據(jù)，建立接近“真實”的血管模型，醫(yī)生在術(shù)前通過MR頭盔和觸覺傳感器，對模型進行“手術(shù)”，獲取術(shù)后效果數(shù)據(jù)，來評價和優(yōu)化手術(shù)方案，提升手術(shù)成功率[6]。

由此可見，MR技術(shù)具有“現(xiàn)實”和“虛擬”的可互動性，能夠?qū)⒊橄蟮男畔⒕呦蠡?，并映射到真實世界中，供用戶身臨其境地學(xué)習(xí)、編輯和測試，是一種前所未有的人類獲取信息和知識的新渠道，因此在教育領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。