基于增强现实技术的“机械设计基础”课程教学改革探索

摘要：探索利用增强现实技术把“机械设计基础”课程中的机构结构简图制作成基于图片的“魔法书”，并开发出基于智能手机的识别程序，学生利用手机拍摄“魔法书”上的机构图片，则会在手机屏幕上自动呈现出该机构的三维模型，运动简图的绘画思路、画法以及自由度计算等，从而扩充学生的学习环境，激发学生的学习兴趣，提高课程的教学效果。

关键词：机械设计基础；增强现实技术；机构结构简图

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）46-0131-02

传统的“机械设计基础”课程中使用图片、动画、视频等多媒体方式来演示像机构运动简图等知识点的方法虽然能够为学生提供比较形象、相对更容易的讲解手段，但无法与学生进行有效的交互，难以完全满足学生的学习需求。

增强现实技术（Augmented Reality，AR）是由虚拟现实发展出来的新研究领域，是一种将计算机产生的虚拟信息与真实环境进行融合的技术。增强现实不是把使用者与真实世界隔离，而是将计算机产生的虚拟信息叠加到真实场景中，构造出虚实结合的空间，其中真实物体和虚拟对象是共存的，可以互相增强或互为补充[1]。增强现实技术凭借声音技术、三维影像、用户交互等优势，为学生提供一个三维的虚拟环境，让学生身临其境一般，通过与虚拟场景交互获得知识，从而激发学生的学习兴趣与积极性，提高学生的学习效果。因此，近年来，越来越多相关研究者研究如何把增强现实技术应用到教学中。

一、增强现实技术在教学中的应用现状

1.利用增强现实技术创设教学情景。该形式的教学应用的主要特征是利用增强现实技术对有意义的真实世界的问题和情境进行模拟与表征，从而构成一种混合的虚实环境来支持学习者的学习。如哥伦比亚大学曾开发出移动增强现实系统（MARS），通过增强现实技术为校园景观添加的虚拟的多媒体信息，以帮助学生了解学校的历史；北京理工大学王涌天教授的团队，利用增强现实技术创作的大型主题景观《虚拟圆明园》，成为进行爱国主义教育的典范。美国麻省理工大学也创作了各种教学用的“魔法书”，只需要使用一个摄像头对着书籍中的图案或文字就会有一个三维图形展示出来，通过三维图形来展示各种知识点。

2.利用增强现实技术革新教学模式。信息技术本身就已使得传统的教学模式发生了改变，而增强现实技术依靠其鲜明的特色和技术优势，在推进教学模式变革的过程中更能凸显其地位与价值。在此环境中学习者可以利用各种工具和信息资源（如文字材料、书籍、音像资料、CAI与多媒体课件以及Internet上的信息等）来达到自己的学习目标。在这一过程中学习者不仅能得到教师的帮助与支持，而且学生之间也可以相互协作和支持。马德里卡洛斯三世大学的科研人员利用增强现实技术可以直观地看到上课教学内容和笔记或者评论，并判断学生是否理解讲课内容，达到增进教师与学生的沟通的目的。

3.利用增强现实技术游戏开展课外活动。在古希腊语里，“游戏（Paidia）和“教育（Paideia）”只有一个字母之差，二者均与“成长（Pais）”有关，可以说教育与游戏从一开始就结下了不解之缘。游戏是人类的天性，人类的学习很多都是在游戏中获得的。游戏不仅具有娱乐功能，而且还具有良好的教育功能，游戏中的情境、人物、任务设计都体现一定的教育倾向，游戏是孩子们传递信息、培养情感和发展智能的活动形式，也是探索和学习无缝结合的好方法，学生在游戏中表现出的注意力集中、思维活跃和协作能力超越其他方式。游戏还是一种思维工具，可以考量用户的思维能力、反应能力和创造能力。科学合理地开发和利用游戏也不失为学校教育的一种策略。如韩国开发的增强现实游戏ARPushPush运用追踪器检测用户的运动，并通过头盔显示器为用户提供包含了虚拟景观的视野，能很好地训练用户的运动能力和空间思维能力。北京理工大学开发的增强现实海底漫游系统让用户得以使用交互体验设备和虚拟场景中的海洋生物互动、嬉戏；威亚视讯科技开发的增强现实娱乐体验项目“广东梦想探险”，实现了珠江畅游、海底漫游和太空探索三个场景，由轨道电车引领观众在不同的主题场景中进行漫游，体验亦真亦幻般的世界、虚实结合的科技奥秘。

二、本课题的实现思路及主要研究内容

本课题利用增强现实技术制作一本介绍机构运动简图画法的、基于图片的“魔法书”。学生利用手机上的摄像头拍摄到“魔法书”上的机构图片，则会在手机屏幕上自动呈现出该机构的三维模型、运动简图的绘画思路、画法以及自由度计算等[2]。具体实现思路及对应的研究内容如图1所示。

三、本课题拟解决的关键技术

目前基于计算机的增强现实系统主要包含场景采集系统、跟踪注册系统、虚拟场景发生器、虚实融合系统、显示系统和人机交互界面等[3]。硬件主要包括计算机、摄像头、头盔显示器和硬件跟踪设备等[4]。增强现实系统的最大特点在于其可以实现虚拟场景与实物场景的叠加，通过头盔或摄像头等摄像装置与计算机显示器将实物场景中的信息与计算机中的虚拟场景信息进行融合，使其同时显示在用户的视场中，从而使用户获得超越真实场景的视觉感受。

增强现实系统实现的关键技术主要有以下两个方面[5]：一是虚实融合技术。增强现实系统中要实现预期的显示效果就必须将计算机中虚拟的场景信息与真实环境中的信息“平滑”地融合在一起，从而体现对真实场景信息的“增强”。二是三维跟踪注册技术。现有的增强现实系统大多使用摄像头来采集真实环境中的信息，这就需要实时地检测出摄像头相对于真实场景的位置与姿态，以便能够根据这些信息来确定所需要添加的虚拟三维模型在真实场景中的正确位置。

随着智能手机及平板电脑技术的发展，智能手机的功能已经接近普通的计算机的功能，而且还内置了摄像头，这就使得基于手机的增强现实系统的开发成为可能，然而目前的智能手机的运算能力还无法与计算机的运算能力相媲美，因此还无法将基于计算机的增强现实系统直接有效地移植到智能手机上，因此本课题的研究将主要解决以下两个关键技术[6]：

（一）面向手机端的图片快速识别技术

要实现上述的机构运动简图画法的“魔法书”，首先要能够准确识别出各个不同的机构照片。传统的在计算机上运行的模板识别算法往往利用计算机CPU的强大运算能力进行模板匹配方法来达到目的，这种算法要求有较大的内存空间以及强大的CPU处理能力才能保证识别的实时性。本课题考虑到手机的内存与CPU运算能力相对较弱的现实情况，拟采用小波分解方法来达到对图片快速识别的目的。其核心是制作出具有形变不变性与旋转不变性的模板库，然后把缩小的实时图像与模板库进行匹配来实现目标物体的识别。由于图片可以缩小，因此，可以有效减小匹配时的搜索维度，提高图像识别速度，减少系统内存的消耗。

（二）基于照片的三维注册技术

对于增强现实而言，三维注册算法是其实现的核心与基础。所谓的三维注册算法即把虚拟物体准确叠加到真实物体之上，让用户觉得虚拟物体就是放置在真实物体之上。本课题尝试利用二维图片上的特征点，开发基于普通照片的三维注册算法（即自然标记的三维注册算法）。为了能够把虚拟三维模型正确地“放置”在真实环境之中，必须要先知道手机摄像头的位置与姿态，然后根据这个位置与姿态来设置虚拟摄像头以便渲染出与真实环境观察角度一致的虚拟物体。实现的基本思路是先获得图像中的特殊特征点，然后根据这些特征点在预设角度与手机摄像头实时捕捉的以视频帧之间的形变值来推算手机的位置与姿态。

四、结束语

本课题紧扣高职类学生认知规律的特点，立足于实际生产机器当中典型机构的结构简图的绘制及其运动特性的分析，将基于文字、二维图片的学习内容制作成“魔法书”，通过智能手机转换成三维模型，并融入“游戏”的色彩，增强学习的交互性，让学生在“娱乐”中学习原本“枯燥”的知识，必将大幅提升学习效果。

参考文献：

[1]雷静.增强现实技术在教学中的应用[J].中国教育技术装备，2011，（35）：7-8.

[2]程志，金义富.智能手机增强现实系统的架构及教育应用研究[J].中国电化教育，2012，（8）：134-138.

[3]钟惠娟、刘肖琳、吴晓莉.增强现实系统及其关键技术研究[J].计算机仿真，2008，25（1）：252-255.

[4]林，杨珂，王涌天，刘越.移动增强现实系统的关键技术研究[J].中国图象图形学报，2009，14（3）：560-564.

[5]杨彤.增强现实系统的相关技术研究[D].天津：南开大学，2010.

[6]程志，金义富.基于手机的增强现实及其移动学习应用[J].电化教育研究，2013，（2）：66-30.

基金项目：2013年度东莞职业技术学院院级基金项目：增强现实技术在“机械设计基础”课程教学中的应用研究（编号：2013c22）。

作者简介：左大利（1982-），男，讲师，湖北广水人，东莞职业技术学院机电工程系教师，主要从事数控技术及其职业教育研究。