用于线上教学的工程图学虚拟现实交互模型平台

张宗波, 伊 鹏, 王 珉, 吴宝贵, 秦 臻

(中国石油大学(华东) 机电工程学院, 山东 青岛 266580)

用于线上教学的工程图学虚拟现实交互模型平台

张宗波, 伊 鹏, 王 珉, 吴宝贵, 秦 臻

(中国石油大学(华东) 机电工程学院, 山东 青岛 266580)

基于虚拟现实(VR)和增强现实(AR)技术, 利用Unity 3D开发平台、3ds MAX、UV模型制作软件以及C#交互编程工具, 开发了能够在手机终端和PC终端使用的适用于线上教学的工程图学虚拟现实交互模型平台. 详细介绍了平台的底层设计、功能及技术开发方案、内容设计以及平台的管理策略. 该平台可充分发挥VR和AR技术各自的优势, 有利于克服工程图学课程线上教学在模型展示与交互方面的障碍, 为工程图学课程的信息化建设提供了有益的尝试与探索.

虚拟现实(VR); 增强现实(AR); 工程图学; 线上教育

工程图学课程作为高校工科学生需修读的重要技术基础课程, 其主要目的是培养学生自觉运用图学知识进行构思、分析、表达和理解工程问题的能力. 然而, 目前我国高校基础课程普遍存在大班授课和少学时化教学的现状, 导致学生对知识“食而不化”的问题日益突出. 线上教学一定程度上突破了“教”与“学”活动在时间和空间上的限制, 为上述问题提供了可能的解决途径[1]. 因此, 把以网络为核心的信息技术作为促进学生认知、体验与知识内化的工具, 是高等学校跨跃式发展的时代机遇, 更是今后工程图学课程发展的必然方向. 在工程制图课程的教学过程中, 无论是课堂教学还是课后练习环节都需要借助大量的模型教具, 以增强学生的感性认识, 达到培养学生空间思维能力和形体构形能力的目的. 传统的教学模型具有价格昂贵、容易损坏、携带不便和更新周期长等缺点, 因此其很难与线上教学及远程教育等现代化教学方法相融合, 这成为了工程图学课程信息化改革的重要障碍.

虚拟现实(virtual reality, VR)技术是20世纪90年代发展起来的计算机图形学中最重要的科技成就之一, 具有多感知性、沉浸感和交互性等独特的优势.近几年, 国内外学者针对VR技术在辅助教学中的应用做了一定的研究与实践[2-5]. 随着VR技术的迅速发展, 近年来出现了一种将真实信息和虚拟信息“无缝”集成的新技术，即增强现实技术(augmented Reality, AR). VR、AR技术与传统的计算机显示技术相结合, 可以实现二维到三维的转换、三维与虚拟的结合以及虚拟与现实的融合. 因此, 利用虚拟现实技术建立的虚拟现实模型库可以摆脱实物模型对教学活动的制约, 更好地配合线上课程完成工程图学的信息化教学改革.

笔者教学团队在对工程图学“线上+线下融合式”教学模式研究的基础上[6], 针对工程图学课程以图形为主且交互困难的特点, 利用VR和AR技术设计开发了用于配合信息化教学的虚拟现实互动模型平台.该平台能够同时实现手机终端和PC终端的多点触控操作和交互应用, 可配合线上教学活动强化图形信息的展示与交互手段的创新, 进一步促进学生碎片化学习模式的发展, 也为现代化虚拟模型室的建设提供有益的探索与尝试.

1 平台体系架构

1.1平台底层设计

虚拟现实互动模型平台主要应用环境为以PC机终端为主的Windows操作系统和以手机终端为主的安卓与iOS系统, 该平台的底层构架如图1所示. 用户根据自己的需求进行相关操作, 平台根据客户选择是否启动摄像头扫描来选择启动VR或AR功能. 进入平台后, 用户通过界面层进行模型操作, 系统对具体操作进行分析和判断, 发送请求到服务器逻辑层, 服务器接收请求后对请求数据分析, 通过数据访问层调用数据库中的相关内容, 并再次通过服务器逻辑层向客户端做出反馈响应. 系统还将通过对用户界面层的数据统计, 定期通过数据分析完善相关的数据库.

图1 虚拟现实交互模型平台的底层构架Fig.1 Underlying structure of the VR model system

1.2方案设计

虚拟现实交互模型平台主要通过教学资源、硬件系统以及软件系统之间的协同作用，并通过VR和AR技术来实现模型的展示和交互, 最终实现对线上教学过程的支持, 平台的总体方案设计如图2所示.虚拟现实交互模型平台设计的总体目标是实现多种客户端的实时调用和操作立体模型, 配合本团队前期建设的工程图学云课堂教学平台, 进一步突破工程图学课程在图形展示和模型交互方面的局限性, 更好地辅助“教”与“学”的各个环节, 并最终实现课程模型的信息化和网络化.

2 平台内容设计与开发

2.1内容设计

根据实际课程内容, 将虚拟现实模型库按教学章节进行设计, 分为投影基础、基本体、组合体、表达方法、零件图以及装配图共6部分, 与线上其他教学资源相对应, 以增加模型库的用户黏度, 虚拟现实交互模型平台如图3所示. 在模型库中主要采用二维图样与三维互动模型方式进行模型的展示与操作, 再辅助以文案说明和动画演示对模型进行补充说明. 当用户进入模型库主界面时, 单击章节名称, 就会进入新本章节的展示架界面, 该界面以展架的形式显示该章节所包含的模型, 以便于学生按照学习需要进行直观的浏览和调用.

2.2软件开发

考虑到平台的功能性和易用性, 该平台的客户端主要包含PC版和手机版, 虚拟现实交互模型平台的制作方案如图4所示, 主要开发流程如下:

图2 虚拟现实交互模型平台总体方案设计Fig.2 Overall scheme design of the VR model system

图3 虚拟现实交互模型平台内容设计Fig.3 The content design of the VR model system

图4 虚拟现实交互模型平台制作方案Fig.4 Programming scheme of the VR model system

(1) 以Unity 3D为开发平台进行手机终端VR和AR模型系统制作, 配置安卓开发的JDK(Java development kit)和SDK(software development kit)开发平台.

(2) 使用3ds MAX制作模型及UV整理, 采用Photoshop进行后期贴图绘制. 贴图和模型导入Unity 3D平台, 通过C#编写实现交互程序, 再分别对AR和VR进行差别化制作.

(3) 选用HiAR做为增强现实开发包制作AR, HiAR以 REST和 API形式提供云端图像识别服务, 支持规模的图库处理. 同时使用HiAR的后台管理工具实现AR内容的编辑与管理.

(4) 采用Unity 3D平台将资源打包分别上传服务器, 使得平台内资源均为服务器加载, 并对服务器加以整理以方便后期资源管理与优化, 这样既可以降低对硬件终端的技术要求, 又能在网络环境下实现模型库的实时调用.

3 平台的应用

3.1平台运行效果

与其他课程相比, 工程图学课程以图形为主，其对教学资源要求更高, 因此，教学资源中有必要为学习者提供图形信息的展示与交互技术, 这也是工程图学课程在教学资源建设方面难于其他课程的主要原因. 本文利用VR和AR技术建立了交互式三维模型平台和模型库, 实现了现代化信息技术与三维模型展示的有效结合. VR三维互动平台的PC端和手机端如图5所示, 学生可以通过多点触控实现模型的放大、缩小、旋转和切割等功能. 基于AR技术的互动三维模型平台手机APP如图6所示, 学生在阅读二维图样的过程中可以扫描图样内二维码自动打开模型展示平台, 进行相关模型调用, 通过触摸屏幕或手机姿态控制(基于手机内置陀螺仪)实现模型的操作, 增加模型交互的真实感和趣味性.

(a) PC版

(b) 手机版

(c) 部分模型

图6 基于AR技术的三维互动模型平台手机APPFig.6 AR mobile APP interface of model system and 3D interactive models

3.2平台使用与管理

为了突破课堂“教”与“学”活动在时间、地点等方面的限制, 保障学生在想学习的时候随时随地都能得到丰富的学习资源支持, 在虚拟现实交互模型平台的建设中充分考虑了其与其他线上资源的配合与衔接, 虚拟现实模型库与线上其他它课程资源的关系如图7所示. 模型库资源通过课程线上平台按照教学进度进行开放, 学生对模型资源的使用有效期为一学期, 这样既保证了模型库与教学进度的时序统一，又实现了对知识产权的有效保护.

图7 虚拟现实模型库与线上其他课程资源的关系Fig.7 Relationship between VR model system and other online course resources

4 结 语

本文利用相关软件实现了工程图学虚拟现实交互模型平台的研究与开发, 采用带有触摸屏的终端可实现对平台上模型的展示、缩放、选转、切割和与二维图样对应等交互操作. 在基础类课程中融入先进的信息技术手段, 在一定程度上解决了工程图学课程在模型展示方面存在的困难, 充分发挥了VR和AR技术在沉浸感、交互性、移动性等方面的优势, 既能引导学生自主学习和增强学生的参与感, 又能与线上教学系统相结合, 在一定程度上克服了课时不断减少与信息量不断增大之间的矛盾，以及解决了大班授课模式下互动困难等长期困扰我国高校基础课程发展的问题, 使人们享受到信息化给教育带来的时代红利.

[1] 李红美, 陆国栋, 张剑平. 后MOOC时期高等学校教学新模式探索[J].高等工程教育研究, 2014, 149(6): 58-67.

[2] 陈洁, 赵炳利, 任蜀焱, 等. 基于WebVR的工程图学试验系统的研究与开发[J]. 东华大学学报(自然科学版), 2006, 32(10): 129-133.

[3] 邱龙辉, 楚建明, 叶琳. 基于智能手机的工程图学虚拟模型库的研究与实现[J]. 图学学报, 2013, 34(1): 83-86.

[4] VELAZ Y, A RCE J R, GUTIERREZ T, et al. The influence of interaction technology on the learning of assembly tasks using virtual reality [J]. Journal of Computing and Information Science in Engineering, 2014, 14(4): 36-44.

[5] 刘伟, 杜强, 张顺心, 等. 基于VR技术的工程图学移动学习系统[J] 图学学报, 2016, 37(6): 857-861.

[6] 张宗波, 王珉, 吴宝贵, 等.“线上+线下融合式”工程图学课程建设与教学实践[J].图学学报, 2016, 37(5): 718-725.

(责任编辑:杨静)

Virtual-Reality-BasedEngineeringGraphicModelSystemforOnlineEducation

ZHANGZongbo,YIPeng,WANGMin,WUBaogui,QINZhen

(College of Mechanical and Electrical Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

In order to adapt to the online education tendency, an interactive engineering graphics model system was developed based on virtual reality (VR) technology and augmented reality (AR) technology, which could be used on both smart-phone and personal computer. This system was accomplished with the usage of Unity 3D platform, 3ds MAX, UV and C#. The underlying structure, function and technology solutions, content design and the management strategy of this system were described. It is a promising solution to the model display problem in the engineering graphics course, especially in online education. So this work is a beneficial exploration and try for the hybridization of engineering graphics education and modern information technology.

virtual reality (VR); augmented reality (AR); engineering graphics; online education

TP 391.71

A

1671-0444 (2017)04-0612-05

2017-05-01

山东省本科高校教学改革研究重点资助项目(B2016Z013)；中国石油大学(华东)常规教学研究与改革重点资助项目(JY-A201606)，中国石油大学(华东)青年教师教学改革资助项目(QN201608)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(14CX02199A，16CX05012A)

张宗波(1982—)，男，山东临沂人，副教授，博士， 研究方向为工程图学理论及应用、计算机辅助设计与图形学、CAD/CAM技术等. E-mail： zzb001_0@163.com