增强现实技术在工程图学教学中的应用

于 勇，赵 罡，李亚初



增强现实技术在工程图学教学中的应用

于 勇，赵 罡，李亚初

(北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191)

教学和科研是两个具有很强互动性的学习范畴，科研为教学提供素材，教学为科研提供创新灵感。针对《工程图学》的教学，探讨了以教研互动增加课堂信息量、激发学生学习兴趣的教学实践方法，通过增强现实技术实现模型虚拟展示的教学案例，说明了“给课堂加点料”不仅使课堂讲授变得生动和饱满，而且拓宽了学生的知识面，激发了学生的科研兴趣。

工程图学；教研互动；增强现实

《工程图学》是一门以图形为研究对象，用图形来表达设计思维的一门学科。该课程属于专业基础课，既有理论又是实践性很强的课程，是工科各专业的必修课，是学习机械设计等后续课程以及进行课程设计、毕业设计的必备基础。该课程对培养学生的空间想象、空间思维分析能力及读图、绘图等初步设计能力起着极其重要的作用。目前，计算机三维造型软件和多媒体技术为《工程图学》的教学提供了强有力的手段，使教师除了板书之外，还有形象、直观的三维空间与实体模型多媒体展示，丰富了课堂教学内容，提高了教学效果和效率。然而，如何进一步扩充课堂教学的信息量，使学生更多地了解与所学内容有关的来自于工程实际的知识，是值得探讨和实践的教学步骤。

本教研实验室主要在数字化设计制造领域从事科研和教学服务，在工程项目科研中会使用先进的数字化技术，如增强现实(augmented reality, AR)技术。AR技术是起源于虚拟现实(virtual reality，VR)技术而发展起来的一种新的交互技术，其将计算机生成的虚拟信息实时叠加在真实环境中，从而创造出一种虚实融合的视觉感受和用户体验[1-3]。AR技术在工程上的典型应用——装配工艺过程的虚拟展示，通过在装配现场实时显示虚拟的工艺信息，帮助现场操作人员能够更加准确、迅速了解装配过程，从而提高装配效率与装配质量[4]。应用AR技术可使用户能够同时接受对虚拟和物理环境的双重信息，获得双重感受，交互效果也最为直观。因此，在《工程图学》的教学中可以与工程科研相结合，利用AR技术将二维图纸以三维模型呈现实时浏览，一方面可辅助培养学生空间思维的能力，另一方面可开阔学生的视野，激发学生的学习兴趣与创新思维，从而形成科学研究与教学之间的良性互动。

1 增强模型展示技术实现

通常在《工程图学》课程开篇的绪论中，需要介绍课程的范围和研究对象，还会介绍工程图学的发展史、工程图学涵盖的领域范畴以及工程图学在各个领域的应用现状等。课程之初，同学们并不能想象出二维图样所代表的空间三维形体，教师单纯的以PPT、视频或CAD软件展示的三维形体和动画带给学生的也仅是常规的用户体验。因此在这部分内容介绍时，教师通过手机镜头对着二维图样，其所对应的三维模型就可以完美地展示在同学们的面前，同时在现场学生可进行放大、缩小和旋转等交互操作，由此带给学生很新奇的视觉体验。新奇之余，部分同学会追问，这是如何实现的？由此激发学生的思考和听课兴趣。但在课堂上一般不教授实现的具体方法，而是告诉学生大致的原理以及采用了什么软件，让同学们课后自己在图书馆或网上查阅资料。这样，一部分动手能力强，勤于思考的学生在课后往往自己会亲自动手实践，这不仅拓宽了学生的知识面，也激发了其科研兴趣，锻炼了动手能力。此外，“图样画法”知识点介绍的手绘实践环节，传统的授课方式是需要将泵体零件实物带到绘图教室让同学们参考，而通过AR技术，同学们只要安装一个应用APP，即可全方位展示零件的形体特征，辅助同学进行二维图样的绘制。增强模型实现流程如图1所示，主要包括三维注册、虚实融合、实时交互3方面内容[5]：

图1 实现流程

(1) 三维注册。三维注册技术是通过摄像机对实际场景中标识物的位姿进行感知，从而建立虚拟与现实环境坐标系之间的映射关系[6]。由于标识物的不同，基于视觉的AR三维注册方法可以分为基于引入标识物的注册方法和基于自然标识物的注册方法。其中，基于引入标识物的注册方法主要指在应用现场放置二维标识来实现注册，而基于自然标识物的注册方法则是运用现实环境中的自然物体来进行注册跟踪[7]。本文选取齿轮泵二维图样的增强模型作为案例，采用了引入标识物的注册方法，即将二维图样作为引入标识物，通过人工标志特征点的识别，建立基于真实环境下的虚拟坐标系，进行二维图样关联三维模型的虚拟展示。人工标志特征点三维注册技术是目前AR技术开发者使用范围较广的技术，该技术在识别人工标志特征点之后，在目标图片上提取特征点作为标志点，再以标志点作为参考建立虚拟的三维坐标系，并在该虚拟的三维坐标系中完成对摄像头位置、姿态的追踪。根据对摄像头三维注册追踪的结果反过来计算预设的虚拟物体在三维坐标系中的位置及姿态，然后利用显示技术将虚拟的三维物体在显示屏幕中显示，从而完成三维跟踪注册的过程。目前，在提取特征点比较经典的算法主要有SIFT(scale-invariant feature transform)、SURF(speededuprobust transform)与FAST(features from accelerated segment test)等算法。本案例通过Vuforia增强现实软件开发包实现特征点的标识与提取，其通过对二维图样的识别，标记出人工识别的特征点，如图2所示。

(2) 虚实融合。在指定的位置中实时加载AR模型与动画信息，由于需要在移动终端进行三维模型的展示和绘制，为提高图形绘制速度和确保交互流畅度，采用了简化后的轻量化三维模型进行展示，并通过3ds MAX软件进行光照、材质以及颜色等信息的编辑，供AR程序使用。增强模型编辑方法如图3所示。

图2 Vuforia对图片的特征点标识

图3 增强模型编辑方法

本案例借助Unity3D开发引擎建立虚拟场景和真实世界间的映射，进行增强现实模型与二维图样间的虚实融合，如图4所示。

(3) 实时交互。目前，增强现实虚实信息的交互方法包括：使用键盘与鼠标进行的基本交互、运用人体输入学设备或体感设备如Kinect等进行人机交互、通过计算机视觉技术识别手势从而 进行虚实交互[8]。这些交互方式的优点与缺点见表1。

随着移动终端设备的发展，其所支持的交互方式也在不断拓展，触摸屏技术已经作为移动终端的主流交互技术得到广泛应用。在移动增强现实技术中，触摸屏交互方式较之于表1中的主流交互方式有着交互体验直观、触控操作便捷、不需要外接设备的优点。因此，本案例使用触摸屏交互方法来进行AR模型的展示，采用了Unity引擎的Transform类通过C#脚本实现虚拟增强现实模型的放大、缩小以及旋转等操作，交互方式采用单点旋转，两点缩放与平移的方式，具体实现流程如图5所示。

图4 Unity3D虚实融合

表1 主流虚实交互方法比较

图5 实时交互实现流程

2 案例展示

图6为齿轮泵二维图样增强模型的展示，其可以进行放大、缩小以及旋转等操作。增强模型展示的不仅仅是模型，也可以是装配动画，如图7所示，选取柱塞泵二维装配图进行装配动画的展示，并以交互方式进行装配体中各组成零件的详细展示。

图6 齿轮泵增强模型交互

图7 柱塞泵增强模型交互

3 结 论

将AR技术引入到《工程图学》的教学实践中，以直观、新奇的视觉体验建立了二维图纸和增强三维模型之间的联系，不仅使课堂讲授变得生动和饱满，吸引了学生的听课兴趣，而且拓宽了学生的知识面，激发了其科研兴趣和创新意识。相比传统“灌输式”的空洞说教和“走马观花式”的图片视频展示，更能取得事半功倍的效果。因此，教学与科研互动，将AR技术引入到图学课程的教学当中，给出了一种新的教学展示手段，是值得借鉴和推广的教学方法。

[1] AZUMA R T. A survey of augmented reality [J]. Presence-Teleoperators and Virtual Environments, 1997, 6(4): 355-385.

[2] 朱淼良, 姚远, 蒋云良. 增强现实综述[J]. 中国图象图形学报, 2004, 9(7): 767-774.

[3] 幸国王. 基于Android平台的移动增强现实技术综 述[J]. 电子科学技术, 2014, 1(2): 206-211.

[4] HAKKARAINEN M, WOODWARD C, BILLINGHURST M. Augmented assembly using a mobile phone [C]// IEEE/ACM International Symposium on Mixed and Augmented Reality. New York: IEEE Prees, 2008: 167-168.

[5] 于洋, 贾庆轩, 孙汉旭, 等. 增强现实机械装配环境中装配过程的研究[D]. 北京: 北京邮电大学, 2010.

[6] STUDHOLME C, HILL D L, HAWKES D J. Automated three-dimensional registration of magnetic resonance and positron emission tomography brain images by multiresolution optimization of voxel similarity measures [J]. Medical Physics, 1997, 24(24): 25-35.

[7] 徐迟. 增强现实中的三维物体注册方法及其应用研 究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2011.

[8] 肖慧. 基于AR的人机交互系统的研究与实现[D]. 合肥: 安徽理工大学, 2014.

Application of Augmented Reality Technology in Engineering Graphics Education

YU Yong, ZHAO Gang, LI Yachu

(School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China)

Teaching and research are two categories with strong interaction. Scientific research supplies materials for teaching, while teaching provides innovation inspiration for scientific research in turn. This paper explores how to enrich the amount of information in class and stimulate students’ interest in learning engineering graphics through interaction between teaching and research. It proves that not only the teaching becomes vivid and full of lectures, but the students’ knowledge is broadened and their interests in scientific research are stimulated effectively, if we add some scientific research cases to the classroom, such as virtual model representation by Augmented Reality technology.

engineering graphics; interaction between teaching and research; augmented reality

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2018010175

A

2095-302X(2018)01-0175-04

2017-07-07；

2017-08-02

于 勇(1977–)，女，黑龙江大庆人，讲师，博士。主要研究方向为复杂产品数字化协同设计制造、数字孪生模型定义与应用、产品构型管理。E-mail：yuyong@buaa.edu.cn