混合现实技术在机械课程教学中的应用研究

杨晓龙 凌莉

摘  要：混合现实技术（MR）突破空间、时间和现实约束，能够在现实世界中投射出全面、逼真、可编辑的机械结构和物理关系模型，因此能突破传统教学方式枯燥的刻板印象和信息传递的局限性，极有可能引领未来机械设计和制造类课程教育教学革命。虽然目前MR设备昂贵、技术尚不成熟，但根据历年微电子产品价格所建立的数学模型预测表明：10年后MR设备的价格和技术成熟度将等同于现阶段个人计算机。所以，价格和技术并不是制约未来MR技术课堂发展的关键，如何转变高校教师观念，使他们去积极探索和使用MR设备和技术才是重点。

关键词：混合现实;机械设计;机械制造;高等教育;微电子

中图分类号：G642       文献标志码：A          文章编号：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

随着信息、微电子技术的发展，出现了诸多新兴科技，例如5G通信、人工智能（AI）、虚拟现实（Virtual Reality， VR）、增强现实（Augmented Reality， AR）和混合现实（Mixed Reality， MR）等一些存在于科幻影片中的技术逐渐成为现实。VR/AR/MR技术作为沟通数字世界和现实世界的“桥梁”，可营造出超感官的現实体验，近些年引起了国内外学者广泛关注。VR/AR/MR技术概念既有区别又有相通之处，其关系可由Paul Milgram提出的“真实-虚拟连续体”概念来描述[1]。VR技术，即虚拟现实，又称“灵境技术”，是通过电脑等外部设备产生三维图像通过穿戴式显示器投射到眼睛，并通过陀螺仪使图像跟随头部运动而运动，从而营造出接近真实世界的视觉刺激，可见，VR技术创造的是完全虚拟的世界;AR技术，即增强现实，是在VR技术上发展而来的新兴技术，与VR的区别在于，AR可以将计算机产生的虚拟影像叠加到现实世界中，实现对现实的增强，所以其营造的世界更接近于真实世界[2]。

混合现实（MR）不同于AR技术中影像的简单叠加，它的关键点是与现实世界进行信息获取及交互，在真实世界、虚拟世界搭建一个信息反馈的“桥梁”。例如，电影《钢铁侠》中，托尼·斯塔克利用全息影像投射出钢铁战甲模型，对模型进行“隔空”操作、修改、装配和调试的过程就运用了MR技术。MR技术突破了空间、时间和现实的局限性，将数字化的真实世界具象地展现在了用户面前，供用户进行剖析式地学习、编辑和测试。这种新兴的信息交互形式能够大幅提升用户学习效率和愉悦感，并且实现对真实世界物理系统的准确预测和设计，因此它在航空航天[3-4]、医疗[5-7]、军事[8-10]、教育[2，11-16]等领域的关注度日渐高涨。例如，在航空航天领域，MR技术可构建出逼真的航空发动机模型，结合全息影像，并通过手势识别、触觉反馈、生理计算和语音交互技术实现发动机零部件的拆解、尺寸/材料设计、组装和运行模拟[3]。在医学领域，MR技术可结合血管超声、核磁共振、CT血管造影获取的数据，建立接近“真实”的血管模型，医生在术前通过MR头盔和触觉传感器，对模型进行“手术”，获取术后效果数据，来评价和优化手术方案，提升手术成功率[6]。

由此可见，MR技术具有“现实”和“虚拟”的可互动性，能够将抽象的信息具象化，并映射到真实世界中，供用户身临其境地学习、编辑和测试，是一种前所未有的人类获取信息和知识的新渠道，因此在教育领域具有极大的应用前景。