張婷

（寧夏職業(yè)技術學院軟件學院，寧夏 銀川 750001）

增強現(xiàn)實技術是一種將計算機制作的虛擬信息與真實環(huán)境疊加在一起，增強用戶對現(xiàn)實世界體驗和認知的新技術。隨著增強現(xiàn)實技術的發(fā)展，越來越多的人認為這種技術能夠在教育行業(yè)應用，通過該技術與課程結合能夠激發(fā)學生的學習興趣，提高學生的學習效率，但由于虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實軟硬件設備的價格問題，難以在沒有任何實效的情況下進行VR/AR 課堂的建設。本系統(tǒng)利用增強現(xiàn)實技術，基于Android 平臺建設了一個汽車傳感器展示系統(tǒng)，與學校的課程相結合，掃描課本上的傳感器，就能在手機上立體展示傳感器模型及其詳細信息。

1 系統(tǒng)開發(fā)

1.1 系統(tǒng)設計思路與總體架構圖

基于Unity 游戲引擎開發(fā)，通過三維掃描汽車傳感器實物實現(xiàn)精確三維建模，使用AutoDesk 3DMax 與Photoshop修改模型UV、材質(zhì)、貼圖及模型優(yōu)化等數(shù)據(jù)，導入Unity 引擎，添加物理材質(zhì)與全局光照支持，設計三維UI 界面，添加文字、圖片、音視頻等教學信息，采用VuforiaSDK 與CSharp 語言編程開發(fā)相關功能模塊，實現(xiàn)基于AR 視角的汽車傳感器的觀察與操作學習。

該系統(tǒng)分為表現(xiàn)、應用、驅(qū)動、集成、資源5 個模塊（如圖1）。表現(xiàn)模塊有用戶界面以及系統(tǒng)三維畫面組成。應用模塊包括模型縮放旋轉(zhuǎn)、文字音視頻顯示兩部分，便于觀察傳感器細節(jié)，方便理解學習。驅(qū)動模塊包括Unity 引擎、詳情顯示組件、模型控制組件3 個部分，其中除Unity 引擎部分主要利用內(nèi)置組件，其他2 個組件部分使用CSharp 編程開發(fā)實現(xiàn)。集成模塊主要集成VuforiaSDK，用于識別教科書中的原始配圖信息并將三維傳感器模型坐標信息與現(xiàn)實世界坐標信息進行配準，顯示正確的三維傳感器模型與三維界面內(nèi)容。資源模塊包括本系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)與模型資源。

圖1 總體架構圖

1.2 制作流程

（1）首先,根據(jù)課本上教授的內(nèi)容進行汽車傳感器選型，根據(jù)課程教材總共選取12 種汽車傳感器：ABS 傳感器、安全氣囊傳感器、爆震傳感器、進氣溫度傳感器、機油壓力傳感器、冷卻液水溫傳感器、曲軸位置傳感器、二氧化鋯傳感器、霍爾式曲軸傳感器、霍爾式蓄電池電流傳感器、卡門渦流傳感器、空氣流量傳感器。

（2）三維模型部分采用三維掃描建模，通過對傳感器實物進行掃描，完全按照1：1 的比例制作出來的汽車以及汽車傳感器，使用3DMax 與Photoshop 制作修改模型UV、材質(zhì)、貼圖及模型優(yōu)化使模型更加真實。

（3）圖片識別系統(tǒng)功能開發(fā)；車輛教學模型或?qū)嵨镒R別系統(tǒng)功能開發(fā)。

本系統(tǒng)采用了Unity 游戲引擎內(nèi)置的免費版vuforia 作為AR 圖像或?qū)嵨镒R別的引擎，利用其高識別率與可靠性，能夠快速地對目標圖片或?qū)嵨镞M行三維掃描，與數(shù)據(jù)庫中的圖像做對比計算，從而觸發(fā)后續(xù)邏輯事件。

首先，將Vuforia Engine 添加到Unity 項目，將實用程序腳本導入Unity 項目中，該腳本執(zhí)行自動化更改，對項目進行必要的更改。

在Unity 中激活Vuforia Engine 后，可以從Unity GameObject 菜單中將Vuforia Engine 的功能添加到項目中。首先添加一個ARCamera。這是一種特殊的相機類型，支持用于手持設備和數(shù)字眼鏡的增強現(xiàn)實應用程序。

開發(fā)步驟：

添加一個ARCamera，用以取代傳統(tǒng)的場景MainCamera。

打開全局Vuforia 配置檢查器，添加可識別圖像或可掃描三維實物信息等內(nèi)容?？梢栽跈z查器中配置每個目標對象。選擇要使用的目標的數(shù)據(jù)庫和目標名稱。

激活目標數(shù)據(jù)庫，當攝像機掃描到數(shù)據(jù)庫中匹配的目標信息后，將激活目標數(shù)據(jù)庫配置內(nèi)容，比如，三維模型或者一些動畫、事件等內(nèi)容。

將目標添加到場景，通過在Vuforia 菜單中選擇關聯(lián)的物體，將目標添加到場景層次中，該對象將在場景中可見，也可以通過擴大范圍來添加更多的目標。

打包測試目標與數(shù)據(jù)庫匹配度以及尺寸大小是否合適，界面與三維物體運行邏輯是否正常。

1.3 主要功能

（1）三維立體模型展示。進入軟件打開相機，掃描不同傳感器所對應的圖片，顯現(xiàn)出相應的傳感器模型，可以左右滑動360°旋轉(zhuǎn)及雙指縮放利于觀察細節(jié)。功能效果圖如圖2。

圖2 功能效果圖

（2）傳感器信息展示。模型上有各個組件的名稱，點擊這些名稱屏幕下方顯示詳細信息，為了防止名稱遮擋模型，有一個按鈕用于控制。

2 測試與應用

將開發(fā)完成的系統(tǒng)進行打包測試，安裝到手機上掃描課本進行測試，對掃描完成后出現(xiàn)的模型進行旋轉(zhuǎn)、縮放等功能的測試，測試結果為：掃描對應的12 張識別圖，模型出現(xiàn)率為100%，模型正確率為100%，模型出現(xiàn)時間小于0.1s。測試修改完成后，打包發(fā)布成Android 端的APK 文件。

使用控制變量法將該系統(tǒng)發(fā)放給一個學習本課程的班級，進行在汽車展示系統(tǒng)輔助下的課程教學，考試結束后將成績與其他班級進行對比，發(fā)現(xiàn)成績有明顯的提升。

對該班級的老師和學生進行問卷調(diào)查，根據(jù)統(tǒng)計，100%的學生和老師認為，加入汽車傳感器系統(tǒng)的課程比普通課程有意思，該系統(tǒng)提高了學生的學習興趣，75%的學生認為對自己的成績提升有幫助。

3 結語

測試結果顯示，將增強現(xiàn)實技術融入學習教育中，能夠增強學生的學習興趣，提高學生的學習效率。本研究介紹了增強現(xiàn)實技術使用的方法，可以根據(jù)該方法將增強現(xiàn)實技術融入其他課程中，從而提高學生的學習興趣、學習效率和學習成績。