張婷

（寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院軟件學(xué)院，寧夏 銀川 750001）

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種將計算機(jī)制作的虛擬信息與真實(shí)環(huán)境疊加在一起，增強(qiáng)用戶對現(xiàn)實(shí)世界體驗(yàn)和認(rèn)知的新技術(shù)。隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的人認(rèn)為這種技術(shù)能夠在教育行業(yè)應(yīng)用，通過該技術(shù)與課程結(jié)合能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，但由于虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟硬件設(shè)備的價格問題，難以在沒有任何實(shí)效的情況下進(jìn)行VR/AR 課堂的建設(shè)。本系統(tǒng)利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，基于Android 平臺建設(shè)了一個汽車傳感器展示系統(tǒng)，與學(xué)校的課程相結(jié)合，掃描課本上的傳感器，就能在手機(jī)上立體展示傳感器模型及其詳細(xì)信息。

1 系統(tǒng)開發(fā)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計思路與總體架構(gòu)圖

基于Unity 游戲引擎開發(fā)，通過三維掃描汽車傳感器實(shí)物實(shí)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(dǎo)入Unity 引擎，添加物理材質(zhì)與全局光照支持，設(shè)計三維UI 界面，添加文字、圖片、音視頻等教學(xué)信息，采用VuforiaSDK 與CSharp 語言編程開發(fā)相關(guān)功能模塊，實(shí)現(xiàn)基于AR 視角的汽車傳感器的觀察與操作學(xué)習(xí)。

該系統(tǒng)分為表現(xiàn)、應(yīng)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(yīng)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(xì)節(jié)，方便理解學(xué)習(xí)。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(shí)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(biāo)信息與現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)信息進(jìn)行配準(zhǔn)，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(gòu)圖

1.2 制作流程

（1）首先,根據(jù)課本上教授的內(nèi)容進(jìn)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(jìn)氣溫度傳感器、機(jī)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(shí)物進(jìn)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(shí)。

（3）圖片識別系統(tǒng)功能開發(fā)；車輛教學(xué)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(fèi)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(biāo)圖片或?qū)嵨镞M(jìn)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(xiàng)目，將實(shí)用程序腳本導(dǎo)入Unity 項(xiàng)目中，該腳本執(zhí)行自動化更改，對項(xiàng)目進(jìn)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(xiàng)目中。首先添加一個ARCamera。這是一種特殊的相機(jī)類型，支持用于手持設(shè)備和數(shù)字眼鏡的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)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(shí)物信息等內(nèi)容。可以在檢查器中配置每個目標(biāo)對象。選擇要使用的目標(biāo)的數(shù)據(jù)庫和目標(biāo)名稱。

激活目標(biāo)數(shù)據(jù)庫，當(dāng)攝像機(jī)掃描到數(shù)據(jù)庫中匹配的目標(biāo)信息后，將激活目標(biāo)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(biāo)添加到場景，通過在Vuforia 菜單中選擇關(guān)聯(lián)的物體，將目標(biāo)添加到場景層次中，該對象將在場景中可見，也可以通過擴(kuò)大范圍來添加更多的目標(biāo)。

打包測試目標(biāo)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(yùn)行邏輯是否正常。

1.3 主要功能

（1）三維立體模型展示。進(jìn)入軟件打開相機(jī)，掃描不同傳感器所對應(yīng)的圖片，顯現(xiàn)出相應(yīng)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(xì)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(diǎn)擊這些名稱屏幕下方顯示詳細(xì)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(yīng)用

將開發(fā)完成的系統(tǒng)進(jìn)行打包測試，安裝到手機(jī)上掃描課本進(jìn)行測試，對掃描完成后出現(xiàn)的模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放等功能的測試，測試結(jié)果為：掃描對應(yīng)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(xué)習(xí)本課程的班級，進(jìn)行在汽車展示系統(tǒng)輔助下的課程教學(xué)，考試結(jié)束后將成績與其他班級進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)成績有明顯的提升。

對該班級的老師和學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，根據(jù)統(tǒng)計，100%的學(xué)生和老師認(rèn)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(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，75%的學(xué)生認(rèn)為對自己的成績提升有幫助。

3 結(jié)語

測試結(jié)果顯示，將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入學(xué)習(xí)教育中，能夠增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。本研究介紹了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)使用的方法，可以根據(jù)該方法將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入其他課程中，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)成績。