夢幻3D機械制圖

葉子城 周飛躍 陳嘉 林偉順 何家旗

摘 要：為方便機械類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)工業(yè)設(shè)計制圖等相關(guān)課程，文中開發(fā)了一款基于AR技術(shù)的《夢幻3D機械制圖冊》軟件，將AR增強現(xiàn)實技術(shù)與高等教育教學(xué)相結(jié)合，增強學(xué)習(xí)效果，拓展學(xué)習(xí)空間，方便教師教學(xué)的同時，易于學(xué)生學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：3D設(shè)計；機械制圖；AR技術(shù)

1 作品簡介

《夢幻3D機械制圖冊》是一款A(yù)R增強現(xiàn)實技術(shù)與高等教育教學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)品，能起到增強學(xué)習(xí)效果，拓展學(xué)習(xí)空間的作用。產(chǎn)品主要包括《夢幻3D機械制圖冊》和配套APP。其中《夢幻3D機械制圖冊》是一本內(nèi)容豐富、涵蓋諸多經(jīng)典機械制圖習(xí)題的書籍，分為三個章節(jié)，涵蓋了機械制圖的基本知識點。手機APP界面如圖1所示。

APP主要基于Unity3D平臺開發(fā)，并發(fā)布在安卓平臺上，使用者通過手機攝像頭掃描《夢幻3D機械制圖冊》任何頁面，識別后即可看到相對應(yīng)的機械零件模型。另外，用戶還可與零件模型進行交互，如放大、縮小、移動、旋轉(zhuǎn)等功能。為了讓用戶更加清楚、細致地學(xué)習(xí)該門課程，本團隊還開發(fā)了相關(guān)學(xué)習(xí)視頻及替換模型，供用戶觀看學(xué)習(xí)。部分內(nèi)容及模型展示如圖2～圖5所示。

2 工作原理

機械制圖是通過圖樣確切表示機械的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸大小、工作原理及技術(shù)要求的學(xué)科。圖樣由圖形、符號、文字和數(shù)字等組成，是表達設(shè)計意圖和制造要求及交流經(jīng)驗的技術(shù)文件，常被稱為工程界的語言。按照設(shè)計要求，系統(tǒng)可分為兩個基本功能模塊，即畫冊及安卓終端。

機械制圖課程是每名機械類相關(guān)專業(yè)學(xué)生的必修課程，而《夢幻3D機械制圖冊》以教材《機械制圖習(xí)題集》為原型創(chuàng)

作，本團隊通過進一步的整理排版將機械制圖這門課程需掌握的相關(guān)知識點及原理收錄在《夢幻3D機械制圖冊》中，并分為三個章節(jié)。

本團隊自主開發(fā)了一款具有豐富功能的APP軟件，通過Unity3D游戲引擎平臺進行開發(fā)。Unity3D是由丹麥Unity公司開發(fā)的游戲開發(fā)工具，作為一款跨平臺的游戲開發(fā)工具，支持包括iOS，Android，PC，Web，PS3，Xbox等多平臺的發(fā)布。具體特性包含整合的編輯器、跨平臺發(fā)布、地形編輯、著色器、腳本、網(wǎng)絡(luò)、物理及版本控制等特性。利用Unity的諸多性能，再通過引用Vofuria的底層AR技術(shù)包，將AR技術(shù)與APP結(jié)合起來，進而開發(fā)相對應(yīng)圖冊功能的軟件。工作原理如圖6所示， 軟件開發(fā)流程如圖7所示。

3 創(chuàng)新點

3.1 教學(xué)模式創(chuàng)新

傳統(tǒng)的機械制圖冊僅是教學(xué)配套，主體內(nèi)容基于文字與零件的結(jié)構(gòu)圖。該模式內(nèi)容單一，缺乏創(chuàng)新，易讓學(xué)生產(chǎn)生枯燥感，而普通高校的課堂教學(xué)主要通過教師講授，該種模式下，知識單向傳遞，不利于學(xué)生融會貫通。未來的高校教學(xué)模式將加入AR技術(shù)應(yīng)用，本團隊致力于開發(fā)基于AR技術(shù)的3D零件模型展示，方便教師日常教學(xué)的同時，學(xué)生易于學(xué)習(xí)掌握。

3.2 技術(shù)創(chuàng)新

本設(shè)計不僅顯現(xiàn)3D模型，為更好地適應(yīng)課堂教學(xué)，部分章節(jié)的模型還包括相應(yīng)的專業(yè)視頻，更加全面地幫助同學(xué)們學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)的AR技術(shù)多以模型或視頻單一使用，本設(shè)計采用模型和視頻相結(jié)合的教學(xué)方式，通俗易懂。

3.3 產(chǎn)品創(chuàng)新

經(jīng)過調(diào)查，此類產(chǎn)品很少應(yīng)用于高校教育，大多數(shù)教育行業(yè)的AR產(chǎn)品主要聚焦于兒童識別圖冊和醫(yī)學(xué)學(xué)習(xí)軟件，本團隊將增強現(xiàn)實融入大學(xué)課程屬于一類新產(chǎn)品，特別是應(yīng)用到機械零件的立體模型中。

3.4 市場創(chuàng)新

《夢幻3D機械制圖冊》的購買者主要是大學(xué)生，而APP上免費的AR技術(shù)應(yīng)用使得市場競爭較激烈。但特定的軟件配上指定的書籍，使用率隨之增高，加上同類產(chǎn)品的空缺，本產(chǎn)品具有強大的市場競爭力。

4 市場前景

4.1 市場現(xiàn)狀綜述

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)市場是一個飛速發(fā)展并具有巨大潛力的市場。

基于AR技術(shù)的移動平臺APP應(yīng)用是指通過軟件將手持移動終端（如智能手機、平板等）變成虛擬顯示器，軟件系統(tǒng)使用移動終端上的攝像頭捕捉現(xiàn)實場景中的某個對象（實體或圖像），在終端顯示器上顯示對應(yīng)對象的3D圖像，實時融合成虛實結(jié)合的場景。互動性體現(xiàn)在軟件可跟蹤用戶或物體在實際空間的移動，及他們通過終端屏幕和虛擬模型的互動。采用AutoCAD技術(shù)將所需要的模型制造出來，再通過高通的圖像識別應(yīng)用到Unity3D中，進行模型和圖像匹配，編寫控制程序，最后所發(fā)布的APP即為夢幻3D機械制圖冊。

基于AR技術(shù)的移動平臺APP主要特點包括虛實結(jié)合、三維定位、高度交互性，應(yīng)用主要集中在營銷展示、街景導(dǎo)航、游戲、增強讀物等領(lǐng)域。國外這方面的應(yīng)用已平民化，而國內(nèi)由于從業(yè)者較少，開發(fā)周期長，用戶認(rèn)知欠缺，開發(fā)成本較大，是目前面臨的主要問題。AR實景應(yīng)用具備更直觀、更豐富的視覺信息，實時互動體驗更真實、已是未來APP發(fā)展的趨勢之一。

梅內(nèi)爾認(rèn)為，由于VR頭戴設(shè)備的特殊性，VR只能在“可控的環(huán)境內(nèi)”使用，而AR則可被應(yīng)用于任何場合，后者不會侵?jǐn)_或阻礙用戶的體驗。此外，VR技術(shù)的使用很大程度上局限于主機和PC游戲、3D電影以及其他細分領(lǐng)域，但AR技術(shù)的使用范圍可擴大至廣告、互聯(lián)網(wǎng)、視頻直播、商務(wù)溝通、社交媒體等領(lǐng)域。“截至2017年，VR市場的收入規(guī)模很可能領(lǐng)先于AR市場，但隨著科技進步，我們認(rèn)為AR市場的規(guī)模將遠超VR市場，至2018年占據(jù)整個市場約80%份額。”梅內(nèi)爾說，預(yù)計到2020年，VR市場（涉及到游戲、硬件、電影、主題公園等）規(guī)模約300億美元，而AR市場（AR硬件、電子商務(wù)、數(shù)據(jù)、電影/電視劇、游戲）規(guī)模將達到1 200億美元。梅內(nèi)爾還對游戲軟件市場的增長做出了預(yù)測。據(jù)他預(yù)計，2015年全球游戲軟件收入有望達到880億美元，至2018年將增至1 100億美元，其中移動游戲的收入將由290億美元增至450億美元。他認(rèn)為全球Android游戲收入將在2018年超過iOS游戲。

據(jù)統(tǒng)計全球科技教育市場總額約5萬億美元，AR市場估值1 200億美元，在中國，早教市場規(guī)模將達1 000億。位于歐洲的教育科技組織Edtech Europe不久前發(fā)布了《2016教育科技趨勢報告（2016 Edtech Trends）》，分析和預(yù)測了教育科技行業(yè)的發(fā)展。報告指出：目前全球教育開支超過5萬億美元，是軟件產(chǎn)業(yè)的8倍，是媒體娛樂產(chǎn)業(yè)的3倍，而亞洲將是科技教育產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的又一板塊。

自2015年開始，AR的關(guān)注度快速提高，市場前景廣闊。據(jù)國外投行Digi-Capital數(shù)據(jù)表明，全球AR市場規(guī)模將在2020年達到1 200億美元。可見AR的教育市場發(fā)展前景非常可觀，未來AR產(chǎn)品的前景更是無可限量。

4.2 市場競爭者分析

潛在競爭對手的進入主要取決于行業(yè)的現(xiàn)狀和進入市場的各種障礙。由于AR技術(shù)剛普及大眾，很多AR產(chǎn)品市場現(xiàn)在處于一種成長的階段，成熟的AR產(chǎn)品較少，且普及度較低，大部分AR公司研發(fā)的產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域有限，目前教育市場占領(lǐng)較多的市場份額為早教市場，信息教育占比較低，因此本團隊研發(fā)的《夢幻3D機械制圖冊》搶先關(guān)注信息教育

市場，未來發(fā)展的前景廣闊，用戶更易于接受。

4.3 目標(biāo)顧客和目標(biāo)市場

AR技術(shù)應(yīng)用在虛擬環(huán)境和真實環(huán)境之間架起一座橋梁，提升互動性，因此AR技術(shù)比虛擬現(xiàn)實更具表現(xiàn)優(yōu)勢。但目前大學(xué)生機械制圖等教材的信息化程度較低，與學(xué)生之間的互動較少，也沒有相應(yīng)的軟件應(yīng)用。本團隊針對這一點，將長于互動體驗的AR技術(shù)手段和具有精準(zhǔn)性、超強的用戶黏性優(yōu)勢的移動APP相結(jié)合開發(fā)應(yīng)用，解決學(xué)生對于立體感薄弱的這一問題，通過技術(shù)的吸引提高同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣，通過APP的應(yīng)用能夠方便同學(xué)們的學(xué)習(xí)。由此可見，基于AR技術(shù)增強圖冊—夢幻3D機械制圖具有廣闊的市場前景。