基于Unity 3D的汽車發(fā)動機構造與維修AR教學軟件開發(fā)

高峰 左德遙 樓丹 廖觀福 余謙 葉蘇蓮

[摘? ? ? ? ? ?要]? 基于Unity 3D，開發(fā)了汽車發(fā)動機構造與維修AR教學軟件，產品形態(tài)上表現為APP，分為安卓版和IOS版。開發(fā)本教學軟件，關鍵技術主要包括跟蹤注冊技術、顯示技術、人機交互技術。在跟蹤注冊技術方面，采用基于計算機視覺的跟蹤注冊技術;在顯示技術方面，適配透視式頭盔顯示器和智能移動終端;在人機交互技術方面，采用藍牙輸入（透視式頭盔顯示器）和觸控（智能移動終端）。底層識別算法由Vuforia SDK提供;屏幕識別技術采用FingerGestures插件實現。應用效果表明，所開發(fā)的教學軟件具備新形態(tài)一體化教材的所有優(yōu)點;此外，該教學軟件能夠在最貼近自然的交互形式下為學習者搭建一個自主探索的空間，進而改變教育方式，改變閱讀方式。除了提供汽車發(fā)動機構造與維修AR教學軟件，還為后續(xù)增強現實教育教學軟件開發(fā)者提供方法論指引和技術指引。

[關? ? 鍵? ?詞]? Unity 3D;發(fā)動機;構造;維修;增強現實

[中圖分類號]? TP391.9? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2021）15-0106-03

汽車發(fā)動機構造與維修課程是普通高校、高職高專、中職學校汽車類各專業(yè)的主干課程之一。該課程教學包括理論教學和實踐教學。理論教學系統講解發(fā)動機的總體構造、發(fā)動機的基本工作原理;實踐教學通過拆、裝發(fā)動機，增進學生對發(fā)動機結構的感性認知，獲得檢測、拆裝、維修發(fā)動機的基本技能，并對發(fā)動機各部分原理進行分析、驗證[1]。可見，汽車發(fā)動機構造與維修課程是一門與實踐環(huán)節(jié)緊密聯系的課程，這對相關教學資源的質量和形態(tài)提出了極高的要求。

目前，汽車發(fā)動機構造與維修課程的相關教學資源在形態(tài)上主要表現為新形態(tài)一體化教材及相關多媒體教學資源庫、實物實驗資源、虛擬仿真實驗資源等[1-3]。這些教學資源，雖然能夠有效支撐教師開展“翻轉課堂”“混合式教學”等教學活動，但也存在較大的改進空間。例如，目前新形態(tài)一體化教材的電子素材主要包括PPT、視頻、音頻、CAD三維構圖、Flash動畫等，主要靠聲、光、電的綜合運用吸引學生的注意力，提高學習興趣。各種媒體資源的相互作用比較簡單，學生面對的是其簡單聯合、合作，不同媒體形式之間還存在一定的隔閡，有時候不得不面對單選題，比如數字閱讀與紙質閱讀[4]。

增強現實（Augmented Reality，AR）技術的發(fā)展為改進上述不足提供了一條現實路線。AR是對真實環(huán)境的增強，將計算機生成的虛擬信息實時、準確地疊加到真實場景中，創(chuàng)造出一種全新的體驗和交互方式，實現虛擬現實與人們生活的零距離接觸[5]。將AR技術與云平臺融合，設計、開發(fā)汽車發(fā)動機構造與維修AR教學軟件，能夠在最貼近自然的交互形式下為學生搭建一個自主探索的空間，進而改變教育方式，改變閱讀方式[6]。

基于上述觀點，本文設計并實現汽車發(fā)動機構造與維修AR教學軟件。在下文中，如無特別說明，將汽車發(fā)動機構造與維修AR教學軟件簡稱為“發(fā)動機AR教學軟件”。

一、發(fā)動機AR教學軟件設計

（一）發(fā)動機AR教學軟件的結構、資源和內容

發(fā)動機AR教學軟件的內容非常廣泛，大體上分為三個部分[3]：（1）汽車發(fā)動機的總體構造。（2）發(fā)動機在汽車上的布置以及各機構和各系統的裝配關系。（3）現代發(fā)動機的新技術、新結構和新材料。這就要求發(fā)動機AR教學軟件在設計階段，必須統籌兼顧，既要涵蓋所有講授內容，又要做到突出重點、力求實效，有效幫助學生掌握發(fā)動機結構原理知識和相關技術技能。因此，發(fā)動機AR教學軟件采用理實一體化的教學設計[7]，根據學生的特點和職業(yè)工作需求，采用任務驅動方式安排教學內容。例如，內燃機汽車四沖程汽油機由兩大機構（曲柄連桿機構和配氣機構）、五大系統（燃料供給系、點火系、潤滑系、冷卻系、起動系）組成。相應的，發(fā)動機AR教學軟件由10個單元、24個工作任務構成。根據實際情況，每個工作任務又被細分成若干個工作子任務。最終，發(fā)動機AR教學軟件由10個單元、24個工作任務、58個工作子任務構成。

（二）發(fā)動機AR教學軟件的功能

1.發(fā)動機AR教學軟件的功能性需求

發(fā)動機AR教學軟件在產品形態(tài)上表現為APP，分為安卓版和IOS版。發(fā)動機AR教學軟件適配的顯示技術包括透視式頭盔顯示器和智能移動終端[8]。對于兩種顯示技術，發(fā)動機AR教學軟件在功能性方面的需求大同小異，區(qū)別主要表現在人機交互技術方面。限于篇幅，本文僅給出適配智能移動終端的發(fā)動機AR教學軟件的功能性需求，如下表所示。

2.發(fā)動機AR教學軟件的體系結構

根據上表，確定發(fā)動機AR教學軟件的體系結構如圖1所示。發(fā)動機AR教學軟件包括兩個基本功能模塊：AR掃描、資源庫。

（1）AR掃描

學習者使用AR掃描模塊掃描紙質上或網頁上的圖片，可以獲取與圖片對應的模型資源。發(fā)動機AR教學軟件的顯著優(yōu)點是：支持下載資源離線使用。利用這一特性，學習者可以提前下載好下次需要學習的資源，避免在線下載等待時間過長而出現卡頓現象。資源下載后，學習者可以對資源模型進行相應的操作，包括但不限于拆裝、放大、縮小、旋轉等。

（2）資源庫

資源庫界面為資源下載界面，分為資源管理和資源列表，資源列表以表格形式陳列可供下載的資源;資源管理對已下載或在下載的資源進行管理，可對資源進行刪除，資源在刪除后可以再次下載。

二、發(fā)動機AR教學軟件實現

（一）關鍵技術

AR的關鍵技術主要包括跟蹤注冊技術、顯示技術、人機交互技術等[8]。

1.跟蹤注冊技術

發(fā)動機AR教學軟件采用基于計算機視覺的跟蹤注冊技術，使用標定的攝像機利用單幅圖像中已知點的位置實現跟蹤注冊。在實現方式上，采用基于人工標志的方法[8]，將包含有特定人工標志（例如拐點、孔洞、人為放置的標志點）的物體放置在真實場景中，通過對攝像機采集到的圖像中的已知模板進行識別獲得攝像機位置，之后經過坐標系的變換，將虛擬物體疊加到真實場景中。發(fā)動機AR教學軟件采用的跟蹤注冊技術，利用圖像處理和計算機視覺的方法協助注冊，優(yōu)點是：對硬件要求較低;使得測量誤差局限在圖像空間范圍（以像素為單位）。

2.顯示技術

顯示技術，即AR的視覺通道，是AR系統的重要組成部分。發(fā)動機AR教學軟件適配兩類顯示技術，即：透視式頭盔顯示器和智能移動終端。實現思路如下：啟動APP，進入AR掃描界面，掃描圖片加載對應模型，顯示在智能移動終端屏幕上或透視式頭盔顯示器上;若掃描一張圖片對應多個模型或資源時，可在資源庫界面中點擊對應模塊按鈕實現相互切換，不用再重新掃描。

3.人機交互技術

人機交互是AR的核心問題。傳統的人機交互方式包括鼠標、鍵盤、麥克風等。隨著技術的發(fā)展，近年來不斷出現一些更加自然的交互方式，例如語音、觸控、眼動、手勢、體感等。考慮到便攜性、移動性等因素，發(fā)動機AR教學軟件在適配透視式頭盔顯示器時，采用藍牙輸入交互方式;在適配智能移動終端時，采用觸控交互方式。在掃描圖片并加載模型后，學習者可以“身臨其境”地與模型進行交互。例如，在智能移動終端，學習者單點觸摸屏幕，可實現模型的上下左右旋轉;多點觸摸屏幕，可實現模型的放大與縮小。

（二）開發(fā)環(huán)境

概括地說，發(fā)動機AR教學軟件在開發(fā)階段需要完成3項任務：3D建模、底層識別算法設計、應用開發(fā)。

3D建模任務在3ds Max 2019環(huán)境下完成，建模內容為四沖程汽油機的兩大機構和五大系統，建模對象為四沖程汽油機相關的全部零部件。發(fā)動機AR教學軟件的核心目標是：用戶將在AR場景中完成全部學習任務，包括完成放大、縮小、旋轉、拆裝、檢測、清洗、測量、移動等操作。這就需要美術工程師在3ds Max 2019環(huán)境下完成相關動畫、特效的設計與建模。

發(fā)動機AR教學軟件沒有特別設計底層識別算法，而是由AR開發(fā)插件提供。目前，主流的AR開發(fā)插件有Vuforia、Metaio、Wikitude、Easy AR、Hiar、ARToolkit、ARVR云設計等[9]。AR教程選擇Vuforia SDK，底層識別算法由Vuforia SDK提供。集成陀螺儀、GPS等功能模塊實現AR教程的相關功能。

應用開發(fā)在Unity 2018.2.9f1 （64-bit） 引擎上完成，腳本編輯器為Visual Studio 2017，程序設計語言采用C#。智能移動終端屏幕識別技術可以采用Unity原生的觸控API實現，也可以采用目前成熟的Unity屏幕觸控插件，例如FingerGestures插件、Touch Script插件等進行開發(fā)。在發(fā)動機AR教學軟件中，為提高開發(fā)效率，屏幕識別技術采用FingerGestures插件實現。

（三）網絡模塊視圖

發(fā)動機AR教學軟件的服務器部署在云端，為此，需要設計、開發(fā)獨立的網絡模塊，網絡模塊視圖如圖2所示，各組件功能描述如下：

1.Upload Handler組件

處理數據到服務器的傳輸。

2.Download Handler組件

處理從服務器收到的數據的接收、緩沖和后處理。

3.UnityWebRequest組件

管理另外兩個對象，并處理HTTP流量控制。

4.User-Authored Scripts組件

處理相關業(yè)務邏輯的腳本。

三、發(fā)動機AR教學軟件發(fā)布與測試

（一）發(fā)動機AR教學軟件發(fā)布技術

發(fā)動機AR教學軟件APP包括IOS版和安卓版。面向IOS平臺發(fā)布*.ipa文件，發(fā)布步驟比較簡單，只需兩個步驟：通過Unity導出工程文件到XCode編輯器;然后，通過XCode編輯器生成最終軟件包。面向Android 平臺發(fā)布*.apk文件，步驟較為繁瑣：首先，需要安裝與配置java SDK;其次，需要安裝與配置Android SDK;最后，需要在Unity中配置各類SDK的路徑。

發(fā)動機AR教學軟件支持智能移動終端和透視式頭盔顯示器。針對不同的虛擬現實硬件設備，需要在APP發(fā)布過程中，通過Unity引擎分別配置不同的支持虛擬現實的參數。

（二）發(fā)動機AR教學軟件測試

手持安卓手機，點擊打開APP，默認加載AR掃描界面;以AR掃描二維碼、紙質教材或網頁上的圖片，加載對應的模型;觸摸手機屏幕，可以對虛擬場景的模型進行各類操作，包括縮放、旋轉、移動、拆裝等，猶如身臨其境。加載模型后的效果如圖3所示。測試結果表明：發(fā)動機AR教學軟件基本滿足設計、開發(fā)目標。

四、結語

針對普通高校、高職高專、中職學校汽車類各專業(yè)的主干課程汽車發(fā)動機構造與維修或相近課程，設計、開發(fā)了發(fā)動機AR教學軟件，產品形態(tài)為APP，分為安卓版和IOS版。通過該APP，用戶穿戴透視式頭盔顯示器或手持智能移動終端，可以隨時隨地、“身臨其境”地學習汽車發(fā)動機構造、檢測、拆裝、維修等相關知識，并獲取相關技術技能。與現行的新形態(tài)一體化教材相比，發(fā)動機AR教學軟件的顯著優(yōu)勢是：對硬件要求低，支持資源下載離線使用，從而保障應用和資源模型流暢運行;在虛擬現實場景中完成相關實驗實訓，用戶能夠獲得較好的“沉浸式”體驗，猶如身臨其境。

參考文獻：

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[8]王宇希，張鳳軍，劉越.增強現實技術研究現狀及發(fā)展趨勢[J].科技導報，2018，36（10）：75-83.

[9]李婷婷.Unity 3D虛擬現實游戲開發(fā)[M].北京：清華大學出版社，2018：334-347.

◎編輯 魯翠紅