混合現實技術在機械課程教學中的應用研究

楊曉龍 凌莉

摘? 要：混合現實技術（MR）突破空間、時間和現實約束，能夠在現實世界中投射出全面、逼真、可編輯的機械結構和物理關系模型，因此能突破傳統教學方式枯燥的刻板印象和信息傳遞的局限性，極有可能引領未來機械設計和制造類課程教育教學革命。雖然目前MR設備昂貴、技術尚不成熟，但根據歷年微電子產品價格所建立的數學模型預測表明：10年后MR設備的價格和技術成熟度將等同于現階段個人計算機。所以，價格和技術并不是制約未來MR技術課堂發展的關鍵，如何轉變高校教師觀念，使他們去積極探索和使用MR設備和技術才是重點。

關鍵詞：混合現實;機械設計;機械制造;高等教育;微電子

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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

隨著信息、微電子技術的發展，出現了諸多新興科技，例如5G通信、人工智能（AI）、虛擬現實（Virtual Reality， VR）、增強現實（Augmented Reality， AR）和混合現實（Mixed Reality， MR）等一些存在于科幻影片中的技術逐漸成為現實。VR/AR/MR技術作為溝通數字世界和現實世界的“橋梁”，可營造出超感官的現實體驗，近些年引起了國內外學者廣泛關注。VR/AR/MR技術概念既有區別又有相通之處，其關系可由Paul Milgram提出的“真實-虛擬連續體”概念來描述[1]。VR技術，即虛擬現實，又稱“靈境技術”，是通過電腦等外部設備產生三維圖像通過穿戴式顯示器投射到眼睛，并通過陀螺儀使圖像跟隨頭部運動而運動，從而營造出接近真實世界的視覺刺激，可見，VR技術創造的是完全虛擬的世界;AR技術，即增強現實，是在VR技術上發展而來的新興技術，與VR的區別在于，AR可以將計算機產生的虛擬影像疊加到現實世界中，實現對現實的增強，所以其營造的世界更接近于真實世界[2]。

混合現實（MR）不同于AR技術中影像的簡單疊加，它的關鍵點是與現實世界進行信息獲取及交互，在真實世界、虛擬世界搭建一個信息反饋的“橋梁”。例如，電影《鋼鐵俠》中，托尼·斯塔克利用全息影像投射出鋼鐵戰甲模型，對模型進行“隔空”操作、修改、裝配和調試的過程就運用了MR技術。MR技術突破了空間、時間和現實的局限性，將數字化的真實世界具象地展現在了用戶面前，供用戶進行剖析式地學習、編輯和測試。這種新興的信息交互形式能夠大幅提升用戶學習效率和愉悅感，并且實現對真實世界物理系統的準確預測和設計，因此它在航空航天[3-4]、醫療[5-7]、軍事[8-10]、教育[2，11-16]等領域的關注度日漸高漲。例如，在航空航天領域，MR技術可構建出逼真的航空發動機模型，結合全息影像，并通過手勢識別、觸覺反饋、生理計算和語音交互技術實現發動機零部件的拆解、尺寸/材料設計、組裝和運行模擬[3]。在醫學領域，MR技術可結合血管超聲、核磁共振、CT血管造影獲取的數據，建立接近“真實”的血管模型，醫生在術前通過MR頭盔和觸覺傳感器，對模型進行“手術”，獲取術后效果數據，來評價和優化手術方案，提升手術成功率[6]。

由此可見，MR技術具有“現實”和“虛擬”的可互動性，能夠將抽象的信息具象化，并映射到真實世界中，供用戶身臨其境地學習、編輯和測試，是一種前所未有的人類獲取信息和知識的新渠道，因此在教育領域具有極大的應用前景。