增強現實技術在三維教材空間建模中的應用研究

一、AR技術概述及其應用于教材的優勢

（一）AR技術原理

增強現實技術（AugmentedReality，簡稱AR），是一種能夠將計算機制作的虛擬信息（如圖形、文字、視頻等）疊加在真實環境之中的前沿技術。AR技術的核心原理是通過攝像頭、傳感器等裝置采集真實場景的畫面、位置、方向等數據，手機、平板等移動設備的攝像頭通過實時采集周邊場景的畫面，移動設備本身的陀螺儀、加速度計等裝置準確地檢測當前設備的移動行為。這些數據傳送至計算機或移動設備中的處理器中，通過復雜的數據分析與處理實現真實場景識別與分析。

（二）傳統教材的局限性

教材作為傳統意義上的知識傳承媒介，隨著時間的推移，傳統教學模式也在不斷進行突破革新，面對結構性和抽象性強的內容時，教材本身的不足便開始表現出來。以機械專業機械零件的教學為例，零件的結構形式較為復雜、內容較多，細節繁多，發動機的曲軸、變速箱的齒輪等都有較為復雜的三維空間結構，傳統教材中都是通過平面圖來描述零件，只能呈現零件的部分形狀以及尺寸參數。學生僅憑這些平面圖來構造零件的三維結構具有一定的難度，無法整體、全面地掌握零件的真實形態以及零件中各個組成部分的相對位置關系。

除此之外，傳統教材還存在無法展現復雜三維結構以及互動性不強的弊端。在傳統教材的使用教學模式中，學生只是被動學習，通過閱讀文字、觀察圖片來接觸教學知識，與教材缺乏直接聯系和互動，而且隨著科學技術以及知識的不斷更新，其中有許多領域出現了一些新的知識、新的技術。但傳統教材的編寫及出版周期較長，不能及時展現最新的研究成果和實踐經驗[]。

（三）AR技術應用于教材的獨特優勢

1.增強學習直觀性

AR技術應用于教材的顯著優勢之一在于提升學習的直觀性。傳統教材對難度較大的知識點往往是用文字和二維圖片加以描述的，給學生理解一些抽象的知識及復雜的結構造成了很大的困難，而AR技術能夠在虛擬信息世界和真實的世界之間搭建起互動式的實時通道，從而將抽象的知識描述為直觀化的、三維立體模型甚至是動態場景的形式，從而使學生更加直觀地掌握和理解知識。

2.促進互動式學習

學生對AR模型可以進行旋轉、拆卸、組裝等各種操作，在學生對模型進行各種操作時，學生不再是被動地接受知識，而是積極主動地投入到學習中，在自己的探索操作中對知識進行學習，這樣互動式的學習能夠大幅提升學生的學習興趣與參與度。AR教材還可以設置問題答疑、小游戲等多種互動環節，以此加深學生的學習體驗，互動式的學習方式不僅能夠加深學生對知識的理解與掌握，更能鍛煉學生的觀察力、思考力和問題解決的能力。

3.降低教學成本與風險

在教育教學過程中，降低教學成本和教學風險也是教學過程中很重要的問題，AR技術在這方面也具有自身優勢。在以往實驗實訓教學過程中，有很多實驗場景具有較高的危險性（在化學實驗中涉及易燃、易爆物質，在物理實驗中涉及高壓電等），這些危險性物質會給學生自身安全帶來隱患。此外還有很多實驗設備和實驗材料成本較高（如醫學實驗中的人體模型、機械實訓中的大型機械等）。AR技術對降低教學成本，促進實驗實訓教學實施具有重大意義[2]。

二、AR三維教材主流開發工具介紹

（一）Unity3D

Unity3D是流行度非常高的跨平臺游戲開發引擎，在AR的開發過程中，之所以受到大多數開發者的歡迎，主要是由于Unity3D本身的資源庫及其強大的插件。首先，UnityAssetStore中有許多資源，涵蓋3D模型、材質、腳本、音效等，可以根據項目需求任意獲取并使用，大大縮減了開發時間，降低了開發成本。其次，Unity3D開發方便快捷，可以使用可視化開發界面，利用拖放和設置參數等進行場景、對象和組件的創建與編輯，無需大量開發代碼，降低了開發難度，能讓新人快速入門。

（二）Vuforia

Vuforia是一個專業的AR開發插件，它與Unity3D的聯合使用為開發者帶來了方便快捷的AR開發。Vuforia最強大的功能就是圖像識別以及目標定位能力，可以快速準確識別平面圖像、3D模型、二維碼等，實時跟蹤目標位置以及方位的變化。

三、高職教育中AR教材專業案例設計實戰

（一）機械專業：發動機拆裝AR手冊

1.功能需求分析

發動機拆裝是機械類專業的實踐教學重要組成部分。傳統的發動機拆裝教學主要是通過實物發動機、紙質教材、教師現場操作進行講述，紙質教材中的平面圖片及文字描述對發動機拆裝的三維結構及拆裝過程給學生理解帶來一定難度，需要開發一款發動機拆裝AR手冊幫助學生直觀理解拆裝過程。

首先，發動機拆裝教學中，學生需要清楚零件拆解的順序步驟。發動機是由大量零部件所構成，其拆卸的順序與步驟是層層遞進、環環相扣的。AR手冊可以通過點擊屏幕，選擇各個部位，觀看動態演示的一步一步拆解過程，并且每步操作都配有動畫與文字解釋，讓學生通過動畫演示可以很容易理解正確的拆解順序與步驟。其次，拆解過程中的錯誤操作提示[3。拆裝實踐過程中，由于學生操作經驗不夠，會出現拆裝中的錯誤操作現象。這時，AR手冊可以監測到學生操作的步驟，在錯誤出現之后，立即發出提醒，讓學生了解哪些步驟操作失誤，并告知正確的拆裝方法。最后，考慮到學生的自主學習需求，AR手冊中還須具有交互性與重復性。學生可以在保證學習進度的前提下，通過AR手冊隨時暫停、復演拆裝過程，并可以選擇其中某個零件進行重點學習，在虛擬環境中進行多次拆裝模擬訓練，提升學習效果。

2.設計與實現

實現發動機拆裝AR手冊的各項功能需采用Unity動畫控制器和按鈕交互腳本的方式。Unity動畫控制器是實現動畫控制和管理的主要組件，在Unity動畫控制中能夠完成動畫片段的創建、編輯、播放以及控制動畫播放和動畫之間的轉換。

為了利用Unity的動畫控制功能實現逐步拆分、裝配零件，首先在3D模型軟件中生成發動機各零部件3D模型，導入Unity中，并在Unity中創建每個零部件所對應的動畫片段，記錄拆分過程中位置、旋轉、縮放等變化[4。例如，在氣缸蓋拆解動畫片段中，記錄氣缸蓋從原位逐漸抬起并移動到目標位置。將動畫片段添加至動畫控制中，安裝一個動畫狀態機控制動畫的播放過程。狀態機中包括多個狀態，每個狀態是一個動畫片段，并設置狀態之間的轉移條件和參數。

在界面上增加一系列按鈕，一個按鈕代表一個拆解步驟，用戶點擊按鈕后，利用按鈕交互腳本啟動對應動畫的播放。按鈕交互腳本可采用C#語言編寫，通過獲取按鈕的點擊事件，調用動畫控制器類中的相關方法來播放動畫。當用戶點擊“拆解氣缸蓋”按鈕時，腳本程序會獲取該按鈕的點擊事件，調用動畫控制器類中有關氣缸蓋拆解動畫的播放方法來播放氣缸蓋拆解動畫。

錯誤操作提醒功能的實現則是在按鈕交互腳本中加入檢測代碼，檢測用戶操作行為是否屬于誤操作。例如，拆裝某個零件時，用戶拆裝的順序與規范順序不符，腳本檢測到這個情況，使用界面上的提示或者語音提示功能，告訴用戶本次操作為錯誤操作。在腳本中放置操作順序表，在用戶點擊按鈕時對用戶的當前操作進行檢測，一旦用戶操作順序和正確操作順序不符合就馬上觸發提醒功能[5]。

此外，為了用戶更好地體驗AR手冊的功能，可以添加一些輔助功能（如對AR手冊進行縮放、旋轉和平移等），使得用戶可以對發動機結構和零件的拆裝進行多角度觀察。AR功能的添加可以利用在Unity中添加相應的交互腳本來實現。例如，通過觸摸屏幕進行模型的縮放和旋轉，滑動屏幕實現模型的平移。充分利用Unity的動畫控制器和按鈕交互腳本能夠實現發動機拆裝AR手冊的各項功能，為機械專業學生的學習提供良好的操作輔助工具。

（二）建筑專業：房屋結構AR透視

1.功能需求分析

在傳統建筑專業學習中，房屋結構復雜的造型和空間關系的表達比較有限，需要尋找一個更加直觀、高效的載體幫助學生來認識房屋結構，AR技術的引入可以解決這個問題。

學生學習房屋結構時，首先需要一個直觀的房屋立體模型，利用AR技術，學生掃描一個建筑平面圖，就可在手機或平板上把房屋立體模型展示出來進行全方位觀察。學生繞著立體模型旋轉，觀察房屋外觀、內部結構、各房間空間位置。這種展示方法直觀，能幫助學生理解房屋的整體結構。在建筑專業學習過程中，了解水電管線的分布也是一個很重要的學習環節。學生可以利用AR教材的水電管線觀察功能，滑動屏幕時，模型就可以穿透房屋的墻體、地面、天花板來查看隱藏的水電管線。系統用不同顏色和標識區分水管、電線以及照明管線、插座管線等不同的線路，系統還有點擊查看功能[]。

2.設計與實現

掃描建筑平面圖實現立體模型主要是靠圖像識別和三維建模技術。通過專業的3D建模軟件（3dmax或Maya），根據建筑設計圖紙制作房屋的三維模型，在建模過程中對房屋的外觀、內部結構及細部都要嚴格按照建筑施工圖來建模，墻面的涂料效果、地面的瓷磚效果等建模細節都要完成，讓模型更逼真，為模型添加材質及貼圖，然后把做好的三維模型導入Unity開發的環境中。

在Unity中借助Vuforia插件實現圖像識別功能，把建筑平面圖作為識別對象，將識別數據設置到Vuforia的TargetManager中。上傳建筑平面圖，生成識別數據，導入Unity項目中。在Unity中向場景中添加ImageTarget組件，并將組件與識別數據進行關聯。當用戶掃描建筑平面圖時，Vuforia會快速識別圖像信息，并觸發相關事件，顯示房屋的三維模型。設置模型的位置、旋轉、縮放屬性，使其與平面圖的位置和比例相同，正確顯示立體模型。

對于水電管線功能的實現，需要在三維模型的基礎上進行開發，在3D建模軟件中建立水電管線的三維模型，并將其與房屋模型融合。為水電管線模型添加碰撞檢測組件，檢測用戶滑屏時產生的操作，最終在Unity中編寫交互腳本完成滑動查看功能，實現用戶在屏幕上滑動手指時，腳本獲取用戶手指的滑動方向以及滑動距離。通過調整相機視角以及模型顯示狀態，實現模型穿透效果，同時顯示房屋內部的水電管線。通過相機的裁剪平面和遮擋剔除等方法，可以優化模型顯示，保證用戶在展示水電管線時的流暢性[]。

為了實現點擊查看詳細信息的功能，在腳本中增加點擊事件處理功能。當點擊水電管線模型時，通過腳本捕獲點擊事件，查詢當前位置對應的管線對象，并查詢預先編寫的管線信息數據表，獲得對應的管線信息，包括規格、材質、用處等。將信息以文字形式或者彈框的方式展示到屏幕上，告知用戶有關的管線知識。合理的設計和開發能夠完成建筑專業房屋結構AR透視的各項功能，使三維建模成為學生高效、直觀的學習平臺。

（三）護理專業：靜脈注射AR模擬

1.功能需求分析

靜脈注射是護理專業最基本的、重要的操作技能，學生需要大量練習才能熟練掌握。因此，靜脈注射的AR模擬有一定的現實需求。運用AR技術，在虛擬的手臂上準確地顯示血管的位置是第一要素。虛擬的手臂應盡可能地模擬人體手臂的外形和結構，血管的位置、粗細以及血管分布應與真實人體手臂相仿。學生可以從各種角度觀察虛擬的手臂（如正面、側面、背面）來對血管的位置進行全方位觀察。AR模擬具備實時標記功能，當學生選擇進行靜脈注射時，系統可以自動標記最佳穿刺位置，給學生進行穿刺操作引導。

對于進針角度反饋功能，AR模擬需要實時監測學生在觸屏上模擬進針的動作，并根據設定的算法計算進針角度。當進針角度正確時系統正面反饋，顯示綠色的提示圖標和提示音。進針角度不正確時應及時糾正，顯示紅色的提示圖標，并給出進針角度的正確范圍及調整方法。為了幫助學生更好地理解進針角度的概念，AR模擬還應通過不同進針角度下的模擬效果展示，讓學生直觀看出進針角度對穿刺效果的影響。

2.設計與實現

基于AR技術的靜脈注射模擬，采用3D建模技術建模虛擬手臂。在建模時依據人體解剖學數據，精準完成手臂骨、肌肉、皮膚等結構建模。將醫學影像數據（血管造影圖）提取血管三維信息后，植入虛擬手臂模型中，在虛擬手臂模型上顯示血管。利用Unity為血管模型添加材質與紋理使模型呈現出逼真效果，包括血管的色彩、光澤和透明度等。

通過Vuforia中的圖像識別功能將虛擬的手臂與場景進行綁定，在學生手機或平板上掃描特定識別標記后，在手機或平板屏幕上顯示虛擬的手臂模型，學生進行虛擬手臂血管位置的實時動態展示。給虛擬手臂模型附加攝像機跟蹤腳本，虛擬手臂根據學生手持設備移動和旋轉顯示，以做到全方位觀察。

在觸屏模擬進針角度方面，通過在Unity中編寫交互腳本實現反饋。在學生觸摸屏幕移動手指模擬進針操作時，通過腳本檢測觸摸點位置信息和移動軌跡信息，運用三角函數等數學運算方法，根據觸摸點坐標變化計算出進針角度。將計算得到的進針角度與設置的正確角度范圍進行比較，若進針角度在正確角度范圍內，則通過界面或者語音提示學生操作正確；若進針角度操作不正確，屏幕上會出現錯誤提示信息，在進針方向用紅色線框畫出正確進針的路徑，以及文字提示，指導學生如何調整進針角度。

四、結語

AR技術應用于三維教材的空間構建，改變了以往傳統教材的教學模式，彌補了教材中的不足，改善了傳統教學的弊端，使教學更加合理化和系統化，增強了用戶在學習中的興趣和熱情。未來，隨著技術的不斷進步和完善，AR技術有望在更多學科領域的教材中廣泛應用，進一步推動教育教學模式的創新發展，為培養適應時代需求的創新型人才提供有力支持。

參考文獻

[1]趙曉嬿.增強現實技術在基礎教育教材領域的應用現狀及發展策略[J].出版科學，2019.27（06）：93-97.

[2]李洪營，陳清奎，姚玉斌.基于增強現實技術的3D版教材新模式研究與開發[J].機電技術，2017（05）：51-53.

[3]黃靜.虛擬現實技術及其實踐教程[M].機械工業出版社：2023.

[4]郭瑾，高英杰，霍達明，等.基于增強現實技術的立體化教材研究與開發[J].遼寧師范大學學報（自然科學版），2022，45（04）：480-486.

[5]鄭健江.基于增強現實技術的新形態教材研究與實踐[J].現代信息科技，2021，5（16）：185-188.

[6]李紹良，姜靈美，任建峰.AR增強現實技術在職業教育數字化教材開發中的應用研究[J].教育現代化，2019.6（62）：177-179

[7]王一粟.基于移動增強現實技術的新形態教材設計與應用研究[D].南京：南京林業大學，2024.

基金項目：教育部職業院校信息化指導委員會課題“多媒體與交互技術在教材設計中的應用”（項目編號：KTSJ2024087）

作者單位：南充職業技術學院

責任編輯：張津平尚丹