基于增强现实的发动机拆装教学研究

卜祥风 邓景泉

摘 要：针对目前汽车发动机拆装课程存在的“教”“学”两难问题，探索基于增强现实技术开发发动机拆装教学指导系统，在增强现实环境下通过虚拟三维模型及动画和二维文字提示等增强信息，指导学生发动机拆装的具体操作和所需使用的拆装工具。系统采用基于框型标志的三维注册算法，利用CAD系统进行三维虚拟物体的建模和动画制作，使用ARToolKit完成虚实融合输出增强图像。在增强图像的帮助下，学生提高了发动机拆装工作效率，激发了学习兴趣。

关键词：教学研究；教学指导系统；增强现实；发动机拆装教学

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）01-0102-03

Abstract： By drawing on the difficulties in teaching and learning the course of auto engine disassembling and assembling， this paper explores the teaching guiding system based on the AR. In this system， information is augmented by using 3D model and 2D word. Teachers can show students the detailed operation and tools in engine disassembling and assembling. This system adopts 3D registration algorithm based on the frame sign， applies CAD to make a model for 3D virtual object and animation， and uses ARToolKit to output augmented image with virtual-real integration. Based on the augmented image， students' working efficiency is improved and their interests in learning are stimulated.

Keywords： teaching and research； teaching guiding system； Augmented Reality（AR）； teaching of engine disassembling and assembling

一、概述

增強现实（augmentedreality，简称AR）由虚拟现实（virtualreality，简称VR）发展而来，它将现实世界与计算机产生的虚拟物体结合起来，将计算机产生的虚拟物体实时叠加在现实场景中。1992年，T.Caudell首次提出增强现实的概念，并把增强现实技术应用到制造业中以提高工人的工作效率[1]。之后，增强现实技术在机器人技术[2]、机械设计[3]、汽车工程[4]、游戏娱乐[5]、军事[6]、教育等领域中流行开来。近年来，增强现实技术在教育教学领域取得了长足发展。张鹏飞[7]研究了增强现实技术在室内设计教学中的应用，提出的室内设计动态视频教学系统，解决了传统室内设计教学时，无法实时观察具体实施效果的问题。左大利[8]利用增强现实技术把“机械设计基础”课程中的机械结构简图制作成基于图片的“魔法书”，使学生能够利用智能手机观看机构的三维模型等信息，激发了学生的学习兴趣。普磊[9]研究了将增强现实技术应用到汽车技术服务与营销专业教学中的方法，为传统汽车专业教育方式开拓了新思路。

目前传统的汽车发动机拆装实践存在“教”“学”两难的情况。发动机零部件繁多，拆装工序复杂，涉及很多专用工具，精确装配技术要求高。如图1、图2为一台V6发动机的部分零部件和部分拆装工具，表1为相应发动机的简化拆卸工序，安装工序与之相反。

传统的发动机拆装，学生要对照长达几百页的操作指导书一步步拆卸，而指导书并不够直观，提示图往往是简单的示意图，导致学生实际拆装发动机时会遇到很大困难。另一方面，应用型本科汽车类专业缺少有实际拆装经验、技能娴熟的专任教师指导学生进行发动机拆装实践学习，通常需要聘请企业技工进行指导。这种做法具有不可持续性，而且聘请技工价格不菲。针对上述问题，本文提出一种基于增强现实技术的发动机拆装教学系统，能够直观地指导学生进行发动机拆装，激发学生的学习兴趣。

二、系统架构

基于增强现实技术的发动机拆装教学

系统架构如图3所示，包括发动机、两个与电脑相连的摄像头、两个显示屏和一套发动机拆装工具。摄像头1抓取发动机的图像并传送给电脑，系统软件经分析处理把用于指导学生操作的虚拟图像和文字说明叠加在真实的发动机图像上，显示在显示屏1上。摄像头2抓取发动机拆装工具的图像并传送给电脑，软件将相应工序所需使用的工具用闪亮框提示出来，如图4所示，并在显示屏2上显示出来。这样学生带上HMD眼镜就可以从显示屏1获得相应工序的操作指示，从显示屏2获得当前工序所需的工具，根据这些叠加在真实图像上的虚拟提示一步步完成发动机的拆装。

三、关键技术

（一）三维注册算法

三维注册是增强现实系统的特征所在，也是增强现实系统的核心和基础。三维注册解决的问题是如何把计算机产生的虚拟物体与真实场景对准，把虚拟物体叠加到正确的地方，使虚拟物体与真实场景完美融合。

目前的增强现实系统主要采用基于硬件的注册算法、基于计算机视觉的注册算法和混合注册算法。本系统采用基于框型标志点的三维注册算法，属于计算机视觉注册算法的范畴。这种三维注册算法框架简单，计算过程线性且误差小，图形处理计算量小，一般只需提取提前放置的四个标志点特征，就可以计算出像面位置，实时性好。系统虚实注册流程如图5所示。系统采用ARToolKit进行三维注册，主要步骤包括二值化、标致识别和坐标变化。

（二）发动机拆装指导信息建模

发动机拆装指导信息是指每个拆装工序中，用于指导学生进行发动机拆装方式方法、步骤、所用工具的虚拟信息，形式上包括三维模型及动画、二维图像、文字、标识等。根据学生所处的发动机拆装工序，从发动机拆装资料中分析得到当前步骤所需的辅助指导信息，并在增强现实系统的虚拟环境中建模实现。

本系统的指导信息以三维模型及动画、文字和标識为主。三维模型及动画用于直观地指导拆装操作，文字用于辅助说明，标识用于工具提示。

使用CAD系统可将发动机零部件的CAD模型转化为三维虚拟模型，其包含各部件的几何模型、装配约束关系和空间位姿。发动机拆装指导信息的获取有两个方面，一方面通过CAD接口获取零部件几何信息，另一方面通过用户输入获取发动机拆装工序、拆装工具信息。具体流程如图6所示。

（三）虚实融合

系统虚实融合过程如图7所示。三维注册算法采用（一）节介绍的算法，给类增强提示信息由（二）节介绍的发动机拆装指导信息建模方法完成，最后用ARToolKit完成虚实融合过程，并输出增强图像。

四、结束语

基于增强现实技术的发动机拆装教学指导系统，利用CAD系统进行发动机拆装指导信息建模，基于框型标志进行三维注册，能够输出直观的增强图像指导学生发动机的拆装操作步骤、操作方法和所需使用的工具。可以提高学生拆装发动机的工作效率，激发学生的学习兴趣。探索增强现实技术在现代教育中的更深一步应用，将为现代教育带来更大的贡献。

参考文献：

[1]T. Caudell， DIzell， AugmentedReality： AnApplicationofHeads-UpDisplayTechnologytoManualManufacturingProcesses，SystemScienc

es，1992.ProceedingoftheTwenty-FifthHawaiiInternationalConferenceo

n，Volumeii， 7-10Jan. 1992Page（s）：659-669vol.2.

[2]朱广超，王田苗，丑武胜，等.基于增强现实的机器人遥操作系统研究[J].系统仿真学报，2004（05）：943-946.

[3]程委，廖学军，李智.增强现实及其军事应用研究[J].计算机技术与发展，2007（12）：165-168.

[4]冉洋，朱飞，陈康.虚拟现实及增强现实技术在工业设计中的应用[J].激光杂志，2010（01）：4-6.

[5]邱世广，荆旭，范秀敏.增强现实环境下的汽车A立柱视野评估方法[J].计算机辅助设计与图形学学报，2012（01）：128-135.

[6]伍静文.增强现实技术在互动娱乐中的应用研究[D].广东工业大学，2013.

[7]张鹏飞.增强现实技术在室内设计教学中的研究与应用[J].洛阳师范学院学报，2013（11）：84-86.

[8]左大利.基于增强现实技术的“机械设计基础”课程教学改革探索[J].教育教学论坛，2014（46）：131-132.

[9]普磊.浅谈计算机增强现实技术在汽车技术服务与营销专业中的应用[A].旭日华夏（北京）国际科学技术研究院.首届国际信息化建设学术研讨会论文集（二）[C].旭日华夏（北京）国际科学技术研究院，2016：1.