增强现实 （AR）技术在汽车传感器教学中的探索与应用

张婷

摘 要：增强现实技术AR目前在国内的不断的发展，人们开始更多的关注于基于VR和AR的虚拟仿真学习环境开发和应用。将增强现实AR技术在汽车传感器教学中进行应用，探索AR在汽车传感器教育教学方面的应用方法，首先提出在教学中，讲授汽车传感器这门课程中遇到的问题，然后对增强现实AR技术的系统搭建和开发做了介绍，最后通过分析和研究，提出了基于手机识别的AR汽车传感器教学App开发应用，并提出了研究方案。

关键词：增强现实;AR;交互;汽车传感器

汽车传感器课程主要培养学生在汽车构造以及汽车检修等方面的想象空间，而这种思维方式很难用老师的教受和讲解以及课件来描述的很清楚，对于一个汽车传感器这种三维立体空间的实物来说，在汽车的具体的哪个位置，是需要反复区记忆的。对于立体三维空间概念感较差的学生，在没有经常对汽车进行拆卸和组装的话，很难想象或者找到某个传感器的具体位置。如果使用现实中的汽车进行教学，费用过高，同时学生在对汽车进行拆卸时，存在自身安全隐患。因此在传统教学过程中，教师采用多媒体和PPT形式进行教学，教学效果并不理想。近些年，随着科学技术的发展，教师已经在课件中可以加入三维立体模型，但是学生对于每个传感器在汽车中的位置，还是不能很好的理解。同时在课外，学生只能通过书本进行反复记忆，枯燥无味，学习效果并不理想，课堂中通过老师的反复讲解，也达不到很好的效果。为了解决目前教学过程中的问题，本人采用增强现实技术AR开发一款汽车传感器的辅助教学APP，可以有效的帮助学生在任何时刻，任何地方，对汽车传感器进行学习。不受时间和空间的限制，使学生更好的理解汽车传感器的构造和用途。

1 增强现实技术简介

增强现实技术，它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息"无缝"集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息（视觉信息，声音，味道，触觉等），通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。

作为新型的人机接口和仿真工具，AR受到的关注日益广泛，并且已经发挥了重要作用，显示出了巨大的潜力。

总体来讲，增强现实在中国处于起步阶段，许多虚拟现实领域的企业已经開始专注于"增强现实"的研发和应用。比如中视典数字科技研发的VRP12.0就集成了增强现实的功能。

2 增强现实技术在汽车传感器教学中的应用

在传统的汽车传感器的课堂教学过程中，教师在没有实训条件的情况下，在课堂教学中，只能使用多媒体课件辅助讲解，让学生理解传感器的构造以及每个传感器在汽车中的位置，学生没有经过实训过程，在学习过程中存在诸多的问题。学习汽车传感器课程，学生很难在没有实际操作，只通过PPT中的一些平面图片，就可以体会到每一种传感器在汽车中的位置，并且对于每一种传感器的样子也不一定有很深的印象。对于传感器的作用和传感器故障的排除，只停留在书本表面，并没有实际的操作。这样，对职业技术院校的学生在今后的工作和其它院校的学生之间存在很大差距的竞争力。

因此，如果有一种方法让学生看到的不再是书本上的平面图，并且能够使学生明白传感器的用途和如何排除故障，就可以很好地辅助学生对汽车传感器的学习了。AR技术目前就可以解决类似的问题，因此本人试图开发一款基于AR技术的辅助汽车传感器的APP教学软件，利用AR技术开发了汽车传感器辅助教学App。使得书本上汽车传感器的图片变成立体的真实的三维模型，对初学汽车传感器的学生而言，带来了很大的帮助，方便他们更好的记忆汽车传感器。同时采用增强现实技术之后，可以将现实的这是场景，通过增强现实AR技术将虚拟的3D模型叠加到现实世界场景（教材平面图）中来。在教学过程中，学生在手机上安装汽车传感器辅助教学App，不论是在课前的预习，还是课堂中学习时，又或者在课后进行复习时，只要学生在学习或做练习题遇到难以理解的传感器时，只需打开App，用手机摄像头扫描自己所需要的教材图片，App通过识别匹配出对应的三维真实模型，然后经过分析和定位，将3D图像与现实场景叠加在一起，在手机屏幕上显示，该传感器在汽车中的具体位置，学生可以利用触摸屏手机对传感器模型进行旋转、缩放操作，从不同角度观察模型[3]。并且对每个传感器还增加了故障检测和连接电极的标签，为学生对传感器的故障排除和检测提供了方便和指导。此APP不仅学生可以在学校学习时使用，同时在今后的工作中也可以随时使用，并且方便携带，为学生在今后工作中也可以提供方便。

3 软件开发方案以及APP设计

本文采用的AR开发环境是Vuforia。Vuforia是高通的AR解决方案，它使用机算机视觉技术实时地识别和跟踪平面图像以及简单的3D图像，使开发者能够在现实世界和数字体验之间架起桥梁。[1]

增强现实技术，不仅展现了真实世界的信息，而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。在视觉化的增强现实中，用户利用手机，把真实世界与电脑图形多重合成在一起，便可以看到真实的世界围绕着它[2]。根据这一原理，汽车传感器辅助教学App程序AR识别流程如下：

系统首先使用SolidWorks软件按照汽车机构实际尺寸进行三维建模，建模完成后，将stl文件导入3DMax软件，进行二次处理，主要是针对SolidWorks曲面建模导致的破碎三角面进行补面或逆向绘制，将多余的点与面删减，对模型UVW展开绘制，然后导出fbx文件，再将fbx文件导入Unity，通过Vuforia插件建立空间锚点识别信息，并编程开发系统界面、手势控制、动画状态机、PhysX物理运算、动力学解算等系统功能。

本系统的具体实现方式：

（1）借助android（安卓）设备可识别设备图片、实际物体。

（2）通过安卓移动端程序能够将真实世界信息和虚拟世界信息无缝集成，达到人眼看到的虚拟设备与真实世界信息相互补充叠加的效果。

（3）把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息，通过AR技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被用户感官所感知，从而超越现实的感官体验。

（4）系统具有突出的特点：真实世界和虚拟的信息集成、具有实时交互性、是在三维尺度空间中增添定位虚拟物体。

（5）通过屏幕的手势操作对识别出来的虚拟设备缩小、放大、旋转。

（6）可点击现实世界中设置的按钮对虚拟信息进行操作（爆炸图演示）。

（7）点击屏幕上的步骤按钮对虚拟物体进行步骤演示操作。

（8）手持安卓端程序，在围绕识别出来的虚拟设备移动的同时可详细观察设备的组成。

汽车传感器辅助教学App，目前以开始在教学中实验使用，通过实验发现，在使用汽车传感器辅助教学APP时，可以为学生学习带来更加便利，更加直观的学习方式，使学生对汽车传感器这门课程更感兴趣。同时，让学生在实训中更加深对传感器的理解。本项目的研究，对今后的教学中存在深远的意义。

参考文献：

[1]程彤，汪存友.增强现实技术在非正式学习空间中的应用探讨[J].中国教育信息化，2016（22）.

[2]徐敏，童强.一种基于Unity3D+Vuforia的增强现实交互App的开发[J].现代计算机（专业版），2016（12）.

[3]周云成.AR增强现实技术在机械制图教学中的应用研究[J].现代职业教育（高职高专），2016（9）.