CN107705636A - 一种基于增强现实技术的船舶实验教学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于增强现实技术的船舶实验教学系统，包括船舶模型构建模块、船舶设备互动拆装模块、增强现实模块、交互模块；船舶模型构建模块用于根据船舶设备实体量取的数据构建船舶设备三维模型；船舶设备互动拆装模块用于实现船舶设备的拆装模拟；增强现实模块用于实现增强现实功能；交互模块用于用户了解船舶设备的组成结构、拆装步骤，动手进行虚拟操作练习。本发明将增强现实运用到轮机实践教学中，可以改善当前的教学现状。增强现实技术模拟教学中的知识点和实操的流程，利用强匹配的虚拟影像对现实世界进行补充，提高教学水平和实验认知。

Description

一种基于增强现实技术的船舶实验教学系统

技术领域

本发明属于船舶设备仿真技术领域，涉及一种船舶设备的实验教学系统，具体涉及一种帮助学员理解船舶设备工作原理、拆卸、安装训练的增强现实教学系统，为轮机教学工作提供了一种新颖的教学思维。

技术背景

船舶运输业是关系民生的国家重要战略性产业，船舶动力装置是船舶最核心的部分，其性能极大程度地影响了整个船舶的机动性能、安全性能，而船舶柴油机是当前船舶使用最为普遍的动力装置，常用柴油机的拆卸、检测、安装是轮机工程技术人员必须掌握的技能，也是大中专论及相关专业的核心课程。

随着现代计算机技术的迅猛发展，以计算机技术为基础的增强现实技术也得以快速发展，并在教育、医疗、制造、娱乐个航天等领域得到广泛的应用。增强现实其连接虚拟和现实的独特优势，越来越受到教育工作者的青睐，在实验教学中大量的应用发挥着重要的作用。

在轮机工程专业相关的教学和工作中，应用性和实践性极强，学生不仅仅需要掌握书本上的专业知识，还要通过实验、实训、实习来获得对船舶设备的具体认知。但在实际的教学过程中，如在船舶主机的拆装检修、船舶辅机的拆装检修、船舶电站资源管理等项目中，教学和实操是分开的。同时实践教学中的实操设备和设施普遍投入较大，消耗量大，更新迭代快，需要不断的投入资金，导致目前学生的教学资源不足。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种帮助学员理解船舶设备工作原理、拆卸、安装训练的增强现实教学系统。

本发明所采用的技术方案是：一种基于增强现实技术的船舶实验教学系统，其特征在于：包括船舶模型构建模块、船舶设备互动拆装模块、增强现实模块、交互模块；

所述船舶模型构建模块用于根据船舶设备实体量取的数据构建船舶设备三维模型；

所述船舶设备互动拆装模块用于实现船舶设备的拆装模拟；

所述增强现实模块用于实现增强现实功能；

所述交互模块用于用户了解船舶设备的组成结构、拆装步骤，动手进行虚拟操作练习。

本发明与现有技术相比具有以下优势：

1.与现有的一些多媒体教学相比，增加了使用操作的环节，不再只是单纯的观看视频文字等，用户通过与模型交互完成操作。

2.以智能移动设备为平台，有很强的便携性，每一个搭载该系统的都是一个移动的课堂，有很强的灵活性，不仅仅可以在课堂里辅助教学，还可以在实验室中用户实操指导。

3.增强现实功能下，虚拟信息和现实中的船舶设备图像有强匹配关系，方便使用者形成记忆链。

附图说明

图1是本发明实施例的系统框架结构图；

图2是本发明实施例的原理图；

图3是本发明实施例的三维模型图；

图4是本发明实施例的往复泵剖面图及特征点分布图；

图5是本发明实施例的模式选择界面图；

图6是本发明实施例的AR模式效果图；

图7是本发明实施例的本地模式设备选择界面图；

具体的实施方案

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1和图2，本发明提供的一种基于增强现实技术的船舶实验教学系统，包括船舶模型构建模块、船舶设备互动拆装模块、增强现实模块、交互模块、知识介绍模块、模式选择模块、设备选择模块、纹理与贴图模块、三维注册模块；

船舶模型构建模块用于根据船舶设备实体量取的数据，利用3dMax建立船舶设备三维模型；配置有材质与贴图子模块，在构建船舶设备三维模型过程中，根据实际情况添加材质和贴图，制作出逼真视觉效果的三维模型；

船舶设备互动拆装模块用于利用unity3D实现船舶设备的拆装模拟；

增强现实模块用于利用vuforia SDK实现增强现实功能；增强现实模块调用摄像头识别船舶设备的剖面图触发识别事件，将船舶设备三维模型叠加在剖面图上，用户点击船舶设备三维模型部件进行拆装；

交互模块用于用户了解船舶设备的组成结构、拆装步骤，动手进行虚拟操作练习；

知识介绍模块，用于通过文字或视频动画向用户介绍船舶设备的各种知识；

模式选择模块，由AR模式子模块和和本地模式子模块组成；AR模式子模块调用摄像头识别船舶设备的剖面图，设将设备的三维模型叠加到剖面图上，可对模型进行拆装操作，一旁有文字或动画对用户介绍该船用设备的相关知识。在该模式下，所有用户的操作都依托于船舶教材和教学环境下，形成强记忆链，增强教学效果；本地模式子模块，无需调用摄像头识别剖面图，直接选择需要的船舶设备的模型。可对模型进行拆装操作，一旁有文字或动画的介绍。在该模式下，用户可以随时随地调用系统中的设备进行操作，用于复习相关知识点；

设备选择模块，用于用户自主选择船舶设备三维模型中各个组成模块进行学习；

三维注册模块，通过vuforia SDK实现三维模型在现实空间中的定位，当移动设备发生移动、晃动时三维模型还能准确定位在剖面图之上。

本实施例利用3DMax软甲制作1：1还原的三维模型，并根据实际情况添加材质(materia)和贴图(texture)制作出逼真的视觉效果，在unity3D中进行系统基本功能的开发和实现人机交互，vuforia SDK实现图像识别，三维注册，显示功能。根据船舶设备的说明书和专家的建议确定拆装逻辑顺序。

本发明借助计算机图形技术和可视化技术产生现实环境中不存在的虚拟对象，并通过传感技术将虚拟对象准确“放置”在真实环境中，借助显示设备将虚拟对象与真实环境融为一体，并呈现给使用者一个感官效果真实的新环境。本系统中的虚拟元素是船舶设备的三维模型和虚拟按键、纹理贴图、文字动画四个方面，而实现元素通过摄像头获取现实场景。Unity3D是一款专业的游戏开发引擎，它能够提供方便、简洁的多平台游戏开发，对DirectX和OpenGL拥有高度优化的图形渲染渠道，非常适合用于虚拟现实世界的生成。通过Vuforia增强现实插件可以将unity3D生成的虚拟现实元素叠加要真实环境中，基于unity3D+vuforia增强现实技术可以快速开发出具有交互功能的增强现实应用。

如图2所示，本系统有两大功能，本地模式和AR(增强现实)模式。

本实施例的系统是基于智能手机的增强现实应用，主要的交互手段是触屏和虚拟按键。触屏操作通过Input.touchCount获取操作时的触摸点，系统根据触摸点设置了一套操作方式见表1。

表1

在AR(增强现实)模式下，虚拟按键是增强现实特有的交互方式，用户通过对现实世界的一些手势操作影响应用程序，达到增强现实的交互体验。其原理是在摄像头拍摄的画面中，当虚拟按键下的图像信息被人为遮挡从而触发按钮事件。在AR模式下可以观看船用设备的工作原理动画、爆炸视图、文字解说，当具体拆装设备时，每拆卸一个部件会有文字在一旁讲解该部件的参数和特征。

在本地模式下，用户不用通过摄像头识别标示图调用模型，而是直接进入本地库选择需要学习的船用设备，通过触屏对模型进拆装操作，拆卸某个部件时，在一旁有文字介绍该部件的知识点和参数。

本实施例以船用往复泵为例对本发明最进一步地介绍。

本发明是基于移动智能设备平台的增强现实船舶实验教学系统，根据船用设备实体量取的数据在3DMax中建模，主要有船用柴油机、船用泵、空压机、分油机等船用模型，将建立好的三维模型导出为FBX格式再导入unity3D中，vuforia SDK实现增强现实功能，制作出增强现实船舶实验教学系统，主要有AR模式和本地模式。

如图1所示，本实施例需要预先准备虚拟的元素，在通过计算机技术叠加到获取的摄像头场景中。前期准备的虚拟元素有：船用泵往复泵的三维模型，仿真的贴图和材质达到与实物一致的视觉效果，如图3所示，参考船用泵说明书提炼的数据参数和知识点。通过vuforia SDK实现增强现实功能需要制作船用往复泵的标示图文件并导入unity3D中，标识图是增强现实系统最基本的道具，增强现实设备通过标识图特征点的识别来锚定虚拟元素和标识图的空间关系。系统所使用Vuforia SDK提供的Target Manager在线工具快速制作标识图，用户可以根据自己的需求选择本地数据库还是在线云数据库。考虑系统识别图量级较小且船舶的工作环境决定采用本地数据库。在target manager中制作标识图，targetmanager会将图像的线条特征转化成能够被识别的自然特征点，如图4所示船用往复泵剖面图的特征点分布。将制作好的标识图数据包下载为Unity Editor格式导入unity3D中。船用设备的拆装维修是轮机员必须要掌握的技术，错误的拆装顺序不仅无法完成拆装往往还要对设备造成损坏，因而严密的拆装逻辑是系统的关键一环。在unity3D中编写C#脚本实现拆装逻辑顺序和控制部件拆装的动画效果。

本系统的功能选择见面如图5，在该界面用户根据自己的需求选择不同的模式，对于新用户可查看使用说明。选择AR模式后，系统打开移动设备的摄像头获取当前环境，当识别了标示图后叠加船舶设备模型，用户可以打开视频动画和文本介绍如图5所示。对于船用设备的拆装操作，首先在每个部件上添加碰撞器(collider)，当用户点击屏幕上的部件时，自触摸点向部件发射一道透明的射线，碰撞器监测到碰撞事件触发拆装动作，只有正确的步骤才能完成拆装动作，拆装效果如图6所示。选择本地模式后进入设备选择界面，如图7所示，用户根据自己的需求选择设备，进入本地学习模式，模型已经出现在系统中，用户可以对其进行操作。

本发明将增强现实运用到轮机实践教学中，可以改善当前的教学现状。增强现实技术模拟教学中的知识点和实操的流程，利用强匹配的虚拟影像对现实世界进行补充，提高教学水平和实验认知。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种基于增强现实技术的船舶实验教学系统，其特征在于：包括船舶模型构建模块、船舶设备互动拆装模块、增强现实模块、交互模块；

所述船舶模型构建模块用于根据船舶设备实体量取的数据构建船舶设备三维模型；

所述船舶设备互动拆装模块用于实现船舶设备的拆装模拟；

所述增强现实模块用于实现增强现实功能；

所述交互模块用于用户了解船舶设备的组成结构、拆装步骤，动手进行虚拟操作练习。

2.根据权利要求1所述的基于增强现实技术的船舶实验教学系统，其特征在于：所述船舶模型构建模块利用3dMax建立船舶设备三维模型，配置有材质与贴图子模块，在构建船舶设备三维模型过程中，根据实际情况添加材质和贴图，制作出逼真视觉效果的三维模型。

3.根据权利要求1所述的基于增强现实技术的船舶实验教学系统，其特征在于：所述船舶设备互动拆装模块利用unity3D实现船舶设备的拆装模拟。

4.根据权利要求1所述的基于增强现实技术的船舶实验教学系统，其特征在于：所述增强现实模块利用vuforia SDK实现增强现实功能；所述增强现实模块调用摄像头识别船舶设备的剖面图触发识别事件，将船舶设备三维模型叠加在剖面图上，用户点击船舶设备三维模型部件进行拆装。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的基于增强现实技术的船舶实验教学系统，其特征在于：所述系统还配置有知识介绍模块，用于通过文字或视频动画向用户介绍船舶设备的各种知识。

6.根据权利要求5所述的基于增强现实技术的船舶实验教学系统，其特征在于：所述系统还配置有模式选择模块，所述选择模块由AR模式子模块和和本地模式子模块组成；

所述AR模式子模块，调用摄像头识别船舶设备的剖面图，将船舶设备三维模型叠加到剖面图上，能对船舶设备三维模型进行拆装操作，能调用知识介绍模块向用户介绍该设备的相关知识；

所述本地模式子模块，直接选择需要的船舶设备三维，对船舶设备三维进行拆装操作，能调用知识介绍模块向用户介绍该设备的相关知识。

7.根据权利要求5所述的基于增强现实技术的船舶实验教学系统，其特征在于：所述系统还配置有设备选择模块，用于用户自主选择船舶设备三维模型中各个组成模块进行学习。