1、70 电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月Computer Engineering计算机工程摘要：阐述增强现实技术，将预设的教学内容叠加在实物缩比模型上，可进行静动态展示，支持实时交互。通过对实物模型进行识别及定位，建立虚拟场景坐标系与实物坐标系的映射关系，完成虚拟场景的三维注册，实现基于混合现实的可实时交互式教学过程。探讨使用Unity 3D和EasyAR等工具开发，实验证明该系统对场景有较高的识别率，能够在移动平台上实现实时的识别、渲染与交互。关键词：增强现实，三维注册，人机交互，教学软件。中图分类号：TP391.9文章编号：1000-0755(202
2、3)06-0070-04文献引用格式：卢军，苏虎，秦雨龙，金炜东.基于增强现实的列车检修教学软件设计J.电子技术,2023,52(06):70-73.配，解决了教学方法陈旧、内容脱离实际应用的问题。马来西亚研究者Chien C.H.3等，以书籍为现实参照物开发了一个移动端增强现实系统，能够在平板电脑上看到相关虚拟信息叠加于现实书籍之上的情景，对书籍内容进行额外的补充。Cai S4等研究者通过将增强现实技术与微软的Kinect体感设备相结合，通过增强现实设备强大的图像现实能力将磁场和磁感线等抽象概念直接转化为了可视的虚拟信息。赵昕玥5等人开发了一个增强现实装配引导教学系统。通过拍摄人工装配场景，
3、判断当前组装内容及步骤，通过模型、文字等虚拟信息为操作者指示下一步的安装操作。邢雪6对增强现实技术在医学临床教学中的应用方法进行了研究，包括：基于增强现实的理论讲解、集体及单人操作、教师演示、操作演练等。本文从职教培训的应用需求出发，研究、开发了一套基于增强现实技术的列车检修教学软件。该0 引言增强现实（Augmented Reality，AR）技术将虚拟信息与真实世界进行融合，从而对真实世界进行信息的“增强”。这一特性使得AR技术非常适用于教育、培训领域。在真实物体的基础上叠加、融合相关教学信息，可以帮助学员快速、直观地学习、掌握事物的构造、组成原理以及运行过程。1 研究背景近年来，AR技术
4、越来越多地应用于各类教学及培训中，尤其是在一些实际操作困难、可重复性差或具有一定风险的培训中得到快速的推广。邹绚1等研究了AR技术在眼科教学中的应用，认为虚拟现实（Virtual Reality,VR）技术非常适合用于眼科检查、操作、手术等培训中，能够令完全没有手术经验的学生在短时间内有明显提高。胡俊山2等研究者将增强现实技术引入航空宇航制造工程专业课程教学中，指导学生进行飞机结构件或电缆的装基于增强现实的列车检修教学软件设计卢军1，苏虎2，秦雨龙2，金炜东2(1.新疆铁道职业技术学院，新疆 830011；2.西南交通大学电气工程学院，四川 614203)Abstract This paper
5、 describes the augmented reality technology.The preset teaching content is superimposed on the physical scale model,which can perform static and dynamic display and support real-time interaction.Through the identification and positioning of the physical model,the mapping relationship between the vir
6、tual scene coordinate system and the physical coordinate system is established to complete the 3D registration of the virtual scene and realize the real-time interactive teaching process based on mixed reality.It discusses the use of Unity 3D and EasyAR and other tools for development.Experiments sh
7、ow that the system has a high recognition rate for scenes,and can realize real-time recognition,rendering and interaction on mobile platforms.Index Terms augmented reality,3D registration,human-computer interaction,teaching software.Design of Train Maintenance Teaching Software Based on Augmented Re
8、alityLU Jun1,SU Hu2,QIN Yulong2,JIN Weidong2(1.Xinjiang Railway Vocational and Technical College,Xinjiang 830011,China.2.School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Sichuan 614203,China.)作者简介：卢军，新疆铁道职业技术学院，讲师；研究方向：铁路机车车辆教学及实训系统。通信作者：苏虎，西南交通大学电气工程学院，副教授，博士；研究方向：系统仿真、计算机图形学、扩展现实。收稿日
9、期：2022-06-28；修回日期：2023-06-11。电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月 71Computer Engineering计算机工程软件可在高铁列车的部分实物模型上，叠加完整的列车模型、线路场景，可对列车的内部结构、转向架、车门等进行分解展示，并可完成日常巡检过程的交互式教学。2 关键技术及技术路线增强现实系统能够做到将虚拟信息叠加至现实环境，使用户能够正常接受两种信息融合后的内容，并在其中完成虚拟内容正常交互。这就对增强现实系统提出了至少三种基本要求，首先，增强显示系统需要有能力对现实世界的正常感知，并能够理解并持续追踪虚拟信息将要叠加
10、的对应位置；其次，增强现实系统需要能够将计算出的虚拟信息和现实信息融合并传达给使用者。最后，允许使用者进行与虚拟信息的交互。为满足这些要求，增强现实系统的关键技术包括：三维注册技术、显示技术、人机交互技术。2.1 三维注册技术增强现实系统作为将虚拟信息与现实内容融合的系统，需要解决虚拟物体在现实世界中位置的精确标定问题，三维注册技术便是解决这一问题的技术。目前主要有两类方案：基于传感器的三维注册技术、基于计算机视觉的三维注册技术。基于传感器的三维注册技术利用增强现实设备上全球定位系统、惯性跟踪器、电磁式或机械式传感器感知周围环境获得相关数据，并据此计算出设备在现实世界中的位置和方向。其优点是算
11、法简单、延迟较低、计算开销较少等。缺点是设备昂贵、抗干扰能力差，同时注册过程中存在精度较低，校准困难等问题。基于计算机视觉的三维注册技术通过摄像机获取真实世界的图像信息，对其中每帧图像进行检测分析，计算摄像机参数，从而确定虚拟物体在真实世界中的坐标与姿态。基于计算机视觉的三维注册技术又分为：有标志物和无标志物两类。还有一类是基于三维模型的三维注册技术，其本质也是一种计算机视觉算法。在本系统中，综合考虑教学环境的使用条件、稳定性、可维护性、成本等方面的因素，选择有标志物的计算机视觉三维注册技术。2.2 显示技术增强现实设备将计算好的虚拟信息与现实信息进行叠加，并一同展现给使用者。目前主流的增强现
12、实显示技术有：光学透射式、视频透射式两类。光学透射式通常需要通过头戴式显示设备（Head Mounted Display，HMD）来实现。光学透射式设备配备特殊光学镜片组，其包含能够正常透过环境光的镜片，使用者能正常观看现实世界，同时能够通过其内部的微型投影仪显示虚拟信息。通过环境光与投影仪光线两种光线的叠加，使用者便能观看到虚拟信息与现实世界的融合。目前主流的增强现实设备如HoloLens、MagicLeap等均采用光学透射式。视频透视式增强现实是利用摄像头拍摄现实世界的画面，并在屏幕上实时显示出来。虚拟信息通过三维注册技术与现实世界视频画面进行叠加、融合，实现增强现实内容的显示。该技术方案
13、对硬件没有过高的要求，通常可在平板电脑、智能手机等移动设备上实现。在本系统中，选用了视频投射式的技术路线。2.3 人机交互技术增强现实系统中的人机交互是指用户与增强现实设备间的信息交换。增强现实设备采集用户的指令并加以解析，随后根据受到的命令改变虚拟信息的显示。因增强现实设备的硬件特殊性，无法使用键盘、鼠标等传统交互设备。在使用HMD的增强现实系统中，多采用手势、语音、视线跟踪等自然交互方式，也有采用手柄或其他订制的交互设备。例如HoloLens能够支持手势交互，语音交互与视线追踪等交互方式。在采用移动智能设备的增强现实系统中，则多采用单点或多点的触控式操作实现交互。尽管触控式操作沉浸感较差，
14、但其精度高、可用性强、成本低，非常适合在大规模的教学或实训环境下使用。在本系统中，选择触控式操作实现人机交互。3 系统设计与实现 3.1 系统总体设计该系统包含了安装有增强现实列车检修教学软件的移动智能设备、布置了列车缩比模型与背景图片的教学场景。当利用教学软件对教学场景进行实时扫描时，在列车部分模型实时视频的基础上，将叠加展示完整的高铁列车模型、轨道、轨旁设备、周边环境等虚拟信息。用户可以在移动智能设备的屏幕上直接对场景内的对象进行各类操作，开展车内外巡检、车门检修、转向架检修、受电弓检修等教学任务。图1所示为系统硬件结构。以动车组列车的真实检修过程为基础，进行软件的整体流程设计，具体见下表
15、。除实现基本流程外，软件还具有进行列车检修线路的选择、场景平移、列车虚拟模型上零部件物体选择及高亮显示、部件独立显示、拆解的交互操作等功能。表1列车检修流程设计（部分）。软件内置多套列车检修流程，能在线指导用户一步步完成不同的列车检修流程。在教学过程中，图1 系统硬件结构72 电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月Computer Engineering计算机工程用户选中列车的某个部件时，该部件的相关信息将被展示。用户可在该部件的虚拟模型上完成基本的交互操作；也打开独立虚拟视窗，实现对该部件的进一步检视或维护等操作。教学开始时，系统能够随机选取部件，并为其设
16、置随机的故障或损坏状态，对用户的故障判断及处置能力进行考察。3.2 系统实现目前，开发AR系统有多种开发工具、平台可供选择。张翔7等人研究了适合于高职教学的AR技术平台，对主流AR平台进行了对比，建议高职院校可采用EasyAR或Vuforia进行AR教学系统的开发。胡振华8则建议在高职教学中采用免费的Aurasma平台实现AR开发。其他AR开发工具还有ARToolkit、Wikitude、XZIMG等。对开发工作量、技术路线、易用性等方面进行比较，选择了Unity3D+EasyAR来实现本系统。为实现虚拟场景的三维注册，本系统采用了EasyAR的平面图像追踪功能。首先准备好目标物体以及目标物体的模板图片。为使Image Target能够正常发挥作用需要对其进行追踪图片的设置：先将欲追踪图片放入Unity项目文件夹Asset中的StreamingAssets文件夹，之后于Image Target下Image Target Controller组件修改相关参数选择导入的图片。由于列车的实体模型较大、较长，考虑到移动智能设备的拍摄范围有限，为保证跟踪效果，系统中设定了18个追踪目标，因此需要
