梦幻3D机械制图

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摘 要：为方便机械类专业学生学习工业设计制图等相关课程，文中开发了一款基于AR技术的《梦幻3D机械制图册》软件，将AR增强现实技术与高等教育教学相结合，增强学习效果，拓展学习空间，方便教师教学的同时，易于学生学习。
关键词：3D设计；机械制图；AR技术
1 作品简介
《梦幻3D机械制图册》是一款AR增强现实技术与高等教育教学相结合的产品，能起到增强学习效果，拓展学习空间的作用。产品主要包括《梦幻3D机械制图册》和配套APP。其中《梦幻3D机械制图册》是一本内容丰富、涵盖诸多经典机械制图习题的书籍，分为三个章节，涵盖了机械制图的基本知识点。手机APP界面如图1所示。
APP主要基于Unity3D平台开发，并发布在安卓平台上，使用者通过手机摄像头扫描《梦幻3D机械制图册》任何页面，识别后即可看到相对应的机械零件模型。另外，用户还可与零件模型进行交互，如放大、缩小、移动、旋转等功能。为了让用户更加清楚、细致地学习该门课程，本团队还开发了相关学习视频及替换模型，供用户观看学习。部分内容及模型展示如图2～图5所示。
2 工作原理
机械制图是通过图样确切表示机械的结构形状、尺寸大小、工作原理及技术要求的学科。图样由图形、符号、文字和数字等组成，是表达设计意图和制造要求及交流经验的技术文件，常被称为工程界的语言。按照设计要求，系统可分为两个基本功能模块，即画册及安卓终端。
机械制图课程是每名机械类相关专业学生的必修课程，而《梦幻3D机械制图册》以教材《机械制图习题集》为原型创
作，本团队通过进一步的整理排版将机械制图这门课程需掌握的相关知识点及原理收录在《梦幻3D机械制图册》中，并分为三个章节。
本团队自主开发了一款具有丰富功能的APP软件，通过Unity3D游戏引擎平台进行开发。Unity3D是由丹麦Unity公司开发的游戏开发工具，作为一款跨平台的游戏开发工具，支持包括iOS，Android，PC，Web，PS3，Xbox等多平台的发布。具体特性包含整合的编辑器、跨平台发布、地形编辑、着色器、脚本、网络、物理及版本控制等特性。利用Unity的诸多性能，再通过引用Vofuria的底层AR技术包，将AR技术与APP结合起来，进而开发相对应图册功能的软件。工作原理如图6所示， 软件开发流程如图7所示。
3 创新点
3.1 教学模式创新
传统的机械制图册仅是教学配套，主体内容基于文字与零件的结构图。该模式内容单一，缺乏创新，易让学生产生枯燥感，而普通高校的课堂教学主要通过教师讲授，该种模式下，知识单向传递，不利于学生融会贯通。未来的高校教学模式将加入AR技術应用，本团队致力于开发基于AR技术的3D零件模型展示，方便教师日常教学的同时，学生易于学习掌握。
3.2 技术创新
本设计不仅显现3D模型，为更好地适应课堂教学，部分章节的模型还包括相应的专业视频，更加全面地帮助同学们学习。传统的AR技术多以模型或视频单一使用，本设计采用模型和视频相结合的教学方式，通俗易懂。
3.3 产品创新
经过调查，此类产品很少应用于高校教育，大多数教育行业的AR产品主要聚焦于儿童识别图册和医学学习软件，本团队将增强现实融入大学课程属于一类新产品，特别是应用到机械零件的立体模型中。
3.4 市场创新
《梦幻3D机械制图册》的购买者主要是大学生，而APP上免费的AR技术应用使得市场竞争较激烈。但特定的软件配上指定的书籍，使用率随之增高，加上同类产品的空缺，本产品具有强大的市场竞争力。
4 市场前景
4.1 市场现状综述
物联网（Internet of Things，IoT）是新一代信息技术的重要组成部分，物联网市场是一个飞速发展并具有巨大潜力的市场。
基于AR技术的移动平台APP应用是指通过软件将手持移动终端（如智能手机、平板等）变成虚拟显示器，软件系统使用移动终端上的摄像头捕捉现实场景中的某个对象（实体或图像），在终端显示器上显示对应对象的3D图像，实时融合成虚实结合的场景。互动性体现在软件可跟踪用户或物体在实际空间的移动，及他们通过终端屏幕和虚拟模型的互动。采用AutoCAD技术将所需要的模型制造出来，再通过高通的图像识别应用到Unity3D中，进行模型和图像匹配，编写控制程序，最后所发布的APP即为梦幻3D机械制图册。
基于AR技术的移动平台APP主要特点包括虚实结合、三维定位、高度交互性，应用主要集中在营销展示、街景导航、游戏、增强读物等领域。国外这方面的应用已平民化，而国内由于从业者较少，开发周期长，用户认知欠缺，开发成本较大，是目前面临的主要问题。AR实景应用具备更直观、更丰富的视觉信息，实时互动体验更真实、已是未来APP发展的趋势之一。
梅内尔认为，由于VR头戴设备的特殊性，VR只能在“可控的环境内”使用，而AR则可被应用于任何场合，后者不会侵扰或阻碍用户的体验。此外，VR技术的使用很大程度上局限于主机和PC游戏、3D电影以及其他细分领域，但AR技术的使用范围可扩大至广告、互联网、视频直播、商务沟通、社交媒体等领域。“截至2017年，VR市场的收入规模很可能领先于AR市场，但随着科技进步，我们认为AR市场的规模将远超VR市场，至2018年占据整个市场约80%份额。”梅内尔说，预计到2020年，VR市场（涉及到游戏、硬件、电影、主题公园等）规模约300亿美元，而AR市场（AR硬件、电子商务、数据、电影/电视剧、游戏）规模将达到1 200亿美元。梅内尔还对游戏软件市场的增长做出了预测。据他预计，2015年全球游戏软件收入有望达到880亿美元，至2018年将增至1 100亿美元，其中移动游戏的收入将由290亿美元增至450亿美元。他认为全球Android游戏收入将在2018年超过iOS游戏。
据统计全球科技教育市场总额约5万亿美元，AR市场估值1 200亿美元，在中国，早教市场规模将达1 000亿。位于欧洲的教育科技组织Edtech Europe不久前发布了《2016教育科技趋势报告（2016 Edtech Trends）》，分析和预测了教育科技行业的发展。报告指出：目前全球教育开支超过5万亿美元，是软件产业的8倍，是媒体娱乐产业的3倍，而亚洲将是科技教育产业快速发展的又一板块。
自2015年开始，AR的关注度快速提高，市场前景广阔。据国外投行Digi-Capital数据表明，全球AR市场规模将在2020年达到1 200亿美元。可见AR的教育市场发展前景非常可观，未来AR产品的前景更是无可限量。
4.2 市场竞争者分析
潜在竞争对手的进入主要取决于行业的现状和进入市场的各种障碍。由于AR技术刚普及大众，很多AR产品市场现在处于一种成长的阶段，成熟的AR产品较少，且普及度较低，大部分AR公司研发的产品设计领域有限，目前教育市场占领较多的市场份额为早教市场，信息教育占比较低，因此本团队研发的《梦幻3D机械制图册》抢先关注信息教育
市场，未来发展的前景广阔，用户更易于接受。
4.3 目标顾客和目标市场
AR技术应用在虚拟环境和真实环境之间架起一座桥梁，提升互动性，因此AR技术比虚拟现实更具表现优势。但目前大学生机械制图等教材的信息化程度较低，与学生之间的互动较少，也没有相应的软件应用。本团队针对这一点，将长于互动体验的AR技术手段和具有精准性、超强的用户黏性优势的移动APP相结合开发应用，解决学生对于立体感薄弱的这一问题，通过技术的吸引提高同学们的学习兴趣，通过APP的应用能够方便同学们的学习。由此可见，基于AR技术增强图册—梦幻3D机械制图具有广阔的市场前景。