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文案 |名锤青史

编辑 |名锤青史

船舶辅机装置非常复杂且多样化，设备体积较大。在实际的实验和培训过程中，由于实验室空间有限，不可能对所有设备进行详细讲解，这从而导致学生很难完全理解船舶辅机设备的原理知识和拆装过程。

基于这些问题， 主要在利用VR和AR技术开发一套适用于移动智能设备的船舶设备虚拟实验系统，实现虚拟和现实的结合，并提供良好的人机交互性能。

船舶辅机虚拟实验系统分析与设计

增强现实技术是在虚拟现实技术的基础上发展而来的，它不仅包含了VR的沉浸感和交互感等特点，还超越了VR的限制，建立起一种虚实融合的世界，为用户带来全新的体验。

通过船舶辅机虚拟实验系统的应用，AR技术可以提供逼真的虚拟环境，让使用者能够参与到船舶设备的虚拟实验中。使用者可以与虚拟模型进行交互，进行各种实验操作，从而深入理解设备的工作原理和操作过程。

本系统的关键目标是 确保系统功能的完整性。 系统需要实现船舶辅机设备的虚拟三维模型与真实场景的融合，使其能够在用户视觉上无缝衔接。并且系统的程序是经过严格的测试和验证，以确保其在各种情况下都能稳定运行。同时，系统需要考虑到移动智能设备的各种规格和特性，确保在现有的移动智能设备上能够良好运行，并与其它相关软件和硬件兼容。

因此在设计的过程中，需要重点关注系统功能的完整性，包括虚拟模型与真实场景的融合和物理动作的自然连贯；系统程序的可靠性，确保系统在各种环境下稳定运行；系统程序的兼容性，使其能够适配不同型号和规格的移动智能设备，并与其它相关软硬件相互配合。

接下来是系统的功能， 系统的功能在整个系统设计的过程中是非常重要的。 该系统基于移动智能设备的AR船舶辅机实验系统在使用过程中无需电脑设备，只需在移动智能设备上安装系统即可完成所有操作。

一旦进入增强现实平台系统，用户可以根据需要选择相应的辅机设备，并在模式选择中选择不同的学习训练模式。系统提供了多种模式供用户选择，以满足不同学习目标和需求。

该系统主要包含两种模式：教学模式和学习模式。在教学模式下， 系统利用建模仿真等方法，提供设备的原理介绍、拆装动画等内容。 用户可以通过相应的功能查看设备的工作原理，了解设备的结构和功能，并观看拆装动画以掌握正确的拆装过程。

而在学习模式下，系统会模拟真实的拆装环境，根据用户选择的辅机设备从而生成全新的虚拟模型。并且用户可以在这个虚拟的环境中进行练习，大大节约了时间成本。系统还会根据用户的拆装效果给予相应的评价，帮助用户改进和提升技能。

系统开发流程设计

基于移动智能设备的AR船舶辅机实验系统的核心内容是建立一个可智能交互的船舶辅机实验增强现实平台。用户可以通过该平台与实验系统进行交互操作，系统将数据库模型资料和多媒体信息资料加载到增强现实平台上。

在该系统中，用户可以利用移动智能设备进行相关的交互操作。系统选择了具有强大跨平台能力和便捷开发方式的Unity3D开发引擎作为增强现实系统的3D开发引擎。 脚本开发语言方面采用了C语言， 并选择了易于上手且性价比高的3dmax作为三维建模工具。

整个系统的开发流程如图所示，其中包括 数据准备、模型加载、交互操作等环节。 数据准备阶段包括整理和存储相关的数据库模型资料和多媒体信息资料。模型加载阶段将这些数据加载到增强现实平台上，使用户能够在虚拟环境中进行操作和学习。最后，在移动智能设备上进行相关的交互操作，用户可以与虚拟模型进行互动，并获得相应的反馈和结果。

系统的关键技术

为了制作高质量的三维模型，对于结构复杂的船舶辅机设备来说，精确的1:1建模会导致模型文件变得庞大。然而，在进行移动、旋转等交互操作时，需要模型既具备真实性，又尽可能减少复杂度。所以要采用正确的建模方法和相应的模型优化技术，以实现模型加载的实时性并提高系统的运行速度。

影响虚拟实验系统最终运行的主要因素有三个：模型的数量、模型的面数和模型的贴图量。在本次实验中，主要从优化模型的数量以及优化，模型的面数进行探究。

优化模型的数量：由于船舶辅机设备具有复杂的结构，在进行初始建模时，一方面需要按照实际的设备结构设置合理的父子层级关系，使用不同的名称表示不同的部件，以避免模型结构混乱并减少后期工作量。另一方面，由于对模型的操作通常是整体性的，可以将多个零部件合并为一个整体模型，从而减少模型的数量。这可以通过合并命令和塌陷命令来实现。

优化模型的面数：在模型搭建过程中，可以对模型的面数进行精简，因为整体操作并不需要详细展示零部件模型的内部结构。主要的优化方法包括简化面片模型的面数、简化圆柱模型的面数以及删除模型之间的重叠面等。

除此之外，还需要对虚实结合进行研究，而三维注册技术则是实现虚实结合的关键技术。虚实结合的主要目的是让虚拟物体与真实场景实现无缝融合。

在回放定位技术中，三维注册技术对于虚拟物体的回放准确度起着决定性的作用。它通过实时跟踪摄像机的姿态来定位虚拟图形在真实场景中的注册位置。通常有基于跟踪器的注册技术和基于视觉的注册技术两种方法。

基于跟踪器的注册技术使用专门的传感器（如GPS、陀螺仪、加速度计等）进行定位，主要记录观察者在真实世界中的位置和方向，主要是为了确保虚拟空间与真实空间的连续关系，实现更加准确的注册。

而 基于视觉的注册技术 则是通过摄像机获取真实场景的图像，并利用计算机图形算法从中提取跟踪信息，从而确定摄像机的位置。

在系统功能设计中，最重要的是触屏交互。在AR应用过程中，人们通常希望实现自然和谐的交互操作。考虑到适用性和方便性，本系统专门定义了一种基于触屏交互的手势动作。在系统开发过程中，Unity通常使用"(x, y, z)"的格式来描述物体的场景坐标信息。

在系统设计中，可以通过为物体模型添加C语言脚本，在Unity中根据Transform组件中位置的变化和触摸屏幕时接触点的个数来实现模型物体的移动、旋转、缩放等多种交互功能。通过这种判断方法，系统可以自定义针对虚拟实验的操作手势。

案例探究

以系统中的船舶辅机设备水位计为例，在教学模式下展示对船舶水位计的相关操作。本系统提供智能提示功能，考虑到用户可能对模型以及船舶设备的拆装步骤不熟悉， 系统会在关键步骤上给予提示，以提高学习效率。

以辅机设备水位计为例，为了实现智能提示的效果，系统会在完成水位计的每一个拆解步骤后弹出一个提示框，给出下一步的拆装提示。这样，学生可以更快地完成拆装工作。

通过这种智能提示的设计，学生在操作水位计时，系统会根据学生的操作进程及完成情况，给予相应的指导和提示，帮助他们更好地理解和掌握拆装步骤。这有助于提高学习效率和学习成果。

结论：

在本次试验中，将增强现实技术与现代船舶辅机实验相结合，开发了一款基于增强现实的船舶辅机设备实验系统。该系统解决了船舶辅机模型设备优化、用户与模型的交互以及智能提示等方面的问题。在该系统中，用户可以通过手势动作实现各种功能，无需任何额外的输入设备。系统支持多模型切换，提供了便捷的操作方式。

该系统不仅能在船舶教学中降低成本、提高效率，还具有广阔的应用前景，可应用于其他机械拆装与维护领域。通过引入增强现实技术，用户可以在真实环境中进行虚拟实验，实时观察和操作虚拟船舶辅机设备。系统利用智能提示功能，帮助用户正确完成模型的拆装过程，并提供了丰富的交互功能，增强了用户与虚拟模型之间的互动体验。

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