增强现实工业培训系统研究（精编版）

1、增强现实工业培训系统研究【摘要】 ：工业培训作为一种积极推动个人和企业不断向前发展的重要手段 ,能够帮助培训人员掌握相关技能,提高工作效率。然而传统的培训模式存在培训费用过高以及培训时间、地点不灵活等问题。 近些年来,基于虚拟现实技术的培训方式逐渐走入了人们的视野,并有了一定范围的应用。虚拟培训弥补了传统培训模式的不足,但同时也存在一定的问题 ,例如对现实世界的渲染工作量太大、沉浸感不强、不能很好的提供在线支持等。增强现实技术通过将计算机合成的信息与真实世界融为一体,比起传统的虚拟现实技术,可以减少无谓的虚拟世界渲染,更有利于提升培训人员的参与感和真实感； 移动计算技术和计算机支持的协同工作技

2、术的出现 ,可以让培训人员不受时间和空间的限制,随时随地获取信息,实现泛在学习 ,并使在线协同支持的培训模式成为可能。综合以上三种技术 ,本论文提出了移动协同增强现实技术,并将其应用于工业培训领域。此外 ,随着便携式智能终端的发展和普及,基于这类设备的教育应用也越来越广泛 ,本论文结合便携式智能终端的特点,进行工业培训自助学习方式的探索。本论文从工业培训的现状出发,指出目前的培训方式在运用信息技术支持手段方面存在的不足,在情境认知等学习理论指导下,运用移动协同增强现实技术 ,设计了一个面向培训人员的增强现实工业培训系统(augmented reality industrial training

3、 system,简称 arits)。重点探讨了该系统的设计、开发、实现、案例应用与评价等问题,目的是为工业培训人员创设虚实结合的培训平台,作为传统培训模式的有效补充,以利于其综合知识的学习和实践操作能力的培养。归结起来,重点有以下几方面的工作：1.在探究相关理论的基础上,进行学习环境模型和系统架构的设计2.在学习环境模型和系统架构基础上,进行系统总体设计,阐述系统体系结构和关键技术。3.基于总体设计 ,进行系统开发和实现。4.将系统应用于实际案例 ,并对案例进行分析和评价。本论文共分六章 ,在逻辑上分成两个部分：第一部分主要是理论、概念与技术方法的剖析：首先提出本论文研究的问题 ,接着对本研究

4、涉及的相关概念、国内外研究现状、相关技术进行分析。重点探析了增强现实技术支持工业培训的相关概念,其中包括学习支持系统、 增强现实技术、 移动协同增强现实技术及其在工业培训领域的应用。然后在借鉴相关学习理论的基础上,结合本研究特点 ,进行 arits 学习环境的设计。第二部分主要是arits 系统的总体设计、系统开发与案例应用：进行了 arits 的总体设计 ,具体包括 arits 的体系结构、系统组成。重点论述了系统实现的几个关键技术、开发工具的选择,并给出arits 系统原型。结合开发的系统,设计了三个具体案例进行实现,其中涉及增强现实培训环境的搭建、 协同式培训和自助式培训两种方式的实现

5、,以及基于可穿戴计算机和便携式智能终端的实现等。接着,对应用案例的参与人员进行调查和测评,对培训过程进行记录 ,实现有效的反馈和评价。论文最后简要的回顾和总结了本研究的目标、意义、阐明研究的成果、创新性与不足,以及下一步的研究内容和方向。增强现实作为一种新兴技术,其在教育培训领域中的应用具有前沿性。实践表明 ,增强现实工业培训系统能够提升培训学员实际操作能力和知识学习能力、有效提高培训质量,系统的研究和实现为该领域未来的研究奠定了一定的理论与实践基础。【关键词】：工业培训增强现实设计应用评价【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2012 【分类号】：tp391.9

6、【目录】 ：摘要 6-8abstract8-10 目录 10-13 图目录 13-15表目录 15-16 第 1 章 绪论 16-24 1.1 研究背景和问题提出16-171.2 研究目标和意义 17-18 1.3 概念界定 18-20 1.4 研究内容和方法 20-21 1.5 论文结构安排 21-24 第 2 章 研究综述 24-47 2.1 学习支持系统 24-28 2.2 相关概念和技术探究28-43 2.2.1 国内外研究现状 29-30 2.2.2 移动式协同增强现实30-40 2.2.3 工业培训和增强现实培训环境40-43 2.3 可行性分析43-47 第 3 章arits 学

7、习环境设计 47-85 3.1 学习环境 47-51 3.1.1 学 习环 境的概念 47-48 3.1.2 arits 学习环境分析 48-50 3.1.3 arits学习环境的构成 50 3.1.4 arits 学习环境的特点50-51 3.2 理 论基础 51-62 3.2.1 情境认知学习理论的新思考52-55 3.2.2 建构主义学习理论的启示55-56 3.2.3 分布式认知学习理论的探究 56-59 3.2.4 认知学徒模式的借鉴意义59-61 3.2.5 学习理论对本系统的指导意义61-62 3.3 arits 学习环境构建 62-83 3.3.1 学习情境的设计63-65 3

8、.3.2 学习资源的设计65-673.3.3 支持工具的设计 67-69 3.3.4 学 习共 同 体 的设 计69-71 3.3.5 学习活动的设计 71-74 3.3.6 知识环境的设计74-83 3.4 系统定位及特征83-85 第 4 章 arits 总体设计85-1284.1 设计原则 85-91 4.1.1 情境认知的角度85-87 4.1.2 信息技术应用的角度87-89 4.1.3 探究学习的角度 89-91 4.2 体系结构 91-95 4.2.1 基于分布式协同概念的设计91-93 4.2.2 arits 模块构成 93-95 4.3 系统组成 95-102 4.3.1 系

9、统设计原理 95-96 4.3.2 系统架构 96-99 4.3.3 系 统 结 构 特 点99-102 4.4 关键技术 102-128 4.4.1 系统涉及主要技术102-1054.4.2 技术选型 105-126 4.4.3 系统开发步骤126-128 第 5章 arits 系统实现与案例应用128-168 5.1 需求分析 128-139 5.1.1 电子设备的结构特点128-130 5.1.2 电子设备的维修特点 130-133 5.1.3 维修信息需求分析133-136 5.1.4 系统信息需求与功能需求136-139 5.2 详细设计 139-151 5.2.1 系统设计与实现

10、140-141 5.2.2 系统原型框架 141-143 5.2.3 技术实现 143-150 5.2.4 设计挑战 150-151 5.3 系统应用151-1685.3.1 案例一： atm 交换机维修培训152-162 5.3.2 案 例二：自助学习计算机硬件维修知识培训162-166 5.3.3 案例三：如何拆除安装便携式打印机166-168 第 6 章 培训结果和评价168-1826.1 技术评估 168-171 6.1.1 穿 戴 式 计 算 机 的3d功 能168-169 6.1.2 原型的试验台 169-171 6.2 用 户 主 观 评 估171-175 6.2.1 功能有效性 172-173 6.2.2 系统性能 173-1746.2.3 系统总体评价 174-175 6.3 案 例 二 应 用 评 价 分 析175-182 6.3.1 对象与方法 175 6.3.2 评 价 统 计 分 析175-180 6.3.3 评价小结180-182 第 7 章总结及后续工作182-186 7.1 论文总结 182-183 7.2 研究价值与创新之处183-1847.3 论文不足 184 7.4 后续工作的展望184-186 附录 186-194附录 1 功能需求专家意见征询表186-188 附录2 案例一