增強現(xiàn)實技術在晶體結構教學上的應用

曾泰，劉橋（貴州大學　大數(shù)據(jù)與信息學院，貴州　貴陽　550025）

增強現(xiàn)實技術在晶體結構教學上的應用

曾泰，劉橋
（貴州大學大數(shù)據(jù)與信息學院，貴州貴陽550025）

首先對增強現(xiàn)實技術的發(fā)展背景及理論基礎進行了簡單介紹，然后提出了增強現(xiàn)實技術在晶體結構教學上的應用。設計了一套完整的分別用于Web程序和應用程序的制作方案。利用計算機、攝像頭和制作的標識立方體組成一個電教工具。在真實的場景中對虛擬的晶體結構進行操作，有利于增強教學的直觀性和交互性，從而提高教學的效率。最后對設計進行了測試分析，提出了優(yōu)點與不足。

增強現(xiàn)實；晶體結構；電教工具

0　引言

增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）是一門在虛擬現(xiàn)實技術的基礎上發(fā)展起來的新技術，也被稱為混合現(xiàn)實。增強現(xiàn)實借助計算機建模技術、計算機圖形技術和可視化技術，通過生成真實環(huán)境中不存在的虛擬對象并將其應用到AR系統(tǒng)中用于交互的真實場景，虛擬物體和真實場景實時地疊加到同一個畫面或空間，兩種信息相互補充、完善，使用戶的體驗更為真實，具有虛實結合的特征［1］。它把原來在現(xiàn)實世界的一定時間和空間范圍內很難體驗得到的信息，通過科學技術模擬仿真后再疊加到現(xiàn)實世界，讓人類感官所感知，從而實現(xiàn)超越現(xiàn)實的感官體驗［2］。就目前來看，已經(jīng)有許多增強現(xiàn)實這方面的實際應用，如醫(yī)療、軍事、航空和航海、古跡復原和數(shù)字文化遺產(chǎn)保護、工業(yè)和維修等領域［3］。

隨著科學技術的快速發(fā)展，多媒體技術廣泛地應用于教育領域。這種傳統(tǒng)多媒體技術在應用之初，以其獨特性吸引了學生的注意力，并且能夠使老師在教學過程中高效地表達所傳授的知識。但它的缺點是難于表達知識的完整性，只能使學習在視覺和聽覺上進行，缺乏互動能力。因此當前相關研究者已經(jīng)將增強現(xiàn)實技術引入教育領域以更好地解決這個問題，從而使學生在學習過程中容易形成互動，讓學生更容易理解學習內容［4］。本文就以增強現(xiàn)實技術在晶體結構教學上的應用為例進行研究與實現(xiàn)。

1　設計總體思路

整個設計結構由計算機（包含程序）、攝像頭、標識立方體組成。攝像頭將拍攝到的真實畫面的每一幀傳送到增強現(xiàn)實程序，當標識立方體進入攝像機拍攝范圍后，F(xiàn)lash AR應用框架識別出標識的序號，通過序號從參數(shù)文件中提取出模型的信息，同時增強現(xiàn)實開發(fā)工具通過真實畫面進行迭代計算，計算出每個標識圖形的三維坐標（包含位置和方向）。Flash 3D引擎得到模型信息和標識的三維坐標后，導入與之對應的三維模型文件，根據(jù)世界坐標系和攝像機坐標系的變換矩陣，渲染出指定位置和角度的虛擬模型（即與標識重疊的虛擬模型）。Flash Builder將虛擬模型疊加到真實畫面，并輸出視頻幀。整體設計結構如圖1所示。

圖1　程序結構圖

Flash Builder可以將這個增強現(xiàn)實程序打包成一個SWF文件。這個SWF文件可以直接用Flash Player播放器播放使用，即形成了一個單獨的應用程序，提供給老師教學或離線使用。同時可以利用HTML語言將SWF文件嵌入到HTML文件，把這個文件上傳到搭建好的Internet服務器，即可通過互聯(lián)網(wǎng)在線使用增強現(xiàn)實程序。

2　各部分設計

2.1增強現(xiàn)實實現(xiàn)

增強實現(xiàn)系統(tǒng)的核心技術是注冊跟蹤技術，也是目前制約著增強現(xiàn)實技術應用的最有待解決的技術阻礙。注冊跟蹤技術可分為基于跟蹤器的注冊技術和基于視覺的注冊技術。本設計的增強現(xiàn)實程序是基于標識物的注冊跟蹤方法實現(xiàn)的，該方法不需要復雜的硬件設備，在室內的小范圍環(huán)境下一般即可取得符合要求的定位精度，并且可以達到對實時性的要求。通過事先定義好的各種平面標識物來標記三維坐標和各個物體。系統(tǒng)通過模板匹配的方式來找到視頻中的對應標識物，通過圖像分析處理計算虛擬空間與真實空間的坐標轉換矩陣。為降低計算量和滿足實時性的需求，一般都采用帶有黑色封閉矩形框和簡單標記的正方形標識，這樣只需要簡單的邊緣檢測和模板匹配即可達到要求［5］。

2.2標識立方體制作簡介

基于增強現(xiàn)實程序的需要和立方體6個面的展開平面特征，用Photoshop制作了采用帶有黑色封閉矩形框和簡單標記的標識立方體打印圖片，如圖2所示。為了實現(xiàn)手持操作，圖形設計有白色邊框。將圖片打印出來折疊粘貼，即可制作成標識立方體。

2.3晶體模型

使用3DS MAX 2012搭建模型，每個晶格的幾何中心處在世界坐標的（0，0，0）處。晶格的邊長均設置為20個單位（單位指3DS MAX默認單位）。原子的半徑根據(jù)晶胞原子密度取1.5～3.0個單位?？梢愿鶕?jù)需要用長方體連接原子，以突出結構顯示。為展示晶格在三維空間的擴展圖像，使用將晶格在三維XYZ方向重復1次的方法，得到重復的晶格晶體模型導出。

圖2　標識立方體

2.4三維模型坐標矯正

由于FLARManager生成三維模型的世界坐標都是以標識圖形平面為水平面的，但是本文所做的標識立方體各個面的圖形平面不都是水平面的，這樣會造成旋轉立方體時生成三維圖形坐標混亂，Z軸永遠是向外的，不能達到晶體結構隨著標識立方體的旋轉而旋轉的目的。所以要對標識立方體每個面生成的三維模型進行坐標矯正，就是讓3DS MAX的坐標系與PV3D的坐標系在X軸上相差90°即可。

2.5晶格結構切換的實現(xiàn)

為了實現(xiàn)各種晶格結構與晶格三維擴展的切換功能，程序采用直接替代的方法。在晶格切換界面有各種晶格的按鈕，當這個按鈕被點擊后，程序會將當前晶格DAE文件的路徑更改成切換后晶格DAE文件的路徑，畫面上的圖像也會變成對應晶格的圖像。單晶格顯示和晶格擴展顯示的切換也是利用這個原理。

2.6HTML文件編輯

為了設計的增強現(xiàn)實程序SWF文件能在瀏覽器上運行，必須把它嵌入HTML文件。為了方便學生學習，必須將標識立方體的打印圖片放在網(wǎng)上，供學生下載。

2.7Internet信息服務搭建

為了實現(xiàn)Internet信息服務，也就是在網(wǎng)絡上訪問制作的頁面，利用了Windows系統(tǒng)自帶的Internet信息服務及IIS管理器。在Windows的啟用或關閉Windows功能菜單中即可開啟這些功能。然后在IIS管理器按需要新建一個站點，將HTML文件、SWF文件、DAE模型文件、PAT標記文件和AR相關參數(shù)文件上傳到服務器上。

3　測試

3.1Web運行測試

對Web程序進行運行測試，發(fā)現(xiàn)程序對于網(wǎng)絡環(huán)境依賴較高，因為需要適時下載晶體結構模型DAE文件，網(wǎng)絡擁堵情況下切換模型后會有明顯延時，隔一段時間才能顯示新模型。實驗統(tǒng)計結果如表1所示。

表1　網(wǎng)絡測試情況表

3.2Web性能測試

以程序的幀頻作為性能測試的主要依據(jù)，電腦配置、模型頂點數(shù)、環(huán)境光強度、環(huán)境中黑框圖形數(shù)量為變量進行控制變量法測試，結果如表2所示。

表2　性能測試情況表

3.3應用程序測試

應用程序運行測試一切正常，沒有出現(xiàn)異常狀況，應用程序性能測試與Web程序性能測試結果相同。

3.4測試比較

經(jīng)過以上測試可以得出結論，Web程序對網(wǎng)絡環(huán)境依賴高，網(wǎng)速不佳情況下反應速度慢，但是使用方式簡單，訪問網(wǎng)頁就可以使用，應用程序在運行時更流暢，反應速度更快。因為使用的是同一個Flash AR應用框架，所以性能測試結果基本相同。兩個程序模塊的測試的結果互補，符合兩個用戶群的使用需要。Web程序供學生使用，學生在任何地點的任何電腦上，只要能連接互聯(lián)網(wǎng)，都可以隨時訪問學習。應用程序供教師使用，教師將應用程序安裝在特定的教學電腦上，就可以得到高質量的晶體結構展示。

4　設計效果

按照計劃完成增強現(xiàn)實程序，制作完成標識立方體，實現(xiàn)晶體結構的增強現(xiàn)實及其擴展晶格的展示，部分設計完成效果圖如圖3～圖8所示。

圖3　應用程序界面圖

圖4　Web程序界面圖

圖5　簡單立方晶格圖

圖6　簡單立方晶格三維擴展圖

圖7　面心立方晶格三維擴展圖

圖8　體心立方晶格三維擴展圖

圖3～圖8分別展示了晶體結構教學程序的應用程序界面與Web程序界面，同時比較形象地展示了簡單立方晶格圖形與簡單立方、面心立方、體心立方晶體三維擴展圖。由于篇幅的限制，該晶體結構教學程序中關于晶體的移動與旋轉操作圖以及手持展示圖未給出。

5　結論

本設計利用增強現(xiàn)實技術帶來富有沖擊力的直觀展示，操作方便快捷簡單，只需要一臺普通的電腦、一個攝像頭及打印制作出來的標識立方體，就能展示抽象的晶體結構，能更好促進教育教學。Web程序和應用程序兩個版本滿足特定人群需要，并互相彌補不足。當然本設計還有一些不足和有待完善的地方，例如需要豐富晶體結構種類，加入更多互動操作，增加音效、動畫、粒子特效，優(yōu)化增強現(xiàn)實程序，提高其識別率和顯示性能，開發(fā)移動端的應用程序，使其能夠在移動設備上更方便地使用該程序等。

［1］賈立兵，唐棣．水彩畫風格實時增強現(xiàn)實技［J］．微型機與應用，2013，32（14）：47-50.

［2］謝洪波，徐愛國，李保安，等．一種三維頭盔顯示器驅動電路設計方案［J］．河北工業(yè)大學學報，2008，35（7）：25-29.

［3］周大镕.基于增強現(xiàn)實的體驗式教學演示軟件的設計與實現(xiàn)［D］．桂林：廣西師范大學，2014.

［4］SHELTON B，HEDLEY N.Using augmented reality for teaching earth-sun relationships to Undergraduate Geography Students［C］.Augmented Reality Toolkit，The First IEEE International Workshop，2002.

［5］康紹鵬．增強現(xiàn)實關鍵技術研究［D］．沈陽：沈陽航空工業(yè)學院，2009.

An application about the crystal structure of teaching based on augmented reality

Zeng Tai，Liu Qiao
（Institute of The Big Data and Information，Guizhou University，Guiyang 550025，China）

Firstly，this paper briefly introduces the background of the development of augmented reality and theoretical basis.And then it gives the application of augmented reality technology in the teaching of crystal structure.A complete set of design is used for making Web program and application program.It uses computer，camera and the logo cube produced to compose an audiovisual tools.Operating the crystal structure in virtual real scene is advantageous to the enhancement in teaching and interaction，so as to improve the teaching efficiency.At the end，the design is tested and analyzed，putting forward the advantage and deficiency.

augmented reality；crystal structure；e-education tools

TP391.9

A

1674-7720（2015）16-0080-03

曾泰，劉橋．增強現(xiàn)實技術在晶體結構教學上的應用［J］.微型機與應用，2015，34（16）：80-82.

2014-12-30）

曾泰（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：軟硬件協(xié)同工程。

劉橋（1955-），男，教授，主要研究方向：電路與系統(tǒng)等。