基于AR的互動式教育App設(shè)計與實現(xiàn)

孫海鵬　徐秀全　王琳　袁藝　孫功玉

摘 要 目前針對幼兒的教育大部分還只停留在傳統(tǒng)的紙質(zhì)書本上，針對這種教育方式，幼兒在學(xué)習(xí)時學(xué)習(xí)的效率和樂趣并不高。增強現(xiàn)實技術(shù)是一門新興的技術(shù)，它能夠把傳統(tǒng)紙質(zhì)讀物和虛擬的3D模型緊密的結(jié)合起來，來達到虛實結(jié)合的目的。本文將增強現(xiàn)實技術(shù)同幼兒的英語教育相結(jié)合，設(shè)計開發(fā)了基于AR技術(shù)的互動式教育App軟件，該軟件改善了傳統(tǒng)教育的方式，使英語的學(xué)習(xí)更加有趣且更有效率。

關(guān)鍵詞 增強現(xiàn)實 英語啟蒙教育 APP

1可行性分析

根據(jù)市場調(diào)查，目前，大部分的幼兒英語教學(xué)仍然采用的是以紙質(zhì)課本為主體的教學(xué)方式，而對于幼兒而言，這種學(xué)習(xí)方式特別枯燥，所以幼兒的學(xué)習(xí)興趣不高，學(xué)習(xí)的效率也較為低下。增強現(xiàn)實技術(shù)是目前眾多科學(xué)研究機構(gòu)研究的熱點，隨著智能手機的普及，以智能手機為運行平臺的AR應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，但是由于AR技術(shù)還沒有被廣泛普及，所以國內(nèi)AR應(yīng)用的數(shù)量和質(zhì)量并不高?；谝陨鲜袌鰬?yīng)用背景，本文設(shè)計開發(fā)了基于AR技術(shù)的互動式教育App軟件，將AR這種新興的技術(shù)與傳統(tǒng)紙質(zhì)載體相結(jié)合，讓學(xué)習(xí)過程更有趣、更有效率。

2需求分析與設(shè)計

該App需要實現(xiàn)的是要達到虛實結(jié)合的目的，用戶在使用該App的時候，用安卓手機自帶的攝像頭掃描紙質(zhì)的英文單詞，然后在屏幕上就會看到與英文單詞相對應(yīng)的三維模型存在于真實的場景中，這樣用戶就可以直觀的看到并理解了這個單詞的意思并且可以聽到該單詞的中文和英文的發(fā)音。用戶還可以通過語音來控制三維模型做出相應(yīng)的動作動畫。

2.1設(shè)計原則

根據(jù)軟件工程的理念，將設(shè)計與實現(xiàn)規(guī)范化，抽象和模塊化。然后再對每個模塊進行細化和關(guān)聯(lián)。保證各個模塊按照“低耦合，高內(nèi)聚”的原則進行設(shè)計。

2.2模塊設(shè)計

基于AR技術(shù)的互動式教育App軟件可分為識別模塊、消息模塊，模型管理模塊和系統(tǒng)調(diào)度模塊。識別模塊又分為識別資源加載卸載模塊、識別圖追蹤模塊和圖像疊加模塊。消息模塊分為消息接收模塊和消息發(fā)送模塊。模型管理模塊分為模型資源匹配模塊和模型資源調(diào)度模塊。系統(tǒng)調(diào)度模塊分為語音系統(tǒng)模塊，場景管理模塊和交互模塊。系統(tǒng)功能模塊如圖1所示：

（1）識別模塊：識別模塊達到的目的就是識別特殊的識別圖，當(dāng)用戶用手機攝像頭掃描特殊的識別圖后就會出現(xiàn)相應(yīng)的三維模型。

（2）消息模塊：消息傳送模塊是各個模塊之間的通信最重要的模塊，所有模塊之間的交流都需要消息傳送模塊來接收信息并發(fā)送給各個模塊并且按照需要來驅(qū)動接收信息的事件方法。

（3）模型管理模塊：模型管理模塊的設(shè)計原理是首先把所有的資源按照不同的模型進行匹配和裝載，然后在不同的情況下調(diào)度資源，如果用戶用語音操作模型的動作，那么這個模塊就會根據(jù)傳過來的消息來對該模型裝載的資源進行調(diào)出運用。

（4）系統(tǒng)調(diào)度模塊：該模塊是用來啟動語音系統(tǒng)，還有C#語言與安卓Java語言的交互和一般UI的交互，并且管理場景的切換。

3系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1系統(tǒng)開發(fā)平臺

該App基于PureMVC框架的更輕量級的框架、Unity3d游戲引擎和安卓系統(tǒng)進行的設(shè)計與實現(xiàn)，在圖像識別方面運用的是高通Vuforia的增強現(xiàn)實引擎，在語音識別方面來源訊飛語音的支持，用應(yīng)用于Unity3d的PureMVC框架把圖像識別引擎、語音識別引擎和Unity3d的渲染引擎緊密的結(jié)合在一起，最終由Unity3d強大的跨平臺能力把整套系統(tǒng)借助AndroidSDK轉(zhuǎn)換為可以在安卓手機上運行的軟件。

3.2技術(shù)實現(xiàn)

該App的實現(xiàn)中最主要的技術(shù)就是增強現(xiàn)實技術(shù)，然而增強現(xiàn)實技術(shù)還包括物體檢測技術(shù)、跟蹤定位技術(shù)等。首先先對標(biāo)識圖進行灰度處理，然后進行標(biāo)識點的分析和圖像特征提取，并將這些信息存入數(shù)據(jù)庫。在運行時通過相應(yīng)算法實時的對現(xiàn)實場景進行采樣分析，并與標(biāo)識點數(shù)據(jù)庫進行比對，如果對比成功，那么就會成為跟蹤的目標(biāo)。在識別成功之后需要進行跟蹤定位，通過模版匹配的方式，不斷的與預(yù)先存在的訓(xùn)練數(shù)據(jù)進行比對，并解析當(dāng)前的位姿，然后獲得攝像機的光感等參數(shù)，還有目標(biāo)真實的世界坐標(biāo)和虛擬物體的3D世界坐標(biāo)，通過相應(yīng)的算法計算出與對應(yīng)的相機的二維坐標(biāo)，然后對虛擬的模型進行渲染和融合圖像，達到虛實結(jié)合的效果。

為了達到“高內(nèi)聚，低耦合”的原則，系統(tǒng)的框架設(shè)計運用到了消息機制，每個功能模塊都需要通過傳達和接收消息來執(zhí)行相應(yīng)的功能，這樣確保了某個模塊出了問題不會牽扯到整個程序，并且在運行效率上也得到了提高。

3.3運行結(jié)果

良好的視覺感受和合理正確的設(shè)計才會使得產(chǎn)品更受歡迎，所以軟件界面的設(shè)計也是非常重要的。界面設(shè)計遵循簡潔明了的原則，運行時效果如下圖2所示：

4總結(jié)

本文介紹了基于AR的互動式教育App軟件的設(shè)計與開發(fā)過程，該App軟件改善了傳統(tǒng)教育的方式，使英語的學(xué)習(xí)更加有趣且更有效率。

參考文獻

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