基于AR技術(shù)的學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)

金礪，嚴(yán)武軍，蘇國(guó)強(qiáng)

（太原師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，晉中 030619）

基于AR技術(shù)的學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)

金礪，嚴(yán)武軍，蘇國(guó)強(qiáng)

（太原師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，晉中 030619）

AR技術(shù)將虛擬的事物與現(xiàn)實(shí)世界結(jié)合，給人一種沉浸感。探究將AR技術(shù)運(yùn)用到高校學(xué)生學(xué)習(xí)中，解決高校學(xué)生對(duì)書(shū)籍深感枯燥的問(wèn)題。介紹AR技術(shù)，并開(kāi)發(fā)一個(gè)基于AR技術(shù)的學(xué)習(xí)系統(tǒng)，系統(tǒng)中客戶端是一個(gè)手機(jī)App，學(xué)生可以利用這個(gè)App來(lái)輔助學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)興趣。

AR；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；學(xué)習(xí)系統(tǒng)

0 引言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱AR），是一種實(shí)時(shí)地計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像的技術(shù)，這種技術(shù)的目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界并進(jìn)行互動(dòng)。這種技術(shù)最早于1990年提出。隨著隨身電子產(chǎn)品運(yùn)算能力的提升，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的用途越來(lái)越廣，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景，研究增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育方面的應(yīng)用具有重要的意義。

例如《物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論》是一門(mén)概述性的課程，課程為讀者勾畫(huà)出一個(gè)具有鮮明特征的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，系統(tǒng)地闡述了物聯(lián)網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)和功能劃分。作為大學(xué)老師的教學(xué)，重點(diǎn)不應(yīng)該是將書(shū)中的這些概念復(fù)述給學(xué)生，這些概念性的知識(shí)應(yīng)該由學(xué)生自己查看，而面對(duì)一大堆的文字描述，即使作者寫(xiě)的再有趣，學(xué)生也難免會(huì)感覺(jué)枯燥，讀不了幾頁(yè)就會(huì)厭煩。那么如果運(yùn)用AR技術(shù)，學(xué)生在看文字的同時(shí)還在文字旁邊出現(xiàn)相應(yīng)的視頻，3D模型等，這些虛擬的事物出現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)中，那么學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性必然指數(shù)倍的增長(zhǎng)。

1 系統(tǒng)分析

系統(tǒng)主要分為客戶端和服務(wù)器端兩大部分?？蛻舳思词謾C(jī)App，學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論的學(xué)生可以打開(kāi)App對(duì)《物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論》課程進(jìn)行掃描，當(dāng)識(shí)別到是某些特定的頁(yè)面時(shí)，就會(huì)有與本頁(yè)內(nèi)容相關(guān)的學(xué)習(xí)視頻出現(xiàn)在書(shū)中，并進(jìn)行播放。該客戶端要求界面簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單，并具有良好的交互性。服務(wù)端即后臺(tái)管理系統(tǒng)，功能主要是對(duì)學(xué)習(xí)視頻進(jìn)行管理，還有手機(jī)App的更新。

系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖：

●管理員管理模塊：后臺(tái)人員可以通過(guò)管理員賬號(hào)密碼登錄，普通管理員登錄后可以對(duì)學(xué)科、視頻進(jìn)行管理，可以更新手機(jī)App。超級(jí)管理員還可以對(duì)管理員進(jìn)行管理，可以增加刪除普通管理員。

●學(xué)科管理模塊：學(xué)科管理模塊主要用來(lái)進(jìn)行課程結(jié)構(gòu)的搭建，在此模塊，可以對(duì)學(xué)科進(jìn)行添加、更改和刪除，學(xué)科中可以添加課程、刪除課程、更改課程。

●視頻管理模塊：視頻管理模塊用來(lái)管理視頻資源，可以添加視頻、修改視頻信息、刪除視頻，添加視頻資源后，可以查詢視頻網(wǎng)址。

●App管理模塊：進(jìn)行App的更新，上傳App后，自動(dòng)將App地址跟新。

表1 數(shù)據(jù)庫(kù)表

數(shù)據(jù)庫(kù)需要存放學(xué)科、課程、視頻、App和管理員信息，可以建5個(gè)表，表名分別為course、lesson、vedio、App、admin。其中course表中創(chuàng)建的字段有：id、name，name中存放學(xué)科名稱。lesson表中創(chuàng)建的字段有：id、name、cid、imgurl、cname，name中存放課程名，cid存放該課程所屬學(xué)科的id，imgurl中存放課程圖片地址，cname中存放所屬學(xué)科名稱。video表中創(chuàng)建的字段有：id、sid、cid、name、address、cname、sname，sid中存放所屬課程的id，cid中存放所屬學(xué)科的id，name存放視頻名稱，address中存放視頻存儲(chǔ)地址，cname中存放所屬課程名稱，sname中存放所屬學(xué)科名稱。App表中創(chuàng)建的字段有id、url，url中填手機(jī)App的存儲(chǔ)地址。admin表中創(chuàng)建的字段有：id、adminname、password，adminname中存放管理員名，password中填管理員密碼。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

后臺(tái)語(yǔ)言使用PHP語(yǔ)言，使用MVC編程模式，采用單入口的結(jié)構(gòu)進(jìn)行后臺(tái)搭建。在訪問(wèn)后臺(tái)主頁(yè)時(shí)，會(huì)有一個(gè)判斷是否已經(jīng)登錄的程序，如果沒(méi)有登錄，則會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到登錄頁(yè)面，代碼如下：

后臺(tái)頁(yè)面除主頁(yè)和登錄頁(yè)外還有注冊(cè)頁(yè)reg.html、學(xué)科管理頁(yè)kecheng.html、添加學(xué)科頁(yè)addcourse.html、添加課程頁(yè) showaddlesson.htm l、視頻管理頁(yè) vedio. html、提示頁(yè)notice.html。后臺(tái)界面如圖2所示。

圖2 后臺(tái)界面

學(xué)科管理模塊包括兩個(gè)頁(yè)面：學(xué)科管理頁(yè)、添加學(xué)科頁(yè)。學(xué)科管理頁(yè)是對(duì)課程的結(jié)構(gòu)進(jìn)行管理，可以進(jìn)行刪除學(xué)科、修改學(xué)科、添加課程、刪除課程、修改課程的操作。其中添加課程功能就是在數(shù)據(jù)庫(kù)lesson表中添加一條，添加的信息有課程名稱、課程圖片、所屬學(xué)科的名稱、所屬學(xué)科的id。添加學(xué)科頁(yè)是新增一個(gè)學(xué)科，新增學(xué)科會(huì)在course表中新增一條數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中添加的信息是學(xué)科名稱。

視頻管理頁(yè)可以進(jìn)行視頻的添加、刪除、修改和查詢操作，可以對(duì)video表中數(shù)據(jù)進(jìn)行修改和刪除。

手機(jī)App使用Unity3D制作，以物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論為例，準(zhǔn)備物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論書(shū)籍某些頁(yè)面（即頁(yè)面的照片），還有與這些頁(yè)面相關(guān)的學(xué)習(xí)視頻。將學(xué)習(xí)視頻上傳到后臺(tái)管理系統(tǒng)中，并獲得視頻的網(wǎng)址。資源都準(zhǔn)備好后，進(jìn)行搭建。參照開(kāi)發(fā)文檔中的“識(shí)別標(biāo)識(shí)圖片播放視頻”這篇文檔，將識(shí)別圖（即準(zhǔn)備好書(shū)籍頁(yè)面）和視頻進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并打包成手機(jī)App。

做出圖像識(shí)別功能后，考慮到添加新的一組資源很不方便，需要重新打包手機(jī)App。所以需要使用太虛AR云識(shí)別功能。制作assetbundle資源，上傳到太虛AR云服務(wù)平臺(tái)。使用云識(shí)別功能后，要添加一組資源就很方便了，只需往太虛AR云服務(wù)中上傳assetbundle資源即可。手機(jī)界面如如3所示，識(shí)別成功后如圖4所示。

圖3 手機(jī)界面

圖4 識(shí)別成功

在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)一些不方便的地方，以下是對(duì)這些地方的優(yōu)化。

（1）退出應(yīng)用不方便，點(diǎn)擊手機(jī)返回鍵無(wú)法退出應(yīng)用，一般手機(jī)應(yīng)用都是點(diǎn)擊兩次返回鍵后退出應(yīng)用，這樣的用戶體驗(yàn)還是很友好的。添加點(diǎn)擊兩次返回鍵退出應(yīng)用功能需要在AllDemoUI.cs腳本中進(jìn)行編寫(xiě)。首先需要定義一個(gè)為點(diǎn)擊次數(shù)做記錄的變量 “int es鄄capeTimes=0;”。然后在Update中添加如下代碼：

這樣在點(diǎn)擊兩次返回按鈕后，應(yīng)用程序就可以正常退出。

（2）屏幕常亮。在使用手機(jī)App時(shí)要打開(kāi)攝像頭，手機(jī)屏幕中會(huì)顯示拍攝到的場(chǎng)景。由于很多人會(huì)設(shè)置手機(jī)屏幕在一段時(shí)間后會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，用戶要繼續(xù)使用手機(jī)App就需要觸摸屏幕讓屏幕激活。這樣顯然很麻煩，因?yàn)檫@款手機(jī)App使用時(shí)間一般比較長(zhǎng)，在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)學(xué)生需要不斷地激活屏幕會(huì)使得學(xué)生感到麻煩，所以添加了屏幕常亮功能，在進(jìn)入App成功后，手機(jī)就會(huì)被設(shè)定為屏幕常亮。代碼為：“Screen.sleepTimeout= SleepTimeout.NeverSleep;”這句代碼寫(xiě)在AllDemoUI.cs腳本中的start中。

（3）網(wǎng)絡(luò)判斷。在使用手機(jī)App時(shí)，無(wú)論手機(jī)設(shè)備是否聯(lián)網(wǎng)，都會(huì)打開(kāi)手機(jī)攝像頭，在識(shí)別圖像時(shí)，如果沒(méi)有聯(lián)網(wǎng)，識(shí)別多久都無(wú)法出現(xiàn)教學(xué)視頻，因?yàn)榻虒W(xué)視頻等資源并沒(méi)有安裝到手機(jī)App中，那樣會(huì)造成手機(jī)App體積過(guò)大，學(xué)生就不愿意安裝。所以教學(xué)視頻等資源是實(shí)時(shí)地從網(wǎng)上打開(kāi)并播放，這就要求手機(jī)需要聯(lián)網(wǎng)。但是上述所開(kāi)發(fā)的手機(jī)App并沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)識(shí)別功能，學(xué)生使用時(shí)如果沒(méi)有聯(lián)網(wǎng)，就無(wú)法識(shí)別成功，學(xué)生可能并不知道手機(jī)需要聯(lián)網(wǎng)，或者忘記聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間識(shí)別沒(méi)有反應(yīng)時(shí)，學(xué)生可能就會(huì)產(chǎn)生誤解，以為本頁(yè)中沒(méi)有相關(guān)資源。所以網(wǎng)絡(luò)識(shí)別功能很是必要。并且如果用的網(wǎng)絡(luò)是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)也要給予提示，避免流量在不知情的情況下消耗。

由于需要給予用戶提示，所以要在界面上添加提示，這些提示剛開(kāi)始都是隱藏的。當(dāng)未聯(lián)網(wǎng)時(shí)才會(huì)顯示出沒(méi)有聯(lián)網(wǎng)的提示，當(dāng)使用的是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，顯示使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的提示。

代碼如下：

這些代碼寫(xiě)在AllDemoUI.cs文件中的Update中，這樣就會(huì)在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化時(shí)也給予相應(yīng)的提示。

（4）識(shí)別后的優(yōu)化。在測(cè)試時(shí)，當(dāng)識(shí)別圖像成功后就會(huì)播放相應(yīng)的視頻，當(dāng)手機(jī)移動(dòng)，識(shí)別的圖像不在屏幕中后，視頻也會(huì)消失。雖然這樣在AR技術(shù)中很合理，但是考慮到我們對(duì)于他的應(yīng)用是用于輔助學(xué)生學(xué)習(xí)，當(dāng)學(xué)生識(shí)別某頁(yè)書(shū)成功后，正在播放視頻資源，但是由于自己的移動(dòng)，視頻消失，學(xué)生還需要重新識(shí)別。這就給學(xué)生帶來(lái)了一定的麻煩，當(dāng)圖像識(shí)別成功后，學(xué)生的注意力已經(jīng)集中在出現(xiàn)的教學(xué)資源中，不再關(guān)注周圍場(chǎng)景，所以應(yīng)該圖像識(shí)別成功后即使圖像離開(kāi)屏幕，也不要將教學(xué)資源消失。學(xué)生如需離開(kāi)，可以手動(dòng)退出識(shí)別。這需要修改Marker.cs文件，代碼如下：

3 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)是基于AR技術(shù)的學(xué)習(xí)系統(tǒng)，AR技術(shù)能讓虛擬的事物、場(chǎng)景等出現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)世界中，可以給人們強(qiáng)烈的視覺(jué)體驗(yàn)。這種技術(shù)可以運(yùn)用到教育領(lǐng)域，它能夠讓學(xué)生樂(lè)于學(xué)習(xí)，大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性！

[1]韓衛(wèi)關(guān).增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].地球,2015(8).

[2]張洪波.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].河南大學(xué)，2012.

[3]李文霞,司占軍,顧翀.淺談增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2013(28)：6411-6414.

[4]周大镕.基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)式教學(xué)演示軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].廣西師范大學(xué),2014.

Design and Development of Learning Platform Based on AR Technology

JIN li，YANWu-jun，SU Guo-qiang
（Departmentof Computer Science and Technology,Taiyuan Normal University,Jinzhong 030619）

AR technology combines virtual thingswith the real world,gives people a sense of immersion.Explores the application of AR technology to the study of college students,solves the problem of college students’deeply bored books.Describes the AR technology,and the devel鄄opment of a learning system based on AR technology,the system is amobile phone client App,students can use this App to assist learn鄄ing,improve learning interest.

金礪（1958-），女，山西忻州人，碩士研究生，教授，研究方向?yàn)榍度胧接?jì)算機(jī)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

2017-03-28

2017-05-03

1007-1423（2017）13-0081-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.13.019

嚴(yán)武軍（1973-），男，山西侯馬人，碩士研究生，副教授，研究方向?yàn)槿斯ぶ悄?、UX和物聯(lián)網(wǎng)

蘇國(guó)強(qiáng)（1992-），男，山西晉中人，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

AR;Augmented Reality;Learning System