基于AR的計算機軟件教學(xué)工具設(shè)計與研究

吳小惠

摘要：增強現(xiàn)實（AugmentedReality，簡稱AR）是一種新型多媒體計算機技術(shù)，其集成了機器學(xué)習(xí)、模式識別、3D建模、多媒體顯示等技術(shù)，可以為用戶提供一個具有沉浸感、交互性、智能化的系統(tǒng)。計算機軟件教學(xué)作為AR技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域，其可以根據(jù)需求創(chuàng)建一個裝配式開發(fā)環(huán)境，擴展當(dāng)前軟件開發(fā)環(huán)境內(nèi)容，利用各類型建模組件展示軟件開發(fā)過程，不需要購置和建立大型應(yīng)用環(huán)境，利用3D模型模擬真實世界軟件開發(fā)環(huán)節(jié)和成品，進(jìn)一步提高計算機軟件教學(xué)的成效。

關(guān)鍵詞：增強現(xiàn)實；軟件開發(fā)；教學(xué)；自然交互

計算機軟件教學(xué)是當(dāng)前高等院校、培訓(xùn)機構(gòu)的重要課程，常規(guī)的計算機軟件教學(xué)需要購置較多的軟硬件資源，比如配置計算機機房，部署軟件生成環(huán)境，保證軟件正常開發(fā)和可靠運行。計算機軟件教學(xué)需要耗費大量的資金購置、建設(shè)研發(fā)環(huán)境，同時這些軟硬件設(shè)備資源具有一定的壽命，不利于長期使用；同時教學(xué)過程比較枯燥，無法實時的展示軟件成品未來運行狀態(tài)，這樣就不利于提高軟件運行的可靠性，因此本文提出利用增強現(xiàn)實AR技術(shù)構(gòu)建一個集成化的教學(xué)環(huán)境，這樣就可以提高軟件預(yù)期，將現(xiàn)實軟件開發(fā)需求和虛擬開發(fā)環(huán)境進(jìn)行集成，更好地激發(fā)學(xué)生的興趣和積極性，進(jìn)一步提高軟件教學(xué)質(zhì)量。

一、AR技術(shù)

增強現(xiàn)實AR技術(shù)是一種集成多媒體、人機交互、設(shè)備建模的信息技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)計算機機器學(xué)習(xí)、模式識別、圖像處理，是計算機發(fā)展到一定階段的高科技產(chǎn)物。增強現(xiàn)實AR技術(shù)能夠?qū)崟r跟蹤用戶手勢，感知用戶的邏輯業(yè)務(wù)操作，然后生成一個虛擬的、沉浸的操作環(huán)境，整合多種信息技術(shù)，將其輸出到視頻顯示器中，同時可以配合語音輸出到播放器，具有重要的作用。目前，增強現(xiàn)實AR技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到普及，比如可以應(yīng)用到古跡文物保護(hù)、工業(yè)制造裝配、娛樂游戲、旅游展覽、飛行訓(xùn)練，形成了一個強大的科研教學(xué)、工業(yè)設(shè)計、精工制造平臺。增強現(xiàn)實AR可以讓位于不同地點的玩家進(jìn)入到一個仿真的環(huán)境中，以虛擬替身為操作對象，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)游戲的操作。

二、基于AR的計算機軟件教學(xué)工具設(shè)計

（一）教學(xué)工具功能分析

基于增強現(xiàn)實AR的計算機軟件教學(xué)可以有效解決當(dāng)前時空受限、設(shè)備更新維護(hù)代價高、教學(xué)成效不突出等問題，為每一個學(xué)生分發(fā)一個虛擬教學(xué)環(huán)境登錄賬號，然后進(jìn)入到虛擬教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以重組部署軟件研發(fā)服務(wù)設(shè)備、構(gòu)建人文信息環(huán)境、生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，有效地提高了計算機軟件教學(xué)的娛樂性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和主動性。增強現(xiàn)實AR軟件教學(xué)是一個多媒體系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計了一個實例渲染算法，能夠生成一個GUI交互常見，通過攝像頭和手勢輸入各類型的對象元素，渲染軟件研發(fā)部署服務(wù)器、終端和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，能夠?qū)崟r的展示每一個軟件研發(fā)設(shè)備的組成和部署運行情況，展示軟件運行時組件裝配的功能及作用，保證用戶不僅可以理解軟件模塊的構(gòu)成、作用，同時還可以明白軟件模塊的工作原理及過程，更加形象和直觀，具有極大的挑戰(zhàn)性。增強現(xiàn)實AR軟件教學(xué)系統(tǒng)主要包括四個關(guān)鍵組成，分別是應(yīng)用邏輯組件、GUI交互界面、實例腳本、視頻場景渲染。GUI可以為用戶提供一個簡單的可視化交互向?qū)В脩艨梢酝ㄟ^這個可視化向?qū)л斎虢换バ孕畔?，臨時性地添加各類型的軟件組件，部署軟件運行的硬件設(shè)備，包括服務(wù)器、交換機、路由器、終端設(shè)備等，同時還可以將這些硬件設(shè)備之間利用FTP協(xié)議、IP協(xié)議、TCP協(xié)議等，實現(xiàn)軟件運行管理、設(shè)備部署和協(xié)議配置。視頻渲染組件可以將軟件教學(xué)系統(tǒng)的軟件協(xié)議運行出來，利用紅色、綠色的箭頭傳輸信息，從軟件教學(xué)系統(tǒng)中標(biāo)注出來，具有重要的作用和意義。

增強現(xiàn)實AR軟件教學(xué)系統(tǒng)的核心功能，該功能開發(fā)中采用了增強現(xiàn)實AR、3D建模、自然手勢識別等技術(shù)，可以提高軟件教學(xué)系統(tǒng)的沉浸感和真實感，確保用戶操作的可靠性。增強現(xiàn)實AR能夠為用戶提供強大的操作支撐，為用戶提供有力的信息管理模式。課程設(shè)計過程中，利用3D建模可以構(gòu)建一個強大的操作服務(wù)功能，該功能能夠利用強大的操作管理內(nèi)容，構(gòu)建一個強大的操作支撐，利用3DS.max、Maya、Photoshop等集成化的軟件構(gòu)建一個建模功能，實現(xiàn)信息的操作服務(wù)功能，利用骨骼、蒙皮構(gòu)建動態(tài)的操作處理模式，保證業(yè)務(wù)的實時化開展，實現(xiàn)信息的加工和服務(wù)，進(jìn)一步提高企業(yè)的良好處理能力。自然手勢識別可以利用數(shù)據(jù)處理、機器學(xué)習(xí)等功能構(gòu)建強大的操作，進(jìn)一步管理企業(yè)的交互性、透視性和友好性，保證用戶操作的良好性，方便用戶交流使用。

（二）教學(xué)工具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

增強現(xiàn)實AR軟件教學(xué)系統(tǒng)在執(zhí)行時可以劃分三個層次，分別是用戶終端層、虛擬渲染層、后臺資源層，每一個層次之間都可以使用接口進(jìn)行連接，接口可以實現(xiàn)用戶信息認(rèn)證、組件模型傳輸、應(yīng)用服務(wù)處理，系統(tǒng)需要將服務(wù)器和用戶邏輯業(yè)務(wù)隔離起來，這樣就可以保護(hù)每一層的資源是邏輯獨立的，能夠為軟件教學(xué)提供強大的支撐。軟件教學(xué)引入增強現(xiàn)實AR技術(shù)，充分地利用先進(jìn)的云計算、多媒體、人工智能技術(shù)實現(xiàn)實驗室人員、設(shè)備精細(xì)化管理。因此，為了提高增強現(xiàn)實AR軟件教學(xué)系統(tǒng)的普適性，軟件設(shè)計師提出了瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)，將分布式管理系統(tǒng)劃分為瀏覽器、Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器三層。用戶只需要知悉分布式管理系統(tǒng)Web服務(wù)器地址，將其輸入到IE瀏覽器，即可實現(xiàn)登錄、認(rèn)證和操作。Web服務(wù)器可以在IE瀏覽器上利用表單功能顯示一個交互界面，用戶只需要在該界面中輸入邏輯業(yè)務(wù)請求，Web服務(wù)器完成信息解析之后，如果請求中不包含數(shù)據(jù)處理，將處理結(jié)果封裝起來反饋給IE瀏覽器；如果請求中包括數(shù)據(jù)處理，Web服務(wù)器將其發(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的添加、刪除、修改或查詢，并且將結(jié)果反饋給Web瀏覽器，Web瀏覽器將處理結(jié)果封裝在一起，反饋給IE瀏覽器。增強現(xiàn)實AR軟件教學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計如圖所示。

基于增強現(xiàn)實AR的軟件教學(xué)系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

（三）教學(xué)工具關(guān)鍵技術(shù)

增強現(xiàn)實AR應(yīng)用研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)很多，主要可以劃分三類，分別是注冊技術(shù)、虛擬對象生成技術(shù)和顯示技術(shù)。

（1）跟蹤注冊技術(shù)

跟蹤注冊技術(shù)可以將虛擬信息、真實環(huán)境進(jìn)行配準(zhǔn)注冊，實現(xiàn)虛擬信息和真實場景的無縫疊加。目前，跟蹤注冊技術(shù)主要是基于機器學(xué)習(xí)，實現(xiàn)跟蹤物體特征的預(yù)處理和增強。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為了提高跟蹤注冊的準(zhǔn)確度，又開始引入深度學(xué)習(xí)規(guī)則，深度學(xué)習(xí)規(guī)則作為一個多層次的感知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用強度值向量、矩陣向量等特征的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，能夠更加有效地實現(xiàn)特征識別和提取。支持向量機能夠為跟蹤注冊提供一個性能非常強大的圖像處理技術(shù)，構(gòu)建一個強大的樣本數(shù)量進(jìn)行非線性數(shù)據(jù)挖掘，可以更加有效地適用于高緯度數(shù)據(jù)模式。支持向量機最為關(guān)鍵的目標(biāo)函數(shù)就是核函數(shù)，如果樣本處于低維空間，解決的方法就是將其映射到高維空間，但是容易增加計算復(fù)雜度，核函數(shù)正好可以解決這個問題，只要在人工智能應(yīng)用時選擇一個合適的核函數(shù)，將其映射到高維空間進(jìn)行分類，因此就可以獲取更多的目標(biāo)函數(shù)。

（2）顯不技術(shù)

增強現(xiàn)實AR顯示系統(tǒng)是一個非常重要的組成模塊，為了達(dá)到逼真的虛實融合，提高增強現(xiàn)實AR應(yīng)用的便捷性，高效率的顯示器非常必要，目前顯示器包括頭盔顯示器（HMD）和非頭盔顯示設(shè)備。透視式頭盔為用戶提供信息顯示、環(huán)境錄入、虛擬融合情景，這些系統(tǒng)操作原理與增強現(xiàn)實AR領(lǐng)域中的沉浸式頭盔基本相同，與使用者交互的接口、圖像融合、顯示通道集成在一起，使用真實環(huán)境表現(xiàn)事實，基于CCD攝像頭安裝微型攝像機拍攝外部環(huán)境圖像，將計算機圖像進(jìn)行處理之后可以融合虛擬與真實專家，將二者的圖像疊加在一起。光學(xué)透視頭盔顯示器可以利用安裝在用戶眼前的半透半反光學(xué)合成器與真實環(huán)境進(jìn)行有效融合，真實場景直接透過半透鏡提供給用戶進(jìn)行操作，經(jīng)過光學(xué)放大器提供給使用者，更好滿足沉浸式操作需求。

（3）虛擬物體生成技術(shù)

AR技術(shù)的目標(biāo)是將虛擬世界的內(nèi)容疊加到真實世界，并且能夠利用算法程序?qū)崿F(xiàn)物體的動感操作，所以準(zhǔn)確地為用戶提供一個動感模型，能夠提高增強現(xiàn)實AR系統(tǒng)應(yīng)用效果，目前，虛擬物體生成主要采用三維建模技術(shù)，可以全方位的展示虛擬物體的真實感。研發(fā)AR動感模型時，要全方位、立體化地展示物體對象，因此三維建模常用的軟件包括3DS Max、Maya、SKETCH UP和AUTO CAD等。虛擬物體生成過程中，自然交互是一個非常關(guān)鍵觸發(fā)技術(shù)，該技術(shù)可以輔助AR應(yīng)用軟件實現(xiàn)信息注冊，利用圖像進(jìn)行標(biāo)記實時的監(jiān)控外部輸入信息，內(nèi)部采用一個非常強大的特征提取、模式識別、事件觸發(fā)功能，進(jìn)一步提高AR信息的操作處理特征，保證用戶處理過程中能夠?qū)崿F(xiàn)信息的加工，提取圖像模板物體的輪廓，實現(xiàn)基礎(chǔ)庫向顯示信息轉(zhuǎn)換。

三、結(jié)束語

增強現(xiàn)實AR軟件教學(xué)系統(tǒng)可以構(gòu)建一個仿真的學(xué)習(xí)、實踐環(huán)境，教師講授一段課程內(nèi)容之后，可以布置實踐操作任務(wù)，學(xué)生登錄仿真實踐環(huán)境，可以根據(jù)任務(wù)需求設(shè)計軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)邊學(xué)邊練，具有重要的作用。