基于AR表現(xiàn)的三視圖學(xué)習(xí)輔助應(yīng)用

孫鶯

摘要：這是一個由一款手機軟件和眾多教輔資料組成立體化教輔系統(tǒng)。其主要功能是通過使用軟件拍攝平面三視圖，在手機屏幕上顯示對應(yīng)的立體模型。并具有一定的交互功能，學(xué)生可以對模型進行旋轉(zhuǎn)、縮放、平移等操作。其創(chuàng)新點在于AR技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用和移動教學(xué)的優(yōu)勢。該項目主要利用Unity 3D和Vuforia插件實現(xiàn)。在商業(yè)策劃中發(fā)現(xiàn)，該項目具有較強的商業(yè)價值。

關(guān)鍵詞：AR技術(shù)；教學(xué)輔助軟件

1.研究背景

在調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生缺乏三維空間想象能力，難以通過三視圖來構(gòu)想出對應(yīng)的三維模型，也很難通過三維模型準(zhǔn)確描述出它對應(yīng)的三視圖，這給學(xué)生立體幾何課程學(xué)習(xí)和工業(yè)設(shè)計帶來不便。傳統(tǒng)的autoCAD軟件在三維模型建立上具有良好效果，但對專業(yè)知識要求較高，且不具有移動教學(xué)、寓教于樂的特性。我們的應(yīng)用可以幫助同學(xué)們解決在立體幾何課程上遇到的三維空間想象的難點，輔助培養(yǎng)同學(xué)們的空間想象力。除了在立體幾何課程上的應(yīng)用，未來可以進一步將該成果運用到其他更多的領(lǐng)域，如生物化學(xué)的三維結(jié)構(gòu)式展示、人體結(jié)構(gòu)的立體顯示、文物圖冊的三維展示等。

同時，近幾年AR技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，但卻少見在教育領(lǐng)域的普及應(yīng)用。手機游戲Pokemon Go點燃了公眾對AR的熱情。阿里巴巴、騰訊、聯(lián)想等互聯(lián)網(wǎng)巨頭，均聯(lián)合優(yōu)質(zhì)資本殺入了這片藍海。隨著AR爆發(fā)周期的到來，市場上的AR產(chǎn)品層出不窮，在AR硬件方面巨大投入的同時，針對手機移動端的開發(fā)與人工智能的結(jié)合正成為市場的另一個主流。未來，在互聯(lián)網(wǎng)+的基礎(chǔ)上，AR+將成為下一個發(fā)展方向。與市場上側(cè)重于將AR技術(shù)用于游戲娛樂和產(chǎn)品推廣的產(chǎn)品不同的是，我們的產(chǎn)品側(cè)重于教育領(lǐng)域，用于解決學(xué)習(xí)生活中的實際問題：學(xué)生可以同時看到原始圖片和立體模型，在對比過程中提高自己的空間想象能力。

2.技術(shù)流程

調(diào)查提出三種開發(fā)技術(shù)。其中，H5技術(shù)開發(fā)成本低和開發(fā)時間短，并可以使用WebGL實現(xiàn)三維渲染、使用ARtoolkit實現(xiàn)增強現(xiàn)實效果，但難以使用手機瀏覽器調(diào)用攝像機權(quán)限，且不能滿足3D渲染的大計算量。原生安卓方式可以使用openCV進行圖像識別，OpenGL ES接入Android實現(xiàn)三維建模，但對內(nèi)存消耗巨大，不注意的話很容易造成卡頓甚至是程序崩潰。為解決以上問題，我們使用Unity 3D搭建整個App，利用Unity 3D自身對三維模型的顯示和渲染的良好支持，使建模和三維模型的顯示得到了簡化。Unity 3D是一款三維游戲引擎，具有很強的三維視頻渲染功能，可以實現(xiàn)多種三維動畫，并且擁有良好的交互功能。此外，該游戲引擎可以發(fā)布游戲至Windows、Android、IOS等多個平臺，充分滿足開發(fā)需要。

2.1 Maya建模

建模部分使用Maya建模后導(dǎo)出fbx文件供Unity 3D使用，這在簡化建模、大大減少數(shù)據(jù)占用的內(nèi)存空間的同時，使得模型能夠更好的顯示。

將組合體的三視圖分別導(dǎo)入Maya的三個對應(yīng)視圖，按照三視圖建立對應(yīng)模型。在此過程中使用構(gòu)造實體幾何法，將Maya中提供的基本幾何體通過布爾運算進行求并、求差。在操作中應(yīng)一直保持各部分實體簡單、易進行布爾運算，并在最后將各簡單實體結(jié)合。

2.2 Vuforia增強現(xiàn)實

Vuforia是全球應(yīng)用最廣泛的AR開發(fā)平臺，支持手機，平板電腦和眼鏡。Vuforia具有良好的圖像識別能力，我們將待識別的圖片上傳至Vuforia網(wǎng)站便可得到一個關(guān)于該圖片的評分，用以表示該圖片被識別的難以程度，評分越高圖片越容易被識別。將所有圖片處理完后上傳至Vuforia官網(wǎng)后便可下載其對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，并將這個數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入到Unity 3D中。在不同的target上綁定對應(yīng)的識別卡和立體模型，便可實現(xiàn)增強現(xiàn)實效果。

3.優(yōu)化方案

Vuforia通過分析相機可見目標(biāo)的對比度特征來識別和跟蹤目標(biāo)，同時通過設(shè)備攝像頭來獲取目標(biāo)圖像，所以優(yōu)化目標(biāo)檢測和提升跟蹤穩(wěn)定性尤為重要。我們從提高目標(biāo)星級評分、相機對焦模式和印刷目標(biāo)的平整度與光澤度這三個方面來介紹我們的優(yōu)化方案。

3.1提高目標(biāo)星級評分

Vuforia的圖像目標(biāo)是基于從目標(biāo)圖像中提取的自然特征進行檢測并評分，然后在運行時與實時相機捕獲到的圖像特征進行比對，比對成功后立即顯示對應(yīng)立體模型。具有以下屬、性的圖像目標(biāo)會實現(xiàn)Vuforia SDK的最佳檢測和跟蹤性能：豐富的細(xì)節(jié)（街景、人群、拼貼畫、運動場景），良好的對比，沒有重復(fù)的模式（勿使用草地、大量相似的房屋、棋盤），格式（必須是8位或24位PNG和JPG格式、小于2 MB、JPG必須是RGB或灰度）。

3.2相機對焦模式

如果圖像目標(biāo)在照相機視圖中沒有很好地聚焦，則結(jié)果會非常模糊，嚴(yán)重影響目標(biāo)細(xì)節(jié)的檢測，甚至由于較小差異而顯示錯誤的立體模型。因此，我們通過控制設(shè)備攝像頭的對焦模式，提高應(yīng)用的用戶體驗來獲得目標(biāo)的最佳圖像，從而提高檢測和跟蹤性能。我們選擇打開相機驅(qū)動程序的連續(xù)自動對焦功能功能（FOCUS_MODE_CONTINUOUSAUTO），以確保最佳的相機對焦條件，產(chǎn)生最佳的跟蹤結(jié)果。

3.3印刷目標(biāo)的平整度與光澤度

使用Vuforia SDK進行跟蹤的質(zhì)量會在打印目標(biāo)不平坦時顯著降低。在設(shè)計物理打印輸出時，應(yīng)盡量確保目標(biāo)不會彎曲，卷起，并且不會起皺或起皺。同時現(xiàn)代激光打印機的打印輸出也可能有光澤。在環(huán)境照明條件下，光澤表面不是問題。但是，在某些角度下，某些光源（例如燈，窗戶或太陽光）可以創(chuàng)建光澤反射，從而覆蓋打印輸出原始紋理的大部分區(qū)域。反射可能會產(chǎn)生跟蹤和檢測問題，此時就需要使用者更換拍攝角度來減少影響。

4.商業(yè)策劃

“優(yōu)先發(fā)展教育事業(yè)”的大背景給了該項目良好的政策支持，家庭教育支比重的不斷攀升帶來了行業(yè)環(huán)境上的優(yōu)勢，教育類APP市場前景廣闊，AR技術(shù)的不斷成熟更是為該應(yīng)用的實現(xiàn)帶來了可能。

4.1風(fēng)險評估

風(fēng)險主要來自于市場風(fēng)險和技術(shù)風(fēng)險。市場風(fēng)險體現(xiàn)在市場競爭。隨著AR技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的逐漸廣泛，在教育行業(yè)的應(yīng)用勢必成為一個新的投資熱點；已具規(guī)模的技術(shù)公司進行產(chǎn)品研發(fā)如加入市場競爭，憑借成熟的技術(shù)研發(fā)團隊、雄厚的資金支持勢必成為本項目的發(fā)展的強勁威脅。應(yīng)對市場風(fēng)險的策略是提升A輪融資在市場推廣投入比重，擴大市場推廣力。技術(shù)風(fēng)險主要來自于APP支持系統(tǒng)在圖像智能識別上存在缺陷，依靠數(shù)據(jù)庫建立獲取模型的技術(shù)實現(xiàn)較為簡單容易被復(fù)制。應(yīng)對技術(shù)風(fēng)險的策略是依托強大的校園渠道優(yōu)勢，獲取一手優(yōu)質(zhì)第三方平臺合作資源；依靠資源質(zhì)量優(yōu)勢彌補技術(shù)缺陷。

4.2盈利模式

盈利來自于電商、社交和廣告。在線商城覆蓋品類包括教輔書籍、教學(xué)模型（可定制）、禮品周邊等。電商模式主要分為商家平臺（主會場）和產(chǎn)品自營（主題店鋪）。在線商城的運營模式主要包括為出版社、教育機構(gòu)、器材上等提供平臺支持，根據(jù)銷售額按一定比例分成；此外，自產(chǎn)自營的創(chuàng)意產(chǎn)品主題店鋪，通過銷售創(chuàng)意模型藝術(shù)品等獲取利潤。廣告盈利包括軟廣和硬廣。軟廣來源于軟文植入和AR堆樂游戲界面和AR堆樂模型皮膚的場景植入。硬廣包括主界面和在線商城的banner廣告。