Vuforia在中學(xué)化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的運(yùn)用

陳浩 索南尖措 李紅 王心悅

（西藏大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 西藏自治區(qū)拉薩市 850000）

1 引言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR），是一種將虛擬信息與真實(shí)世界巧妙融合的技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，大量的AR SDK 相繼問世。其中Apple 公司的ARKit、Google 公司的ARCore 和美國參數(shù)技術(shù)公司的Vuforia 等都得到了國內(nèi)外開發(fā)者的普遍認(rèn)可，并贏得了大量用戶[1]。

中學(xué)化學(xué)是一門極其重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科。學(xué)生通過動(dòng)手實(shí)踐，反復(fù)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從而更加深刻的理解化學(xué)實(shí)驗(yàn)原理。然而，受限于課時(shí)等諸多緣由，大部分中學(xué)化學(xué)教師對于化學(xué)實(shí)驗(yàn)演示部分僅僅是一帶而過，重視不足[2]。利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以將實(shí)驗(yàn)儀器和藥品在真實(shí)的環(huán)境中再現(xiàn)，用戶將得以自由地觀察各類藥品間的反應(yīng)，更好地掌握化學(xué)知識(shí)。

2 化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Vuforia 與Unity3D 結(jié)合，可以很好的實(shí)現(xiàn)AR 交互功能，跨平臺(tái)能力強(qiáng)。本文選用Vuforia 實(shí)現(xiàn)了核心AR 功能。

2.1 儀器展示模塊

首先在Vuforia 官網(wǎng)為項(xiàng)目注冊一個(gè)Key，并將選定的識(shí)別圖上傳，在線創(chuàng)建識(shí)別圖數(shù)據(jù)庫并下載待用。

將Vuforia 插件包和識(shí)別圖數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D 的Assets 目錄下，將Prefabs 文件夾下的AR Camera 和Image Target 拖入場景。把要顯示的儀器三維模型放到Image Target 下，作為其子物體。將之前注冊的Key 填入App License Key 用來激活A(yù)R Camera。在腳本Image Target Behaviour 中設(shè)置好AR 識(shí)別圖類型、識(shí)別圖數(shù)據(jù)庫、識(shí)別圖名稱、識(shí)別圖寬高等信息。到此，儀器展示模塊基本設(shè)置完成。

2.2 虛擬按鈕控制模塊

該模塊主要通過檢測虛擬按鈕的觸發(fā)與否，實(shí)現(xiàn)特定的動(dòng)畫效果。如在加熱高錳酸鉀制取氧氣的實(shí)驗(yàn)中，通過單擊虛擬按鈕1，播放點(diǎn)燃酒精燈等動(dòng)畫效果,實(shí)驗(yàn)開始；點(diǎn)擊虛擬按鈕2,播放帶關(guān)鍵幀的動(dòng)畫,實(shí)現(xiàn)取出導(dǎo)管，撤去酒精燈等一系列動(dòng)畫效果，實(shí)驗(yàn)演示結(jié)束，其交互流程圖如圖1所示。

圖1：AR 交互流程圖

圖2：酸堿滴定PH 值變化曲線

實(shí)現(xiàn)虛擬按鈕，首先將Prefabs目錄下的VirtualButton拖入場景，并作為Image Target 的子物體。尤其需要注意的是，VirtualButton應(yīng)放盡可能地放在識(shí)別圖中心位置，否則有可能導(dǎo)致虛擬按鈕顯示成功率降低。編寫腳本，核心代碼如下：

將上述腳本掛載在游戲?qū)ο笊希赨nity 平臺(tái)上進(jìn)行測試，利用計(jì)算機(jī)或者手機(jī)攝像頭掃描識(shí)別圖，即可顯示虛擬模型和虛擬按鈕，單擊按鈕可實(shí)現(xiàn)交互功能[3]。

2.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)顯示模塊

實(shí)驗(yàn)參數(shù)顯示模塊主要用來動(dòng)態(tài)的顯示在化學(xué)反應(yīng)中生成的沉淀質(zhì)量，氣體體積、PH 值等重要信息。本模塊要根據(jù)真實(shí)的化學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。如在稀鹽酸滴定氫氧化鈉實(shí)驗(yàn)中，PH 值隨滴入稀鹽酸的量變化不是簡單的線性關(guān)系[4]，如圖2 可見。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該尤其注意，盡可能的與真實(shí)數(shù)據(jù)靠攏，保證參數(shù)顯示的準(zhǔn)確性。

3 模塊功能測試

在Unity3D 結(jié)合Vuforia 開發(fā)完成各模塊的功能后，將其發(fā)布到PC 和Android 等移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行測試。

本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了AR 實(shí)驗(yàn)器材和藥品展示、AR 實(shí)驗(yàn)過程演示。均運(yùn)行效果良好，無明顯卡頓現(xiàn)象，在大多數(shù)普通移動(dòng)設(shè)備上可以正常運(yùn)行。AR 交互操作，如通過點(diǎn)擊虛擬按鈕能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)操作，在虛擬模型上能夠正常響應(yīng)，動(dòng)畫和場景切換自然，符合預(yù)期目標(biāo)。

但實(shí)驗(yàn)參數(shù)顯示模塊任有部分功能存在缺陷，諸如，由于數(shù)據(jù)為預(yù)先寫入且數(shù)據(jù)量不足，數(shù)據(jù)顯示過于死板，參數(shù)更新緩慢，需進(jìn)一步改進(jìn)。化學(xué)實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的有色氣體、沉淀、氣泡等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表現(xiàn)不夠明顯，也需進(jìn)一步優(yōu)化。

4 結(jié)論

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)帶來了更多可能性。Vuforia 在近年來發(fā)展迅猛，已推出最新版本Vuforia9.0。本文研究的基于 Vuforia 的化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)集 AR 實(shí)驗(yàn)器展示、實(shí)驗(yàn)過程演示；實(shí)驗(yàn)進(jìn)程控制；實(shí)驗(yàn)參數(shù)反饋等功能于一體的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)便于用戶通過普通移動(dòng)設(shè)備隨時(shí)隨地近距離觀察化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，無需佩戴VR 眼鏡等設(shè)備，大大降低了體驗(yàn)成本。