增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)上的應(yīng)用

曾泰，劉橋（貴州大學(xué)　大數(shù)據(jù)與信息學(xué)院，貴州　貴陽　550025）

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)上的應(yīng)用

曾泰，劉橋
（貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息學(xué)院，貴州貴陽550025）

首先對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展背景及理論基礎(chǔ)進(jìn)行了簡單介紹，然后提出了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)上的應(yīng)用。設(shè)計(jì)了一套完整的分別用于Web程序和應(yīng)用程序的制作方案。利用計(jì)算機(jī)、攝像頭和制作的標(biāo)識立方體組成一個(gè)電教工具。在真實(shí)的場景中對虛擬的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行操作，有利于增強(qiáng)教學(xué)的直觀性和交互性，從而提高教學(xué)的效率。最后對設(shè)計(jì)進(jìn)行了測試分析，提出了優(yōu)點(diǎn)與不足。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；晶體結(jié)構(gòu)；電教工具

0　引言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）是一門在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，也被稱為混合現(xiàn)實(shí)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)借助計(jì)算機(jī)建模技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和可視化技術(shù)，通過生成真實(shí)環(huán)境中不存在的虛擬對象并將其應(yīng)用到AR系統(tǒng)中用于交互的真實(shí)場景，虛擬物體和真實(shí)場景實(shí)時(shí)地疊加到同一個(gè)畫面或空間，兩種信息相互補(bǔ)充、完善，使用戶的體驗(yàn)更為真實(shí)，具有虛實(shí)結(jié)合的特征［1］。它把原來在現(xiàn)實(shí)世界的一定時(shí)間和空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)得到的信息，通過科學(xué)技術(shù)模擬仿真后再疊加到現(xiàn)實(shí)世界，讓人類感官所感知，從而實(shí)現(xiàn)超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)［2］。就目前來看，已經(jīng)有許多增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)這方面的實(shí)際應(yīng)用，如醫(yī)療、軍事、航空和航海、古跡復(fù)原和數(shù)字文化遺產(chǎn)保護(hù)、工業(yè)和維修等領(lǐng)域［3］。

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，多媒體技術(shù)廣泛地應(yīng)用于教育領(lǐng)域。這種傳統(tǒng)多媒體技術(shù)在應(yīng)用之初，以其獨(dú)特性吸引了學(xué)生的注意力，并且能夠使老師在教學(xué)過程中高效地表達(dá)所傳授的知識。但它的缺點(diǎn)是難于表達(dá)知識的完整性，只能使學(xué)習(xí)在視覺和聽覺上進(jìn)行，缺乏互動能力。因此當(dāng)前相關(guān)研究者已經(jīng)將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入教育領(lǐng)域以更好地解決這個(gè)問題，從而使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中容易形成互動，讓學(xué)生更容易理解學(xué)習(xí)內(nèi)容［4］。本文就以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)上的應(yīng)用為例進(jìn)行研究與實(shí)現(xiàn)。

1　設(shè)計(jì)總體思路

整個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)由計(jì)算機(jī)（包含程序）、攝像頭、標(biāo)識立方體組成。攝像頭將拍攝到的真實(shí)畫面的每一幀傳送到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)程序，當(dāng)標(biāo)識立方體進(jìn)入攝像機(jī)拍攝范圍后，F(xiàn)lash AR應(yīng)用框架識別出標(biāo)識的序號，通過序號從參數(shù)文件中提取出模型的信息，同時(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具通過真實(shí)畫面進(jìn)行迭代計(jì)算，計(jì)算出每個(gè)標(biāo)識圖形的三維坐標(biāo)（包含位置和方向）。Flash 3D引擎得到模型信息和標(biāo)識的三維坐標(biāo)后，導(dǎo)入與之對應(yīng)的三維模型文件，根據(jù)世界坐標(biāo)系和攝像機(jī)坐標(biāo)系的變換矩陣，渲染出指定位置和角度的虛擬模型（即與標(biāo)識重疊的虛擬模型）。Flash Builder將虛擬模型疊加到真實(shí)畫面，并輸出視頻幀。整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　程序結(jié)構(gòu)圖

Flash Builder可以將這個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)程序打包成一個(gè)SWF文件。這個(gè)SWF文件可以直接用Flash Player播放器播放使用，即形成了一個(gè)單獨(dú)的應(yīng)用程序，提供給老師教學(xué)或離線使用。同時(shí)可以利用HTML語言將SWF文件嵌入到HTML文件，把這個(gè)文件上傳到搭建好的Internet服務(wù)器，即可通過互聯(lián)網(wǎng)在線使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)程序。

2　各部分設(shè)計(jì)

2.1增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)

增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的核心技術(shù)是注冊跟蹤技術(shù)，也是目前制約著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的最有待解決的技術(shù)阻礙。注冊跟蹤技術(shù)可分為基于跟蹤器的注冊技術(shù)和基于視覺的注冊技術(shù)。本設(shè)計(jì)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)程序是基于標(biāo)識物的注冊跟蹤方法實(shí)現(xiàn)的，該方法不需要復(fù)雜的硬件設(shè)備，在室內(nèi)的小范圍環(huán)境下一般即可取得符合要求的定位精度，并且可以達(dá)到對實(shí)時(shí)性的要求。通過事先定義好的各種平面標(biāo)識物來標(biāo)記三維坐標(biāo)和各個(gè)物體。系統(tǒng)通過模板匹配的方式來找到視頻中的對應(yīng)標(biāo)識物，通過圖像分析處理計(jì)算虛擬空間與真實(shí)空間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣。為降低計(jì)算量和滿足實(shí)時(shí)性的需求，一般都采用帶有黑色封閉矩形框和簡單標(biāo)記的正方形標(biāo)識，這樣只需要簡單的邊緣檢測和模板匹配即可達(dá)到要求［5］。

2.2標(biāo)識立方體制作簡介

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)程序的需要和立方體6個(gè)面的展開平面特征，用Photoshop制作了采用帶有黑色封閉矩形框和簡單標(biāo)記的標(biāo)識立方體打印圖片，如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)手持操作，圖形設(shè)計(jì)有白色邊框。將圖片打印出來折疊粘貼，即可制作成標(biāo)識立方體。

2.3晶體模型

使用3DS MAX 2012搭建模型，每個(gè)晶格的幾何中心處在世界坐標(biāo)的（0，0，0）處。晶格的邊長均設(shè)置為20個(gè)單位（單位指3DS MAX默認(rèn)單位）。原子的半徑根據(jù)晶胞原子密度取1.5～3.0個(gè)單位。可以根據(jù)需要用長方體連接原子，以突出結(jié)構(gòu)顯示。為展示晶格在三維空間的擴(kuò)展圖像，使用將晶格在三維XYZ方向重復(fù)1次的方法，得到重復(fù)的晶格晶體模型導(dǎo)出。

圖2　標(biāo)識立方體

2.4三維模型坐標(biāo)矯正

由于FLARManager生成三維模型的世界坐標(biāo)都是以標(biāo)識圖形平面為水平面的，但是本文所做的標(biāo)識立方體各個(gè)面的圖形平面不都是水平面的，這樣會造成旋轉(zhuǎn)立方體時(shí)生成三維圖形坐標(biāo)混亂，Z軸永遠(yuǎn)是向外的，不能達(dá)到晶體結(jié)構(gòu)隨著標(biāo)識立方體的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)的目的。所以要對標(biāo)識立方體每個(gè)面生成的三維模型進(jìn)行坐標(biāo)矯正，就是讓3DS MAX的坐標(biāo)系與PV3D的坐標(biāo)系在X軸上相差90°即可。

2.5晶格結(jié)構(gòu)切換的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)各種晶格結(jié)構(gòu)與晶格三維擴(kuò)展的切換功能，程序采用直接替代的方法。在晶格切換界面有各種晶格的按鈕，當(dāng)這個(gè)按鈕被點(diǎn)擊后，程序會將當(dāng)前晶格DAE文件的路徑更改成切換后晶格DAE文件的路徑，畫面上的圖像也會變成對應(yīng)晶格的圖像。單晶格顯示和晶格擴(kuò)展顯示的切換也是利用這個(gè)原理。

2.6HTML文件編輯

為了設(shè)計(jì)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)程序SWF文件能在瀏覽器上運(yùn)行，必須把它嵌入HTML文件。為了方便學(xué)生學(xué)習(xí)，必須將標(biāo)識立方體的打印圖片放在網(wǎng)上，供學(xué)生下載。

2.7Internet信息服務(wù)搭建

為了實(shí)現(xiàn)Internet信息服務(wù)，也就是在網(wǎng)絡(luò)上訪問制作的頁面，利用了Windows系統(tǒng)自帶的Internet信息服務(wù)及IIS管理器。在Windows的啟用或關(guān)閉Windows功能菜單中即可開啟這些功能。然后在IIS管理器按需要新建一個(gè)站點(diǎn)，將HTML文件、SWF文件、DAE模型文件、PAT標(biāo)記文件和AR相關(guān)參數(shù)文件上傳到服務(wù)器上。

3　測試

3.1Web運(yùn)行測試

對Web程序進(jìn)行運(yùn)行測試，發(fā)現(xiàn)程序?qū)τ诰W(wǎng)絡(luò)環(huán)境依賴較高，因?yàn)樾枰m時(shí)下載晶體結(jié)構(gòu)模型DAE文件，網(wǎng)絡(luò)擁堵情況下切換模型后會有明顯延時(shí)，隔一段時(shí)間才能顯示新模型。實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1　網(wǎng)絡(luò)測試情況表

3.2Web性能測試

以程序的幀頻作為性能測試的主要依據(jù)，電腦配置、模型頂點(diǎn)數(shù)、環(huán)境光強(qiáng)度、環(huán)境中黑框圖形數(shù)量為變量進(jìn)行控制變量法測試，結(jié)果如表2所示。

表2　性能測試情況表

3.3應(yīng)用程序測試

應(yīng)用程序運(yùn)行測試一切正常，沒有出現(xiàn)異常狀況，應(yīng)用程序性能測試與Web程序性能測試結(jié)果相同。

3.4測試比較

經(jīng)過以上測試可以得出結(jié)論，Web程序?qū)W(wǎng)絡(luò)環(huán)境依賴高，網(wǎng)速不佳情況下反應(yīng)速度慢，但是使用方式簡單，訪問網(wǎng)頁就可以使用，應(yīng)用程序在運(yùn)行時(shí)更流暢，反應(yīng)速度更快。因?yàn)槭褂玫氖峭粋€(gè)Flash AR應(yīng)用框架，所以性能測試結(jié)果基本相同。兩個(gè)程序模塊的測試的結(jié)果互補(bǔ)，符合兩個(gè)用戶群的使用需要。Web程序供學(xué)生使用，學(xué)生在任何地點(diǎn)的任何電腦上，只要能連接互聯(lián)網(wǎng)，都可以隨時(shí)訪問學(xué)習(xí)。應(yīng)用程序供教師使用，教師將應(yīng)用程序安裝在特定的教學(xué)電腦上，就可以得到高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)展示。

4　設(shè)計(jì)效果

按照計(jì)劃完成增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)程序，制作完成標(biāo)識立方體，實(shí)現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)及其擴(kuò)展晶格的展示，部分設(shè)計(jì)完成效果圖如圖3～圖8所示。

圖3　應(yīng)用程序界面圖

圖4　Web程序界面圖

圖5　簡單立方晶格圖

圖6　簡單立方晶格三維擴(kuò)展圖

圖7　面心立方晶格三維擴(kuò)展圖

圖8　體心立方晶格三維擴(kuò)展圖

圖3～圖8分別展示了晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)程序的應(yīng)用程序界面與Web程序界面，同時(shí)比較形象地展示了簡單立方晶格圖形與簡單立方、面心立方、體心立方晶體三維擴(kuò)展圖。由于篇幅的限制，該晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)程序中關(guān)于晶體的移動與旋轉(zhuǎn)操作圖以及手持展示圖未給出。

5　結(jié)論

本設(shè)計(jì)利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶來富有沖擊力的直觀展示，操作方便快捷簡單，只需要一臺普通的電腦、一個(gè)攝像頭及打印制作出來的標(biāo)識立方體，就能展示抽象的晶體結(jié)構(gòu)，能更好促進(jìn)教育教學(xué)。Web程序和應(yīng)用程序兩個(gè)版本滿足特定人群需要，并互相彌補(bǔ)不足。當(dāng)然本設(shè)計(jì)還有一些不足和有待完善的地方，例如需要豐富晶體結(jié)構(gòu)種類，加入更多互動操作，增加音效、動畫、粒子特效，優(yōu)化增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)程序，提高其識別率和顯示性能，開發(fā)移動端的應(yīng)用程序，使其能夠在移動設(shè)備上更方便地使用該程序等。

［1］賈立兵，唐棣．水彩畫風(fēng)格實(shí)時(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技［J］．微型機(jī)與應(yīng)用，2013，32（14）：47-50.

［2］謝洪波，徐愛國，李保安，等．一種三維頭盔顯示器驅(qū)動電路設(shè)計(jì)方案［J］．河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，35（7）：25-29.

［3］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］．桂林：廣西師范大學(xué)，2014.

［4］SHELTON B，HEDLEY N.Using augmented reality for teaching earth-sun relationships to Undergraduate Geography Students［C］.Augmented Reality Toolkit，The First IEEE International Workshop，2002.

［5］康紹鵬．增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］．沈陽：沈陽航空工業(yè)學(xué)院，2009.

An application about the crystal structure of teaching based on augmented reality

Zeng Tai，Liu Qiao
（Institute of The Big Data and Information，Guizhou University，Guiyang 550025，China）

Firstly，this paper briefly introduces the background of the development of augmented reality and theoretical basis.And then it gives the application of augmented reality technology in the teaching of crystal structure.A complete set of design is used for making Web program and application program.It uses computer，camera and the logo cube produced to compose an audiovisual tools.Operating the crystal structure in virtual real scene is advantageous to the enhancement in teaching and interaction，so as to improve the teaching efficiency.At the end，the design is tested and analyzed，putting forward the advantage and deficiency.

augmented reality；crystal structure；e-education tools

TP391.9

A

1674-7720（2015）16-0080-03

曾泰，劉橋．增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)上的應(yīng)用［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（16）：80-82.

2014-12-30）

曾泰（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：軟硬件協(xié)同工程。

劉橋（1955-），男，教授，主要研究方向：電路與系統(tǒng)等。