開放教育中增強現實技術APP的設計與實現
——以現當代建筑賞析課程為例

崔穎賀，曹司琪

開放教育中增強現實技術APP的設計與實現
——以現當代建筑賞析課程為例

崔穎賀，曹司琪

開放教育中增強現實技術的應用具體是指以手機端為溝通媒介，調用服務器上的資源,將多媒體影像融合到現實環境中。本文試將開放教育課程與增強現實技術的應用相結合，介紹APP的設計、開發及測試等過程。

APP；AR；開放教育；增強現實

一、AR與開放教育

增強現實（AR）的發展進步是驚人的，其在各個領域的應用已成為國內外學者關注和研究的熱點。這種技術在開放教育的建筑設計教學中的應用，可以通過立體書籍、技能培訓及創建多方的可視化交流平臺等展開。

增強現實技術不僅可以有效突破開放教學中軟硬件條件的限制,而且其新穎的表現形式、時空的擴張、人性化的交互，為學習者提供了新型、和諧、交互的學習環境。增強現實技術與開放教學設計策略相結合，能給學習者帶來身臨其境的虛擬體驗，真正實現數字反哺現實,技術改變生活。

二、APP系統

以開放教育專科專業通識課現當代建筑賞析課程為例，主要通過增強現實互動建筑模型，為在線學習搭建綜合平臺。學生可以在軟件上接收消息，更改個人消息，觀看AR動畫與微課程，進行課后練習測試并得到最終形考成績，通過管理端對資源和數據進行編輯管理。

三、需求分析與設計

（一）功能圖

App需要實現的是達到增強虛實結合的功能。用戶用智能手機自帶的攝像頭掃描紙質互動建筑圖片與微課程二維碼圖片，就可以在屏幕上看到與建筑圖片和外觀三維模型共同出現的場景，以及建筑外觀及建筑所在環境，還可看到根據腳本及配音產生動態效果。

（二）AR增強現實互動建筑手機APP功能

基于AR技術的增強現實互動建筑App軟件可分為用戶模塊，課程模塊和系統模塊。用戶模塊有信息更改與消息接收兩個功能，課程模塊有課程查詢、資源學習和成績查詢三個功能，系統模塊則提供操作資源管理、用戶導入和消息發送三個功能。其中資源管理又細分為試題管理、微課管理和AR動畫管理功能。

1.學生端。學生通過學號登錄并選擇課程后，開始學習并記錄學習過程、得到成績。學生可以更改個人信息及密碼（除學號外）。

2.管理端。需要具備導入學生學號及導出最終形考成績功能，以及管理學生信息數據、課程數據、AR動畫資料、微課數據，對學生發送消息的功能。

四、功能使用說明

手機APP的用戶模塊、課程模塊和系統模塊功能如下。

（一）登錄與安裝功能

系統安裝：可掃描二維碼或下載安裝文件，安卓用戶和iOS用戶均可安裝。手動登錄：登錄頁面下，點擊登錄按鈕，跳轉到登錄頁面，輸入賬號和密碼進行登錄。自動登錄：手動登錄時，選中自動登錄，然后登錄系統，下次再開啟程序時會自動登錄保存的賬號。退出登錄：主頁面下，點擊用戶名稱上方的按鈕，點擊退出登錄，退出當前賬戶。

（二）首頁

“課程”板塊用于對課程進行選擇、查詢和學習；“用戶”板塊用于對用戶信息管理；“關于”板塊用于點擊關于條目，查看軟件版本信息。

（三）用戶信息

主頁面下，點擊用戶名稱的按鈕，可跳轉到用戶個人資料頁面查看個人信息。個人資料頁面點擊修改按鈕，可以對用戶基本信息進行修改。消息一項用于接收服務端的各種消息，顯示接收到的到賬信息以及系統消息。

（四）課程管理

AR模型、微課、試題掃描：在課程列表中選擇要學習的課程，點擊課程學習按鈕后，進入學習應用界面。成績查詢：在課程列表中選擇已學習的課程，點擊成績查詢按鈕，查看本課程的最終成績。

（五）應用

二維碼掃描：點擊右上角的二維碼按鈕，跳轉到二維碼掃描窗口，對準AR模型圖或是微課二維碼進行掃描。掃描后出現本章節建筑的三維立體模型圖形、微課視頻講解和課后習題的測試。拍照：頁面上點擊拍照按鈕，對當前AR模型進行拍照。電子練習題：掃描圖片出現練習題，要求出現方式靈活，題型為單選、多選和拖拽三種方式。點擊按鈕配合相應音效。一套練習題做完，應顯示答題的對錯并可查看正確答案功能。12套章節練習，1套期末測試共13套題。

（六）管理平臺

管理與動態配置功能：服務器設置AR模型、微課和試題加載功能，為手機端可以展示，登錄以后通過與服務器交換，展示動態數據的功能。常用的增刪改查等功能通過讀取配置信息操作不同的信息。數據反饋：用戶完成課程學習后，AR模型查看數據、微課學習數據和測試數據提交給服務器。消息發送：在平臺內編輯相關消息并發送給用戶。

五、開發過程及測試

增強現實是一個多種媒體綜合的技術，包括視覺技術、圖形技術、傳感技術、人機交互技術等，是合并現實和3D虛擬對象而產生的對現實世界補充的新可視化交互環境。其具體的實現技術包含了多媒體、三維建模、實時交互視頻顯示及控制、多傳感器溶合、實時跟蹤及3D注冊、場景融合等新技術與新手段。目前增強現實的開發工具有 ARToolKit、Unifeye、Vuforia 等軟件，本文使用的VuforiaSDK，是由Qualcomm公司提供的一個增強現實（AR）套件,它提供了許多免費的功能，可以省去開發中的一些底層算法，如識別算法和三維注冊跟蹤等。本軟件通過VuforiaSDK在Unity3D平臺上實現開發。

（一）VuforiaSDK開發包

隨著市場對AR技術關注度的提高，相關的應用研究和行業研究也越來越多。AR的軟件開發包也就是SDK和Unity引擎來實現這種效果，現在很多企業都有自己的系統開發工具包，其中支持Android系統的開發包比較多，使用比較多的是Realmax和Vuforia，而Vuforia是被廣泛使用的AR開發平臺。開發者基于Vuforia平臺開發了數萬件AR應用，并支持智能手機、平板電腦和智能眼鏡使用。

基于VuforiaSDK的APP使用增強現實終端的顯示屏作為虛實融合人機交互的中介，應用程序渲染真實的攝像頭預覽圖到顯示設備上，以作為真實的圖像。虛擬的3D物體被疊加到真實圖像上，真實圖像和虛擬的3D物體緊密融合，給人一種沉浸感。

（二）Unity3D開發平臺

Unity3D作為三維視頻及建筑可視化3D開發平臺，是一個跨多平臺的綜合型游戲開發工具，可以在Windows和MacOS等多個平臺運行和發布，擁有強大的功能。它可以開發任一平臺的應用系統，還能夠支持Mac和Windows的網頁瀏覽，為3D系統的開發提供了一站式解決方案。它還是一個經過全面整合的專業游戲引擎，能夠幫助開發者縮短開發時間,提高質量。

目前Unity3D的最新版本是Unity2017，可以橫跨當前主要的游戲平臺，在PC、MAC、iphone上都可以使用Unity3D輕松實現跨平臺的開發。

基于Unity3D的增強現實的程序基本流程：

獲取交互輸入設備的識別圖像；標記物（Marker）標識信息的識別；標記物（Marker）標識信息的位置和方向檢測；虛實融合，即生成虛擬圖像疊加現實合成動畫后再輸出顯示。在Unity中利用Vuforia實現虛實結合的操作如下：

（1）打開 Unity，新建一個工程，（2）導入下載VuforiasdkAssert→ImprortPackage→CustomPackagevuforia-unity-mobile-android-ios-4-0-103.unitypackage，（3）將下載下來的資源包導入unity3d，（4）刪除原來的MainCamera添加ARCamera，添加 ImageTarget，（5）設置 ARCamera 和 ImageTarget的屬性，（6）在視域范圍內加上在識別出圖像時顯示出的物體，（7）下面一步將完成的項目導出為App：①將Unity的工程導出為app需要用到android的sdk,所以先要設置androidsdk的目錄；②生成的基本設置——將平臺設置為android；將當前的場景添加入構建列表；③點build選擇app導出的目錄，為app命名。

（三）界面的實現

在AR應用中，人們向往自然和諧的交互操作方式。在現實世界中與虛擬物體交互有多種方式，本軟件主要通過菜單、特殊標記兩種方法，結合腳本實現現實世界與虛擬物體之間的交互操作。系統主界面為啟動系統首先進入登錄界面，輸入學生姓名與學號進入首頁。首頁設計較為簡單，有兩個按鈕，一個是個人信息，一個是進入課程學習及AR功能。在本程序中，選擇相關課程章節，手機攝像頭對準課本中的建筑圖片，App會在視頻中疊加顯示建筑物的3D仿真模型，可以通過手指點擊虛擬播放按鈕。除了利用手勢與3D模型、3D動畫交互外，還可以通過按鈕播放音頻、視頻，添加文字圖片等輔助信息。

（四）系統測試

系統的設計開發，以Android操作系統的手機作為增強現實終端進行測試與研究。系統主要使用AR手機進行人機交互輸入和輸出的硬件，用手機的攝像頭和傳感器做交互輸入工具，通過攝像頭采集和識別標識圖像，通過傳感器調整手機攝像頭的空間角度，以便模型的3D立體、全息光場顯示效果能輸出在標識圖上。用手機的顯示屏做交互輸出工具，展示人機交互如手勢與圖像識別等效果。測試過程：首先輸入學號進行登錄，核對用戶信息，選擇課程后進入AR功能，觀察攝像頭視野內的虛擬模型渲染情況，移動視角，觀察建筑物等風景渲染表現效果。

增強現實技術在教育中的應用有很大的發展空間。在開放教育中，將各學科的特點與增強現實技術融合，才能充分發揮出開放教育的作用。Unity3D+Vuforia的增強現實技術，使我們可以比較方便地開發具有交互功能的增強現實應用App。經過在AR手機上運行交互測試，本軟件開發的增強現實App取得了良好的使用效果。后期團隊準備在情境創設、建筑展示、虛實互動方面加以改進強化，使之更加方便、易用和有效，并進一步探索增強現實技術在教育領域的應用。

[1]張洪波.增強現實技術在教學中的應用研究[D].河南大學，2012.

[2]王志強.基于移動增強現實的虛擬機械臂系統研究與實現[D].河北工程大學，2015.

[3]徐敏等.一種基于Unity3D+Vuforia的增強現實交互App的開發[J].現代計算機，2016.

[4]周大镕.基于增強現實的體驗式教學演示軟件的設計與實現[D].廣西師范大學，2014.

G202

A

1671-6531（2017）12-0068-03

崔穎賀/長春廣播電視大學講師（吉林長春130051）；曹司琪/吉林大學文學院在讀碩士(吉林長春130000)。

郭一鶴