基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的鳥(niǎo)類博物館的開(kāi)發(fā)

袁志鵬

摘要：隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)其內(nèi)容的豐富性以及教育意義都有了更深的要求。該研究為了拓展AR技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，增強(qiáng)其教育意義，宣傳鳥(niǎo)類知識(shí)，利用Unity 3D游戲引擎、Easyar SDK以及3Ds max建模，制作出AR鳥(niǎo)類博物館軟件。實(shí)現(xiàn)了識(shí)別鳥(niǎo)類圖片，顯現(xiàn)該鳥(niǎo)類的3D模型、叫聲、介紹、相關(guān)動(dòng)畫等功能。經(jīng)過(guò)對(duì)該軟件的實(shí)際開(kāi)發(fā)測(cè)試，證明了該方案可以進(jìn)行模型、圖片、文字和音頻的同步渲染和加載，使用戶，全方位地了解鳥(niǎo)類知識(shí)，給用戶帶來(lái)一個(gè)良好的互動(dòng)體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù);Easyar;Unity 3D;鳥(niǎo)類;教育

中圖分類號(hào)：TP311.51? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）27-0074-03

Abstract： With the wide application of augmented reality technology in various industries， people have a further requirement for the variousness and educational significance of the contents. In order to expand the application field of AR technology， enhance its educational significance and publicize bird knowledge， AR Bird Museum software was developed by using Unity 3D game engine， Easyar SDK and 3Ds Max to model. It realizes the functions of recognizing bird pictures， showing the 3D model， sound， introduction and animation of the bird. Through the actual development and testing of the software， it is proved that the scheme can render and load models， pictures， words and audio synchronously. The software enable users to understand bird knowledge in an all-round way， bringing users a good interactive experience.

Key words： Augmented Reality; EasyAR; Unity 3D; Birds; education

1 背景

自20世紀(jì)以來(lái)，伴隨著我國(guó)科技、工業(yè)的成熟與發(fā)展，資源過(guò)度利用和環(huán)境污染等問(wèn)題的出現(xiàn)，鳥(niǎo)類的生存環(huán)境受到了極大的破壞。為宣傳普及鳥(niǎo)類知識(shí)，喚醒群眾保護(hù)鳥(niǎo)類的意識(shí)，同時(shí)拓展AR技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，鳥(niǎo)類博物館軟件開(kāi)始設(shè)計(jì)制作。鳥(niǎo)類博物館軟件將部分鳥(niǎo)類進(jìn)行3D建模，并制作出其飛行過(guò)程的動(dòng)畫，結(jié)合多媒體技術(shù)和增強(qiáng)顯示技術(shù)，使用戶通過(guò)軟件拍攝到識(shí)別圖后，不僅可以看到鳥(niǎo)類模型、飛行動(dòng)畫，還可以聽(tīng)到鳥(niǎo)類的鳴叫聲以及對(duì)鳥(niǎo)類的介紹。突破了傳統(tǒng)宣傳、教育方式，死板無(wú)趣的缺點(diǎn)。利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使虛擬的計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像投影到真實(shí)世界中，與使用者互動(dòng)感更強(qiáng)，并且具有3D效果，使用者可以全方位地觀察鳥(niǎo)類的動(dòng)作、形態(tài)，更加形象生動(dòng)。

2 現(xiàn)狀

增強(qiáng)顯示技術(shù)（Augmented Reality），最早于1990年提出，被定義為“通過(guò)顯示器將虛擬內(nèi)容投射到真實(shí)世界中的技術(shù)”。隨著，計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，在歐美等國(guó)家，AR技術(shù)目前已經(jīng)廣泛運(yùn)用在教育業(yè)、廣告業(yè)和游戲業(yè)等諸多行業(yè)。眾多的科技互聯(lián)網(wǎng)公司紛紛對(duì)該技術(shù)進(jìn)行投資，意圖大力發(fā)展AR技術(shù)，蘋果公司先后收購(gòu)了多家AR企業(yè)。任天堂公司于2016年7月，推出的使用LBS+AR技術(shù)的游戲《Pokemon go》[1]，引領(lǐng)了一個(gè)全民捉寵物的時(shí)代，短短的幾個(gè)月時(shí)間，就獲得了6億美元的收入。AR技術(shù)已成為目前的研究熱點(diǎn)之一。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的AR技術(shù)也取得了很多成果，例如：山西省地圖集編纂委員會(huì)將AR技術(shù)利用在紙質(zhì)地圖中[2];上海大學(xué)研究了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中的三維注冊(cè)方法[3];北京理工大學(xué)對(duì)圓明園的數(shù)字重建[4]等等。但AR鳥(niǎo)類博物館相比這些成果，更加貼近用戶生活，具有教育意義。

3 軟件設(shè)計(jì)

隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用，用戶對(duì)其內(nèi)容的豐富性以及教育意義都有了更深的要求。為了拓展AR技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，以及增強(qiáng)其教育意義，宣傳鳥(niǎo)類知識(shí)。該項(xiàng)目利用Unity 3D游戲引擎、Easyar開(kāi)發(fā)包以及3Ds max建模，開(kāi)發(fā)出AR鳥(niǎo)類博物館軟件。

經(jīng)過(guò)對(duì)相關(guān)資料的整理學(xué)習(xí)，根據(jù)對(duì)鳥(niǎo)類博物館軟件前期的構(gòu)思、系統(tǒng)分析，確定了軟件的功能結(jié)構(gòu)，隨后進(jìn)行文獻(xiàn)資料的搜集，相應(yīng)鳥(niǎo)類模型的構(gòu)建、聲音文件的錄制下載。通過(guò)Unity3D游戲引擎，實(shí)現(xiàn)了軟件的開(kāi)發(fā)制作。

3.1 功能目標(biāo)

1）實(shí)現(xiàn)紙質(zhì)鳥(niǎo)類卡片與手機(jī)、電腦的互動(dòng)功能。

2）軟件可以離線運(yùn)行。

3）軟件在識(shí)別特定鳥(niǎo)類的圖片后，界面顯示鳥(niǎo)類的生活習(xí)性、叫聲等多媒體信息。

4）軟件中的3D模型應(yīng)當(dāng)盡可能的逼真，凸顯鳥(niǎo)類的特點(diǎn)。

5）用戶可通過(guò)軟件了解百種鳥(niǎo)類的生活習(xí)性、叫聲等知識(shí)。

3.2 內(nèi)容要求

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

本軟件使用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)[5]實(shí)現(xiàn)，儲(chǔ)存管理圖片識(shí)別圖地址、模型、文字內(nèi)容和相關(guān)音頻。圖2展示了軟件設(shè)計(jì)的過(guò)程。為實(shí)現(xiàn)AR功能，數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)對(duì)識(shí)別圖的名稱、路徑、圖片大小等特點(diǎn)的采集，建立圖片標(biāo)識(shí)文件（下文稱為Target）。每張識(shí)別圖的圖片標(biāo)識(shí)文件都是唯一并且固定不變的，同時(shí)也是將圖片與軟件中模型、音頻和文字匹配的關(guān)鍵。軟件事先在內(nèi)部設(shè)置圖片的Target，并在軟件啟動(dòng)時(shí)加載進(jìn)入Imagetracker，Augmenter會(huì)周期性地從Imagetracker獲取Frame，在軟件使用過(guò)程中，圖像采集設(shè)備CameraDevice會(huì)不斷產(chǎn)生Image，進(jìn)入Imagetracker，這些Image會(huì)跟隨Frame進(jìn)入Augmenter，當(dāng)Imgetracker檢測(cè)到Image中存在Target，將會(huì)跟隨Frame移動(dòng)到Augmenter中，實(shí)現(xiàn)模型等具體內(nèi)容的展示。過(guò)程將如圖3所示。由于，對(duì)Target的分析和加載是在軟件啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行，為避免加載量過(guò)大，影響軟件的正常使用，開(kāi)發(fā)時(shí)將加載函數(shù)放入新的線程，避免程序加載過(guò)慢，影響軟件其他功能的正常使用。經(jīng)測(cè)試，壓縮目標(biāo)識(shí)別圖的文件大小，可以有效增加加載速度，但增加的效率和是否影響識(shí)別準(zhǔn)確度難以測(cè)量。

3.4 軟件場(chǎng)景搭建

將已制作好的所有素材以及Easyar開(kāi)發(fā)包導(dǎo)入U(xiǎn)nity，利用Unity引擎完成場(chǎng)景的搭建以及軟件功能的制作。

1）將開(kāi)發(fā)包中的prefabs添加到場(chǎng)景中，并在Easyar官方網(wǎng)站注冊(cè)獲得key，添加key到prefabs中。

2）將開(kāi)發(fā)包中的ImageTarget添加到場(chǎng)景中，并編輯Target代碼，處理觸發(fā)事件。

3）完成數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容填寫，將相應(yīng)的模型地址、音效地址、文字介紹等素材存放進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)。

4）將識(shí)別圖與ImageTarget綁定。并將再object上添加數(shù)據(jù)庫(kù)查詢腳本、Animator、Audio Source和控制腳本，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中存放的地址顯示文件，并調(diào)整顯示位置。

5）制作UI以及相應(yīng)事件。

6）添加燈光、Audio listener等游戲場(chǎng)景物體。

7）導(dǎo)出軟件。可根據(jù)需要導(dǎo)出windows、android等系統(tǒng)的應(yīng)用軟件。

4 功能實(shí)現(xiàn)

軟件運(yùn)行環(huán)境系統(tǒng)要求為Windows操作系統(tǒng)，并需要連接攝像頭。在使用過(guò)程中，僅需在光線適宜的情況下，將識(shí)別圖片移入圖像采集設(shè)備采集范圍內(nèi)，軟件將出現(xiàn)鳥(niǎo)類的動(dòng)畫模型以及介紹、靜音、暫停三個(gè)操作按鈕。軟件UI界面如圖5、圖6和圖7所示。除圖片與文字信息外，軟件還包含了，鳥(niǎo)類飛行動(dòng)作的3D模型動(dòng)畫，鳥(niǎo)類叫聲、鳥(niǎo)類介紹的音頻信息。并且設(shè)置了模型的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，相比一般的AR軟件，該軟件可以使操作者真正的360度觀察模型。希望用戶可以通過(guò)該軟件，全方面的了解學(xué)習(xí)鳥(niǎo)類知識(shí)。

本文設(shè)計(jì)完成的AR鳥(niǎo)類博物館軟件具有以下的特點(diǎn)：

1）內(nèi)容的科學(xué)性，相比眾多娛樂(lè)性AR軟件，鳥(niǎo)類博物館中的資料均來(lái)自《中國(guó)動(dòng)物志》《中國(guó)鳥(niǎo)類圖鑒》等權(quán)威著作，保證科學(xué)知識(shí)的正確與嚴(yán)謹(jǐn)。

2）內(nèi)容的豐富性，軟件可以進(jìn)行模型、聲音、動(dòng)畫的同時(shí)加載與展示。將二維圖像、三維模型、聲音結(jié)合起來(lái)，使用者可以更加全面地了解鳥(niǎo)類知識(shí)。

3）軟件的適用性，軟件操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行效率高，并且適用于目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)家庭使用的windows電腦和android手機(jī)，適用性強(qiáng)。

5 總結(jié)

該軟件是AR技術(shù)在保護(hù)環(huán)境、動(dòng)物方面的首次應(yīng)用。雖然我們的生活水平在不斷提高，科學(xué)技術(shù)也不斷地發(fā)展，但我們始終應(yīng)該追求人與動(dòng)物自然的和諧相處。AR鳥(niǎo)類博物館以綠色環(huán)保、價(jià)格低廉、包含眾多科學(xué)知識(shí)甚至可以模擬真實(shí)場(chǎng)景等諸多優(yōu)點(diǎn)，使操作者在任何地點(diǎn)都可以生動(dòng)、翔實(shí)地了解鳥(niǎo)類知識(shí)。為保護(hù)環(huán)境、保護(hù)動(dòng)物的宣傳開(kāi)辟了新的方式。并且擴(kuò)展了AR技術(shù)的應(yīng)用范圍。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】