淺談AR技術(shù)的計算機(jī)編程教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

李君

鄭州旅游職業(yè)學(xué)院 河南 鄭州 451464

引言

對于計算機(jī)編程教學(xué)而言，最重要的是就是動手實(shí)踐。利用AR技術(shù)進(jìn)行計算機(jī)編程教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計，可以增強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，從而幫助學(xué)生熟悉計算機(jī)編程相關(guān)知識。下文，筆者將以AR技術(shù)的計算機(jī)編程教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計為文章主題，就如何應(yīng)用AR技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)的討論。

1 AR技術(shù)概述

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality, AR）技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality ，VR )技術(shù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，AR技術(shù)對于真實(shí)環(huán)境中的信息進(jìn)行三維注冊，將計算機(jī)生成的虛擬信息疊加應(yīng)用到真實(shí)世界，利用傳感技術(shù)和顯示設(shè)備將虛擬信息和真實(shí)世界統(tǒng)一在一個畫面或空間內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)世界的增強(qiáng)，達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，各大領(lǐng)域都開始立足于該技術(shù)進(jìn)行相關(guān)工作的改革，教學(xué)領(lǐng)域也不例外。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，VR / AR技術(shù)開始被不斷應(yīng)用，市場的需求正在推動AR產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展。基于AR技術(shù)對計算機(jī)編程教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，已經(jīng)成為計算機(jī)編程教學(xué)的必然發(fā)展趨勢[1]。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

計算機(jī)編程教學(xué)系統(tǒng)的總體設(shè)計為，首先需要開設(shè)一個信息輸入模塊，顯而易見，信息輸入模塊的作用是用于采集一些信息。信息輸入模塊主要獲取兩部分信息，第一采集客戶端在系統(tǒng)中輸入的需求信息，第二則是通過標(biāo)志物特征點(diǎn)信息的處理與匹配，獲取服務(wù)器端虛擬模型信息。除了信息輸入模塊，還要在系統(tǒng)中開發(fā)融合顯示模塊，融合顯示模塊需要信息輸入模塊為之提供服務(wù)，即融合顯示模塊根據(jù)信息輸入模塊捕獲的信息，實(shí)時跟蹤注冊虛擬信息在真實(shí)世界的位置，然后進(jìn)行真實(shí)信息與虛擬信息的疊加融合顯示。

在開發(fā)融合顯示模塊時，首先通過三維建模軟件Solidworks進(jìn)行所需要展示框架的建模工作。在建模時應(yīng)該注意，Unity3D只能識別模型格式為.fbx的模型文件，因此在進(jìn)行識別時，需將其他格式的模型文件通過格式轉(zhuǎn)換軟件轉(zhuǎn)換為.fbx格式的模型文件才能繼續(xù)進(jìn)行融合模塊的開發(fā)。模式轉(zhuǎn)換完畢之后，將所需的模型文件導(dǎo)入Unity 3D中。然后將Imagetarget 包導(dǎo)入Unity 3D 中并粘貼License Key。將.fbx模型文件放置在相應(yīng)的Image target下，調(diào)整大小及位置等模型文件參數(shù)。最后進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置并打包發(fā)布。在計算機(jī)編程系統(tǒng)中，還要添加最核心的人機(jī)交互模塊。在人機(jī)交互模塊中，用戶可以通過計算機(jī)的用戶界面進(jìn)行操作，與教學(xué)輔助系統(tǒng)進(jìn)行連接等。人機(jī)交互是該系統(tǒng)的核心，是開展教學(xué)的重要接口。也是用戶使用該系統(tǒng)的入口。由于是教學(xué)系統(tǒng)，因此還可以增設(shè)教師模塊和學(xué)生模塊，提高用戶體驗(yàn)。開發(fā)教師模塊時，應(yīng)該開設(shè)教師進(jìn)行計算機(jī)編程教學(xué)所需的各種功能。

2.2 開發(fā)概述

該系統(tǒng)可以運(yùn)用一些主流的語言進(jìn)行開發(fā)。比如應(yīng)用最廣泛的Java，其作為跨平臺的語言，可以運(yùn)行在Windows和Unix/Linux下面，是計算機(jī)編程教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的首選語言。還可以應(yīng)用C或者C++等效率比較高的語言。除了語言，還要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行開發(fā)環(huán)境、軟件開發(fā)數(shù)據(jù)包的選擇。

通常，移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要由離線處理和在線處理兩大部分組成。離線處理主要是由Uni- ty3D來完成，其包括建立虛擬三維模型、生成三維場景以及標(biāo)志物的選取和預(yù)處理。在線處理部分主要由VuforiaSDK完成 ，包括信息的識別和實(shí)時生成反饋信息，在真實(shí)場景中疊加虛擬對象，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。在系統(tǒng)設(shè)計時要根據(jù)開發(fā)環(huán)境選擇需要的Unity 3D，并安裝Unity。然后下載Easy AR SDK并新建一個工程項(xiàng)目。把Easy AR SDK導(dǎo)入Unity3D工程。配置License Key。導(dǎo)入模型資源，編譯工程，最終導(dǎo)入到手機(jī)，啟動App進(jìn)行測試。并配置對平面圖像進(jìn)行實(shí)時識別與跟蹤、從標(biāo)準(zhǔn)圖像動態(tài)生成跟蹤目標(biāo)[2]。

2.3 計算機(jī)編程增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)計方案

計算機(jī)編程增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)計方案包括服務(wù)器端程序，手持智能設(shè)備App。

2.3.1 服務(wù)器端程序。首先要建立一個數(shù)據(jù)庫模型，并通過圖像特征值查詢對應(yīng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，再根據(jù)不同的存儲位置使用不同的程序去讀取，然后通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議返回數(shù)據(jù)給調(diào)用的接口的App端，部分頻繁使用的數(shù)據(jù)，要使用服務(wù)器軟件解決緩存問題。

2.3.2 手持智能設(shè)備的App程序。在設(shè)計時，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)先對書籍進(jìn)行拍攝然后讀取書籍的圖像，對圖像進(jìn)行變換得到特征值，再調(diào)用本地緩存模塊，查詢是否有緩存，如果有則進(jìn)行讀取。如果沒有，調(diào)用服務(wù)器端接口，通過特征值查詢數(shù)據(jù)。然后根據(jù)返回的數(shù)據(jù)類型不同，分別進(jìn)行顯示。

2.4 系統(tǒng)開發(fā)的流程以及關(guān)鍵技術(shù)

2.4.1 配置識別圖。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，首先準(zhǔn)備一張需要識別的圖片，圖片的格式需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以便于圖片的識別、讀取更加準(zhǔn)確。在進(jìn)行圖片識別時，可以使用for循環(huán)的案例代碼來識別，首先對將要被識別的圖進(jìn)行命名，命名完成后將需要識別的圖片添加到面板中去，然后對ImageTarget組件上的“ImageTargetBehavior”腳本進(jìn)行編輯，該腳本的功能主要是捕捉到識別圖片時控制for循環(huán)運(yùn)行變量的顯示與消失，腳本編輯結(jié)束以后，應(yīng)該按照需求填寫信息，比如識別圖片的信息、識別圖片的路徑、識別圖片的大小。對于識別圖片路徑的配置，通常采用的有兩種方法，一種是可以直接填寫識別圖名并自動填寫后綴，另一種則是填寫Json。接著要在Imagetarget組件下面創(chuàng)建需要的AR模型。用戶在File中選擇Build Setting，之后再點(diǎn)擊Player Setting，選擇對應(yīng)的platform[3]。

系統(tǒng)設(shè)計的總體流程主要包含三個 步驟：創(chuàng)建云端數(shù)據(jù)庫、目標(biāo)管理、Vuforia的集成與發(fā)布。

在上述過程中，筆者已經(jīng)提及，由于Android 平臺下的應(yīng)用開發(fā)是基于Java語言，因此，在設(shè)計系統(tǒng)時，首先要做的是進(jìn)行JDK(Java development kit)的下載與安裝。除此之外，由于該系統(tǒng)主要運(yùn)行平臺為Android平臺，所以，需在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行AndoidSDK的下載與安裝。開發(fā)平臺搭建是系統(tǒng)設(shè)計的重要基礎(chǔ)，工作人員要根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)需求對開發(fā)環(huán)境、開發(fā)工具包等進(jìn)行選擇。

2.4.2 旋轉(zhuǎn)、縮放和剖視功能的實(shí)現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)功能在手機(jī)端通過滑動觸摸屏實(shí)現(xiàn)，而縮放功能通過兩指點(diǎn)擊滑動實(shí)現(xiàn)，剖視功能則通過點(diǎn)擊剖視按鈕實(shí)現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)、縮放都要通過Unity 3D 腳本控制相應(yīng)組件實(shí)現(xiàn)，腳本編輯語言可為Javascript或C/C++，由于當(dāng)前c++的應(yīng)用范圍更加廣泛，所以更建議使用C++這門語言。旋轉(zhuǎn)功能通過Rotate()函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)，而縮放功能通過localScale()函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

由于無法在Unity 3D中直接進(jìn)行剖視顯示，因此在系統(tǒng)開發(fā)中需通過建立另一并列獨(dú)立剖視三維模型的方式，設(shè)置按鈕組件激活狀態(tài)的“tme/false”進(jìn)行整體模型與剖視模型的轉(zhuǎn)換。剖視實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵腳本代碼要以剖視的效果為依據(jù)不斷進(jìn)行調(diào)試[4]。

3 結(jié)束語

綜上所述，AR技術(shù)的計算機(jī)編程教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計是熱門教學(xué)科目的迫切工作需要，相關(guān)工作人員必須立足于實(shí)際需求等，基于AR技術(shù)對計算機(jī)編程教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，以期將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與計算機(jī)編程學(xué)習(xí)相結(jié)合，取得良好的計算機(jī)編程教學(xué)成果。