基于AR的互動式教育App設計與實現

孫海鵬　徐秀全　王琳　袁藝　孫功玉

摘 要 目前針對幼兒的教育大部分還只停留在傳統的紙質書本上，針對這種教育方式，幼兒在學習時學習的效率和樂趣并不高。增強現實技術是一門新興的技術，它能夠把傳統紙質讀物和虛擬的3D模型緊密的結合起來，來達到虛實結合的目的。本文將增強現實技術同幼兒的英語教育相結合，設計開發了基于AR技術的互動式教育App軟件，該軟件改善了傳統教育的方式，使英語的學習更加有趣且更有效率。

關鍵詞 增強現實 英語啟蒙教育 APP

1可行性分析

根據市場調查，目前，大部分的幼兒英語教學仍然采用的是以紙質課本為主體的教學方式，而對于幼兒而言，這種學習方式特別枯燥，所以幼兒的學習興趣不高，學習的效率也較為低下。增強現實技術是目前眾多科學研究機構研究的熱點，隨著智能手機的普及，以智能手機為運行平臺的AR應用不斷涌現，但是由于AR技術還沒有被廣泛普及，所以國內AR應用的數量和質量并不高?；谝陨鲜袌鰬帽尘?，本文設計開發了基于AR技術的互動式教育App軟件，將AR這種新興的技術與傳統紙質載體相結合，讓學習過程更有趣、更有效率。

2需求分析與設計

該App需要實現的是要達到虛實結合的目的，用戶在使用該App的時候，用安卓手機自帶的攝像頭掃描紙質的英文單詞，然后在屏幕上就會看到與英文單詞相對應的三維模型存在于真實的場景中，這樣用戶就可以直觀的看到并理解了這個單詞的意思并且可以聽到該單詞的中文和英文的發音。用戶還可以通過語音來控制三維模型做出相應的動作動畫。

2.1設計原則

根據軟件工程的理念，將設計與實現規范化，抽象和模塊化。然后再對每個模塊進行細化和關聯。保證各個模塊按照“低耦合，高內聚”的原則進行設計。

2.2模塊設計

基于AR技術的互動式教育App軟件可分為識別模塊、消息模塊，模型管理模塊和系統調度模塊。識別模塊又分為識別資源加載卸載模塊、識別圖追蹤模塊和圖像疊加模塊。消息模塊分為消息接收模塊和消息發送模塊。模型管理模塊分為模型資源匹配模塊和模型資源調度模塊。系統調度模塊分為語音系統模塊，場景管理模塊和交互模塊。系統功能模塊如圖1所示：

（1）識別模塊：識別模塊達到的目的就是識別特殊的識別圖，當用戶用手機攝像頭掃描特殊的識別圖后就會出現相應的三維模型。

（2）消息模塊：消息傳送模塊是各個模塊之間的通信最重要的模塊，所有模塊之間的交流都需要消息傳送模塊來接收信息并發送給各個模塊并且按照需要來驅動接收信息的事件方法。

（3）模型管理模塊：模型管理模塊的設計原理是首先把所有的資源按照不同的模型進行匹配和裝載，然后在不同的情況下調度資源，如果用戶用語音操作模型的動作，那么這個模塊就會根據傳過來的消息來對該模型裝載的資源進行調出運用。

（4）系統調度模塊：該模塊是用來啟動語音系統，還有C#語言與安卓Java語言的交互和一般UI的交互，并且管理場景的切換。

3系統實現

3.1系統開發平臺

該App基于PureMVC框架的更輕量級的框架、Unity3d游戲引擎和安卓系統進行的設計與實現，在圖像識別方面運用的是高通Vuforia的增強現實引擎，在語音識別方面來源訊飛語音的支持，用應用于Unity3d的PureMVC框架把圖像識別引擎、語音識別引擎和Unity3d的渲染引擎緊密的結合在一起，最終由Unity3d強大的跨平臺能力把整套系統借助AndroidSDK轉換為可以在安卓手機上運行的軟件。

3.2技術實現

該App的實現中最主要的技術就是增強現實技術，然而增強現實技術還包括物體檢測技術、跟蹤定位技術等。首先先對標識圖進行灰度處理，然后進行標識點的分析和圖像特征提取，并將這些信息存入數據庫。在運行時通過相應算法實時的對現實場景進行采樣分析，并與標識點數據庫進行比對，如果對比成功，那么就會成為跟蹤的目標。在識別成功之后需要進行跟蹤定位，通過模版匹配的方式，不斷的與預先存在的訓練數據進行比對，并解析當前的位姿，然后獲得攝像機的光感等參數，還有目標真實的世界坐標和虛擬物體的3D世界坐標，通過相應的算法計算出與對應的相機的二維坐標，然后對虛擬的模型進行渲染和融合圖像，達到虛實結合的效果。

為了達到“高內聚，低耦合”的原則，系統的框架設計運用到了消息機制，每個功能模塊都需要通過傳達和接收消息來執行相應的功能，這樣確保了某個模塊出了問題不會牽扯到整個程序，并且在運行效率上也得到了提高。

3.3運行結果

良好的視覺感受和合理正確的設計才會使得產品更受歡迎，所以軟件界面的設計也是非常重要的。界面設計遵循簡潔明了的原則，運行時效果如下圖2所示：

4總結

本文介紹了基于AR的互動式教育App軟件的設計與開發過程，該App軟件改善了傳統教育的方式，使英語的學習更加有趣且更有效率。

參考文獻

[1] 李青.基于增強現實的移動學習實證研究[J].中國電化教育，2013（01）：116-120.

[2] 王璞.移動增強現實技術在圖書館中的應用研究[J].圖書與情報，2014（01）：96-100.