基于AR的兒童生活百科學(xué)習(xí)助手的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

白文秀, 高 源

(吉林師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院， 吉林 四平 136000)

引言

近年來，隨著VR和AR等新興技術(shù)的飛速發(fā)展，已有越來越多的公司以及研究者陸續(xù)關(guān)注到、并投身于該項(xiàng)技術(shù)的探究與實(shí)踐行列中。本文在此次兒童百科學(xué)習(xí)助手的研究中，即采用了比較熱門流行的AR技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了搜索百科知識(shí)的功能、通過相機(jī)掃描圖片學(xué)習(xí)的功能、及與書本類似的常見的章節(jié)學(xué)習(xí)的功能。此外，還在該次設(shè)計(jì)中增加了用戶管理的界面，在用戶管理界面就可以查看當(dāng)前的學(xué)習(xí)進(jìn)度。本文將對這一課題展開研究論述如下。

1 實(shí)用關(guān)鍵技術(shù)總述

1.1 AR技術(shù)概述

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，AR)，也稱為擴(kuò)增現(xiàn)實(shí)，可為人們提供與眾不同的全新體驗(yàn)，而且在一般情況下，也與人們所感知的信息是不同的。AR技術(shù)的前身是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，且都采用計(jì)算機(jī)技術(shù)作為自身的基礎(chǔ)核心技術(shù)，以此來營造一個(gè)無論是視覺、聽覺、還是觸覺3個(gè)方面都擬實(shí)逼真的整體虛擬環(huán)境。

迄今為止，AR技術(shù)已經(jīng)開始大規(guī)模地應(yīng)用在智能手機(jī)上，利用智能手機(jī)上配有的設(shè)備(攝像機(jī)、螺旋儀、全球定位等)，最終將可在有限的手機(jī)屏幕上向用戶展現(xiàn)出AR環(huán)境。

AR技術(shù)是一種對現(xiàn)實(shí)世界的高擬真度、創(chuàng)意無限、而又充滿樂趣的補(bǔ)充與增強(qiáng)，而絕不是要使用完全虛擬的數(shù)據(jù)制造一個(gè)完全虛擬的空間來取代現(xiàn)實(shí)世界。

1.2 Unity3D技術(shù)概述

Unity3D是由Unity Technologies公司設(shè)計(jì)推出的專業(yè)的跨平臺(tái)游戲開發(fā)及虛擬現(xiàn)實(shí)引擎。通過為用戶搭建一個(gè)接近完美的跨平臺(tái)程序開發(fā)生態(tài)鏈，用戶可以借此輕松地進(jìn)行各種豐富精彩的游戲創(chuàng)作與三維立體開發(fā)，從而創(chuàng)造出眾多融合先進(jìn)科技理念的游戲項(xiàng)目與虛擬仿真內(nèi)容。

Unity的編譯器可以運(yùn)行在多個(gè)平臺(tái)上，其尤為突出的優(yōu)點(diǎn)和特色就是：一次開發(fā)就可以部署在多個(gè)主流的游戲平臺(tái)上。就目前而言，Unity所能支持發(fā)布的平臺(tái)即已多達(dá)21個(gè)，因而也成為時(shí)下不僅重要、而且頗為出色的開發(fā)工具。

2 需求分析

兒童百科學(xué)習(xí)助手的軟件功能需求有搜索信息需求、掃描圖片與現(xiàn)實(shí)的需求、用戶管理的需求和章節(jié)學(xué)習(xí)的需求等。對此，可進(jìn)一步地做出闡釋分析如下。

(1)搜索信息需求。孩子需要直接搜索某個(gè)事物信息時(shí)，滿足直接搜索信息的需求。

(2)掃描圖片與現(xiàn)實(shí)需求。本軟件是可以安裝在手機(jī)系統(tǒng)上的。當(dāng)孩子出去游玩時(shí)，遇到一個(gè)好奇但卻未知的物品時(shí)，可以用手機(jī)掃描該物體，手機(jī)會(huì)回饋出當(dāng)前物體的3D立體模型，同時(shí)附上該物品的簡潔描述。

(3)用戶管理需求。用戶管理功能主要針對家長用戶。家長通過使用該界面，可以查看孩子的學(xué)習(xí)進(jìn)度，從而有利于家長對孩子今后的學(xué)習(xí)制定良好規(guī)劃。

(4)章節(jié)學(xué)習(xí)需求。章節(jié)學(xué)習(xí)可以滿足孩子在想學(xué)但是又無從下手時(shí)使用，每個(gè)章節(jié)都設(shè)有不同的生活常識(shí)，每當(dāng)結(jié)束一個(gè)章節(jié)的知識(shí)學(xué)習(xí)后，總的學(xué)習(xí)進(jìn)度就會(huì)隨即提升一些。

3 系統(tǒng)整體流程設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)可表述為：通過兒童百科學(xué)習(xí)助手可以使兒童發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)興趣、增加學(xué)習(xí)動(dòng)力，同時(shí)也可以通過分步驟、有規(guī)劃的引導(dǎo)式學(xué)習(xí)，在拓寬兒童成長空間的同時(shí)，優(yōu)勢提升兒童的學(xué)習(xí)效率，對此可做解讀分述如下。

(1) 能夠搜索指定物品的生活百科。

(2) 能夠通過手機(jī)相機(jī)掃描識(shí)別物品，調(diào)取得出物品的基本百科信息。

(3) 能夠通過章節(jié)進(jìn)行有效的學(xué)習(xí)。

(4) 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

百科學(xué)習(xí)助手的登錄設(shè)計(jì)流程如圖1所示。百科學(xué)習(xí)助手的搜索設(shè)計(jì)流程如圖2所示。百科學(xué)習(xí)助手的掃描設(shè)計(jì)流程如圖3所示。百科學(xué)習(xí)助手的章節(jié)閱讀設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

4 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

本次研發(fā)中，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。由圖5可知，關(guān)于其中各專題模塊的設(shè)計(jì)要點(diǎn)可闡述如下。

圖3 掃描流程 圖4 章節(jié)閱讀流程

圖5 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

(1)界面跳轉(zhuǎn)模塊。主要包括登錄界面的跳轉(zhuǎn)、主界面的跳轉(zhuǎn)、章節(jié)閱讀界面的跳轉(zhuǎn)、搜索信息界面的跳轉(zhuǎn)、AR圖片與實(shí)體掃描界面的跳轉(zhuǎn)和用戶管理界面的跳轉(zhuǎn)。

(2)用戶管理模塊。當(dāng)用戶點(diǎn)擊主界面的“用戶管理”按鈕時(shí)，用戶跳轉(zhuǎn)到“管理界面”，由此閃現(xiàn)的2個(gè)子功能按鈕分別是：“學(xué)習(xí)進(jìn)度”和“版本更新”。

(3)信息搜索模塊。當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊“主界面”的“搜索”按鈕時(shí)，跳轉(zhuǎn)至“搜索界面”，主要包含3個(gè)子功能選項(xiàng)，分別是：文本輸入框、搜索按鈕和檢索信息顯示界面。

(4)AR識(shí)別模塊。當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊主界面“掃描”按鈕時(shí)，跳轉(zhuǎn)到“掃描界面”。“掃描界面”主要包含2個(gè)子版塊，分別是：相機(jī)掃描版塊、按鈕返回主界面版塊。

5 系統(tǒng)測試

5.1 測試環(huán)境

計(jì)算機(jī)的配置為：Windows10、Unity3D5.6、Visual Studio 2017、Vuforia。手機(jī)選用了Honor 8。

5.2 測試用例

分析可知，系統(tǒng)測試的目的在于盡可能地發(fā)現(xiàn)程序中的未知錯(cuò)誤。在本次系統(tǒng)測試的過程中，研究擬將采用計(jì)算機(jī)端測試以及手機(jī)端測試2種方式。為此，對系統(tǒng)內(nèi)部重要功能進(jìn)行了全面測試，詳情可見如下。

(1)測試登錄界面。檢驗(yàn)允許正確登錄和是否輸入合法信息，檢測結(jié)果可詳見表1。

表1 登錄界面測試

(2)測試搜索功能。檢驗(yàn)正確搜索和非法搜索，檢測結(jié)果可詳見表2。

表2 搜索功能測試

(3)測試AR識(shí)別功能。檢驗(yàn)AR識(shí)別功能是否可以正常使用，測試數(shù)據(jù)有2張圖片：一張登記過和一張沒登記過，檢測結(jié)果可詳見表3。

表3 AR識(shí)別功能測試

5.3 測試結(jié)果

功能測試表明系統(tǒng)功能可全部實(shí)現(xiàn)，完全達(dá)到了預(yù)期效果。而容錯(cuò)性測試則表明在軟件打包發(fā)布成APK安裝包安裝到手機(jī)上時(shí)，界面還未能如PC端一樣美觀，因而有待后續(xù)的調(diào)整與改進(jìn)。

6 結(jié)束語

本文重點(diǎn)致力于探討基于AR的兒童生活百科學(xué)習(xí)助手的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。首先詳盡給出了該系統(tǒng)的用戶需求分析，進(jìn)行了本次研究設(shè)計(jì)目的描述。其次，針對需求分析中的目標(biāo)設(shè)定，研發(fā)提出了基于AR的兒童生活百科學(xué)習(xí)助手的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模塊主題框架設(shè)計(jì)。最后，又對本次研發(fā)系統(tǒng)提供了系統(tǒng)功能測試。測試結(jié)果表明，完全達(dá)到了本次研發(fā)的設(shè)計(jì)目的。本文研究成果能夠激發(fā)兒童學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)習(xí)效率，具有一定的推廣借鑒價(jià)值。