基于增強現實技術的鳥類博物館的開發

袁志鵬

摘要：隨著增強現實技術在各行業的廣泛應用，人們對其內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技術的應用領域，增強其教育意義，宣傳鳥類知識，利用Unity 3D游戲引擎、Easyar SDK以及3Ds max建模，制作出AR鳥類博物館軟件。實現了識別鳥類圖片，顯現該鳥類的3D模型、叫聲、介紹、相關動畫等功能。經過對該軟件的實際開發測試，證明了該方案可以進行模型、圖片、文字和音頻的同步渲染和加載，使用戶，全方位地了解鳥類知識，給用戶帶來一個良好的互動體驗。

關鍵詞：增強現實技術;Easyar;Unity 3D;鳥類;教育

中圖分類號：TP311.51? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：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世紀以來，伴隨著我國科技、工業的成熟與發展，資源過度利用和環境污染等問題的出現，鳥類的生存環境受到了極大的破壞。為宣傳普及鳥類知識，喚醒群眾保護鳥類的意識，同時拓展AR技術的應用領域，鳥類博物館軟件開始設計制作。鳥類博物館軟件將部分鳥類進行3D建模，并制作出其飛行過程的動畫，結合多媒體技術和增強顯示技術，使用戶通過軟件拍攝到識別圖后，不僅可以看到鳥類模型、飛行動畫，還可以聽到鳥類的鳴叫聲以及對鳥類的介紹。突破了傳統宣傳、教育方式，死板無趣的缺點。利用增強現實技術，使虛擬的計算機數字圖像投影到真實世界中，與使用者互動感更強，并且具有3D效果，使用者可以全方位地觀察鳥類的動作、形態，更加形象生動。

2 現狀

增強顯示技術（Augmented Reality），最早于1990年提出，被定義為“通過顯示器將虛擬內容投射到真實世界中的技術”。隨著，計算機技術的不斷發展，在歐美等國家，AR技術目前已經廣泛運用在教育業、廣告業和游戲業等諸多行業。眾多的科技互聯網公司紛紛對該技術進行投資，意圖大力發展AR技術，蘋果公司先后收購了多家AR企業。任天堂公司于2016年7月，推出的使用LBS+AR技術的游戲《Pokemon go》[1]，引領了一個全民捉寵物的時代，短短的幾個月時間，就獲得了6億美元的收入。AR技術已成為目前的研究熱點之一。近年來，國內的AR技術也取得了很多成果，例如：山西省地圖集編纂委員會將AR技術利用在紙質地圖中[2];上海大學研究了增強現實中的三維注冊方法[3];北京理工大學對圓明園的數字重建[4]等等。但AR鳥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 軟件設計

隨著增強現實技術在各行業的廣泛應用，用戶對其內容的豐富性以及教育意義都有了更深的要求。為了拓展AR技術的應用領域，以及增強其教育意義，宣傳鳥類知識。該項目利用Unity 3D游戲引擎、Easyar開發包以及3Ds max建模，開發出AR鳥類博物館軟件。

經過對相關資料的整理學習，根據對鳥類博物館軟件前期的構思、系統分析，確定了軟件的功能結構，隨后進行文獻資料的搜集，相應鳥類模型的構建、聲音文件的錄制下載。通過Unity3D游戲引擎，實現了軟件的開發制作。

3.1 功能目標

1）實現紙質鳥類卡片與手機、電腦的互動功能。

2）軟件可以離線運行。

3）軟件在識別特定鳥類的圖片后，界面顯示鳥類的生活習性、叫聲等多媒體信息。

4）軟件中的3D模型應當盡可能的逼真，凸顯鳥類的特點。

5）用戶可通過軟件了解百種鳥類的生活習性、叫聲等知識。

3.2 內容要求

3.3 數據庫設計

本軟件使用SQLite數據庫[5]實現，儲存管理圖片識別圖地址、模型、文字內容和相關音頻。圖2展示了軟件設計的過程。為實現AR功能，數據庫通過對識別圖的名稱、路徑、圖片大小等特點的采集，建立圖片標識文件（下文稱為Target）。每張識別圖的圖片標識文件都是唯一并且固定不變的，同時也是將圖片與軟件中模型、音頻和文字匹配的關鍵。軟件事先在內部設置圖片的Target，并在軟件啟動時加載進入Imagetracker，Augmenter會周期性地從Imagetracker獲取Frame，在軟件使用過程中，圖像采集設備CameraDevice會不斷產生Image，進入Imagetracker，這些Image會跟隨Frame進入Augmenter，當Imgetracker檢測到Image中存在Target，將會跟隨Frame移動到Augmenter中，實現模型等具體內容的展示。過程將如圖3所示。由于，對Target的分析和加載是在軟件啟動時運行，為避免加載量過大，影響軟件的正常使用，開發時將加載函數放入新的線程，避免程序加載過慢，影響軟件其他功能的正常使用。經測試，壓縮目標識別圖的文件大小，可以有效增加加載速度，但增加的效率和是否影響識別準確度難以測量。

3.4 軟件場景搭建

將已制作好的所有素材以及Easyar開發包導入Unity，利用Unity引擎完成場景的搭建以及軟件功能的制作。

1）將開發包中的prefabs添加到場景中，并在Easyar官方網站注冊獲得key，添加key到prefabs中。

2）將開發包中的ImageTarget添加到場景中，并編輯Target代碼，處理觸發事件。

3）完成數據庫內容填寫，將相應的模型地址、音效地址、文字介紹等素材存放進數據庫。

4）將識別圖與ImageTarget綁定。并將再object上添加數據庫查詢腳本、Animator、Audio Source和控制腳本，根據數據庫中存放的地址顯示文件，并調整顯示位置。

5）制作UI以及相應事件。

6）添加燈光、Audio listener等游戲場景物體。

7）導出軟件。可根據需要導出windows、android等系統的應用軟件。

4 功能實現

軟件運行環境系統要求為Windows操作系統，并需要連接攝像頭。在使用過程中，僅需在光線適宜的情況下，將識別圖片移入圖像采集設備采集范圍內，軟件將出現鳥類的動畫模型以及介紹、靜音、暫停三個操作按鈕。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，鳥類飛行動作的3D模型動畫，鳥類叫聲、鳥類介紹的音頻信息。并且設置了模型的自動旋轉，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。希望用戶可以通過該軟件，全方面的了解學習鳥類知識。

本文設計完成的AR鳥類博物館軟件具有以下的特點：

1）內容的科學性，相比眾多娛樂性AR軟件，鳥類博物館中的資料均來自《中國動物志》《中國鳥類圖鑒》等權威著作，保證科學知識的正確與嚴謹。

2）內容的豐富性，軟件可以進行模型、聲音、動畫的同時加載與展示。將二維圖像、三維模型、聲音結合起來，使用者可以更加全面地了解鳥類知識。

3）軟件的適用性，軟件操作簡單，運行效率高，并且適用于目前國內大多數家庭使用的windows電腦和android手機，適用性強。

5 總結

該軟件是AR技術在保護環境、動物方面的首次應用。雖然我們的生活水平在不斷提高，科學技術也不斷地發展，但我們始終應該追求人與動物自然的和諧相處。AR鳥類博物館以綠色環保、價格低廉、包含眾多科學知識甚至可以模擬真實場景等諸多優點，使操作者在任何地點都可以生動、翔實地了解鳥類知識。為保護環境、保護動物的宣傳開辟了新的方式。并且擴展了AR技術的應用范圍。

參考文獻：

[1] 徐筠. 《Pokem on Go》火了 增強現實（AR）普及還有多遠[J]. 計算機與網絡， 2016， 42（14）： 22.

[2] 鄧秋月. 增強現實技術在紙質地圖中的應用[J]. 經緯天地， 2015（6）： 56-59， 72.

[3] 金劍華， 陳一民. 增強現實中基于視覺與磁力跟蹤器的三維注冊方法[J]. 計算機應用， 2006（6）.

[4] 王涌天， 林倞， 劉越， 等. 亦真亦幻的戶外增強現實系統——圓明園的數字重建[J]. 中國科學基金， 2006（2）： 76-80， 86.

[5] 朱樂浩， 衛剛. 基于Unity3D的柴油機部件虛擬培訓系統研究與實現[J]. 機械設計與制造工程， 2016（10）.

【通聯編輯：謝媛媛】