Vuforia在中學化學仿真實驗系統中的運用

陳浩 索南尖措 李紅 王心悅

（西藏大學信息科學技術學院 西藏自治區拉薩市 850000）

1 引言

增強現實（AR），是一種將虛擬信息與真實世界巧妙融合的技術。隨著計算機技術發展，大量的AR SDK 相繼問世。其中Apple 公司的ARKit、Google 公司的ARCore 和美國參數技術公司的Vuforia 等都得到了國內外開發者的普遍認可，并贏得了大量用戶[1]。

中學化學是一門極其重視實驗教學的基礎學科。學生通過動手實踐，反復觀察實驗現象，從而更加深刻的理解化學實驗原理。然而，受限于課時等諸多緣由，大部分中學化學教師對于化學實驗演示部分僅僅是一帶而過，重視不足[2]。利用增強現實技術，可以將實驗儀器和藥品在真實的環境中再現，用戶將得以自由地觀察各類藥品間的反應，更好地掌握化學知識。

2 化學仿真實驗系統設計

Vuforia 與Unity3D 結合，可以很好的實現AR 交互功能，跨平臺能力強。本文選用Vuforia 實現了核心AR 功能。

2.1 儀器展示模塊

首先在Vuforia 官網為項目注冊一個Key，并將選定的識別圖上傳，在線創建識別圖數據庫并下載待用。

將Vuforia 插件包和識別圖數據庫導入Unity3D 的Assets 目錄下，將Prefabs 文件夾下的AR Camera 和Image Target 拖入場景。把要顯示的儀器三維模型放到Image Target 下，作為其子物體。將之前注冊的Key 填入App License Key 用來激活AR Camera。在腳本Image Target Behaviour 中設置好AR 識別圖類型、識別圖數據庫、識別圖名稱、識別圖寬高等信息。到此，儀器展示模塊基本設置完成。

2.2 虛擬按鈕控制模塊

該模塊主要通過檢測虛擬按鈕的觸發與否，實現特定的動畫效果。如在加熱高錳酸鉀制取氧氣的實驗中，通過單擊虛擬按鈕1，播放點燃酒精燈等動畫效果,實驗開始；點擊虛擬按鈕2,播放帶關鍵幀的動畫,實現取出導管，撤去酒精燈等一系列動畫效果，實驗演示結束，其交互流程圖如圖1所示。

圖1：AR 交互流程圖

圖2：酸堿滴定PH 值變化曲線

實現虛擬按鈕，首先將Prefabs目錄下的VirtualButton拖入場景，并作為Image Target 的子物體。尤其需要注意的是，VirtualButton應放盡可能地放在識別圖中心位置，否則有可能導致虛擬按鈕顯示成功率降低。編寫腳本，核心代碼如下：

將上述腳本掛載在游戲對象上，在Unity 平臺上進行測試，利用計算機或者手機攝像頭掃描識別圖，即可顯示虛擬模型和虛擬按鈕，單擊按鈕可實現交互功能[3]。

2.3 實驗參數顯示模塊

實驗參數顯示模塊主要用來動態的顯示在化學反應中生成的沉淀質量，氣體體積、PH 值等重要信息。本模塊要根據真實的化學反應數據進行設計。如在稀鹽酸滴定氫氧化鈉實驗中，PH 值隨滴入稀鹽酸的量變化不是簡單的線性關系[4]，如圖2 可見。因此在系統設計的時候應該尤其注意，盡可能的與真實數據靠攏，保證參數顯示的準確性。

3 模塊功能測試

在Unity3D 結合Vuforia 開發完成各模塊的功能后，將其發布到PC 和Android 等移動平臺進行測試。

本系統中設計了AR 實驗器材和藥品展示、AR 實驗過程演示。均運行效果良好，無明顯卡頓現象，在大多數普通移動設備上可以正常運行。AR 交互操作，如通過點擊虛擬按鈕能夠實現相應操作，在虛擬模型上能夠正常響應，動畫和場景切換自然，符合預期目標。

但實驗參數顯示模塊任有部分功能存在缺陷，諸如，由于數據為預先寫入且數據量不足，數據顯示過于死板，參數更新緩慢，需進一步改進?；瘜W實驗所產生的有色氣體、沉淀、氣泡等實驗現象表現不夠明顯，也需進一步優化。

4 結論

增強現實技術為化學仿真實驗系統的開發帶來了更多可能性。Vuforia 在近年來發展迅猛，已推出最新版本Vuforia9.0。本文研究的基于 Vuforia 的化學仿真實驗系統是一個集 AR 實驗器展示、實驗過程演示；實驗進程控制；實驗參數反饋等功能于一體的實驗系統。該系統便于用戶通過普通移動設備隨時隨地近距離觀察化學實驗現象，無需佩戴VR 眼鏡等設備，大大降低了體驗成本。