摘  要： 首先對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展背景及理論基礎(chǔ)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，然后提出了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)上的應(yīng)用。設(shè)計(jì)了一套完整的分別用于Web程序和應(yīng)用程序的制作方案。利用計(jì)算機(jī)、攝像頭和制作的標(biāo)識(shí)立方體組成一個(gè)電教工具。在真實(shí)的場(chǎng)景中對(duì)虛擬的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行操作，有利于增強(qiáng)教學(xué)的直觀性和交互性，從而提高教學(xué)的效率。最后對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了測(cè)試分析，提出了優(yōu)點(diǎn)與不足。

　　關(guān)鍵詞： 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；晶體結(jié)構(gòu)；電教工具

0 引言

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）是一門在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，也被稱為混合現(xiàn)實(shí)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)借助計(jì)算機(jī)建模技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和可視化技術(shù)，通過(guò)生成真實(shí)環(huán)境中不存在的虛擬對(duì)象并將其應(yīng)用到AR系統(tǒng)中用于交互的真實(shí)場(chǎng)景，虛擬物體和真實(shí)場(chǎng)景實(shí)時(shí)地疊加到同一個(gè)畫面或空間，兩種信息相互補(bǔ)充、完善，使用戶的體驗(yàn)更為真實(shí)，具有虛實(shí)結(jié)合的特征[1]。它把原來(lái)在現(xiàn)實(shí)世界的一定時(shí)間和空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)得到的信息，通過(guò)科學(xué)技術(shù)模擬仿真后再疊加到現(xiàn)實(shí)世界，讓人類感官所感知，從而實(shí)現(xiàn)超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)[2]。就目前來(lái)看，已經(jīng)有許多增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)這方面的實(shí)際應(yīng)用，如醫(yī)療、軍事、航空和航海、古跡復(fù)原和數(shù)字文化遺產(chǎn)保護(hù)、工業(yè)和維修等領(lǐng)域[3]。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，多媒體技術(shù)廣泛地應(yīng)用于教育領(lǐng)域。這種傳統(tǒng)多媒體技術(shù)在應(yīng)用之初，以其獨(dú)特性吸引了學(xué)生的注意力，并且能夠使老師在教學(xué)過(guò)程中高效地表達(dá)所傳授的知識(shí)。但它的缺點(diǎn)是難于表達(dá)知識(shí)的完整性，只能使學(xué)習(xí)在視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)上進(jìn)行，缺乏互動(dòng)能力。因此當(dāng)前相關(guān)研究者已經(jīng)將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入教育領(lǐng)域以更好地解決這個(gè)問(wèn)題，從而使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中容易形成互動(dòng)，讓學(xué)生更容易理解學(xué)習(xí)內(nèi)容[4]。本文就以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)上的應(yīng)用為例進(jìn)行研究與實(shí)現(xiàn)。

1 設(shè)計(jì)總體思路

　　整個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)由計(jì)算機(jī)（包含程序）、攝像頭、標(biāo)識(shí)立方體組成。攝像頭將拍攝到的真實(shí)畫面的每一幀傳送到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)程序，當(dāng)標(biāo)識(shí)立方體進(jìn)入攝像機(jī)拍攝范圍后，F(xiàn)lash AR應(yīng)用框架識(shí)別出標(biāo)識(shí)的序號(hào)，通過(guò)序號(hào)從參數(shù)文件中提取出模型的信息，同時(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)工具通過(guò)真實(shí)畫面進(jìn)行迭代計(jì)算，計(jì)算出每個(gè)標(biāo)識(shí)圖形的三維坐標(biāo)（包含位置和方向）。Flash 3D引擎得到模型信息和標(biāo)識(shí)的三維坐標(biāo)后，導(dǎo)入與之對(duì)應(yīng)的三維模型文件，根據(jù)世界坐標(biāo)系和攝像機(jī)坐標(biāo)系的變換矩陣，渲染出指定位置和角度的虛擬模型（即與標(biāo)識(shí)重疊的虛擬模型）。Flash Builder將虛擬模型疊加到真實(shí)畫面，并輸出視頻幀。整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　Flash Builder可以將這個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)程序打包成一個(gè)SWF文件。這個(gè)SWF文件可以直接用Flash Player播放器播放使用，即形成了一個(gè)單獨(dú)的應(yīng)用程序，提供給老師教學(xué)或離線使用。同時(shí)可以利用HTML語(yǔ)言將SWF文件嵌入到HTML文件，把這個(gè)文件上傳到搭建好的Internet服務(wù)器，即可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在線使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)程序。

2 各部分設(shè)計(jì)

　　2.1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)

　　增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的核心技術(shù)是注冊(cè)跟蹤技術(shù)，也是目前制約著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的最有待解決的技術(shù)阻礙。注冊(cè)跟蹤技術(shù)可分為基于跟蹤器的注冊(cè)技術(shù)和基于視覺(jué)的注冊(cè)技術(shù)。本設(shè)計(jì)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)程序是基于標(biāo)識(shí)物的注冊(cè)跟蹤方法實(shí)現(xiàn)的，該方法不需要復(fù)雜的硬件設(shè)備，在室內(nèi)的小范圍環(huán)境下一般即可取得符合要求的定位精度，并且可以達(dá)到對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。通過(guò)事先定義好的各種平面標(biāo)識(shí)物來(lái)標(biāo)記三維坐標(biāo)和各個(gè)物體。系統(tǒng)通過(guò)模板匹配的方式來(lái)找到視頻中的對(duì)應(yīng)標(biāo)識(shí)物，通過(guò)圖像分析處理計(jì)算虛擬空間與真實(shí)空間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣。為降低計(jì)算量和滿足實(shí)時(shí)性的需求，一般都采用帶有黑色封閉矩形框和簡(jiǎn)單標(biāo)記的正方形標(biāo)識(shí)，這樣只需要簡(jiǎn)單的邊緣檢測(cè)和模板匹配即可達(dá)到要求[5]。

　　2.2 標(biāo)識(shí)立方體制作簡(jiǎn)介

　　基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)程序的需要和立方體6個(gè)面的展開(kāi)平面特征，用Photoshop制作了采用帶有黑色封閉矩形框和簡(jiǎn)單標(biāo)記的標(biāo)識(shí)立方體打印圖片，如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)手持操作，圖形設(shè)計(jì)有白色邊框。將圖片打印出來(lái)折疊粘貼，即可制作成標(biāo)識(shí)立方體。

　　2.3 晶體模型

　　使用3DS MAX 2012搭建模型，每個(gè)晶格的幾何中心處在世界坐標(biāo)的（0，0，0）處。晶格的邊長(zhǎng)均設(shè)置為20個(gè)單位（單位指3DS MAX默認(rèn)單位）。原子的半徑根據(jù)晶胞原子密度取1.5~3.0個(gè)單位。可以根據(jù)需要用長(zhǎng)方體連接原子，以突出結(jié)構(gòu)顯示。為展示晶格在三維空間的擴(kuò)展圖像，使用將晶格在三維XYZ方向重復(fù)1次的方法，得到重復(fù)的晶格晶體模型導(dǎo)出。

　　2.4 三維模型坐標(biāo)矯正

　　由于FLARManager生成三維模型的世界坐標(biāo)都是以標(biāo)識(shí)圖形平面為水平面的，但是本文所做的標(biāo)識(shí)立方體各個(gè)面的圖形平面不都是水平面的，這樣會(huì)造成旋轉(zhuǎn)立方體時(shí)生成三維圖形坐標(biāo)混亂，Z軸永遠(yuǎn)是向外的，不能達(dá)到晶體結(jié)構(gòu)隨著標(biāo)識(shí)立方體的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)的目的。所以要對(duì)標(biāo)識(shí)立方體每個(gè)面生成的三維模型進(jìn)行坐標(biāo)矯正，就是讓3DS MAX的坐標(biāo)系與PV3D的坐標(biāo)系在X軸上相差90°即可。

　　2.5 晶格結(jié)構(gòu)切換的實(shí)現(xiàn)

　　為了實(shí)現(xiàn)各種晶格結(jié)構(gòu)與晶格三維擴(kuò)展的切換功能，程序采用直接替代的方法。在晶格切換界面有各種晶格的按鈕，當(dāng)這個(gè)按鈕被點(diǎn)擊后，程序會(huì)將當(dāng)前晶格DAE文件的路徑更改成切換后晶格DAE文件的路徑，畫面上的圖像也會(huì)變成對(duì)應(yīng)晶格的圖像。單晶格顯示和晶格擴(kuò)展顯示的切換也是利用這個(gè)原理。

　　2.6 HTML文件編輯

　　為了設(shè)計(jì)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)程序SWF文件能在瀏覽器上運(yùn)行，必須把它嵌入HTML文件。為了方便學(xué)生學(xué)習(xí)，必須將標(biāo)識(shí)立方體的打印圖片放在網(wǎng)上，供學(xué)生下載。

　　2.7 Internet信息服務(wù)搭建

　　為了實(shí)現(xiàn)Internet信息服務(wù)，也就是在網(wǎng)絡(luò)上訪問(wèn)制作的頁(yè)面，利用了Windows系統(tǒng)自帶的Internet信息服務(wù)及IIS管理器。在Windows的啟用或關(guān)閉Windows功能菜單中即可開(kāi)啟這些功能。然后在IIS管理器按需要新建一個(gè)站點(diǎn)，將HTML文件、SWF文件、DAE模型文件、PAT標(biāo)記文件和AR相關(guān)參數(shù)文件上傳到服務(wù)器上。

3 測(cè)試

　　3.1 Web運(yùn)行測(cè)試

　　對(duì)Web程序進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)程序?qū)τ诰W(wǎng)絡(luò)環(huán)境依賴較高，因?yàn)樾枰m時(shí)下載晶體結(jié)構(gòu)模型DAE文件，網(wǎng)絡(luò)擁堵情況下切換模型后會(huì)有明顯延時(shí)，隔一段時(shí)間才能顯示新模型。實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

　　3.2 Web性能測(cè)試

　　以程序的幀頻作為性能測(cè)試的主要依據(jù)，電腦配置、模型頂點(diǎn)數(shù)、環(huán)境光強(qiáng)度、環(huán)境中黑框圖形數(shù)量為變量進(jìn)行控制變量法測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

　　3.3 應(yīng)用程序測(cè)試

　　應(yīng)用程序運(yùn)行測(cè)試一切正常，沒(méi)有出現(xiàn)異常狀況，應(yīng)用程序性能測(cè)試與Web程序性能測(cè)試結(jié)果相同。

　　3.4 測(cè)試比較

　　經(jīng)過(guò)以上測(cè)試可以得出結(jié)論，Web程序?qū)W(wǎng)絡(luò)環(huán)境依賴高，網(wǎng)速不佳情況下反應(yīng)速度慢，但是使用方式簡(jiǎn)單，訪問(wèn)網(wǎng)頁(yè)就可以使用，應(yīng)用程序在運(yùn)行時(shí)更流暢，反應(yīng)速度更快。因?yàn)槭褂玫氖峭粋€(gè)Flash AR應(yīng)用框架，所以性能測(cè)試結(jié)果基本相同。兩個(gè)程序模塊的測(cè)試的結(jié)果互補(bǔ)，符合兩個(gè)用戶群的使用需要。Web程序供學(xué)生使用，學(xué)生在任何地點(diǎn)的任何電腦上，只要能連接互聯(lián)網(wǎng)，都可以隨時(shí)訪問(wèn)學(xué)習(xí)。應(yīng)用程序供教師使用，教師將應(yīng)用程序安裝在特定的教學(xué)電腦上，就可以得到高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)展示。

4 設(shè)計(jì)效果

　　按照計(jì)劃完成增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)程序，制作完成標(biāo)識(shí)立方體，實(shí)現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)及其擴(kuò)展晶格的展示，部分設(shè)計(jì)完成效果圖如圖3~圖8所示。

　　圖3~圖8分別展示了晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)程序的應(yīng)用程序界面與Web程序界面，同時(shí)比較形象地展示了簡(jiǎn)單立方晶格圖形與簡(jiǎn)單立方、面心立方、體心立方晶體三維擴(kuò)展圖。由于篇幅的限制，該晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)程序中關(guān)于晶體的移動(dòng)與旋轉(zhuǎn)操作圖以及手持展示圖未給出。

5 結(jié)論

　　本設(shè)計(jì)利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶來(lái)富有沖擊力的直觀展示，操作方便快捷簡(jiǎn)單，只需要一臺(tái)普通的電腦、一個(gè)攝像頭及打印制作出來(lái)的標(biāo)識(shí)立方體，就能展示抽象的晶體結(jié)構(gòu)，能更好促進(jìn)教育教學(xué)。Web程序和應(yīng)用程序兩個(gè)版本滿足特定人群需要，并互相彌補(bǔ)不足。當(dāng)然本設(shè)計(jì)還有一些不足和有待完善的地方，例如需要豐富晶體結(jié)構(gòu)種類，加入更多互動(dòng)操作，增加音效、動(dòng)畫、粒子特效，優(yōu)化增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)程序，提高其識(shí)別率和顯示性能，開(kāi)發(fā)移動(dòng)端的應(yīng)用程序，使其能夠在移動(dòng)設(shè)備上更方便地使用該程序等。

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