基于AR技术的虚拟动物园系统设计
时间：2021-01-27 16:22:41 来源：达达文档网 本文已影响 人 
金婷 杨潘艺 于凤雪 贾振宇 张明璇
摘要：AR技术是能够实现虚拟与现实世界交互的新兴智能技术，其能够大幅增加应用系统的沉浸感和体验感，AR技术也因此在教育领域得到了一定重视和应用。本文针对AR在早期教育领域的应用，设计了以Unity3D和Vuforia为基础的具有增强现实和交互功能的虚拟动物园。最终实现了一个基于移动端app的增强现实系统，具有易操作的AR展示功能，可以对生成的大量动物模型进行移动、放缩、旋转、吼叫和动作触发等交互操作，实现了原理和系统设计的真实应用，对早教等相关行业带来一定积极影响。
关键词：增强现实;Unity3D;Vuforia;AR
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）07-0157-03
0 引言
近年来，AR技术发展迅猛，而如何使AR 技术更好地与场景搭建、构型设计相结合，使教育与展示更加生动有效，让幼儿有兴趣、能更清晰地认识世界是目前基于AR技术在教育领域面临的一个主要问题。鉴于AR技术本身的特点，由图片、三维图形展示，转变为模型化动态与声形色元素结合呈现的场景化应用开发，成为主流。
纵观国际国内，近年来，市场上都出现了不少优质的基于AR技术的早教产品，例如AR绘本和AR卡片等。通过Vuforia（2D图片识别和跟踪）和Unity（用于3D建模）无缝集成，AR技术运用于早教[1]，使其更加便捷。
本文提出了一种情景式早教方式，尤其面向手机端APP的实现，既有动物的真实3D形象，还有动物的叫声、行为动作，以及基本解说，系统完整，可扩展，增强兴趣，促使对世界的立体化认知，也能够使第三方快速进入系统并更新扩展，成为良好的开放平台。
1 系统设计与原理
1.1 基本技术原理
AR（增强现实）技术，是利用三维跟踪注册技术，其通过计算虚拟信息的位置将计算机生成的虚拟图像与现实世界相叠加，是一种新兴技术。本项目使用Vuforia和Unity无缝集成实现增强现实技术在早教方面更加具有生动性、交互性的应用[2]。通过输入设备采集现实场景中的图像信息，包括颜色、轮廓、明显特征等，对图像信息进行预处理以辨别该图像是否为需要增强的目标对象。如果是，则启动目标跟踪程序，在跟踪位置显示对应的虚拟信息;否，则不进行处理。
为提高用户体验，显示虚拟信息需要实时、准确地获取当前摄像机的位置和姿态，本项目使用基于计算机视觉的跟踪注册技术获取摄像机的位置与姿态，使用Vuforia分析、处理输入设备输入的真实场景位置信息，从而与虚拟摄像机产生的物体无缝的融合显示。
在这个过程中使用到的现实场景与虚拟物体结合需要使用三维物体建模技术，创造可视化输出目标跟踪显示的虚拟物体，和真实场景有效融合在一起，将合成的图像在显示设备上输出。输出目标需要具有动作交互，需要使用建模软件进行动作逐格制作或者骨骼绑定进行动画制作。
Vuforia实现现实场景中图像的定位以及虚拟三维模型与现实图像无缝贴合，并与Unity结合实现用户的交互。在Unity中创建按钮以及动画控制器、语音控制器通过一定的代码控制使得用户可以点击屏幕中的按钮控制三维模型的动画、语音，从而展示动物的动作、叫声以及相应的解说。最终，通过导出apk的形式进行系统输出，实现虚拟动物园的app应用。
1.2 技术识别流程设计
如图1所示，系统主要的流程如下：
（1）系统首先通过相关的输入设备采集场景图像，经过预处理后，检测场景中是否存在需要增强显示的目标，检测到后启动跟踪程序，并在对应位置显示虚拟信息。
（2）实时的跟踪需要增强现实的目标，以达到三维注册的目的使现实场景中的物体和虚拟摄像机产生的物体无缝的融合显示。
（3）物体建模的过程是场景图像与几何模型相结合，创造可视化输出目标跟踪显示的虚拟物体，和真实场景有效融合在一起，将合成的图像在显示设备上输出。
（4）增强现实中的关键技术主要包括图像识别技术、目标跟踪技术、三维注册技术和虚实融合技术，其中三维注册是增强现实系统最为关键的技术，其目的是在虚拟世界和真实场景之间建立对应关系，使两者之间能够做到有效的融合，并在显示设备上给使用者实时地显示这种关系。
1.3 系统使用交互设计
摄像头将画册上的动物图像识别后，通过AR技术进行三维数据运算，按Unity中模型的具体数据进行与显示场景数据的真实交互，还原相应模型。在系统识别后，进行相应的功能使用跳转，如图2所示。
系统具有增强对动物的立体认知，同时有配套的介绍音频播放，进一步增加产品的教育性。使用者可以通过显示器或者手机对模型进行操作，比如展示模型动作、移动、听取声音等。
以虎為例，通过本产品平台对配套识别图片进行识别后，呈现出具有完整骨骼和动画功能的虎模型，通过手指进行触屏交互，可实现对虎模型的放大缩小、旋转、移动等基础交互功能，此外，通过相关UI触发识别操作后，可以实现虎发出吼叫声和相关的动作，如行走、奔跑、跳跃、进食、攻击等。此外，该款产品的具体使用操作十分简单，完全符合面向低龄儿童这一群体的要求。
1.4 系统使用交互设计
综合上述分析，系统需在Vuforia和Unity的基础上添加音频和UI模块，主要实现系统的引用输出实现和功能产品化[3]。在Unity中使用建立好的模型，实现选取的照片和AR模型对应的功能。
设定交互识别图片，添加后进行特征识别和对应交互。在添加上模型的动画作品的导出，通过调用收集摄像头进行识别，生成对应3D动画，从而实现AR的动态交互。最后在Unity中导出apk文件，下载后使用app，实现手机展示AR动物园功能。
整体系统架构如图3所示。
2 项目实现
根据上文的基本原理和系统框架、功能的设计，通过C#进行脚本编写，通过Vuforia结合Unity进行系统的实现。
该系统已实现，由于功能无法全部罗列，本文只对四个页面进行展示。
系统首页与动物介绍页面如图4所示，系统运行识别与动画播放页面如图5所示。
3 结语
本文对AR的教育领域应用分析阐述，进行了在Vuforia和Unity技术基础上的设计与开发，在系统中对增强现实进行了合理化实现与针对性应用。在“虚拟动物园”中实现了语音解说模块、动物行为演示模块，使卡通动物形象立体化、真实化，不仅能吸引兴趣、丰富认知，更为家庭亲子沟通提供了便捷可行的途径。本文研究的系统以手机为载体，顺应了目前智能化生活方式的需求，便捷了父母教育幼儿，对于幼儿而言在认知自然界的同时又接触了信息技术时代下的前沿科技;此外，基于AR本身就是在推动本技术在早教领域的发展。
相比于简单的AR绘本，本系统未来的研究方向不再只是拘泥于绘本上的图片模型的简单重现，将会有更加丰富的操作，具有更互动性，预计会有更好的学习效果，比如将会提供多种场景进行切换，相关模型的更多动作也会实现，趣味性大大提升。
参考文献
[1] 杨涛.增强现实技术（AR）在教育中的有效应用[J].实验教学与仪器，2019，36（2）：79-80.
[2] 鲁文娟，金一强.基于智能手机的Vuforia+Unity3D增强现实技术方案及其教育应用[J].现代教育技术，2017（5）：20-26.
[3] 徐敏，童强.一种基于Unity3D+Vuforia的增强现实交互App的开发[J].现代计算机（专业版），2016（12）：73-77.
