姜浩
哈尔滨信息工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150000
摘 要: 为改变传统的大学教材信息表达单调、无交互等问题，文章分析了与纸质教材相关的增强现实关键技术，简述纸质教材与增强现实技术相结合的优势，提出一种基于增强现实的大学教材增强表达方案。
关键词: 增强现实; EasyAR;大学教材
中图分类号: TP311 文献标识码: A
1 引言
随着智能终端技术和移动通信5G网络技术的发展，教育APP、娱乐APP的全面应用，大学教育中传统纸质的教材或练习册劣势凸显。这类传统大学教材受版面限制，信息量不够丰富；资讯单向，缺乏交互性；数据更新困难，信息滞后。因此需要寻求一种有效方式，使大学教材满足用户的新型需求，重新焕发活力，为教学知识点提供生动的形象，增强人们对知识点的理解。增强现实技术的发展为大学教材的多样化表达及交互提供了可能。本文通过研究增强现实关键技术基础上，分析大学教材与增强现实技术相结合的优势，提出一种基于增强现实的AR大学教材方案。
2 技术分析与系统分析
2.1 增强现实技术
增强现实(Augmented Reality简称(AR)，是一种将真实环境与虚拟信息相融合，从而达到为真实环境提供信息扩充和增强的技术。这类扩充和增强的信息可以是三维虚拟物体也可以是文字、音频和视频等多媒体信息，并支持与客户的交互。可以说AR技术在真实环境和虚拟信息之间搭起一个桥梁，扩展了人们对现实世界的感知和交互能力，这也是人机交互技术发展的重要方向。国内外许多学者对增强现实进行了相关的探索和应用。对关键技术研究与应用主要集中在图像识别、三维注册和虚实结合方面。
图像识别技术指根据事物的色彩、纹理、外形等不同的特征，在场景中将目标识别出来，一般分为全局特征与局部特征两类[1]。全局特征识别方法通过对比待识别事物与库中图集的吻合度来识别目标，但受遮挡、光照、缩放和角度等因素影响较大，适用范围受限。局部特征识别方法即使用事物的局部特征点或边进行描述，是待识别事物的特征集与库中图集的特征集相匹配的过程。即使有小部分特征点不能匹配，也可以达到有效识别。由于增强现实应用场景中光照、视角变化较大，局部特征识别方法更为适用。
二维注册技术目的是为了使现实真实场景与虚拟信息无缝融合，即要找到虚拟信息在真实场景中的正确位置，并在显示设备上叠加和实时显示。在增强现实系统的研究中，主要分为基于视觉的注册方法与基于传感器的注册方法[2]。基于视觉的注册算法是利用计算机视觉的相关技术计算场景图像和摄像头的位置和方向参数，实现三维场景到二维空间的转换。基于传感器的注册方法主要通过传感器来确定用户在真实场景中所处位置及朝向来实现跟踪注册。
当虚拟信息与真实场景配准后，为提高增强现实的真实感，需要将虚拟物体与真实场景相整合，即虚实融合技术[3]。主要目标是实现虚拟物体的遮挡、光照和阴影与真实场景相一致。例如比较真实物体与虚拟物体的深度信息，从而正确处理虚拟物体的遮挡情形；实时检测真实场景的光照环境，为虚拟物体增加趋于真实的阴影。
2.2 AR技术在大学教材的应用分析
传统大学教材仍有电子产品无法取代的优势：一是信息的宏观性、整体性。与电子产品相比，纸质教材可在一个版面提供完整概括性的文字描述，不需要频繁的单击超链、页面跳转。因此需要寻求一种有效方式，既能发挥原有优势，又能进行信息扩展与交互、增加生动性、互动性，使纸质大学教材能物尽其用，重新焕发活力。本文认为将增强现实技术应用于纸质大学教材中对知识传播的多样化表达及交互是非常适宜的。
AR技术可教学案例的真实感。回顾人机交互界面的发展，从命令行界面到图形用户界面，然后是多媒体界面、虚拟现实界面，都存在着与现实环境隔离的问题，这与人类自然感知外部世界的习惯方式是冲突的。而增强现实技术弥补了这个问题的缺陷[4]。
且对大学教材本身而言，让学生直观的了解知识点是其主要目的之一
使知识点信息立体化。增强现实技术的优越性在于将真实场景与虚拟信息相结合，在平面的教材上融合虚拟场景，能使知识点信息立体化。
使纸质教材增加实时交互性。增强现实技术的另一重要特点是能与真实环境同步，并与用户产生交互，给人以体验感和现场感[5]。
同时，这种多感官整合的方式，也能增加学生的新鲜感，趣味性。
智能手持移动终端的普及，百万像素以上摄像头，重力、磁力传感器和陀螺仪等硬件条件的提升，为AR大学教材提供了一个普及的平台。
3 AR大学教材的原型实现
目前在增强现实领域使用较为广泛的软件工具包有ART001Kit, Vuforia,EasyARo ARToolKit最初是由华盛顿大学人机接口技术实验室开发的，是基于c语言及OpenGL的增强现实系统开发工具包，因其源代码的开放性使用者众多。vuforia是商业化收费的成熟AR SDK。EasyAR是国内投入应用的免费AR SDK，其识别兼容性、稳定性和反应速度有较好表现，因此选择了国内研发的EasyAR SDK开发AR大学教材。
AR大学教材建设主要步骤如下：
（1）用EasyAR引擎的标识技术添加自定义Marker；
（2）使用3Ds Max完成知识点的模型创建；
（3）导入Unity3D平台，进行场景搭建及UI界面制作；
（4）采用C#语言完成动作脚本编辑，构建AR跟踪、识别、渲染功能入口；
（5）从Unity3D 导出Eclipse工程文件，生成类库jar；
（6）在Eclipse中构建基于安卓的AR应用程序工程；
（7）完成以上工作后即可发布应用程序，安装在手机终端进行测试应用。
4 结论(Conclusion)
本文探讨了增强现实技术运用于纸质大学教材的应用优势及意义，并初步完成了增强实现技术与纸质教材结合的AR大学教材系统。该系统实现了虚拟扩展信息的显示、旋转和缩放，但还存在许多应改进的地方：例如可增加实际地理位置信息、导航等。总体来说,AR大学教材系统改善了纸质教材信息表达单一、缺乏交互的问题，达到增强信息表达的目的。
参考文献(References)
[1] 李江·基于ARTooIKit的增强现实技术在恐龙博物馆中的应用研究[D]·西南交通大学，2010.
[2] 卞贤掌,费海平,李世强.基于语义分割的增强现实图像配准技术[J].电子技术与软件工程,2018:94-97.
[3] 刘安森,张威巍,王光霞.无标识纸质地图增强现实技术研究与实现[J].测绘工程,2017:67-73+83.
[4] 徐敏,童强,陈栋才,向康琴.基于ARToolKit的增强现实课件的设计与制作[J].现代计算机(专业版),2015:65-69.
[5] 葛良水,胡少华,商莹.基于ARToolKit的二维码多标识增强现实系统[J].机械设计与制造工程,2018:113-117.
作者简介：
姜浩(1987-)，男，本科，工程师，研究领域：软件工程、虚拟现实