基于AR技术的学习系统的设计与研发

金砺，严武军，苏国强

（太原师范学院计算机科学与技术系，晋中 030619）

基于AR技术的学习系统的设计与研发

金砺，严武军，苏国强

（太原师范学院计算机科学与技术系，晋中 030619）

AR技术将虚拟的事物与现实世界结合，给人一种沉浸感。探究将AR技术运用到高校学生学习中，解决高校学生对书籍深感枯燥的问题。介绍AR技术，并开发一个基于AR技术的学习系统，系统中客户端是一个手机App，学生可以利用这个App来辅助学习，提高学习兴趣。

AR；增强现实；学习系统

0 引言

增强现实（Augmented Reality，简称AR），是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。这种技术最早于1990年提出。随着随身电子产品运算能力的提升，增强现实的用途越来越广，增强现实技术具有广阔的发展前景，研究增强现实技术在教育方面的应用具有重要的意义。

例如《物联网导论》是一门概述性的课程，课程为读者勾画出一个具有鲜明特征的物联网时代，系统地阐述了物联网的层次结构和功能划分。作为大学老师的教学，重点不应该是将书中的这些概念复述给学生，这些概念性的知识应该由学生自己查看，而面对一大堆的文字描述，即使作者写的再有趣，学生也难免会感觉枯燥，读不了几页就会厌烦。那么如果运用AR技术，学生在看文字的同时还在文字旁边出现相应的视频，3D模型等，这些虚拟的事物出现在现实中，那么学生的学习积极性必然指数倍的增长。

1 系统分析

系统主要分为客户端和服务器端两大部分。客户端即手机App，学习物联网导论的学生可以打开App对《物联网导论》课程进行扫描，当识别到是某些特定的页面时，就会有与本页内容相关的学习视频出现在书中，并进行播放。该客户端要求界面简单，操作简单，并具有良好的交互性。服务端即后台管理系统，功能主要是对学习视频进行管理，还有手机App的更新。

系统功能结构图：

●管理员管理模块：后台人员可以通过管理员账号密码登录，普通管理员登录后可以对学科、视频进行管理，可以更新手机App。超级管理员还可以对管理员进行管理，可以增加删除普通管理员。

●学科管理模块：学科管理模块主要用来进行课程结构的搭建，在此模块，可以对学科进行添加、更改和删除，学科中可以添加课程、删除课程、更改课程。

●视频管理模块：视频管理模块用来管理视频资源，可以添加视频、修改视频信息、删除视频，添加视频资源后，可以查询视频网址。

●App管理模块：进行App的更新，上传App后，自动将App地址跟新。

表1 数据库表

数据库需要存放学科、课程、视频、App和管理员信息，可以建5个表，表名分别为course、lesson、vedio、App、admin。其中course表中创建的字段有：id、name，name中存放学科名称。lesson表中创建的字段有：id、name、cid、imgurl、cname，name中存放课程名，cid存放该课程所属学科的id，imgurl中存放课程图片地址，cname中存放所属学科名称。video表中创建的字段有：id、sid、cid、name、address、cname、sname，sid中存放所属课程的id，cid中存放所属学科的id，name存放视频名称，address中存放视频存储地址，cname中存放所属课程名称，sname中存放所属学科名称。App表中创建的字段有id、url，url中填手机App的存储地址。admin表中创建的字段有：id、adminname、password，adminname中存放管理员名，password中填管理员密码。

2 系统实现

后台语言使用PHP语言，使用MVC编程模式，采用单入口的结构进行后台搭建。在访问后台主页时，会有一个判断是否已经登录的程序，如果没有登录，则会自动跳转到登录页面，代码如下：

后台页面除主页和登录页外还有注册页reg.html、学科管理页kecheng.html、添加学科页addcourse.html、添加课程页 showaddlesson.htm l、视频管理页 vedio. html、提示页notice.html。后台界面如图2所示。

图2 后台界面

学科管理模块包括两个页面：学科管理页、添加学科页。学科管理页是对课程的结构进行管理，可以进行删除学科、修改学科、添加课程、删除课程、修改课程的操作。其中添加课程功能就是在数据库lesson表中添加一条，添加的信息有课程名称、课程图片、所属学科的名称、所属学科的id。添加学科页是新增一个学科，新增学科会在course表中新增一条数据，数据中添加的信息是学科名称。

视频管理页可以进行视频的添加、删除、修改和查询操作，可以对video表中数据进行修改和删除。

手机App使用Unity3D制作，以物联网导论为例，准备物联网导论书籍某些页面（即页面的照片），还有与这些页面相关的学习视频。将学习视频上传到后台管理系统中，并获得视频的网址。资源都准备好后，进行搭建。参照开发文档中的“识别标识图片播放视频”这篇文档，将识别图（即准备好书籍页面）和视频进行关联，并打包成手机App。

做出图像识别功能后，考虑到添加新的一组资源很不方便，需要重新打包手机App。所以需要使用太虚AR云识别功能。制作assetbundle资源，上传到太虚AR云服务平台。使用云识别功能后，要添加一组资源就很方便了，只需往太虚AR云服务中上传assetbundle资源即可。手机界面如如3所示，识别成功后如图4所示。

图3 手机界面

图4 识别成功

在进行测试时，发现一些不方便的地方，以下是对这些地方的优化。

（1）退出应用不方便，点击手机返回键无法退出应用，一般手机应用都是点击两次返回键后退出应用，这样的用户体验还是很友好的。添加点击两次返回键退出应用功能需要在AllDemoUI.cs脚本中进行编写。首先需要定义一个为点击次数做记录的变量 “int es鄄capeTimes=0;”。然后在Update中添加如下代码：

这样在点击两次返回按钮后，应用程序就可以正常退出。

（2）屏幕常亮。在使用手机App时要打开摄像头，手机屏幕中会显示拍摄到的场景。由于很多人会设置手机屏幕在一段时间后会自动关闭，用户要继续使用手机App就需要触摸屏幕让屏幕激活。这样显然很麻烦，因为这款手机App使用时间一般比较长，在长时间内学生需要不断地激活屏幕会使得学生感到麻烦，所以添加了屏幕常亮功能，在进入App成功后，手机就会被设定为屏幕常亮。代码为：“Screen.sleepTimeout= SleepTimeout.NeverSleep;”这句代码写在AllDemoUI.cs脚本中的start中。

（3）网络判断。在使用手机App时，无论手机设备是否联网，都会打开手机摄像头，在识别图像时，如果没有联网，识别多久都无法出现教学视频，因为教学视频等资源并没有安装到手机App中，那样会造成手机App体积过大，学生就不愿意安装。所以教学视频等资源是实时地从网上打开并播放，这就要求手机需要联网。但是上述所开发的手机App并没有网络识别功能，学生使用时如果没有联网，就无法识别成功，学生可能并不知道手机需要联网，或者忘记联网，当长时间识别没有反应时，学生可能就会产生误解，以为本页中没有相关资源。所以网络识别功能很是必要。并且如果用的网络是移动网络也要给予提示，避免流量在不知情的情况下消耗。

由于需要给予用户提示，所以要在界面上添加提示，这些提示刚开始都是隐藏的。当未联网时才会显示出没有联网的提示，当使用的是移动网络时，显示使用移动网络的提示。

代码如下：

这些代码写在AllDemoUI.cs文件中的Update中，这样就会在网络发生变化时也给予相应的提示。

（4）识别后的优化。在测试时，当识别图像成功后就会播放相应的视频，当手机移动，识别的图像不在屏幕中后，视频也会消失。虽然这样在AR技术中很合理，但是考虑到我们对于他的应用是用于辅助学生学习，当学生识别某页书成功后，正在播放视频资源，但是由于自己的移动，视频消失，学生还需要重新识别。这就给学生带来了一定的麻烦，当图像识别成功后，学生的注意力已经集中在出现的教学资源中，不再关注周围场景，所以应该图像识别成功后即使图像离开屏幕，也不要将教学资源消失。学生如需离开，可以手动退出识别。这需要修改Marker.cs文件，代码如下：

3 结语

本系统是基于AR技术的学习系统，AR技术能让虚拟的事物、场景等出现在现实世界中，可以给人们强烈的视觉体验。这种技术可以运用到教育领域，它能够让学生乐于学习，大大提高学生学习的积极性！

[1]韩卫关.增强现实技术在采矿工程实验教学中的应用[J].地球,2015(8).

[2]张洪波.增强现实技术在教学中的应用研究[D].河南大学，2012.

[3]李文霞,司占军,顾翀.浅谈增强现实技术[J].电脑知识与技术,2013(28)：6411-6414.

[4]周大镕.基于增强现实的体验式教学演示软件的设计与实现[D].广西师范大学,2014.

Design and Development of Learning Platform Based on AR Technology

JIN li，YANWu-jun，SU Guo-qiang
（Departmentof Computer Science and Technology,Taiyuan Normal University,Jinzhong 030619）

AR technology combines virtual thingswith the real world,gives people a sense of immersion.Explores the application of AR technology to the study of college students,solves the problem of college students’deeply bored books.Describes the AR technology,and the devel鄄opment of a learning system based on AR technology,the system is amobile phone client App,students can use this App to assist learn鄄ing,improve learning interest.

金砺（1958-），女，山西忻州人，硕士研究生，教授，研究方向为嵌入式计算机及物联网技术

2017-03-28

2017-05-03

1007-1423（2017）13-0081-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.13.019

严武军（1973-），男，山西侯马人，硕士研究生，副教授，研究方向为人工智能、UX和物联网

苏国强（1992-），男，山西晋中人，硕士研究生，讲师，研究方向为嵌入式系统与物联网技术

AR;Augmented Reality;Learning System