增强现实技术在幼儿立体书研发中的应用

敬清+王红兵+肖选婷+杨瑞

摘 要：目前，幼儿教育备受人们关注。书籍是幼儿教育的必备工具，在幼儿教育中占有重要地位。传统幼儿书籍以二维平面图画为主，所含内容比较枯燥单一，不能满足幼儿的心理需求，立体书籍的发展在一定程度上改变了该现状。结合幼儿教育与幼儿心理特征，运用多媒体技术、3D建模和交互技术，对基于增强现实技术的幼儿立体书进行设计开发，一定程度上促进了增强现实技术在幼儿教育领域的应用。

关键词：增强现实技术；幼儿立体书；三维建模；多媒体技术

DOIDOI：10.11907/rjdk.162261

中图分类号：TP319

文献标识码：A文章编号：1672-7800（2016）012-0113-03

0 引言

增强现实技术作为一个新兴的多学科交叉研究领域，目前已广泛应用于军事、医疗、娱乐、工业、建筑等行业，然而涉及教育的应用却为数不多[1]。这一方面与增强现实技术所需要的高端设备有关，另一方面也与目前增强现实技术的发展水平息息相关。但随着信息革命的大潮，增强现实技术的发展日益成熟，其在教育中的应用日益广泛。国外已有将增强现实技术应用在纸质书籍中的相关研究，其原理是在传统出版物的基础上利用增强现实技术的三维注册和摄像头的图像识别，实现虚实结合的立体出版物[2]。目前，国内外对于增强现实技术在立体书籍中的研究应用都处于初级阶段，特别是增强现实技术在幼儿书籍中的应用较少[3]。

增强现实技术与传统纸质书籍的结合，既保留了传统的阅读习惯，又实现了多维互动和虚实结合的体验，极大地激发了幼儿的学习积极性，非常适合幼儿的认知发展[4]。本研究依据增强现实、幼儿书籍应用以及幼儿心理等相关理论与实践，结合实际软硬件设备，设计开发基于增强现实技术的幼儿立体书，并针对研发过程中的系列问题探索了相应的解决方法。

1 基于增强现实技术的幼儿立体书概述

1.1 增强现实

增强现实（Augmented Reality，简称AR），也称为混合现实或扩增现实，是指运用计算机技术，将虚拟信息运用到真实世界中，使真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到同一个画面或空间，实现真实世界和虚拟世界的“无缝”集成，从而增强人们对真实世界的理解与体验[5]。

1.2 基于增强现实技术的幼儿立体书

立体书在西方欧美业界被称作Pop-Up Book，也有称之为Movable Book（可动书）[6]，本文将所有超越传统纸本的图书统称为立体书。基于增强现实技术的幼儿立体书在具有普通立体书籍立体效果的同时还具有交互逼真的特征。它是运用增强现实技术将虚拟信息运用到普通书籍中，使虚拟与现实无缝结合，创造出形象的三维立体效果，增强幼儿对书籍内容的理解与体验。爱玩是孩子的天性，但是学习又是孩子成长的必要过程。基于增强现实技术的幼儿立体书既具有书的内容和形式，又兼备玩具的趣味和功能，在一定程度上满足了幼儿的心理发展需求。

1.3 研究现状

目前，国内幼儿书籍的设计与开发、推广与营销处于初步阶段，影响力较弱，并且制作的精良成品较为少见，涉及领域较窄，少数中还夹带媒体广告。适合幼儿的特殊图书中，有在制作工艺上创新的立体书，有在功能上升级的玩具图书，但这众多书籍仅仅是对插图、材质、结构的设计，已经不能满足当下数字化时代小读者的认知审美心理需求。而国外早在20世纪中期便已大量设计制作立体书及相关产品，优秀的儿童书籍设计大多集中在英、美、法、德等欧美国家[7]。但目前国内外立体书的表现形式只是停留在传统纸质书籍的基础上。

1.4 研究可行性分析

信息时代背景下的传统幼儿书籍存在以下局限：①内容缺乏创新。随着信息时代的到来，信息量的增大和内容的迅速传播给传统书籍带来了强烈冲击，传统幼儿书籍在内容上更新缓慢，缺乏新的故事题材和创新意识；

②缺乏想象力。传统幼儿书籍说教成分偏多，枯燥乏味，缺乏互动，在一定程度上遏制了孩子的想象力；

③忽视了幼儿心理活力特点。传统幼儿书籍针对性较弱，未能很好地契合幼儿心理，在一定程度上缺乏趣味性、专业性和人性化。

传统幼儿书籍自身的局限性和信息时代对现代书籍的影响以及幼儿自身的心理需求，都对基于增强现实技术的幼儿立体书提出了诉求，并且目前显示设备、虚实结合、人机交互等关键技术的发展为相关研究提供了技术支持。

2 基于增强现实的幼儿立体书结构与功能

2.1 基本结构

基于增强现实技术的幼儿立体书融合现代教育理念，应用增强现实技术及幼儿学习心理等研究领域中的最新研究成果，通过三维虚拟场景构建，将纸质科普图书中原本用文字和插图描述的学习情节转换为三维立体的科普知识场景，活灵活现的科普场景生动地展现在幼儿面前，方便操控的互动形式，完全贴合幼儿天真、好动的心理，使其脱离呆板的阅读模式[8]。

基于增强现实技术的幼儿立体书主要由传统纸质书籍和增强现实交互系统组成。纸质书籍主要由文字和图片组成，主要选取幼儿感兴趣的科普和生活类知识。幼儿进行阅读时直接运行客户端程序，程序通过识别图像轮廓，会在终端显示与图书内容相关的特定的三维场景。阅读过程中可实现人机交互，有声音和画面的双重功能，使幼儿有更为良好的体验效果。

2.2 基本功能

基于增强现实技术的幼儿立体书主要有虚实结合、形象、交互等功能。幼儿在进行基于增强现实技术的幼儿立体书阅读时，可以通过终端屏幕看到图书内容，不仅包括图书中的文本图画，还叠加有与图书内容相关的三维知识景象以及相应的音频等。巧妙地将纸质图书内容与虚拟场景进行叠加，可对幼儿产生强烈的视觉、听觉冲击。在阅读过程中，幼儿还可以通过与图书交互以更好地探索、发现和建构知识，消除幼儿的疲倦乏味心理，以更好地促使幼儿身心全面发展。

3 基于增强现实技术的幼儿立体书开发

3.1 开发模式

基于增强现实技术的幼儿立体书开发流程如图1所示。

图1显示，整个开发流程主要分为5个阶段：设计、开发、调试、使用、反馈。这5个阶段相互独立又相互渗透，其中，设计、开发、调试、使用是相对独立的阶段，前者的输出是后者的输入。开发阶段在整个流程中最为核心，它是设计思想的实现过程，又是调试的前提。反馈这一环节贯穿整个流程，针对整个过程中出现的系列问题进行重新设计开发并及时调整，以达到预期效果。

3.2 开发过程

利用上述开发模式，首先需要建立整体设计思想，主要是对整体创作及其主体思想的选定，本次研究的主体是幼儿，所以在设计中要以幼儿的心理特征为依据，主要选择自然科普、生活、卡通类的题材，激发孩子的学习兴趣，然后进行立体书的研发制作。本研究以《毛毛虫变蝴蝶》一节为例来阐述整个开发流程。

3.2.1 纸质图书制作

考虑到软件系统的兼容性，在设计制作中统一使用Adobe公司的制图软件。首先运用Adobe Illustrator CS6进行矢量绘图，然后运用Adobe Photoshop CS6进行颜色调整和修图，再利用Adobe Illustrator CS6进行文字图片编排输出，最后送印刷社进行印刷并装订成册。

3.2.2 三维模型制作

幼儿思维的主要形式是形象思维，主要是通过感知、依靠表象来认识事物，因此三维模型设计是基于增强现实技术的幼儿立体书设计的最重要组成部分。在整个设计中，运用Autodesk Maya 2014创建三维场景、制作三维视觉效果，并结合数字化布料模拟、毛发渲染、运动匹配技术制作出的三维物体更具真实感，也能够更好地融合到真实场景中，锻炼幼儿的形象思维。为了激发幼儿的学习兴趣，在三维模型制作中主要采用自然科普、生活类题材的案例进行展示。制作过程及效果如图2所示（以蝴蝶模型为例）。

3.2.3 素材制作

在基于增强现实技术的幼儿立体书制作过程中，需要通过音频、图片及视频的编辑制作来实现一定的效果。要使得图片、音视频的效果符合幼儿的心理发展，不能简单地直接采用，要进一步作优化处理。在制作这些素材时主要用到Adobe公司的Photoshop、Premiere、Audtion等软件，处理图片时选择最受欢迎的图像处理软件之一Adobe Photoshop CS6。用Adobe Audition 3.0来进行音频录制、混合、编辑、控制和效果处理。在视频编辑和特效处理过程中，选择使用Adobe Premiere CS6和Adobe After Effects CS4。部分制作如图3所示。

3.2.4 交互程序实现

本研究选择Unity3D 4.3.4的版本实现交互程序。首先将建模中所需使用的图片、文本、音频、文件夹以及模型中的物体、材质等全部导入，然后用Unity3D引擎实现交互。运用图片轮廓图线条对比技术对所做的传统书籍图片库进行图片识别，以摄像头实施画面作背景显示3D模型。最后运用语音识别技术在Unity3D中实现简单的语音识别功能，实现图片和声音的双重交互。

3.2.5 幼儿立体书调试

如图4所示，在移动终端进行调试，如果能够进行三维模型显示，并能进行基本交互则调试成功，就可以投入体验使用；否则调试失败，需要重新反馈调整，然后循环进行，直至调试成功。

4 结语

增强现实技术作为新兴技术，将其应用于幼儿立体书开发中，能够在一定程度上满足幼儿的心理发展需求，激

发幼儿学习兴趣，但也难免存在一些问题。比如理论方面

对幼儿心理认识浅显，实践方面制作过程专业性不高等。针对这些问题，本文探索出一些解决方法：关于理论方面，需要进行充分的文献调研和观摩体验，可以分析国内外相关文献，针对国外研发的图片及视频进行观摩体验；关于实践方面，需要加强技术性软件的操作及应用，让所开发出来的幼儿立体书既具有趣味性又便于操作，实现基于增强现实技术的幼儿立体书在视觉、听觉、触觉、动作等方面的多元化呈现。

通过基于增强现实技术的幼儿立体书的学习，幼儿能够获得虚实结合、实时交互、深度沉浸的体验。不管是从形式上还是内容上，阅读立体书的体验会对幼儿的思想产生潜移默化的影响，有效激发幼儿创新、冒险、尝试的潜质。基于增强现实技术的幼儿立体书将在内容与功能上向高度专业化和人性化方向发展。

参考文献：

[1] 张洪波.增强现实技术在教学中的应用研究[D].开封：河南大学，2012.

[2] 夏少琼.增强现实技术在儿童出版物中的应用与实现[D].北京：北京工业大学，2013.

[3] MEDHA TARE，CYNTHIA CHIONG，PATRICIA GANEA.Less is more：how manipulative features affect children's learning from picture books [J].Journal of Applied Developmental Psychology，2010（31）：395-400.

[4] 夏少琼.增强现实技术在儿童出版物中的应用与实现[D].北京：北京工业大学，2013.

[5] 雷静.增强现实技术在教学中的应用[J].中国教育技术装备，2011（35）：7-8.

[6] 董世斌.立体书出版发展现状与前景探析[J].中国出版，2014（5）：45-47.

[7] 董世斌.立体书出版发展现状与前景探析[J].中国出版，2014（5）：45-47.

[8] 李勇帆.儿童增强现实交互学习机[P].中国专利，201120528795，2012-7-25.

（责任编辑：孙 娟）