基于AR的儿童生活百科学习助手的设计与实现

白文秀, 高 源

(吉林师范大学 计算机学院， 吉林 四平 136000)

引言

近年来，随着VR和AR等新兴技术的飞速发展，已有越来越多的公司以及研究者陆续关注到、并投身于该项技术的探究与实践行列中。本文在此次儿童百科学习助手的研究中，即采用了比较热门流行的AR技术，设计开发了搜索百科知识的功能、通过相机扫描图片学习的功能、及与书本类似的常见的章节学习的功能。此外，还在该次设计中增加了用户管理的界面，在用户管理界面就可以查看当前的学习进度。本文将对这一课题展开研究论述如下。

1 实用关键技术总述

1.1 AR技术概述

增强现实(Augmented Reality，AR)，也称为扩增现实，可为人们提供与众不同的全新体验，而且在一般情况下，也与人们所感知的信息是不同的。AR技术的前身是虚拟现实技术，且都采用计算机技术作为自身的基础核心技术，以此来营造一个无论是视觉、听觉、还是触觉3个方面都拟实逼真的整体虚拟环境。

迄今为止，AR技术已经开始大规模地应用在智能手机上，利用智能手机上配有的设备(摄像机、螺旋仪、全球定位等)，最终将可在有限的手机屏幕上向用户展现出AR环境。

AR技术是一种对现实世界的高拟真度、创意无限、而又充满乐趣的补充与增强，而绝不是要使用完全虚拟的数据制造一个完全虚拟的空间来取代现实世界。

1.2 Unity3D技术概述

Unity3D是由Unity Technologies公司设计推出的专业的跨平台游戏开发及虚拟现实引擎。通过为用户搭建一个接近完美的跨平台程序开发生态链，用户可以借此轻松地进行各种丰富精彩的游戏创作与三维立体开发，从而创造出众多融合先进科技理念的游戏项目与虚拟仿真内容。

Unity的编译器可以运行在多个平台上，其尤为突出的优点和特色就是：一次开发就可以部署在多个主流的游戏平台上。就目前而言，Unity所能支持发布的平台即已多达21个，因而也成为时下不仅重要、而且颇为出色的开发工具。

2 需求分析

儿童百科学习助手的软件功能需求有搜索信息需求、扫描图片与现实的需求、用户管理的需求和章节学习的需求等。对此，可进一步地做出阐释分析如下。

(1)搜索信息需求。孩子需要直接搜索某个事物信息时，满足直接搜索信息的需求。

(2)扫描图片与现实需求。本软件是可以安装在手机系统上的。当孩子出去游玩时，遇到一个好奇但却未知的物品时，可以用手机扫描该物体，手机会回馈出当前物体的3D立体模型，同时附上该物品的简洁描述。

(3)用户管理需求。用户管理功能主要针对家长用户。家长通过使用该界面，可以查看孩子的学习进度，从而有利于家长对孩子今后的学习制定良好规划。

(4)章节学习需求。章节学习可以满足孩子在想学但是又无从下手时使用，每个章节都设有不同的生活常识，每当结束一个章节的知识学习后，总的学习进度就会随即提升一些。

3 系统整体流程设计

3.1 总体设计

系统设计目标可表述为：通过儿童百科学习助手可以使儿童发现学习兴趣、增加学习动力，同时也可以通过分步骤、有规划的引导式学习，在拓宽儿童成长空间的同时，优势提升儿童的学习效率，对此可做解读分述如下。

(1) 能够搜索指定物品的生活百科。

(2) 能够通过手机相机扫描识别物品，调取得出物品的基本百科信息。

(3) 能够通过章节进行有效的学习。

(4) 系统运行稳定、可靠。

3.2 系统功能设计

百科学习助手的登录设计流程如图1所示。百科学习助手的搜索设计流程如图2所示。百科学习助手的扫描设计流程如图3所示。百科学习助手的章节阅读设计流程如图4所示。

4 系统功能模块设计

本次研发中，系统功能结构设计如图5所示。由图5可知，关于其中各专题模块的设计要点可阐述如下。

图3 扫描流程 图4 章节阅读流程

图5 系统功能结构图

(1)界面跳转模块。主要包括登录界面的跳转、主界面的跳转、章节阅读界面的跳转、搜索信息界面的跳转、AR图片与实体扫描界面的跳转和用户管理界面的跳转。

(2)用户管理模块。当用户点击主界面的“用户管理”按钮时，用户跳转到“管理界面”，由此闪现的2个子功能按钮分别是：“学习进度”和“版本更新”。

(3)信息搜索模块。当鼠标点击“主界面”的“搜索”按钮时，跳转至“搜索界面”，主要包含3个子功能选项，分别是：文本输入框、搜索按钮和检索信息显示界面。

(4)AR识别模块。当鼠标点击主界面“扫描”按钮时，跳转到“扫描界面”。“扫描界面”主要包含2个子版块，分别是：相机扫描版块、按钮返回主界面版块。

5 系统测试

5.1 测试环境

计算机的配置为：Windows10、Unity3D5.6、Visual Studio 2017、Vuforia。手机选用了Honor 8。

5.2 测试用例

分析可知，系统测试的目的在于尽可能地发现程序中的未知错误。在本次系统测试的过程中，研究拟将采用计算机端测试以及手机端测试2种方式。为此，对系统内部重要功能进行了全面测试，详情可见如下。

(1)测试登录界面。检验允许正确登录和是否输入合法信息，检测结果可详见表1。

表1 登录界面测试

(2)测试搜索功能。检验正确搜索和非法搜索，检测结果可详见表2。

表2 搜索功能测试

(3)测试AR识别功能。检验AR识别功能是否可以正常使用，测试数据有2张图片：一张登记过和一张没登记过，检测结果可详见表3。

表3 AR识别功能测试

5.3 测试结果

功能测试表明系统功能可全部实现，完全达到了预期效果。而容错性测试则表明在软件打包发布成APK安装包安装到手机上时，界面还未能如PC端一样美观，因而有待后续的调整与改进。

6 结束语

本文重点致力于探讨基于AR的儿童生活百科学习助手的设计与实现。首先详尽给出了该系统的用户需求分析，进行了本次研究设计目的描述。其次，针对需求分析中的目标设定，研发提出了基于AR的儿童生活百科学习助手的功能结构设计和模块主题框架设计。最后，又对本次研发系统提供了系统功能测试。测试结果表明，完全达到了本次研发的设计目的。本文研究成果能够激发儿童学习兴趣，提升学习效率，具有一定的推广借鉴价值。