Vuforia在中学化学仿真实验系统中的运用

陈浩 索南尖措 李红 王心悦

（西藏大学信息科学技术学院 西藏自治区拉萨市 850000）

1 引言

增强现实（AR），是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术。随着计算机技术发展，大量的AR SDK 相继问世。其中Apple 公司的ARKit、Google 公司的ARCore 和美国参数技术公司的Vuforia 等都得到了国内外开发者的普遍认可，并赢得了大量用户[1]。

中学化学是一门极其重视实验教学的基础学科。学生通过动手实践，反复观察实验现象，从而更加深刻的理解化学实验原理。然而，受限于课时等诸多缘由，大部分中学化学教师对于化学实验演示部分仅仅是一带而过，重视不足[2]。利用增强现实技术，可以将实验仪器和药品在真实的环境中再现，用户将得以自由地观察各类药品间的反应，更好地掌握化学知识。

2 化学仿真实验系统设计

Vuforia 与Unity3D 结合，可以很好的实现AR 交互功能，跨平台能力强。本文选用Vuforia 实现了核心AR 功能。

2.1 仪器展示模块

首先在Vuforia 官网为项目注册一个Key，并将选定的识别图上传，在线创建识别图数据库并下载待用。

将Vuforia 插件包和识别图数据库导入Unity3D 的Assets 目录下，将Prefabs 文件夹下的AR Camera 和Image Target 拖入场景。把要显示的仪器三维模型放到Image Target 下，作为其子物体。将之前注册的Key 填入App License Key 用来激活AR Camera。在脚本Image Target Behaviour 中设置好AR 识别图类型、识别图数据库、识别图名称、识别图宽高等信息。到此，仪器展示模块基本设置完成。

2.2 虚拟按钮控制模块

该模块主要通过检测虚拟按钮的触发与否，实现特定的动画效果。如在加热高锰酸钾制取氧气的实验中，通过单击虚拟按钮1，播放点燃酒精灯等动画效果,实验开始；点击虚拟按钮2,播放带关键帧的动画,实现取出导管，撤去酒精灯等一系列动画效果，实验演示结束，其交互流程图如图1所示。

图1：AR 交互流程图

图2：酸碱滴定PH 值变化曲线

实现虚拟按钮，首先将Prefabs目录下的VirtualButton拖入场景，并作为Image Target 的子物体。尤其需要注意的是，VirtualButton应放尽可能地放在识别图中心位置，否则有可能导致虚拟按钮显示成功率降低。编写脚本，核心代码如下：

将上述脚本挂载在游戏对象上，在Unity 平台上进行测试，利用计算机或者手机摄像头扫描识别图，即可显示虚拟模型和虚拟按钮，单击按钮可实现交互功能[3]。

2.3 实验参数显示模块

实验参数显示模块主要用来动态的显示在化学反应中生成的沉淀质量，气体体积、PH 值等重要信息。本模块要根据真实的化学反应数据进行设计。如在稀盐酸滴定氢氧化钠实验中，PH 值随滴入稀盐酸的量变化不是简单的线性关系[4]，如图2 可见。因此在系统设计的时候应该尤其注意，尽可能的与真实数据靠拢，保证参数显示的准确性。

3 模块功能测试

在Unity3D 结合Vuforia 开发完成各模块的功能后，将其发布到PC 和Android 等移动平台进行测试。

本系统中设计了AR 实验器材和药品展示、AR 实验过程演示。均运行效果良好，无明显卡顿现象，在大多数普通移动设备上可以正常运行。AR 交互操作，如通过点击虚拟按钮能够实现相应操作，在虚拟模型上能够正常响应，动画和场景切换自然，符合预期目标。

但实验参数显示模块任有部分功能存在缺陷，诸如，由于数据为预先写入且数据量不足，数据显示过于死板，参数更新缓慢，需进一步改进。化学实验所产生的有色气体、沉淀、气泡等实验现象表现不够明显，也需进一步优化。

4 结论

增强现实技术为化学仿真实验系统的开发带来了更多可能性。Vuforia 在近年来发展迅猛，已推出最新版本Vuforia9.0。本文研究的基于 Vuforia 的化学仿真实验系统是一个集 AR 实验器展示、实验过程演示；实验进程控制；实验参数反馈等功能于一体的实验系统。该系统便于用户通过普通移动设备随时随地近距离观察化学实验现象，无需佩戴VR 眼镜等设备，大大降低了体验成本。