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摘要：增強現(xiàn)實（AugmentedReality，簡稱AR）是一種新型多媒體計算機技術(shù)，其集成了機器學習、模式識別、3D建模、多媒體顯示等技術(shù)，可以為用戶提供一個具有沉浸感、交互性、智能化的系統(tǒng)。計算機軟件教學作為AR技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域，其可以根據(jù)需求創(chuàng)建一個裝配式開發(fā)環(huán)境，擴展當前軟件開發(fā)環(huán)境內(nèi)容，利用各類型建模組件展示軟件開發(fā)過程，不需要購置和建立大型應(yīng)用環(huán)境，利用3D模型模擬真實世界軟件開發(fā)環(huán)節(jié)和成品，進一步提高計算機軟件教學的成效。

關(guān)鍵詞：增強現(xiàn)實；軟件開發(fā)；教學；自然交互

計算機軟件教學是當前高等院校、培訓機構(gòu)的重要課程，常規(guī)的計算機軟件教學需要購置較多的軟硬件資源，比如配置計算機機房，部署軟件生成環(huán)境，保證軟件正常開發(fā)和可靠運行。計算機軟件教學需要耗費大量的資金購置、建設(shè)研發(fā)環(huán)境，同時這些軟硬件設(shè)備資源具有一定的壽命，不利于長期使用；同時教學過程比較枯燥，無法實時的展示軟件成品未來運行狀態(tài)，這樣就不利于提高軟件運行的可靠性，因此本文提出利用增強現(xiàn)實AR技術(shù)構(gòu)建一個集成化的教學環(huán)境，這樣就可以提高軟件預(yù)期，將現(xiàn)實軟件開發(fā)需求和虛擬開發(fā)環(huán)境進行集成，更好地激發(fā)學生的興趣和積極性，進一步提高軟件教學質(zhì)量［1］。

一、AR技術(shù)

增強現(xiàn)實AR技術(shù)是一種集成多媒體、人機交互、設(shè)備建模的信息技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)計算機機器學習、模式識別、圖像處理，是計算機發(fā)展到一定階段的高科技產(chǎn)物。增強現(xiàn)實AR技術(shù)能夠?qū)崟r跟蹤用戶手勢，感知用戶的邏輯業(yè)務(wù)操作，然后生成一個虛擬的、沉浸的操作環(huán)境，整合多種信息技術(shù)，將其輸出到視頻顯示器中，同時可以配合語音輸出到播放器，具有重要的作用［2］。目前，增強現(xiàn)實AR技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到普及，比如可以應(yīng)用到古跡文物保護、工業(yè)制造裝配、娛樂游戲、旅游展覽、飛行訓練，形成了一個強大的科研教學、工業(yè)設(shè)計、精工制造平臺［3］。增強現(xiàn)實AR可以讓位于不同地點的玩家進入到一個仿真的環(huán)境中，以虛擬替身為操作對象，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)游戲的操作。

二、基于AR的計算機軟件教學工具設(shè)計

（一）教學工具功能分析?；谠鰪姮F(xiàn)實AR的計算機軟件教學可以有效解決當前時空受限、設(shè)備更新維護代價高、教學成效不突出等問題，為每一個學生分發(fā)一個虛擬教學環(huán)境登錄賬號，然后進入到虛擬教學系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以重組部署軟件研發(fā)服務(wù)設(shè)備、構(gòu)建人文信息環(huán)境、生成網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)等，有效地提高了計算機軟件教學的娛樂性，激發(fā)學生的創(chuàng)造力和主動性。增強現(xiàn)實AR軟件教學是一個多媒體系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計了一個實例渲染算法，能夠生成一個GUI交互常見，通過攝像頭和手勢輸入各類型的對象元素，渲染軟件研發(fā)部署服務(wù)器、終端和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，能夠?qū)崟r的展示每一個軟件研發(fā)設(shè)備的組成和部署運行情況，展示軟件運行時組件裝配的功能及作用，保證用戶不僅可以理解軟件模塊的構(gòu)成、作用，同時還可以明白軟件模塊的工作原理及過程，更加形象和直觀，具有極大的挑戰(zhàn)性［4］。增強現(xiàn)實AR軟件教學系統(tǒng)主要包括四個關(guān)鍵組成，分別是應(yīng)用邏輯組件、GUI交互界面、實例腳本、視頻場景渲染。GUI可以為用戶提供一個簡單的可視化交互向?qū)?，用戶可以通過這個可視化向?qū)л斎虢换バ孕畔ⅲR時性地添加各類型的軟件組件，部署軟件運行的硬件設(shè)備，包括服務(wù)器、交換機、路由器、終端設(shè)備等，同時還可以將這些硬件設(shè)備之間利用FTP協(xié)議、IP協(xié)議、TCP協(xié)議等，實現(xiàn)軟件運行管理、設(shè)備部署和協(xié)議配置。視頻渲染組件可以將軟件教學系統(tǒng)的軟件協(xié)議運行出來，利用紅色、綠色的箭頭傳輸信息，從軟件教學系統(tǒng)中標注出來，具有重要的作用和意義［5］。增強現(xiàn)實AR軟件教學系統(tǒng)的核心功能，該功能開發(fā)中采用了增強現(xiàn)實AR、3D建模、自然手勢識別等技術(shù)，可以提高軟件教學系統(tǒng)的沉浸感和真實感，確保用戶操作的可靠性。增強現(xiàn)實AR能夠為用戶提供強大的操作支撐，為用戶提供有力的信息管理模式。課程設(shè)計過程中，利用3D建?？梢詷?gòu)建一個強大的操作服務(wù)功能，該功能能夠利用強大的操作管理內(nèi)容，構(gòu)建一個強大的操作支撐，利用3DS-max、Maya、Photoshop等集成化的軟件構(gòu)建一個建模功能，實現(xiàn)信息的操作服務(wù)功能，利用骨骼、蒙皮構(gòu)建動態(tài)的操作處理模式，保證業(yè)務(wù)的實時化開展，實現(xiàn)信息的加工和服務(wù)，進一步提高企業(yè)的良好處理能力［6］。自然手勢識別可以利用數(shù)據(jù)處理、機器學習等功能構(gòu)建強大的操作，進一步管理企業(yè)的交互性、透視性和友好性，保證用戶操作的良好性，方便用戶交流使用。（二）教學工具總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。增強現(xiàn)實AR軟件教學系統(tǒng)在執(zhí)行時可以劃分三個層次，分別是用戶終端層、虛擬渲染層、后臺資源層，每一個層次之間都可以使用接口進行連接，接口可以實現(xiàn)用戶信息認證、組件模型傳輸、應(yīng)用服務(wù)處理，系統(tǒng)需要將服務(wù)器和用戶邏輯業(yè)務(wù)隔離起來，這樣就可以保護每一層的資源是邏輯獨立的，能夠為軟件教學提供強大的支撐。軟件教學引入增強現(xiàn)實AR技術(shù)，充分地利用先進的云計算、多媒體、人工智能技術(shù)實現(xiàn)實驗室人員、設(shè)備精細化管理［7］。因此，為了提高增強現(xiàn)實AR軟件教學系統(tǒng)的普適性，軟件設(shè)計師提出了瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)，將分布式管理系統(tǒng)劃分為瀏覽器、Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器三層。用戶只需要知悉分布式管理系統(tǒng)Web服務(wù)器地址，將其輸入到IE瀏覽器，即可實現(xiàn)登錄、認證和操作。Web服務(wù)器可以在IE瀏覽器上利用表單功能顯示一個交互界面，用戶只需要在該界面中輸入邏輯業(yè)務(wù)請求，Web服務(wù)器完成信息解析之后，如果請求中不包含數(shù)據(jù)處理，將處理結(jié)果封裝起來反饋給IE瀏覽器；如果請求中包括數(shù)據(jù)處理，Web服務(wù)器將其發(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的添加、刪除、修改或查詢，并且將結(jié)果反饋給Web瀏覽器，Web瀏覽器將處理結(jié)果封裝在一起，反饋給IE瀏覽器。增強現(xiàn)實AR軟件教學系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計如圖所示。（三）教學工具關(guān)鍵技術(shù)。增強現(xiàn)實AR應(yīng)用研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)很多，主要可以劃分三類，分別是注冊技術(shù)、虛擬對象生成技術(shù)和顯示技術(shù)［8］。（1）跟蹤注冊技術(shù)跟蹤注冊技術(shù)可以將虛擬信息、真實環(huán)境進行配準注冊，實現(xiàn)虛擬信息和真實場景的無縫疊加。目前，跟蹤注冊技術(shù)主要是基于機器學習，實現(xiàn)跟蹤物體特征的預(yù)處理和增強。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為了提高跟蹤注冊的準確度，又開始引入深度學習規(guī)則，深度學習規(guī)則作為一個多層次的感知神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用強度值向量、矩陣向量等特征的數(shù)據(jù)進行深度學習，能夠更加有效地實現(xiàn)特征識別和提取。支持向量機能夠為跟蹤注冊提供一個性能非常強大的圖像處理技術(shù)，構(gòu)建一個強大的樣本數(shù)量進行非線性數(shù)據(jù)挖掘，可以更加有效地適用于高緯度數(shù)據(jù)模式。支持向量機最為關(guān)鍵的目標函數(shù)就是核函數(shù)，如果樣本處于低維空間，解決的方法就是將其映射到高維空間，但是容易增加計算復(fù)雜度，核函數(shù)正好可以解決這個問題，只要在人工智能應(yīng)用時選擇一個合適的核函數(shù)，將其映射到高維空間進行分類，因此就可以獲取更多的目標函數(shù)。（2）顯示技術(shù)增強現(xiàn)實AR顯示系統(tǒng)是一個非常重要的組成模塊，為了達到逼真的虛實融合，提高增強現(xiàn)實AR應(yīng)用的便捷性，高效率的顯示器非常必要，目前顯示器包括頭盔顯示器（HMD）和非頭盔顯示設(shè)備。透視式頭盔為用戶提供信息顯示、環(huán)境錄入、虛擬融合情景，這些系統(tǒng)操作原理與增強現(xiàn)實AR領(lǐng)域中的沉浸式頭盔基本相同，與使用者交互的接口、圖像融合、顯示通道集成在一起，使用真實環(huán)境表現(xiàn)事實，基于CCD攝像頭安裝微型攝像機拍攝外部環(huán)境圖像，將計算機圖像進行處理之后可以融合虛擬與真實專家，將二者的圖像疊加在一起。光學透視頭盔顯示器可以利用安裝在用戶眼前的半透半反光學合成器與真實環(huán)境進行有效融合，真實場景直接透過半透鏡提供給用戶進行操作，經(jīng)過光學放大器提供給使用者，更好滿足沉浸式操作需求。（3）虛擬物體生成技術(shù)AR技術(shù)的目標是將虛擬世界的內(nèi)容疊加到真實世界，并且能夠利用算法程序?qū)崿F(xiàn)物體的動感操作，所以準確地為用戶提供一個動感模型，能夠提高增強現(xiàn)實AR系統(tǒng)應(yīng)用效果，目前，虛擬物體生成主要采用三維建模技術(shù)，可以全方位的展示虛擬物體的真實感。研發(fā)AR動感模型時，要全方位、立體化地展示物體對象，因此三維建模常用的軟件包括3DSMax、Maya、SKETCHUP和AUTOCAD等。虛擬物體生成過程中，自然交互是一個非常關(guān)鍵觸發(fā)技術(shù)，該技術(shù)可以輔助AR應(yīng)用軟件實現(xiàn)信息注冊，利用圖像進行標記實時的監(jiān)控外部輸入信息，內(nèi)部采用一個非常強大的特征提取、模式識別、事件觸發(fā)功能，進一步提高AR信息的操作處理特征，保證用戶處理過程中能夠?qū)崿F(xiàn)信息的加工，提取圖像模板物體的輪廓，實現(xiàn)基礎(chǔ)庫向顯示信息轉(zhuǎn)換。

三、結(jié)束語

增強現(xiàn)實AR軟件教學系統(tǒng)可以構(gòu)建一個仿真的學習、實踐環(huán)境，教師講授一段課程內(nèi)容之后，可以布置實踐操作任務(wù)，學生登錄仿真實踐環(huán)境，可以根據(jù)任務(wù)需求設(shè)計軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)邊學邊練，具有重要的作用。

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作者:吳小惠 單位:福建船政交通職業(yè)技術(shù)學院