計算機軟件教學工具設計研究

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

關鍵詞：增強現實；軟件開發；教學；自然交互

計算機軟件教學是當前高等院校、培訓機構的重要課程，常規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，部署軟件生成環境，保證軟件正常開發和可靠運行。計算機軟件教學需要耗費大量的資金購置、建設研發環境，同時這些軟硬件設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，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實AR技術構建一個集成化的教學環境，這樣就可以提高軟件預期，將現實軟件開發需求和虛擬開發環境進行集成，更好地激發學生的興趣和積極性，進一步提高軟件教學質量［1］。

一、AR技術

增強現實AR技術是一種集成多媒體、人機交互、設備建模的信息技術，能夠實現計算機機器學習、模式識別、圖像處理，是計算機發展到一定階段的高科技產物。增強現實AR技術能夠實時跟蹤用戶手勢，感知用戶的邏輯業務操作，然后生成一個虛擬的、沉浸的操作環境，整合多種信息技術，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，增強現實AR技術經過多年的發展，已經在很多領域得到普及，比如可以應用到古跡文物保護、工業制造裝配、娛樂游戲、旅游展覽、飛行訓練，形成了一個強大的科研教學、工業設計、精工制造平臺［3］。增強現實AR可以讓位于不同地點的玩家進入到一個仿真的環境中，以虛擬替身為操作對象，實現對網絡游戲的操作。

二、基于AR的計算機軟件教學工具設計

（一）教學工具功能分析?；谠鰪姮F實AR的計算機軟件教學可以有效解決當前時空受限、設備更新維護代價高、教學成效不突出等問題，為每一個學生分發一個虛擬教學環境登錄賬號，然后進入到虛擬教學系統，該系統可以重組部署軟件研發服務設備、構建人文信息環境、生成網絡拓撲結構等，有效地提高了計算機軟件教學的娛樂性，激發學生的創造力和主動性。增強現實AR軟件教學是一個多媒體系統，該系統設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，渲染軟件研發部署服務器、終端和網絡協議，能夠實時的展示每一個軟件研發設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，具有極大的挑戰性［4］。增強現實AR軟件教學系統主要包括四個關鍵組成，分別是應用邏輯組件、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導，用戶可以通過這個可視化向導輸入交互性信息，臨時性地添加各類型的軟件組件，部署軟件運行的硬件設備，包括服務器、交換機、路由器、終端設備等，同時還可以將這些硬件設備之間利用FTP協議、IP協議、TCP協議等，實現軟件運行管理、設備部署和協議配置。視頻渲染組件可以將軟件教學系統的軟件協議運行出來，利用紅色、綠色的箭頭傳輸信息，從軟件教學系統中標注出來，具有重要的作用和意義［5］。增強現實AR軟件教學系統的核心功能，該功能開發中采用了增強現實AR、3D建模、自然手勢識別等技術，可以提高軟件教學系統的沉浸感和真實感，確保用戶操作的可靠性。增強現實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。課程設計過程中，利用3D建?？梢詷嫿ㄒ粋€強大的操作服務功能，該功能能夠利用強大的操作管理內容，構建一個強大的操作支撐，利用3DS-max、Maya、Photoshop等集成化的軟件構建一個建模功能，實現信息的操作服務功能，利用骨骼、蒙皮構建動態的操作處理模式，保證業務的實時化開展，實現信息的加工和服務，進一步提高企業的良好處理能力［6］。自然手勢識別可以利用數據處理、機器學習等功能構建強大的操作，進一步管理企業的交互性、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）教學工具總體結構設計。增強現實AR軟件教學系統在執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，接口可以實現用戶信息認證、組件模型傳輸、應用服務處理，系統需要將服務器和用戶邏輯業務隔離起來，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實AR技術，充分地利用先進的云計算、多媒體、人工智能技術實現實驗室人員、設備精細化管理［7］。因此，為了提高增強現實AR軟件教學系統的普適性，軟件設計師提出了瀏覽器/服務器架構，將分布式管理系統劃分為瀏覽器、Web服務器、數據庫服務器三層。用戶只需要知悉分布式管理系統Web服務器地址，將其輸入到IE瀏覽器，即可實現登錄、認證和操作。Web服務器可以在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務請求，Web服務器完成信息解析之后，如果請求中不包含數據處理，將處理結果封裝起來反饋給IE瀏覽器；如果請求中包括數據處理，Web服務器將其發送給數據服務器，實現數據的添加、刪除、修改或查詢，并且將結果反饋給Web瀏覽器，Web瀏覽器將處理結果封裝在一起，反饋給IE瀏覽器。增強現實AR軟件教學系統架構設計如圖所示。（三）教學工具關鍵技術。增強現實AR應用研發關鍵技術很多，主要可以劃分三類，分別是注冊技術、虛擬對象生成技術和顯示技術［8］。（1）跟蹤注冊技術跟蹤注冊技術可以將虛擬信息、真實環境進行配準注冊，實現虛擬信息和真實場景的無縫疊加。目前，跟蹤注冊技術主要是基于機器學習，實現跟蹤物體特征的預處理和增強。BP神經網絡為了提高跟蹤注冊的準確度，又開始引入深度學習規則，深度學習規則作為一個多層次的感知神經網絡，利用強度值向量、矩陣向量等特征的數據進行深度學習，能夠更加有效地實現特征識別和提取。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，構建一個強大的樣本數量進行非線性數據挖掘，可以更加有效地適用于高緯度數據模式。支持向量機最為關鍵的目標函數就是核函數，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雜度，核函數正好可以解決這個問題，只要在人工智能應用時選擇一個合適的核函數，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。（2）顯示技術增強現實AR顯示系統是一個非常重要的組成模塊，為了達到逼真的虛實融合，提高增強現實AR應用的便捷性，高效率的顯示器非常必要，目前顯示器包括頭盔顯示器（HMD）和非頭盔顯示設備。透視式頭盔為用戶提供信息顯示、環境錄入、虛擬融合情景，這些系統操作原理與增強現實AR領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，使用真實環境表現事實，基于CCD攝像頭安裝微型攝像機拍攝外部環境圖像，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AR技術的目標是將虛擬世界的內容疊加到真實世界，并且能夠利用算法程序實現物體的動感操作，所以準確地為用戶提供一個動感模型，能夠提高增強現實AR系統應用效果，目前，虛擬物體生成主要采用三維建模技術，可以全方位的展示虛擬物體的真實感。研發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鍵觸發技術，該技術可以輔助AR應用軟件實現信息注冊，利用圖像進行標記實時的監控外部輸入信息，內部采用一個非常強大的特征提取、模式識別、事件觸發功能，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實現信息的加工，提取圖像模板物體的輪廓，實現基礎庫向顯示信息轉換。

三、結束語

增強現實AR軟件教學系統可以構建一個仿真的學習、實踐環境，教師講授一段課程內容之后，可以布置實踐操作任務，學生登錄仿真實踐環境，可以根據任務需求設計軟件，能夠實現邊學邊練，具有重要的作用。

［參考文獻］

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作者:吳小惠 單位:福建船政交通職業技術學院