增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在幼兒立體書研發(fā)中的應(yīng)用

敬清+王紅兵+肖選婷+楊瑞

摘 要：目前，幼兒教育備受人們關(guān)注。書籍是幼兒教育的必備工具，在幼兒教育中占有重要地位。傳統(tǒng)幼兒書籍以二維平面圖畫為主，所含內(nèi)容比較枯燥單一，不能滿足幼兒的心理需求，立體書籍的發(fā)展在一定程度上改變了該現(xiàn)狀。結(jié)合幼兒教育與幼兒心理特征，運(yùn)用多媒體技術(shù)、3D建模和交互技術(shù)，對(duì)基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幼兒立體書進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，一定程度上促進(jìn)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在幼兒教育領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)；幼兒立體書；三維建模；多媒體技術(shù)

DOIDOI：10.11907/rjdk.162261

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7800（2016）012-0113-03

0 引言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一個(gè)新興的多學(xué)科交叉研究領(lǐng)域，目前已廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、娛樂、工業(yè)、建筑等行業(yè)，然而涉及教育的應(yīng)用卻為數(shù)不多[1]。這一方面與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)所需要的高端設(shè)備有關(guān)，另一方面也與目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展水平息息相關(guān)。但隨著信息革命的大潮，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展日益成熟，其在教育中的應(yīng)用日益廣泛。國外已有將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在紙質(zhì)書籍中的相關(guān)研究，其原理是在傳統(tǒng)出版物的基礎(chǔ)上利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維注冊和攝像頭的圖像識(shí)別，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的立體出版物[2]。目前，國內(nèi)外對(duì)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在立體書籍中的研究應(yīng)用都處于初級(jí)階段，特別是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在幼兒書籍中的應(yīng)用較少[3]。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與傳統(tǒng)紙質(zhì)書籍的結(jié)合，既保留了傳統(tǒng)的閱讀習(xí)慣，又實(shí)現(xiàn)了多維互動(dòng)和虛實(shí)結(jié)合的體驗(yàn)，極大地激發(fā)了幼兒的學(xué)習(xí)積極性，非常適合幼兒的認(rèn)知發(fā)展[4]。本研究依據(jù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、幼兒書籍應(yīng)用以及幼兒心理等相關(guān)理論與實(shí)踐，結(jié)合實(shí)際軟硬件設(shè)備，設(shè)計(jì)開發(fā)基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幼兒立體書，并針對(duì)研發(fā)過程中的系列問題探索了相應(yīng)的解決方法。

1 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幼兒立體書概述

1.1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡稱AR），也稱為混合現(xiàn)實(shí)或擴(kuò)增現(xiàn)實(shí)，是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，將虛擬信息運(yùn)用到真實(shí)世界中，使真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體實(shí)時(shí)地疊加到同一個(gè)畫面或空間，實(shí)現(xiàn)真實(shí)世界和虛擬世界的“無縫”集成，從而增強(qiáng)人們對(duì)真實(shí)世界的理解與體驗(yàn)[5]。

1.2 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幼兒立體書

立體書在西方歐美業(yè)界被稱作Pop-Up Book，也有稱之為Movable Book（可動(dòng)書）[6]，本文將所有超越傳統(tǒng)紙本的圖書統(tǒng)稱為立體書?；谠鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幼兒立體書在具有普通立體書籍立體效果的同時(shí)還具有交互逼真的特征。它是運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將虛擬信息運(yùn)用到普通書籍中，使虛擬與現(xiàn)實(shí)無縫結(jié)合，創(chuàng)造出形象的三維立體效果，增強(qiáng)幼兒對(duì)書籍內(nèi)容的理解與體驗(yàn)。愛玩是孩子的天性，但是學(xué)習(xí)又是孩子成長的必要過程?；谠鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幼兒立體書既具有書的內(nèi)容和形式，又兼?zhèn)渫婢叩娜の逗凸δ?，在一定程度上滿足了幼兒的心理發(fā)展需求。

1.3 研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)幼兒書籍的設(shè)計(jì)與開發(fā)、推廣與營銷處于初步階段，影響力較弱，并且制作的精良成品較為少見，涉及領(lǐng)域較窄，少數(shù)中還夾帶媒體廣告。適合幼兒的特殊圖書中，有在制作工藝上創(chuàng)新的立體書，有在功能上升級(jí)的玩具圖書，但這眾多書籍僅僅是對(duì)插圖、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，已經(jīng)不能滿足當(dāng)下數(shù)字化時(shí)代小讀者的認(rèn)知審美心理需求。而國外早在20世紀(jì)中期便已大量設(shè)計(jì)制作立體書及相關(guān)產(chǎn)品，優(yōu)秀的兒童書籍設(shè)計(jì)大多集中在英、美、法、德等歐美國家[7]。但目前國內(nèi)外立體書的表現(xiàn)形式只是停留在傳統(tǒng)紙質(zhì)書籍的基礎(chǔ)上。

1.4 研究可行性分析

信息時(shí)代背景下的傳統(tǒng)幼兒書籍存在以下局限：①內(nèi)容缺乏創(chuàng)新。隨著信息時(shí)代的到來，信息量的增大和內(nèi)容的迅速傳播給傳統(tǒng)書籍帶來了強(qiáng)烈沖擊，傳統(tǒng)幼兒書籍在內(nèi)容上更新緩慢，缺乏新的故事題材和創(chuàng)新意識(shí)；

②缺乏想象力。傳統(tǒng)幼兒書籍說教成分偏多，枯燥乏味，缺乏互動(dòng)，在一定程度上遏制了孩子的想象力；

③忽視了幼兒心理活力特點(diǎn)。傳統(tǒng)幼兒書籍針對(duì)性較弱，未能很好地契合幼兒心理，在一定程度上缺乏趣味性、專業(yè)性和人性化。

傳統(tǒng)幼兒書籍自身的局限性和信息時(shí)代對(duì)現(xiàn)代書籍的影響以及幼兒自身的心理需求，都對(duì)基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幼兒立體書提出了訴求，并且目前顯示設(shè)備、虛實(shí)結(jié)合、人機(jī)交互等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展為相關(guān)研究提供了技術(shù)支持。

2 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的幼兒立體書結(jié)構(gòu)與功能

2.1 基本結(jié)構(gòu)

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幼兒立體書融合現(xiàn)代教育理念，應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及幼兒學(xué)習(xí)心理等研究領(lǐng)域中的最新研究成果，通過三維虛擬場景構(gòu)建，將紙質(zhì)科普圖書中原本用文字和插圖描述的學(xué)習(xí)情節(jié)轉(zhuǎn)換為三維立體的科普知識(shí)場景，活靈活現(xiàn)的科普場景生動(dòng)地展現(xiàn)在幼兒面前，方便操控的互動(dòng)形式，完全貼合幼兒天真、好動(dòng)的心理，使其脫離呆板的閱讀模式[8]。

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幼兒立體書主要由傳統(tǒng)紙質(zhì)書籍和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)組成。紙質(zhì)書籍主要由文字和圖片組成，主要選取幼兒感興趣的科普和生活類知識(shí)。幼兒進(jìn)行閱讀時(shí)直接運(yùn)行客戶端程序，程序通過識(shí)別圖像輪廓，會(huì)在終端顯示與圖書內(nèi)容相關(guān)的特定的三維場景。閱讀過程中可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，有聲音和畫面的雙重功能，使幼兒有更為良好的體驗(yàn)效果。

2.2 基本功能

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幼兒立體書主要有虛實(shí)結(jié)合、形象、交互等功能。幼兒在進(jìn)行基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幼兒立體書閱讀時(shí)，可以通過終端屏幕看到圖書內(nèi)容，不僅包括圖書中的文本圖畫，還疊加有與圖書內(nèi)容相關(guān)的三維知識(shí)景象以及相應(yīng)的音頻等。巧妙地將紙質(zhì)圖書內(nèi)容與虛擬場景進(jìn)行疊加，可對(duì)幼兒產(chǎn)生強(qiáng)烈的視覺、聽覺沖擊。在閱讀過程中，幼兒還可以通過與圖書交互以更好地探索、發(fā)現(xiàn)和建構(gòu)知識(shí)，消除幼兒的疲倦乏味心理，以更好地促使幼兒身心全面發(fā)展。

3 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幼兒立體書開發(fā)

3.1 開發(fā)模式

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幼兒立體書開發(fā)流程如圖1所示。

圖1顯示，整個(gè)開發(fā)流程主要分為5個(gè)階段：設(shè)計(jì)、開發(fā)、調(diào)試、使用、反饋。這5個(gè)階段相互獨(dú)立又相互滲透，其中，設(shè)計(jì)、開發(fā)、調(diào)試、使用是相對(duì)獨(dú)立的階段，前者的輸出是后者的輸入。開發(fā)階段在整個(gè)流程中最為核心，它是設(shè)計(jì)思想的實(shí)現(xiàn)過程，又是調(diào)試的前提。反饋這一環(huán)節(jié)貫穿整個(gè)流程，針對(duì)整個(gè)過程中出現(xiàn)的系列問題進(jìn)行重新設(shè)計(jì)開發(fā)并及時(shí)調(diào)整，以達(dá)到預(yù)期效果。

3.2 開發(fā)過程

利用上述開發(fā)模式，首先需要建立整體設(shè)計(jì)思想，主要是對(duì)整體創(chuàng)作及其主體思想的選定，本次研究的主體是幼兒，所以在設(shè)計(jì)中要以幼兒的心理特征為依據(jù)，主要選擇自然科普、生活、卡通類的題材，激發(fā)孩子的學(xué)習(xí)興趣，然后進(jìn)行立體書的研發(fā)制作。本研究以《毛毛蟲變蝴蝶》一節(jié)為例來闡述整個(gè)開發(fā)流程。

3.2.1 紙質(zhì)圖書制作

考慮到軟件系統(tǒng)的兼容性，在設(shè)計(jì)制作中統(tǒng)一使用Adobe公司的制圖軟件。首先運(yùn)用Adobe Illustrator CS6進(jìn)行矢量繪圖，然后運(yùn)用Adobe Photoshop CS6進(jìn)行顏色調(diào)整和修圖，再利用Adobe Illustrator CS6進(jìn)行文字圖片編排輸出，最后送印刷社進(jìn)行印刷并裝訂成冊。

3.2.2 三維模型制作

幼兒思維的主要形式是形象思維，主要是通過感知、依靠表象來認(rèn)識(shí)事物，因此三維模型設(shè)計(jì)是基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幼兒立體書設(shè)計(jì)的最重要組成部分。在整個(gè)設(shè)計(jì)中，運(yùn)用Autodesk Maya 2014創(chuàng)建三維場景、制作三維視覺效果，并結(jié)合數(shù)字化布料模擬、毛發(fā)渲染、運(yùn)動(dòng)匹配技術(shù)制作出的三維物體更具真實(shí)感，也能夠更好地融合到真實(shí)場景中，鍛煉幼兒的形象思維。為了激發(fā)幼兒的學(xué)習(xí)興趣，在三維模型制作中主要采用自然科普、生活類題材的案例進(jìn)行展示。制作過程及效果如圖2所示（以蝴蝶模型為例）。

3.2.3 素材制作

在基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幼兒立體書制作過程中，需要通過音頻、圖片及視頻的編輯制作來實(shí)現(xiàn)一定的效果。要使得圖片、音視頻的效果符合幼兒的心理發(fā)展，不能簡單地直接采用，要進(jìn)一步作優(yōu)化處理。在制作這些素材時(shí)主要用到Adobe公司的Photoshop、Premiere、Audtion等軟件，處理圖片時(shí)選擇最受歡迎的圖像處理軟件之一Adobe Photoshop CS6。用Adobe Audition 3.0來進(jìn)行音頻錄制、混合、編輯、控制和效果處理。在視頻編輯和特效處理過程中，選擇使用Adobe Premiere CS6和Adobe After Effects CS4。部分制作如圖3所示。

3.2.4 交互程序?qū)崿F(xiàn)

本研究選擇Unity3D 4.3.4的版本實(shí)現(xiàn)交互程序。首先將建模中所需使用的圖片、文本、音頻、文件夾以及模型中的物體、材質(zhì)等全部導(dǎo)入，然后用Unity3D引擎實(shí)現(xiàn)交互。運(yùn)用圖片輪廓圖線條對(duì)比技術(shù)對(duì)所做的傳統(tǒng)書籍圖片庫進(jìn)行圖片識(shí)別，以攝像頭實(shí)施畫面作背景顯示3D模型。最后運(yùn)用語音識(shí)別技術(shù)在Unity3D中實(shí)現(xiàn)簡單的語音識(shí)別功能，實(shí)現(xiàn)圖片和聲音的雙重交互。

3.2.5 幼兒立體書調(diào)試

如圖4所示，在移動(dòng)終端進(jìn)行調(diào)試，如果能夠進(jìn)行三維模型顯示，并能進(jìn)行基本交互則調(diào)試成功，就可以投入體驗(yàn)使用；否則調(diào)試失敗，需要重新反饋調(diào)整，然后循環(huán)進(jìn)行，直至調(diào)試成功。

4 結(jié)語

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為新興技術(shù)，將其應(yīng)用于幼兒立體書開發(fā)中，能夠在一定程度上滿足幼兒的心理發(fā)展需求，激

發(fā)幼兒學(xué)習(xí)興趣，但也難免存在一些問題。比如理論方面

對(duì)幼兒心理認(rèn)識(shí)淺顯，實(shí)踐方面制作過程專業(yè)性不高等。針對(duì)這些問題，本文探索出一些解決方法：關(guān)于理論方面，需要進(jìn)行充分的文獻(xiàn)調(diào)研和觀摩體驗(yàn)，可以分析國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，針對(duì)國外研發(fā)的圖片及視頻進(jìn)行觀摩體驗(yàn)；關(guān)于實(shí)踐方面，需要加強(qiáng)技術(shù)性軟件的操作及應(yīng)用，讓所開發(fā)出來的幼兒立體書既具有趣味性又便于操作，實(shí)現(xiàn)基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幼兒立體書在視覺、聽覺、觸覺、動(dòng)作等方面的多元化呈現(xiàn)。

通過基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幼兒立體書的學(xué)習(xí)，幼兒能夠獲得虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互、深度沉浸的體驗(yàn)。不管是從形式上還是內(nèi)容上，閱讀立體書的體驗(yàn)會(huì)對(duì)幼兒的思想產(chǎn)生潛移默化的影響，有效激發(fā)幼兒創(chuàng)新、冒險(xiǎn)、嘗試的潛質(zhì)。基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幼兒立體書將在內(nèi)容與功能上向高度專業(yè)化和人性化方向發(fā)展。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）