基于AR的汉字科普系统设计.pdf

年 月计 算 机 应 用 文 摘第 卷 第 期基于 的汉字科普系统设计李佳芮（电子科技大学成都学院，成都）摘 要 文章利用增强现实技术设计了一套关于汉字科普的系统 使汉字科普方式更加多样化 从需求分析 框架介绍和交互设计方面对系统进行设计 借助 开发平台并结合增强现实和数据可视化手段进行系统实现 开发出基于 的汉字科普系统 该系统利用多种汉字科普方式解决了学生在学习汉字时遇到的常见问题 并提高了学生在汉字学习中的兴趣 关键词 增强现实 可视化 交互设计中图法分类号 文献标识码 增强现实概述元宇宙是近几年关注度较高话题之一。其集合了、云计算、大数据、增强现实（）虚拟现实（）混合现实（）等多项技术，而 技术是元宇宙世界重要的承载入口。技术是虚拟现实研究领域的分支，在强调虚拟物品 环境与真实世界的关系上，三者的区别如图 所示。图 中坐标轴上数值 表示虚拟环境，数值 则表示真实环境，三个技术在坐标轴上越靠近，虚拟成分越多，真实成分越少，反之同理。从图 中可以看出，技术完全依赖虚拟环境，技术更接近真实环境，而 技术则处于这两者之间。技术的关键在于先将摄像机拍摄出真实的场景通过计算机视觉技术进行捕获与标记，实时记录其位置和方向，再利用计算机将文字、图像、三维模型等虚拟信息与真实场景进行叠加，最后利用显示器让用户感受增强现实的体验，以及利用计算机进行交互等操作。图 与真实 虚拟环境关系自 年 术语诞生后，随着计算机技术和 开发技术框架的发展，目前 技术在娱乐、军工、医疗等领域被广泛应用。李子阳等利用 技术设计了智能安全巡检系统，解决了企业安全巡检工作效率低等问题。何玲等利用 技术设计了一款教育游戏，研究学生使用该教育游戏的学习投入度。秦胜伟等结合 系统、模块、深度学习技术设计开发了一个校园漫游互动系统，为校园文化传播提供平台。左德遥等利用 和 技术开发了一个红色文化虚拟仿真教育系统。系统需求背景在开发该系统前，调查了人们文字使用及理解情况，发现了几个较为普遍的问题，并将其分为书本应用及日常使用两个板块，如表 所列。根据表 可以归纳出，在文字使用中出现诸多问题的主要原因是人们对汉语言文化缺乏兴趣，平时仅将文字作为交流工具。表 文字使用的常见问题板块分类常见问题书本应用 提笔忘字常写错别字日常使用字 词错误理解或错误使用不认识非常用字（生僻字）汉语言文化在中华文化体系中占有绝对核心的地位，是中华文明传承的根基。但如今的汉字学习模式存在一定弊端，学生在学习汉字时更关注对应学科的分数而不关注汉字本身的文化内涵，加之课堂上的汉字学习环境过于局限，未对汉字进行扩展，学生对部分非常用字（即生僻字）则是完全陌生的。另外，学习过程过于单一化而枯燥乏味，学生对汉字的探究兴趣和热情不足，导致学生对部分汉字理解不够、应用不足、印象不深，从而在日常使用中出现字词错误使用的问题。除了特定专业和职业人群，人们在高考后与汉语言文化的接触几乎为零，更多的是利用手机或计算机等现代工具进行文字编辑，因此一旦需要手写文字，就会经常发生提笔忘字、出现错别字的现象。为解决人们在文字使用时出现的常见问题，本文利用多种形式对生僻字、易错字等读书期间较少使用的文字进行科普，让人们在学习汉语言文化的同时通过趣味游戏加深对生僻字、易错字的理解和印象，从而提高人们内在的文化素养。汉字科普系统整体设计 总体思路与技术路线根据以上需求背景分析，针对人们日常使用文字的常见问题，本文设计了一种基于 的汉字科普系统，该系统可发布于 端和移动端。该系统需要使用可识别的汉字实体资源。在 端或者移动端安装该系统后，该系统中的摄像机扫描汉字实体资源中的各式文字、字谜图，并呈现对应的虚拟信息资源，随后可在真实场景和虚拟物体的叠加空间中进行对应的 体验及交互操作，从而获取相关信息反馈。本文借助 开发平台并利用增强现实和数据可视化的手段，对汉字文化中生僻字、易错字和成语的科普进行了多种形式的设计。本系统涉及的脚本代码由 进行开发，虚拟文字素材由 提供，其他部分素材由 和 制作。这种结合了传统教育产品和现代技术的系统模式解决了人们在文字使用时出现的常见问题，同时赋予汉语言文字学习一定的趣味性，让用户感受到我国汉语言文字的魅力并将其传承。系统架构本文设计的 汉字科普系统总体框架如图 所示。在用户进入系统用户界面后，该系统主要由扫图识音、前世今生和四言谜图三个模块组成，每个模块均涉及 扫描识别技术，扫图识音模块添加了触屏交互设计，包括单指点击、双指缩放等；前世今生模块添加了数据可视化图，利用数据可视化的优势对多数据进行展示，从而达到在有限的屏幕空间内高效率地展示更多信息的目的；四言谜图模块添加了游戏解谜环节，增加了汉字科普的趣味性。除此以外，该系统还有基本设置功能，包括系统简介、音量调节、音效选择和模式选择等。图 系统总框架设计 系统设计 可视图设计根据系统需求分析，人们对部分字的理解并不透彻，经常会提笔忘字甚至手写错误。而甲骨文利用象形、指事、会意、形声、转注、假借等方法进行造字，更能使人们联想到生活常识从而理解汉字。但汉字发展至今，汉字字形与最初相比已有巨大改变，因此利用数据可视化展示随时间变化的汉字字形，更能加深人们对该汉字的理解。图 “雨”字前世今生可视化图可视图基于数据可视化的极坐标进行变形，将文字从古至今随时间线的变化所形成的不同字形进行展示。该轴形如螺旋，由内向外，可展示出某个字在不同年代所形成的不同字形，同时它的字形年代也被标注在对应字形位置。图 展示了“雨”字的前世今 年第 期 计 算 机 应 用 文 摘 生，从图 中的轴可以看到，在公元前 世纪到公元前 年期间，“雨”字字形由甲骨文、金文、小篆、篆书到楷书的不同变形，可以直观展现汉字的演变过程，帮助人们了解各个年代的用字习惯。通过图 可深入思考文字不同字形的形成原因，比如，甲骨文、金文的字形偏生硬抽象，是因为当时人们都是将字刻在龟甲或器皿上，且写字工具也不够完善，而在后世笔墨等用具出现后，文字便有了具体的字形。在各大书法家手中，文字又衍生出各种不同字形字体并传承至今。交互设计该系统主要由主界面、设置界面、扫图识音界面、前世今生界面和四言谜图界面组成。主界面交互设计用户在进入系统后则进入主界面，其中有“开始”“规则”和“设置”三个 元素。用户点击“开始”按钮，进入功能画面；点击“规则”按钮，进入规则画面；点击“设置”按钮，进入设置画面。设置界面用户点击“设置”按钮，进入设置画面。在设置界面中，有“音量大小”“音效选择”和“模式选择”三个 元素。用户可拖动、滚动条调节音量；可利用单选框自由选择系统音效；还可利用选框选择简单、中等或者复杂的系统模式。扫图识音界面用户进入主界面并点击“扫图识音”按钮，即可进入扫图识音界面。在此界面中，利用增强现实技术并经过扫描识别图后，会出现一个汉字的 种拼音按钮选项。当用户选择出正确的汉字拼音时，界面即呈现这个字的释义及形象科普视频。当视频出现时，可在真实场景的特定位置利用非接触的形式控制视频的播放或者暂停。用户通过此模块可以在辨别、学习生僻字或易错字的同时，理解这些汉字所代表的含义以加深印象，也可领略到这些汉字字形、读音独具匠心的设计和巧妙的文字之美。前世今生界面用户进入主界面并点击“前世今生”按钮，即可进入前世今生界面。在此界面中，利用增强现实技术并经过扫描识别图后，会出现一个汉字从古至今的字形变化的可视化图，并进行逆时针旋转运动，用户可以看清该图极坐标轴上的所有信息。当用户手指悬停在屏幕中图表信息时，可视图停止旋转。另外，用户可以利用双指缩放的手势对出现的可视图进行操作，该图随着手势进行缩小、放大，使用户在有限的屏幕中能自定义查看相关信息。四言谜图界面用户进入主界面并点击“四言谜图”按钮，即可进入四言谜图界面。进入此界面后，会出现多个成语字谜图，在选择出某一个字谜图后，需在真实的卡片素材库中选出对应的成语卡片并扫描。例如，选择“上天入地”的字谜图后，用户进入 扫描场景，需要对着镜头找出正确的卡片，当其出示了错误的卡片时，界面将显示错误提醒，反之则进入下一字谜。该模块中趣味性的成语字谜给枯燥的学习增添了乐趣，也让汉语文化的传承变得诙谐、令人印象深刻。系统开发与实现本系统的用户主界面素材由 等软件制作并导入 中进行用户主界面布局。设置可点击按钮以控制场景之间的切换，脚本代码使用 语言进行开发。主界面包含花瓣飘落、烟雾等粒子特效，让界面更具美观和动态效果。从主界面进入 场景，需要将原 场景中默认的 删除并添加 。本系统的 识别依靠 插件对真实场景中的汉字进行标记，创建对应的标记数据库并将其导入 中，以实现相机扫描到识别点时触发对应事件或者叠加出虚拟物品素材。在扫图识音模式中，按以上步骤设置 ，在 中添加生僻字的多种读音选项素材，实现在该模式中当用户选择出生僻字的正确读音时则出现该字的释义及形象视频，否则提示继续。将控制该逻辑过程的 脚本挂载到对应素材中，并在 中增加一个 对象，调整该虚拟按钮在场景中的位置，尽量避开屏幕四周的边缘，以防止在用户进行非接触交互操作时出现灵敏度不高的问题。对 对象添加脚本来控制汉字释义及形象视频的播放和暂停。虚拟按钮核心代码如下：（）（）；按钮按下视频播放 （）（）；按钮按下视频暂停在前世今生模式中按以上步骤设置 后，在 中添加识别库中字形对应的可视化素材。该素材由 代码和 共同制作成图片素材并导入 中，将图片转化成精灵格式后以待后续使用。接着将控制对象逆时针旋转的 代码脚本挂载到可视化素材对象上，同时对可视化素材对象添加单指触屏脚本，以实现当单指触摸屏幕时该素材停止旋转，手指离开则继续旋转的功能，以及对该素材添加双指控制缩放素材的功能。单指触摸核心部分代码如下：计 算 机 应 用 文 摘 年第 期（）是否单指触摸屏幕 （）、第一个触摸手指状态是否滑动 （）；双指缩放核心部分代码如下：（）是否双指指触摸屏幕（）（）双指位置更改（，）（）；放大（）；缩小 （，）（）（）（）（）；（）（）（）（）；（）双指位置放大；双指位置缩小 ；在四言谜图场景中，首先添加该模块的规则提示和谜题素材。为谜题素材挂载脚本以实现在选择某一种谜题后进入 视图。修改 中默认的识别机制代码以实现在现实场景中扫描到对应的真实汉字素材即提示“正确“。系统发布与测试系统开发完成后，利用 和 将打包发布到移动端并生成 文件。用户将该文件 到安卓手机端，即可使用该应用。对移动端来说，该应用主要利用手机的摄像头、显示屏和触屏功能对该系统进行体验和交互操作。图 扫图识音模块 场景效果图图 前世今生模块 场景效果图图 四言谜图模块效果图图 图 为系统发布到手机端并进入扫图识音和前世今生两个模块后的 场景效果图。经过多次测试和修改，该系统运行流程无明显，且该系统的功能基本满足需求任务。结束语针对汉字科普存在的普遍问题，本文基于 技术设计了一款汉字科普系统，借助 开发平台并利用增强现实和数据可视化的手段对汉字文化中生僻字、易错字、成语的科普进行了多种形式的设计，提高了学生在汉字学习中的兴趣。参考文献：魏娜，郭晓强，王强，等，系统架构及其关键技术研究广播与电视技术，（）：李子阳，张东胜，杜邦 基于 的智能安全巡检系统北京化工大学学报（自然科学版），（）：何玲，徐鹏，赖林阳基于学习投入的 教育游戏设计与实例分析江西科技师范大学学报，（）：秦胜伟，李重，李金锋，等校园漫游互动 系统设计与实现系统仿真学报，（）：左德遥，高峰一种 红色文化虚拟仿真教育系统设计与实现计算机时代，（）：作者简介：李佳芮（），助教，研究方向：虚拟现实技术、大数据技术。年第 期 计 算 机 应 用 文 摘