陳東升

（湖南信息職業(yè)技術學院，湖南 長沙 410200）

0 引言

財會專業(yè)教學具有枯燥、抽象的特點，不利于學生學習領會，需要引入技術手段輔助教學。增強現(xiàn)實技術（Augmented Reality，簡稱AR）是近年來新發(fā)展的一項智能化技術，通過將虛擬與現(xiàn)實綜合呈現(xiàn)在使用者面前，營造一種身臨其境的真實體驗感，對增強使用者的多感官綜合，形成立體體驗具有逼真的效果。將AR技術應用于財會專業(yè)的教學中，不但能夠增強直觀感受，還可以形成多維度記憶，有利于專業(yè)知識的理解和牢記。依托AR技術豐富的細節(jié)表現(xiàn)能力，教師可以在教授中以簡短的語言、詳實的案例進行原理講解，有助于教學過程的雙向互動，形成活躍、積極的課堂氣氛，提升教學效果。

AR技術是依托于強大的信息采集系統(tǒng)和行為判斷功能，將人的動作、反應與虛擬環(huán)境相互對應，形成活動，結合真實場景的背景投影，將課堂轉移到虛擬的工作現(xiàn)場，通過動畫演示、互動體驗和行為判斷等方式，推送視頻、音頻以及體感等信息，為學生帶來全新的學習體驗。財會專業(yè)在線教學系統(tǒng)以網(wǎng)絡在線為特色，將教學資源整合于系統(tǒng)中，以財會專業(yè)教學的特定需求為切入點，實現(xiàn)專業(yè)教學的技術支持。

1 基于AR技術財會教學系統(tǒng)的軟件功能實現(xiàn)

財會專業(yè)教學的特點是理論與實際高度融合，既有純理論的教學內容，如基礎會計、經(jīng)濟法和國家稅收等，有些則是需要通過動手實踐才能掌握的專業(yè)知識，如會計電算化、國際貿(mào)易以及財務管理等?；贏R技術，則是針對需要動手實踐的部分，采用虛擬實操的模式展示財會工作的虛擬場景，提供虛擬操作工具，實現(xiàn)虛擬環(huán)境下的實操體驗。由于AR技術需要采集很多的傳感器信息并捕捉用戶動作，與背景相融合，提供多維度的感覺信息，因此在軟件功能劃分中形成3個層面，具身感知層、交互行為層和認知體驗層。具身感知層用于建立現(xiàn)實世界和虛擬世界的信息交互關聯(lián)；交互行為層是連接用戶感知、運動及認知與系統(tǒng)的通道；認知體驗層實現(xiàn)會計專業(yè)知識點的立體呈現(xiàn)。AR教學系統(tǒng)的軟件框架如圖1所示。

圖1 AR教學系統(tǒng)軟件框架

其中，具身感知層是財會專業(yè)在線教學的信息獲取基礎，主要內容是硬件設備的離散信息采集及信號關聯(lián)，以硬件實現(xiàn)，內容相對簡單，不作為該文的重點；認知體驗層是多種感覺系統(tǒng)的綜合體驗，實現(xiàn)聲光電的統(tǒng)一，設計重點是場景生成器、視頻疊加模塊；交互行為層是會計專業(yè)學生切身體驗的關鍵，也是AR效果實現(xiàn)的主要體現(xiàn)，作為該設計的核心，重點開發(fā)。

1.1 認知體驗層設計

認知體驗層重點解決學生的感官體驗問題，場景生成、圖像顯示是設計核心，立體聲矩陣僅需要完成聲道控制，涉及內容較簡單，該文不再贅述。

通過需求分析，教學系統(tǒng)需要對接若干外圍傳感器，并獲取多角度的視頻圖像，控制多臺投影設備建立虛擬場景，并需要對圖像信息進行融合，建立多維度顯示模型。場景生成器半實物仿真系統(tǒng)的核心部分包括紅外DMD芯片、高溫黑體光源和低溫黑體光源、灰度調制技術、DMD信號處理系統(tǒng)以及光路設計。該場景生成器的分辨率可以是1435～850，在2微米～6微米的波長下，它的表觀溫度是550 K，在7微米～10微米的波長下，它的表面溫度是430 K，幀頻率是190 Hz；在高真空的情況下，當視頻信號的輸入完成之后，通過控制電壓，進而控制電子束的能量，再用電子束轟擊所述熒光材料，使其發(fā)出光芒并形成一幅畫面，再通過不同的光譜（近紅外、中紅外和長波紅外）熒光物質制成的熒光屏就能得到多波段的場景。因為屏風需要冷卻，因此通常需要大型的制冷裝置，其輻射強度較低，幀頻率較低，空間分辨率較差，因此采用鍍有金屬黑膜的薄膜來吸收可見光的輻射，進而引起薄膜的發(fā)熱，以此來生成相應于可見光圖像的紅外圖象。在器件的初始狀態(tài)，也就是無負載電流的情況下，兩個遮光片的空隙約為通光孔的二分之一，使光線可以從VOA裝置中穿過。假定驅動器在、平面上，并且在軸上的磁場B是垂直于設備的，當有電流穿過折疊光束時，在方向上形成洛倫茲力，其形式如公式（1）所示。

式中：為結構沿x方向的長度，為穿過裝置內的電流。

DMD可移動結構可視為彈性體，其彈性系數(shù)為。在外力的作用下，產(chǎn)生位移，對應的彈性恢復力如公式（2）所示。

在結構的穩(wěn)定狀態(tài)下，洛倫茲力與彈性恢復力是相同的。這樣，該結構在方向上產(chǎn)生的位移幅度如公式（3）所示。

由公式（3）可知，可以通過減小結構剛度來實現(xiàn)大位移，與器件材料機械特性和結構尺寸有關。它的分辨率取決于腔體的真空度，反應速率取決于腔體的真空度和膜層的厚度，而膜片的厚度會對其力學性能產(chǎn)生一定的影響。通過玻璃防護罩，使其進入液晶層的高電阻一側，產(chǎn)生激勵電荷，最后形成電勢分布，使液晶分子重新取向，并進行紅外極化調制。情景發(fā)生器的目標是把被測試單位的實物直接導入模擬試驗過程中，以達到評價被測試單位的效果。每個驅動器的長度是1.7毫米，寬度是0.17毫米。各驅動裝置需要0.3 mm的晶片面積，128×128的陣列需要47 cm的晶片，以及如圖2中所示的中央邊長度為7厘米的硅片。

圖2 場景生成器硅基片上的分布位置

所設計的結構是由鋁材與二氧化硅組合而成的，而在實際生產(chǎn)中，則以硅為襯底，將2個相反的隔板置于不同的高度，以防止發(fā)生碰撞。首先，采用活性離子刻蝕技術，在硅片表面上刻蝕出一段高度不一的硅刻蝕，其次通過高溫氧化，在熱氧條件下蒸發(fā)出一層金屬鋁，再次用干法刻蝕來制作圖案，并利用深度反應離子刻蝕技術腐蝕掉后面的硅，最后利用各向同性腐蝕技術從前部將硅刻蝕干凈。在此基礎上，該文設計了一種采用洛倫茲力驅動的串聯(lián)折疊式結構，使其能夠實現(xiàn)雙向運動，并能有效提高其傳動效率。該方法可以在6英寸的硅基板上實現(xiàn)128×128陣列，為基于AR技術的財會專業(yè)在線教學系統(tǒng)設計的場景生成提供了依據(jù)。

由于AR系統(tǒng)中分布著大量的傳感器和互動模塊設備，軟件需要針對核心功能和每路接口開展定制化開發(fā)，且視頻處理的運算量巨大，因此需要在適當?shù)拈_發(fā)平臺上開展設計工作。根據(jù)軟件功能需求分析要求，確定基于Unity3D和c# Vuforia開發(fā)軟件。Vuforia引擎可以提供良好的AR體驗，并為各種設備提供了平臺。Vuforia Fusion現(xiàn)在包括谷歌的ARCore。Vuforia支持的設備列表將繼續(xù)擴大。更好地利用Vuforia融合與改進的定位裝置跟蹤所有類型的目標。在統(tǒng)一的開發(fā)平臺中，實現(xiàn)接口程序的模塊化開發(fā)，形成穩(wěn)定且可靠的專用接口軟件，保證視頻采集、場景生成等大數(shù)據(jù)量處理的帶寬要求。視頻采集后進行處理，視頻疊加的設計過程顯得尤為重要，疊加時需要使用11 bit的視頻仿真技術來進行處理，以5個DMD為基礎，每個層次的DMD設備可以輸出250個～256個像素單位，一個像素單位由22個DMD單位作為代表，最終得到的圖象清晰度為128×128的分辨率。將DMD倒相陣列分成2個組，靠左邊的理想灰度值是620上下，右側的理想灰度值是625上下，這2個部分分別占據(jù)DMD陣列的一半，右邊的DMD倒相陣列的右側由二進制數(shù)字構成，再用一種方法將二進制數(shù)字擴大到10比特，再把它量化到RGB的信道上進行疊加和識別。在實現(xiàn)視頻灰度值均勻化的同時，需要考慮DMD陣列在視頻疊加時的能量分布，最好可以均勻分布在每個點上，并確保DMD陣列在疊加時不會發(fā)生偏移現(xiàn)象。但是當DMD陣列在疊加過程中發(fā)生了偏差，或者由于黑體輻射能量分布不均勻時，該場景發(fā)生器仿真的紅外成像的均勻性是否仍然能夠滿足需要則需要進一步探討和識別。當陣列中的每層都有DMD器件時，器件偏移對DMD陣列的影響要比其偏移小很多，如果有一層的陣列發(fā)生了偏移，則會出現(xiàn)與預期的不同結果。如果有多個相位發(fā)生了偏移，并且偏移量都很小，這就相當于單層發(fā)生了偏移，而中間的一排像素會出現(xiàn)不該出現(xiàn)的灰度值。陣列偏移越大，越會受到更多的像素疊加，具體的視頻疊加灰度值取決于DMD單元的變形程度。對視頻疊加進行非均勻校正的目的是讓輸出的視頻盡可能接近現(xiàn)實情況下物體的信息，通過校正存在非均勻性的情況，將陣列場景生成系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)集合，在理想的情況下即不存在非均勻性生成輸出的數(shù)據(jù)集合。為了讓DMD紅外生成系統(tǒng)實際輸出的數(shù)據(jù)集合或者紅外視頻通過校正更加接近理想情況下的紅外圖像信息，即映射視頻疊加成立，位移也會根據(jù)變形程度隨之變化。

1.2 交互行為層設計

根據(jù)上述需求設計的資源開發(fā)的任務路線，結合開發(fā)工具和平臺，使用三維建模軟件Solidworks和3DS MAX進行場景模型設計。三維建模后將資源進行整合，導入Unity3D，把Vuforia工具接入Unity3D，調整配置并進行系統(tǒng)功能實現(xiàn)的開發(fā)，把用到的模型進行繪制和優(yōu)化，并進行功能測試驗證，最后優(yōu)化開發(fā)代碼，完成財會教學系統(tǒng)設計。

為了增強現(xiàn)實AR財會教學系統(tǒng)的核心功能，該系統(tǒng)在開發(fā)中采用了unity 3D AR場景搭建、3DS MAX建模等技術，創(chuàng)建多維度信息展示的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，將空間以視頻投影的形式加以變換，突破時間和場地的限制，達到還原現(xiàn)場的效果。把系統(tǒng)所需的三維模型、文本、圖像和UI交互界面組件等資源轉換成標準的格式后，整合導入Unity3D開發(fā)平臺中，在開發(fā)引擎中進行資源配置和功能開發(fā)。財會專業(yè)3DS MAX建模的過程以貨幣為例，系統(tǒng)搜集貨幣圖像將其作為素材，在CAD繪圖軟件中繪制平面圖形，將CAD軟件中的平面圖形導入3DS MAX中，利用3DS MAX軟件的輪廓和尺寸繪制出第一個初級的平面模型。系統(tǒng)運用AR SDK Vuforia來實現(xiàn)增強現(xiàn)實的功能，對二維圖形進行處理，把二維圖形變?yōu)槿S立體模型，再用AR識別圖片，制作掃描識別的圖片。鑒于財會專業(yè)教學系統(tǒng)的實際場景需求，綜合考慮開發(fā)成本和使用便捷性，采用圖片掃描作為AR建模的素材庫采集手段。為了彌補模型精細度的不足，使用貼圖讓模型變得完整，將Photoshop處理收集到的貨幣圖片中的部分細微處進行調整，進行貼圖處理之后，將貨幣圖像導入3DS MAX，檢查無誤后即可得到一個實體模型。而Vuforia在系統(tǒng)中不僅可以增強現(xiàn)實插件，Unity3D構成的虛擬場景還可以在此基礎上升華至真實場景。AR技術是需要在有交互功能的App上完成的，因此需要camera和Vuforia sdk的支持，所以系統(tǒng)完成的基礎是要在development Key的自定義項目上創(chuàng)建Vuforia，然后復制密匙回到Unity3D，再把密匙寫入App中。通過顯卡和識別卡就可以在視頻采集設備的支持下生成AR模型。由于Vuforia圖像使用的是自然特性檢測來進行圖像匹配的，并在數(shù)據(jù)庫中實現(xiàn)了目標管理器圖像或圖像特征點的數(shù)據(jù)收集和存儲，因此需要在程序運行中進行實時檢測，提取特征點和圖像，與數(shù)據(jù)中心保存的圖像檢測特征點進行匹配。然后在Unity3D中創(chuàng)建AR相機在Vuforia建立的database，即可完成AR場景的搭建。

由于財會教學在線系統(tǒng)是在Unity3D引擎開發(fā)出來的，采用C#語言編寫，因此在應用運行之前需要對源程序進行編譯。作為在線教學系統(tǒng)，系統(tǒng)中存在多臺聯(lián)網(wǎng)終端，且多為嵌入式專用硬件設備，不適于聯(lián)網(wǎng)升級。當需要更新AR素材庫、進行軟件功能升級時，采用線下升級的技術路線，即需要在開發(fā)環(huán)境下重新修改代碼，編譯之后打包供給用戶下載。

整個系統(tǒng)不只有文本展示、圖片展示以及視頻展示等功能，還有信息交互，人機交互是AR系統(tǒng)的核心特點，因此需要構建豐富的資源庫，方便在不同課程中選用。如各種場景的實訓應用模塊、樣例圖片及視頻、講解課件、上課過程的演示和習題如何檢測等。系統(tǒng)以財會知識點截圖為例，該截圖可以保存在設備的相冊，方便隨時欣賞。當模型識別成功并把細化交互內容完成后，可以將框架中的內容進一步完善，例如財會學習過程中的動畫播放、文本理論中的圖表，如果測試應用運行無誤，財會教學系統(tǒng)功能開發(fā)即算完成。

2 基于AR技術的財會專業(yè)在線教學系統(tǒng)的運行平臺設計

鑒于應用場景不適于使用高端硬件設備，因此在硬件設備選型中將結構簡單、反應快速以及較高精度作為設計原則；伺服的主軸構造簡單，調速范圍大，可無級變速，便于調試和操控；控制系統(tǒng)功能最大限度完善，提高智能化處理水平。硬件設計主要包括驅動裝置、顯示裝置、計算機數(shù)字控制裝置、可編程控制器以及輸入、輸出設備等。硬件設計分解如圖3所示。

圖3 AR在線教學系統(tǒng)硬件設計分解

在硬件設計中，根據(jù)系統(tǒng)功能分解，該文將功能模塊劃分為相應的分機，并賦予對應的功能。AR在線教學系統(tǒng)中每個場景存在多個虛擬物體，每個物體上有多個組件及運行腳本，因此該文設計以HYM320F28335DSP為處理核心的專用電路，配備USB3.0、RS422和RS485等多路接口，以實現(xiàn)對豐富外設資源的管控，滿足運行環(huán)境的需求。專用電路的工作頻率設定為150 MHz，通過一片30 MHz外接晶振實現(xiàn)穩(wěn)頻。每個分機的設計包括數(shù)據(jù)處理量評估、硬件資源選型、配套外圍電路、供電模塊和通信模塊。由于系統(tǒng)中存在多個離散的傳感器，因此需要在硬件設計中充分考慮硬件資源的分配和數(shù)據(jù)帶寬的冗余，保證多路數(shù)據(jù)訪問中不出現(xiàn)中斷沖突。圖像目標將利用ARCore和ARKit，增強對模型目標的跟蹤。采用MCU+ASIC作為教學系統(tǒng)硬件支持平臺的結構，利用ASIC專用芯片高速處理各種傳統(tǒng)業(yè)務，滿足對交換機處理性能和教學系統(tǒng)硬件試驗的需求，使用MCU實現(xiàn)對教學系統(tǒng)的管理和與軟件層的通信等功能。該文綜合考慮教學系統(tǒng)對背板帶寬、網(wǎng)口資源及交換機的若干特性要求，選型以太網(wǎng)交換機作為網(wǎng)絡傳輸架構，同時考慮了芯片供需條件和成本因素，最后選擇了成都鴻立芯公司的一款集MAC和PHY于一體、低功耗的HYM320F28335作為該教學系統(tǒng)的交換核心，選擇了HYM32F103ZGT作為MCU。根據(jù)HYM320F28335和HYM32F103ZGT的特點，對各個模塊間的接口進行設計。HYM320F28335主頻高達150 MHz，滿足視頻流數(shù)據(jù)的處理需求；片內集成256 K×16位Flash，34 K×16位SRAM，能夠勝任圖像傅里葉變換的運算需求。HYM32F103ZGT的SRAM容量最高可達96 K，最多支持21個輸入通道，完全適合AR系統(tǒng)多傳感器控制的需求。

由于AR教學系統(tǒng)設定在室內使用，因此搭建永久固定網(wǎng)絡，選用千兆以太網(wǎng)交換機作為數(shù)據(jù)通信中樞。該設計中的以太網(wǎng)交換機教學系統(tǒng)可支持9個VLAN，還有Trunk匯聚鏈路實驗等為財務教學課程提升了仿真系統(tǒng)的流暢性。

圖4財會專業(yè)在線學習系統(tǒng)包括4個部分，這4個部分分別為認知、演繹、演練與測驗。而這幾大部分通過排列組合成功搭建了財會專業(yè)在線學習系統(tǒng)，為學生提升學習效率，為教師授課提供了便捷渠道，其中財會專業(yè)在線學習系統(tǒng)中的認知部分主要講述了財會專業(yè)在線學習系統(tǒng)的軟件硬件的開發(fā)，演繹部分主要講述如何創(chuàng)建AR展示模型，怎么用圖文并茂的方式講述財會相關知識，演練部分是通過掃描學生習題冊上的圖片并按照操作指引逐步進行學習。測驗部分主要通過設置測試題目來檢驗學生學習情況，在教學系統(tǒng)中設定了財會專業(yè)定制化的實訓場景，學生通過模擬操作，在虛擬環(huán)境中根據(jù)教師設定的考題，通過實際操作驗證知識點掌握情況。在此過程中，AR教學系統(tǒng)不但提供操作的虛擬環(huán)境，還可以記錄學生的動作與面部表情，作為分析的參考依據(jù)，形成跨越時間和空間的知識教授系統(tǒng)，輔助教師發(fā)現(xiàn)教學中的薄弱環(huán)節(jié)，以便有針對性地進行講解和加強訓練。

圖4 系統(tǒng)構成

3 結語

該文通過虛擬現(xiàn)實技術，將財會專業(yè)的課堂和工作實際相結合，形成虛擬現(xiàn)實的教學場景，輔之以聲音、背景和感覺的綜合展現(xiàn)，達到身臨其境般的教學實訓演練。在系統(tǒng)的設計過程中，重點考慮了具有專業(yè)特色的AR功能實現(xiàn)以及專用硬件環(huán)境的搭建。由于教學系統(tǒng)的定位存在低成本、高還原度的設計要求，因此在設計中重點關注了虛擬功能的實現(xiàn)，而忽視了仿真場景的畫面精細度，適當降低了AR系統(tǒng)的應用體驗。隨著信息技術的發(fā)展，可用于展示的維度將更豐富，例如可預見的味覺模擬、觸覺模擬，以及學生之間在虛擬環(huán)境中的交流通道等，都可以為會計專業(yè)的實訓教學提供全新體驗的技術支持。今后還將在AR細節(jié)的還原度、課件的豐富性方面進行研究，輔助高校的人才培養(yǎng)。