關(guān)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用研究

(中國地質(zhì)大學(xué) 湖北 武漢 430074)

一、引言

近年來，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)入公眾視野，受到許多不同領(lǐng)域人們的普遍關(guān)注。所謂增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality,簡稱AR)，是指通過電腦技術(shù)，將虛擬的信息應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)世界，真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體實(shí)時(shí)地疊加到了同一個(gè)畫面或空間而同時(shí)存在。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過虛實(shí)信息疊加，對實(shí)時(shí)地視頻圖像進(jìn)行信息處理傳輸，形成三維交互式的立體畫面給用戶以全新的體驗(yàn)與感受。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)療、文化、科研、教育、工業(yè)、國防等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。美國波音公司研制了輔助接線系統(tǒng),先通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)來識別導(dǎo)線顏色和接線柱位置,然后利用透射式頭盔顯示器自動(dòng)指導(dǎo)工人連接飛機(jī)上的電子線路,大大提高了生產(chǎn)效率;美國海軍正在研制戰(zhàn)場增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)(BARS),以便利用基于該技術(shù)的單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng),使指戰(zhàn)員能夠準(zhǔn)確迅速地獲取各種戰(zhàn)場信息[1]。這些應(yīng)用充分展示了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的廣泛應(yīng)用前景,與此同時(shí),在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)也開始引人注目。

二、移動(dòng)AR技術(shù)

AR技術(shù)至少包含兩類數(shù)據(jù)：作為“被強(qiáng)化物”的現(xiàn)場視頻和作為“強(qiáng)化物”的虛擬信息，前者通過輸入設(shè)備即攝像機(jī)/頭對現(xiàn)場的抓取獲得，如電視屏幕上播放的比賽現(xiàn)場、將手機(jī)攝像功能打開后在屏幕上出現(xiàn)的現(xiàn)場影像，后者是在前者觸發(fā)下，借助圖像識別、標(biāo)識識別或定位數(shù)據(jù)等，由服務(wù)器運(yùn)算或在數(shù)據(jù)庫中檢索得到。AR 技術(shù)將虛擬信息疊加到現(xiàn)場視頻中，實(shí)現(xiàn)虛擬信息對現(xiàn)實(shí)的強(qiáng)化。例如，在 2012 年倫敦奧運(yùn)會的直播電視上，游泳賽道上會出現(xiàn)選手所在國的國旗，但這些國旗在比賽現(xiàn)場并不存在，是由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬圖像被疊加到比賽視頻中，播放給電視觀眾看的。

三、移動(dòng)AR技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

在國外，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是最近兩年才開始出現(xiàn)在教育應(yīng)用領(lǐng)域的。Billinghurs利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)了一套兒童圖書Magic Book，將書本中的內(nèi)容制作成動(dòng)畫，并且以AR的形式迭加在書的不同章節(jié)[2]。Shelton和Hedley將AR技術(shù)運(yùn)用到課堂教學(xué)中，進(jìn)行九大行星課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)[3]。Dünser與Horneker以寓言故事作為素材開發(fā)了幼兒學(xué)習(xí)材料，并且加入3D 角色、聲音及互動(dòng)道具，觀察5-7歲兒童如何利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行互動(dòng)與合作學(xué)習(xí)[4]。隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于手機(jī)和平板電腦之上，Ori Inbar開發(fā)了一款基于i Phone的AR游戲，支持4-7歲兒童隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)拼寫。這款游戲在開發(fā)過程中邀請了兒童文學(xué)家參與內(nèi)容創(chuàng)作，以確保教學(xué)內(nèi)容和該年齡階段的兒童相適合[5]。此外，El Sayed等人還設(shè)計(jì)了一款增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的手機(jī)學(xué)習(xí)卡片(ARSC)，將卡片和立體模型相結(jié)合，提供豐富的體驗(yàn)。該工具支持在線和離線兩種不同方式學(xué)習(xí)，并可檢驗(yàn)卡片學(xué)習(xí)的效果[6]。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國內(nèi)的關(guān)注度也在逐漸提高，教育領(lǐng)域中也有學(xué)者開始研究把這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中，但是成果和案例較少。在理論研究方面，徐媛總結(jié)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的主要應(yīng)用領(lǐng)域，包括立體書籍、操作技能培訓(xùn)、AR 教育游戲、殘障人群學(xué)習(xí)等幾類[7]。董子龍、章國鋒等人提出了可識別漢字的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，通過攝像頭捕獲文字信息識別對象，按照預(yù)設(shè)內(nèi)容在視頻界面上添加不同的三維模型，完成實(shí)物與虛擬信息的疊加[8]。此外，北京師范大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)研究所的科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)了應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的“未來之書”，將傳統(tǒng)書本和三維場景相結(jié)合，豐富了圖書的表現(xiàn)形式[9]。綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，我們不難看出：目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在立體書籍、幼兒教育和技能培訓(xùn)等幾個(gè)方向?；谠鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)的教育應(yīng)用初步開展，理論研究較少，關(guān)于其效果的研究也不多。余勝泉教授按照學(xué)習(xí)理論和教學(xué)模式將移動(dòng)學(xué)習(xí)劃分為“知識傳遞”“認(rèn)知建構(gòu)”和“情境認(rèn)知”三代[10]，我們也可以此將移動(dòng)學(xué)習(xí)分為這三種類型，構(gòu)建真實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境正是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的強(qiáng)項(xiàng)，因此它在促進(jìn)情境認(rèn)知方面大有可為。但到目前為止，這個(gè)方面的研究和教學(xué)實(shí)驗(yàn)尚不充分。

四、移動(dòng)AR技術(shù)在教育領(lǐng)域的運(yùn)用前景

相較于目前被廣泛應(yīng)用于教育領(lǐng)域的多媒體技術(shù)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)有著獨(dú)特的優(yōu)勢。雖然，多媒體能快速、有效地表達(dá)和傳遞知識，并且能提供多種感官刺激來吸引學(xué)生的注意力，從而提高教學(xué)的效率，但其也存在難以表達(dá)知識的完整性、僅能強(qiáng)化視聽而缺乏深入互動(dòng)、缺少情境沉浸性等缺點(diǎn)。而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)則很好地彌補(bǔ)了以往多媒體教學(xué)的缺陷，為教育教學(xué)活動(dòng)帶來新的契機(jī)，為學(xué)習(xí)者提供了一種新型的學(xué)習(xí)工具。正如Billing hurst所指出的那樣，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)作為教具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：(1)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以讓學(xué)習(xí)者在虛擬和真實(shí)的兩種環(huán)境中方便地進(jìn)行互動(dòng)；(2)利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以創(chuàng)新教學(xué)策略，學(xué)生即使沒有電腦的經(jīng)驗(yàn)，也可以通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行互動(dòng)學(xué)習(xí)；(3)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以改變學(xué)習(xí)者面對靜態(tài)學(xué)習(xí)內(nèi)容的傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式，全身性沉浸于學(xué)習(xí)內(nèi)容之中。Kaufmann H.也認(rèn)為，模擬情境和學(xué)習(xí)效果成正比，基于AR的教學(xué)可以使學(xué)生保持較高的學(xué)習(xí)熱情，從而提高學(xué)習(xí)的效率，節(jié)約學(xué)習(xí)的時(shí)間。另外，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)除了可以增強(qiáng)沉浸感，實(shí)現(xiàn)深入互動(dòng)外，還能有效促進(jìn)學(xué)習(xí)者的空間理解能力，增加學(xué)習(xí)者對復(fù)雜空間中概念及其相對關(guān)系的理解。Chih-Hsiang Ko等的研究表明：從學(xué)生的反饋來看，基于AR的模型可以更多地激發(fā)學(xué)生的思維，增強(qiáng)交流與互動(dòng)，易于理解空間問題。更加具體一點(diǎn)來說，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在教育應(yīng)用中的技術(shù)優(yōu)勢主要有：(1)教學(xué)內(nèi)容展示形象直觀。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的信息呈現(xiàn)能力，能形象直觀地描述和呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，通過全方位的感官刺激，吸引學(xué)習(xí)者的注意力，提高學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。(2)模擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)，節(jié)約成本，減少污染，便于管理。實(shí)驗(yàn)是教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)對學(xué)生掌握知識和研究方法，以及創(chuàng)新精神的培養(yǎng)等，都具有十分重要的作用。利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)可以節(jié)約真實(shí)實(shí)驗(yàn)所帶來的高額成本，并能取得與真實(shí)實(shí)驗(yàn)十分接近的效果。特別是理科，尤其像物理、化學(xué)、生物等試驗(yàn)設(shè)備十分昂貴，真實(shí)實(shí)驗(yàn)又面臨環(huán)境污染和實(shí)驗(yàn)人員的安全問題。另外，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)還能解決試驗(yàn)設(shè)備管理上的不便。(3)有助于發(fā)展學(xué)生的多種能力?；谠鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)營造的學(xué)習(xí)環(huán)境空間現(xiàn)實(shí)感很強(qiáng)，可以全景呈現(xiàn)虛實(shí)疊加的信息，給學(xué)習(xí)者以強(qiáng)烈的全方位的刺激，從而可以極大地激發(fā)學(xué)習(xí)者的身體機(jī)能，促使多元智能的發(fā)展。

五、結(jié)論

移動(dòng) AR 技術(shù)促進(jìn)了虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的融合。人類自電腦誕生就建立了一個(gè)由二進(jìn)制信息組成的空間，自此人類一直處在兩個(gè)世界中———現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界?，F(xiàn)實(shí)世界是人類實(shí)際生活的世界，具有真實(shí)感，而虛擬世界具有開放性、靈活性和自由性，能突破現(xiàn)實(shí)世界的局限?，F(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界一直獨(dú)立存在，如何將兩者結(jié)合起來，使人們一方面不喪失真實(shí)感，同時(shí)又能利用虛擬世界的優(yōu)勢，成為人們的一種訴求。從計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展來看，一個(gè)趨勢就是虛擬世界向現(xiàn)實(shí)世界的回歸，從純文字界面到圖文并茂界面，從靜態(tài)頁面到多媒體頁面，均體現(xiàn)了這種趨勢。其中，圖形用戶界面和第二生命的出現(xiàn)是兩次重要事件。在現(xiàn)實(shí)世界中，從在一些場合如會場、展覽場中放置電腦顯示屏，到泛在計(jì)算概念的提出，以至結(jié)合了計(jì)算功能的手機(jī)，則體現(xiàn)了另一種趨勢。移動(dòng)AR技術(shù)使兩種世界的信息在一個(gè)技術(shù)平臺上實(shí)現(xiàn)了融合，能克服兩者的缺陷，同時(shí)取兩者之所長。