增強現(xiàn)實 （AR）在建筑教育中的應(yīng)用前景與探討

梁晏愷

沈陽建筑大學(xué)，遼寧沈陽 110168

增強現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱AR）在1990年被提出，是將現(xiàn)實中的信息與虛擬世界的信息實時集成，經(jīng)過多種傳感器的協(xié)調(diào)工作、三維建模、融合場景，使真實圖形和虛擬圖形能夠共同顯示、產(chǎn)生互動的技術(shù)。通過聽覺、視覺甚至觸覺輸出場景，為使用者帶來沉浸式的體驗。

隨著行業(yè)內(nèi)相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，增強現(xiàn)實技術(shù)被廣泛運用于醫(yī)療、化學(xué)、工業(yè)設(shè)計、教育等行業(yè)，并隨著研究人員的不斷探索，增強現(xiàn)實技術(shù)取得了巨大的飛躍，為后期更廣泛的開發(fā)應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。不僅在研究領(lǐng)域提供了更加具有代入感的體驗，更有可能引領(lǐng)下一代人機交互的發(fā)展趨勢，改變?nèi)祟惖纳罘绞?。目前建筑領(lǐng)域也在與增強現(xiàn)實技術(shù)的融合做積極的探索，本文主要探討增強現(xiàn)實技術(shù)在建筑教育領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1 增強現(xiàn)實技術(shù)簡述

1994年，在Paul Milgram（保羅·米爾格拉姆）和Fumio Kishino（岸野文郎）的論文《A Taxonomy of Mixed Reality Visual Displays》中，兩位作者定義了Reality-Virtually Continuum（真實-虛擬連續(xù)體），并論述了從現(xiàn)實環(huán)境到虛擬環(huán)境之間的概念，并將從現(xiàn)實環(huán)境到虛擬環(huán)境之間的狀態(tài)統(tǒng)稱為混合現(xiàn)實（Mixed Reality，簡稱MR）。真實-虛擬連續(xù)體定義圖如圖1所示。

圖1 真實-虛擬連續(xù)體定義圖

增強現(xiàn)實不同于虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR），后者是將虛擬世界中的場景在現(xiàn)實世界賦予使用者真實的感覺，而增強現(xiàn)實則是基于真實場景的基礎(chǔ)上疊加虛擬要素。當(dāng)前增強現(xiàn)實的應(yīng)用實例（如游戲、測量工具app），不需要過度依賴真實環(huán)境的識別，而當(dāng)對場景的識別達(dá)到比較高的精度時，從使用者的角度具備更高的靈活性時，即可稱為高保真AR。

在增強現(xiàn)實的實際體驗中，真實環(huán)境和虛擬環(huán)境必須無縫結(jié)合。傳感器感知環(huán)境中的物體、光源、反射、陰影、位置等，同時對被攝物體做出場景識別，內(nèi)部建模根據(jù)真實環(huán)境做精準(zhǔn)的坐標(biāo)定位，同時實時調(diào)整輸出畫面中的虛擬畫面，達(dá)到真實環(huán)境和虛擬環(huán)境在體驗上的高度一致。

2 增強現(xiàn)實在建筑教育行業(yè)中的應(yīng)用前景

基于增強現(xiàn)實的教學(xué)方式不同于傳統(tǒng)的以教材或幻燈片作為載體的教學(xué)方式，傳統(tǒng)載體受呈現(xiàn)方式的局限，苦于認(rèn)知工具的匱乏，只能以2D的形式對教學(xué)內(nèi)容進行展示，學(xué)習(xí)者無法在腦海中呈現(xiàn)建筑的關(guān)系和特征。而基于增強現(xiàn)實的方式是通過真實的環(huán)境基底與三維模型相結(jié)合，對教學(xué)內(nèi)容以實時的、更直觀的方式呈現(xiàn)，學(xué)習(xí)者借助增強現(xiàn)實技術(shù)即可直觀地感受建筑的美學(xué)與建筑師的設(shè)計理念。目前，國內(nèi)外的研究者也通過實驗證實，采用增強現(xiàn)實技術(shù)輔助教學(xué)會豐富學(xué)習(xí)者的興趣度和認(rèn)知度，促進學(xué)習(xí)者主動獲取知識。AR為教育界帶來革命性改變的核心可歸為以下三類。

2.1 將復(fù)雜的內(nèi)容以更直觀的方式呈現(xiàn)

建筑的美或不美，協(xié)調(diào)或不協(xié)調(diào)，這些帶給人的感受存在著一定規(guī)律。對于建筑學(xué)的教育而言，審美的建立尤為重要，在教學(xué)的過程中也需要解決對美認(rèn)知的問題。特別是對于建筑歷史、建筑技術(shù)的課程而言，當(dāng)前教材上的圖例、網(wǎng)絡(luò)上的照片或是構(gòu)造詳圖都很難在空間上的維度給學(xué)生最直觀的感受，甚至存在配圖清晰度較低的問題。特別是中國建筑史中的木構(gòu)架建筑結(jié)構(gòu)做法、屋頂形式、斗拱，通過實時的三維建模展示會比平面展示更加容易辨識，標(biāo)注更加清晰，教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)過程更加生動。宋氏斗拱模型如圖2所示。學(xué)習(xí)內(nèi)容以三維模型的形式在屏幕呈現(xiàn)，顯示細(xì)部的構(gòu)造細(xì)節(jié)，隨時轉(zhuǎn)變角度、跟隨用戶的指令放大縮小，學(xué)習(xí)者通過操作App感受模型在各個角度的關(guān)系，進行高效的學(xué)習(xí)。

圖2 宋氏斗拱模型

2.2 將現(xiàn)實體驗中難以精確量化的參數(shù)可視化

增強現(xiàn)實技術(shù)更能拓寬學(xué)習(xí)者的感知能力，實時獲得在真實世界無法量化感知到的參數(shù)（如距離、角度、高度等）。建筑的尺度是影響人對建筑空間感知的直接要素之一，傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式對建筑體量的把握難以精確化，對于尺度的認(rèn)知停留在視覺上和心理上給人的感覺，在學(xué)習(xí)者參與實際設(shè)計的過程中就可能對前期的概念設(shè)計產(chǎn)生障礙。在數(shù)據(jù)上掌握不同案例中建筑體量之間的關(guān)系，是學(xué)習(xí)者在未來自身項目實踐中將學(xué)習(xí)理論運用在實際中的關(guān)鍵。

在建筑內(nèi)部空間的營造中，也需要設(shè)計人員自身對于開間、進深、面積等指標(biāo)的把控。對于建筑學(xué)的初學(xué)者而言，一面墻的長度、柱間距、層高、房間面積都不容易做視覺上的估算。必要時需要通過地磚、地板的規(guī)格、塊數(shù)估算距離，經(jīng)驗越豐富，誤差越小。建筑學(xué)學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)的過程中將這些參數(shù)可視化，增強對這些指標(biāo)的觀察和記憶，能顯著提高相關(guān)技能的掌握程度。

2.3 降低學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)成本以及授課者的教學(xué)成本

當(dāng)下移動終端（手機、頭戴式終端、智能眼鏡等）的運算能力足以滿足增強現(xiàn)實對硬件性能的硬性需求，AR技術(shù)的應(yīng)用不再局限于成本高昂的桌面級計算平臺，同時還具備攜帶方便、使用成本低的特性。另外，由于AR具備更強的交互能力，在使用過程中往往不需要有針對性地指導(dǎo)。學(xué)習(xí)者在使用過程中接受實時的操作引導(dǎo)，帶來無意識反饋，降低了使用過程的學(xué)習(xí)成本，也促進了學(xué)習(xí)者在更愉悅的狀態(tài)下做更深入的知識探究。同時，通過增強現(xiàn)實軟件的學(xué)習(xí)方式也節(jié)省了教學(xué)準(zhǔn)備時間，省去了教師前期準(zhǔn)備模型的步驟，大大提高了教學(xué)效率。將備課重心由機械、重復(fù)式的準(zhǔn)備課件轉(zhuǎn)移到課程設(shè)計本身，帶來更好的教學(xué)效果。

3 結(jié)語

增強現(xiàn)實技術(shù)可以使建筑學(xué)的學(xué)習(xí)者更直觀地感受建筑形態(tài)上的特征，帶來更具沉浸感的學(xué)習(xí)過程，降低學(xué)習(xí)成本的同時大大提高學(xué)習(xí)質(zhì)量，增加了學(xué)習(xí)過程的趣味性。增強現(xiàn)實的應(yīng)用使學(xué)習(xí)方式變得多樣化，運用當(dāng)下具備高運算能力的移動終端，讓隨時隨地學(xué)習(xí)相關(guān)知識成為未來建筑學(xué)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)習(xí)慣。隨著移動終端設(shè)備AR開發(fā)平臺的推出（如蘋果的ARKit，谷歌的ARCore），并且支持Android Studio、Unity、Unreal等多個開發(fā)環(huán)境，更低的軟件開發(fā)成本也為增強現(xiàn)實的進一步應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)?；诋?dāng)前終端設(shè)備強大的運算能力，建筑領(lǐng)域AR技術(shù)的運用可以給學(xué)習(xí)者未來的學(xué)習(xí)方式帶來巨大的轉(zhuǎn)變，為未來AR在教育領(lǐng)域的應(yīng)用提供更多可能。