基于AR技術(shù)的虛擬頭盔的研究和設(shè)計(jì)

杜煜 岳俊華 甄文銘 解乘 高鵬志

【摘要】傳統(tǒng)課堂令學(xué)生感到枯燥，書本上密密麻麻的文字，復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)、立體幾何等內(nèi)容，需要學(xué)生想象理解。而AR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)可以改變這些現(xiàn)象。AR技術(shù)在現(xiàn)在的教學(xué)中具備良好的運(yùn)用前景，合理應(yīng)用AR技術(shù)將會(huì)使教學(xué)變得豐富多彩和教學(xué)的簡(jiǎn)潔性。使教學(xué)有新的形式和方法。使用AR技術(shù)在教育方面，還可提高教學(xué)效率。

【關(guān)鍵詞】AR技術(shù) 虛擬頭盔 教育可視化

一、引言

運(yùn)用AR技術(shù)出現(xiàn)的內(nèi)容是三維立體的，通過(guò)AR技術(shù)，學(xué)生們的課堂體驗(yàn)從老師在黑板面授轉(zhuǎn)移到到三維立體層面，不再是老師用籠統(tǒng)的概念讓同學(xué)們憑自己的想象力去學(xué)習(xí)書本上的不一描述清楚的難點(diǎn)，而是給人以真實(shí)的三維空間，讓同學(xué)能夠置身于與真實(shí)世界里幾乎無(wú)差別的模擬場(chǎng)景，讓同學(xué)真正走進(jìn)書本，有助于學(xué)生了解和記憶。

二、什么是AR

現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)，又叫“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)”。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種人機(jī)交互技術(shù)。它可以實(shí)現(xiàn)人和計(jì)算機(jī)的交流，它可以把虛擬現(xiàn)象和現(xiàn)實(shí)世界相連接，做到虛實(shí)結(jié)合，AR是運(yùn)用計(jì)算機(jī)生成一種視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)和和身體舉動(dòng)等的虛構(gòu)的環(huán)境 ，經(jīng)過(guò)各種傳感設(shè)施讓使用者身臨其境 ，完成使用者和虛擬環(huán)境直接進(jìn)行彼此交互的目的，提高辦事效率。

在AR技術(shù)運(yùn)用中 ，使用者不僅可以體驗(yàn)到和現(xiàn)實(shí)一樣的感覺(jué)還可以獲得存在缺陷的信息。由于AR技術(shù)是將虛擬空間帶入現(xiàn)實(shí)生活并與之結(jié)合，通過(guò)AR技術(shù)可以使二者連接。因此，AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)教育可視化應(yīng)用是非常有發(fā)展的 ，它用于教育是非?？尚械?。

AR技術(shù)是一種完成人腦和電腦相互交互的技術(shù)，我們可以利用這種技術(shù)，將虛擬場(chǎng)景實(shí)體化。它是以交互性和系統(tǒng)的構(gòu)想為特性而制造的高級(jí)計(jì)算機(jī)人機(jī)互動(dòng)界面。用戶不僅可以通過(guò)AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)在虛擬世界中體驗(yàn)真實(shí)的感覺(jué)，還可以突破時(shí)間空間等限制，感受與現(xiàn)實(shí)截然相反的虛擬世界的魅力。

三、硬件平臺(tái)

AR技術(shù)的應(yīng)用是一個(gè)虛構(gòu)世界和現(xiàn)實(shí)世界相結(jié)合 ，它是計(jì)算機(jī)圖形和可視化技術(shù)，產(chǎn)生的虛構(gòu)世界 ，并經(jīng)過(guò)傳感技術(shù)將虛擬對(duì)象放在切實(shí)的環(huán)境中 ，借助設(shè)施將虛擬與真實(shí)環(huán)境融為一體。

AR在教育中應(yīng)用的硬件平臺(tái)的組成包含：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、視頻輸入轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、動(dòng)作捕捉跟蹤系統(tǒng)、視頻顯示系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)。更需要一套完整、成熟的軟件。

四、系統(tǒng)研究的意義及原因

1、開(kāi)發(fā)新的教育形式，為社會(huì)的發(fā)展提供人才。

2、把AR技術(shù)運(yùn)用在教學(xué)的的各個(gè)過(guò)程，使AR成為教學(xué)工具。并適用于各個(gè)年齡階段的學(xué)生。

3、AR教育能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)趣味，提高教學(xué)效率。

4、AR的可視化、互動(dòng)性用在教育可以設(shè)計(jì)出老師和同學(xué)拉進(jìn)關(guān)系的學(xué)習(xí)方案：例如，游戲化教學(xué)。

5、化學(xué)、物理等以鉆研試驗(yàn)為主學(xué)科在學(xué)習(xí)過(guò)程中需要做模擬實(shí)驗(yàn)，近距離切實(shí)的接觸具備一定的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)人的身體有害。而運(yùn)用AR技術(shù)，能夠進(jìn)行虛構(gòu)的實(shí)驗(yàn)，并且可以獲得相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是教學(xué)中的危險(xiǎn)卻大幅度降低了。

6、AR能夠讓不同的老師，學(xué)生聚集在一個(gè)辦公室，和教師。完成學(xué)術(shù)的商討和傳授知識(shí)。達(dá)到真是互動(dòng)的效果。

五、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

AR教學(xué)交互在現(xiàn)在的教學(xué)中主要是通過(guò)2種模式完成的，分別是基于圖像的識(shí)別（image-AR）和基于位置（location/AR）的識(shí)別。這2種識(shí)別技術(shù)都需要虛擬頭盔、傳感器等裝置支持。

六、結(jié)語(yǔ)

AR技術(shù)的特性現(xiàn)實(shí)感、交替性、多樣性。其中現(xiàn)實(shí)感是AR的最實(shí)質(zhì)性的特征，它可以使虛擬世界與現(xiàn)實(shí)生活完美結(jié)合，并使使用者置身其中直接感受物質(zhì)的本質(zhì);學(xué)生在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行可視化操作，操作虛擬事物體會(huì)他的性質(zhì)

由項(xiàng)目人員制作的AR技術(shù)軟件，在AR物理，化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生能夠運(yùn)用實(shí)驗(yàn)臺(tái)和AR技術(shù)進(jìn)行真假結(jié)合的實(shí)驗(yàn)來(lái)得到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，近距離安全的感受物質(zhì)的物理現(xiàn)象和化學(xué)反應(yīng);因?yàn)锳R技術(shù)的多樣性，所以我們可以進(jìn)行協(xié)作學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)，從而加深我們對(duì)知識(shí)或物體概念、構(gòu)造、性質(zhì)的了解。

參考文獻(xiàn)：

[1]張艷萍，周丹.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)建筑類期刊新技術(shù)出版設(shè)計(jì)的啟示[J].中國(guó)科技期刊研究，2018，29（10）：1012-1017.

[2]王秀麗，胡玉康.大數(shù)據(jù)時(shí)代的可視化教育：多元基礎(chǔ)與理性建構(gòu)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2016，26（04）：99-104.

[3]武海云，榮連華.學(xué)校管理“可視化”，教育發(fā)展現(xiàn)代化[A] .國(guó)家教師科研專項(xiàng)基金科研成果2018（一）[C].國(guó)家教師科研基金管理辦公室，2018.2.

[4]劉慕俊.基于VR頭盔的腹部器官虛擬手術(shù)系統(tǒng)研究[D].廣西大學(xué)，2018.

基金項(xiàng)目：吉林建筑大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2018S1127。