AR技術在高校實驗室建設中的應用探索

譚亮君

摘 要：目前，增強現(xiàn)實（AR）技術作為一種熱門的數(shù)字化現(xiàn)實增強概念，已經(jīng)發(fā)展得越來越成熟，在會展、設計、銷售、教育等多個領域已經(jīng)有了一定的應用，AR技術以其獨特的互動性、視覺的創(chuàng)新性等特點，更容易激發(fā)學生的探究精神，培養(yǎng)創(chuàng)新能力。本文首先通過闡述AR技術的應用特點，從高校實驗室建設發(fā)展的角度，提出構建基于AR技術的實驗室的必要性，從實驗室建設需求入手，探討基于AR技術的實驗室建設設計理念，進而探究該技術在實驗室建設未來發(fā)展中的應用。

關鍵詞：增強現(xiàn)實（AR）;實驗室建設;虛擬化技術的發(fā)展

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）06-0047-02

1 AR發(fā)展概述及高校實驗室建設現(xiàn)狀

在計算機仿真技術的不斷發(fā)展下，隨著機器學習，神經(jīng)網(wǎng)絡等技術的不斷成熟，尤其是Pytorch等開源框架技術的催生下，計算機仿真技術也從最開始的計算機模擬，發(fā)展到了虛擬現(xiàn)實（VR），在到增強現(xiàn)實（AR），其中也出現(xiàn)過MR等概念，但總體來說，拉近了數(shù)字化世界和現(xiàn)實世界的融合。在教育領域，增強現(xiàn)實（AR）技術可以將知識與概念形象化、具體化的展現(xiàn)出來，交互性及趣味性強，將虛擬的環(huán)境與真實的教學環(huán)境結合起來，促進知識的遷移。在這樣的技術背景下，讓很多創(chuàng)新的想法得以培育和實施。而高校的實驗室則是培育和引導創(chuàng)新型人才的搖籃，因此，增強現(xiàn)實（AR）技術在高校實驗室建設中有著廣泛的發(fā)展前景。

高校實驗室的建設發(fā)展階段與計算機仿真技術的發(fā)展階段類似，甚至于可以說是科學技術的推動生產力發(fā)展的具象化的體現(xiàn)。高校實驗室建設也經(jīng)歷了多個發(fā)展階段，最開始的高校實驗室我們稱之為手工模擬實驗室，通過手工和道具來模擬真實的業(yè)務流程，然后發(fā)展到計算機仿真實驗室，通過計算機和計算機軟件來模擬具體的數(shù)字化后的業(yè)務流程，隨著技術的進步和實驗教學發(fā)展的需要，教育部提出了《關于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》（教高司函〔2015〕24號）要求，推動了國家級虛擬仿真實驗教學中心的建設，各高校積極參與，涌現(xiàn)出了100所國家級實驗教學示范中心，涵蓋了多個學科的實驗教學各層面，這個階段的虛擬仿真主要以虛擬現(xiàn)實（VR）技術為主。VR技術模擬一個虛擬的世界，創(chuàng)造出真實的體驗感，即體驗者所看到的場景和人物、聽到的聲音、觸碰到的東西都是模擬出來的，只是把人的意識代入一個虛擬的世界中[1]。主要強調通過沉浸式的方式盡可能的將真實業(yè)務環(huán)境融入到實驗教學之中，讓學生能最大程度的學習真實的業(yè)務環(huán)境，而非將真實的業(yè)務環(huán)境抽象成具體的實現(xiàn)環(huán)節(jié)，從而使學生通過身臨其境的學習來充分引導其創(chuàng)新能力。

從高校的實驗室建設發(fā)展階段來看，從具有各自功能的獨立的實體化實驗室，到計算機模式教學實驗室，再到虛擬仿真為概念的融合的多功能實驗室，實驗室建設的發(fā)展經(jīng)歷了多個階段，無不體現(xiàn)了融合和創(chuàng)新這一概念在實驗室建設中的發(fā)展，而以更強調融合性與交互性的增強現(xiàn)實理念設計的實驗室將是高校實驗室建設與發(fā)展的下一個階段。

2 增強現(xiàn)實與虛擬現(xiàn)實的相關性

沉浸式的仿真交互式技術主要包含虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）兩個不同概念的主流分支。國家2015年起推動的虛擬仿真實驗教學中心主要以虛擬現(xiàn)實技術（VR）為主，虛擬現(xiàn)實（VR）主要強調的是通過多媒體視覺呈現(xiàn)等手段，創(chuàng)造出真實的體驗效果，即人的思想意識代入一個虛擬的世界中[2]，將現(xiàn)實世界的環(huán)境和物體在虛擬化的計算機世界中呈現(xiàn)出來，其特點是讓學生可以獲得一種全身心投入到仿真出來的虛擬環(huán)境的感覺之中，其內涵是讓學生完全沉浸于現(xiàn)實世界在虛擬世界中的投射中，與現(xiàn)實世界隔離，從而得到更好的獲取知識的體驗，拋開其視覺呈現(xiàn)的技術實現(xiàn)而言，三維建模并賦予虛擬化的交互流程是呈現(xiàn)該技術的重點。

增強現(xiàn)實（AR）技術的理念與虛擬現(xiàn)實（VR）的理念不同，增強現(xiàn)實（AR）不是學生與真實世界隔離開來，而是利用附加的圖形或文字信息，對周圍真實世界的場景動態(tài)地進行增強。在學生的眼里，真實物體和虛擬物體是共存的，是互相增強或者互為補充的，且更具有真實感，強調虛擬與現(xiàn)實的融合，將虛擬化的優(yōu)勢應用到現(xiàn)實世界中，并對現(xiàn)實世界進行增強，彌補了虛擬現(xiàn)實技術中模擬出來的學習環(huán)境與真實場景的體驗感不一致等缺陷。

總體來說，增強現(xiàn)實與虛擬現(xiàn)實的體驗側重點不同，對于高校實驗教學而言，完全的沉浸式教學體驗終歸要回到現(xiàn)實的教育之中，而基于虛擬現(xiàn)實技術的實驗教學課程的仿真程度完全依賴于顯示的分辨率以及建模的真實度和計算機的處理能力，脫離虛擬仿真教學后，學生存在較難的回到現(xiàn)實教學中的可能性，更強調現(xiàn)實與虛擬融合，虛擬為現(xiàn)實服務的增強現(xiàn)實技術則不一樣，能讓學生在真實的環(huán)境中體驗到虛擬素材帶來生動、形象、直觀，如電波、磁場、原子等那些抽象或肉眼不可見的內容。提高學生的學習興趣，活躍學生課堂參與程度。隨著5G等計算機通訊技術以及高性能并行計算、深度學習算法等框架的不斷完善，增強現(xiàn)實將會是高校實驗教學發(fā)展的趨勢。

3 基于增強現(xiàn)實技術實驗室建設的建設方案

從實驗室建設的需求來看，一個完整的虛擬仿真實驗室（虛擬現(xiàn)實技術的）主要包括模擬環(huán)境、感知、自然交互和傳感設備、仿真應用軟件等方面。模擬環(huán)境是通過三維建模由計算機生成實時的動態(tài)的三維空間的虛擬世界[3]。感知是指理想的VR應該具有一切人所具有的感知。除計算機圖形技術所生成的視覺感知外，還有聽覺、觸覺、力覺、運動等感知，也稱為多感知。自然交互是指人的頭部轉動，眼睛、手勢、或其他人體行為動作，能由計算機來處理的參與者的動作相適應的數(shù)據(jù)，并作出實時響應和反饋。傳感設備是指三維交互設備，其中，仿真應用軟件是其中最為關鍵的部分，在前面提到的硬件條件的基礎上，根據(jù)真實業(yè)務流程而設計的開放式交互過程模擬，VR用戶會完全感覺處于一個虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，VR的分辨率越高，虛擬現(xiàn)實給人的感覺越真實?？傮w而言，對于某個學科，學科的建設需求直接決定了一個VR實驗室的總體布局。基本的結構框架如圖1所示。

虛擬現(xiàn)實實驗室就目前而言，已經(jīng)較為成熟，所有的課程和模擬環(huán)境都是通過計算機建模而實現(xiàn)的，相對來說實現(xiàn)的難度并不大。目前已經(jīng)有較為成熟的整體方案[4]。

而對于增強現(xiàn)實（AR）實驗室，更強調現(xiàn)實的增強，主要目的是對于現(xiàn)有的實驗室的提升，將已經(jīng)建設好的或已有的實驗室（模擬實驗室）進行增強，通過圖像識別和語音識別框架對現(xiàn)有實驗設備進行擴展，提升學生獲取知識的途徑和學習興趣[5]。增強現(xiàn)實實驗室更注重于實驗教學軟環(huán)境的建設，在真實的業(yè)務場景和相關業(yè)務道具，用于展示增強現(xiàn)實信息的各類顯示終端以及配套的AR軟件，AR軟件同樣是其中最關鍵部分?；镜脑鰪姮F(xiàn)實實驗室基本的結構框架如圖2所示。

4 基于AR技術的實驗室設計理念

AR是一種將真實世界和虛擬世界無縫融合的新概念，在保護已有專業(yè)實驗室的投入的情況下，提升專業(yè)實驗室的利用率和學習轉化效率，能把原本在虛擬世界中很難體驗到的實體信息（視覺信息，聲音，味道，觸覺等），呈現(xiàn)后再融合，將虛擬的信息應用到現(xiàn)有的實驗室之中，被人類感官所感知，運用包含了多媒體、三維建模、實時視頻顯示及控制、多傳感器融合、實時跟蹤及注冊、場景融合等新技術與新手段，提供了在一般情況下，不同于人類可以感知的信息。不僅展現(xiàn)了原有實驗室的信息，而且將虛擬的信息同時顯示出來。從而達到超越現(xiàn)實的感官體驗。

如果說基于VR技術的實驗室能更好的幫助學生學習和理解真實的業(yè)務場景，降低在實訓實習過程中的危險性、提升學習興趣和創(chuàng)新能力，那AR技術的實驗室則能更好的幫助學生回歸現(xiàn)實，并將所學融會貫通與真實的業(yè)務環(huán)境中，消除虛擬環(huán)境和真實環(huán)境帶來的認知差距。同時降低建設成本。

AR實驗室設計的重點是完全是參照真實的業(yè)務場景設計的，如銀行的業(yè)務大廳、物流的倉儲、海關的報稅，審計的實施場地等等，進入真實的場景后，通過移動終端、智能玻璃、智能顯示屏等方式，了解和學習真實場景中遇到的問題。可以在現(xiàn)有的專業(yè)實驗室中實現(xiàn)人機交互，AR軟件的設計是實驗室建設或改建中重要的環(huán)節(jié)，是現(xiàn)實與虛擬化融合的關鍵，識別現(xiàn)實物體并在現(xiàn)實中投射信息，通過軟件反饋到屏幕之中所具有的交互性是AR技術實驗室的靈魂，例如，對于物流立體仿真實驗室而言，實驗室環(huán)境中充分模擬了現(xiàn)實物流的各個環(huán)節(jié)，如分揀環(huán)節(jié)、配送環(huán)節(jié)等，學生通過現(xiàn)有的屏幕或智能終端掃描識別現(xiàn)實場景中的物體和設備，將在屏幕或智能終端中通過AR軟件模擬仿真后再疊加，形成綜合的教學信息，實時疊加到同一個畫面空間中，給學生超越感官的體驗，從而加深學習的效果。

5 結語

雖然基于VR技術的實驗室目前仍然處于高速發(fā)展期，主要原因得益于VR設備和軟件較為成熟。受限于視覺呈現(xiàn)方式的局限性以及技術上的不足，是阻礙AR技術應用于實驗室建設的最大瓶頸，實驗教學工作者不具備AR尖端技術的研發(fā)實力，而研發(fā)能力強的科技公司對實驗教學的需求又缺乏深入的了解，導致供需的不匹配[6]等原因都導致了目前AR實驗室的普及率低，但從實驗室發(fā)展前景以及教學效果來看，基于AR技術的實驗室更強調于虛擬與現(xiàn)實的融合，強調現(xiàn)實的主體地位，更易于通過手機終端等方式的呈現(xiàn)，也更容易激發(fā)學生的學習和創(chuàng)新動力，隨著圖像、語音識別深度學習框架的識別準確度的不斷提升、AR軟件的成熟，AR實驗室將逐步進入高校的實驗教學體系之中。

參考文獻

[1] 趙明明.中國VR技術的發(fā)展現(xiàn)狀、應用前景與對策探究[J].視聽，2018（1）：209-210.

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[4] 王瑋，董健，門少杰，等.基于VR的傳輸設備工程設計系統(tǒng)的研究[J].山東通信技術，2019（1）：29-32.

[5] 史永永.科技發(fā)展對高校化工實驗室建設的影響[J].化工管理，2018（25）：14-16.

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