虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究

袁博 張勝男

摘要：AR，VR技術(shù)是一種改變下一代人機(jī)交互模式的新技術(shù)，能夠促進(jìn)教育相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，促進(jìn)教育信息化發(fā)展?，F(xiàn)如今，作為虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的載體，移動(dòng)設(shè)備正處于的全面推廣的階段，在不久的將來，大家能夠基于虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，借助不同的移動(dòng)設(shè)備，以不同的感官視野看到另一個(gè)全新的世界。同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)也在不斷完善，其應(yīng)用的硬件設(shè)備價(jià)格也會(huì)隨之下降。憑借自身在教學(xué)應(yīng)用中具有的優(yōu)勢(shì)和潛力，教育工作者會(huì)逐漸青睞于虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的教學(xué)環(huán)境，使得其在教育領(lǐng)域大放光彩。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)驗(yàn);虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù);教育應(yīng)用

如今，越來越多的教育工作者習(xí)慣于在教育教學(xué)過程運(yùn)用新技術(shù)來輔助教學(xué)活動(dòng)的開展，虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality，VR）技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AugmentedReality，AR）技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。在這樣的背景下，本文采用一個(gè)特殊視角，試圖把虛擬現(xiàn)實(shí)及其相關(guān)技術(shù)與傳統(tǒng)的教育環(huán)境融合起來，形成一種新型的互動(dòng)性的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境。

1相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

1.1.1概念及特征

VR指通過計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬現(xiàn)實(shí)或者想象世界中實(shí)體的存在，構(gòu)設(shè)出一種虛擬環(huán)境。參與者可以在構(gòu)設(shè)的環(huán)境中發(fā)生沉浸性的交互行為，是一種多源信息融合的交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真[1]。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)設(shè)的虛擬環(huán)境中，用戶能受到視覺、聽覺等感官上多方位的刺激，加強(qiáng)其沉浸感的體驗(yàn)，以滿足廣大消費(fèi)者追求真實(shí)感官體驗(yàn)的心理需求。

1.1.2發(fā)展歷程

在1968年，世界上出現(xiàn)了第一個(gè)能夠呈現(xiàn)虛擬圖像的頭戴顯示器，該顯示器由IvanSutherlan成功研發(fā)，在設(shè)計(jì)中采用了計(jì)算機(jī)圖形驅(qū)動(dòng)，并能夠?qū)崟r(shí)跟蹤頭部運(yùn)動(dòng)軌跡。1977年，美國(guó)麻省理工學(xué)院創(chuàng)建了科羅拉多州阿斯彭市的虛擬仿真系統(tǒng)。1989年，由JaronLanier提出的“虛擬現(xiàn)實(shí)”這一定義首次正式以計(jì)算機(jī)專業(yè)術(shù)語(yǔ)被界定。截至2015年，三星等大型科技集團(tuán)紛紛加入虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)行業(yè)，研發(fā)虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)設(shè)備產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)眾多虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)產(chǎn)業(yè)公司。

1.1.3存在的問題

盡管虛擬現(xiàn)實(shí)已經(jīng)被研究了半個(gè)多世紀(jì)，但關(guān)于使用這種技術(shù)至今仍然存在一些問題。有一些產(chǎn)品長(zhǎng)期使用可能會(huì)引起一些與健康相關(guān)的如眩暈、迷失方向或失去平衡等副作用。這些問題都是由于頭部運(yùn)動(dòng)時(shí)受頭顯高延遲、低圖像顯示率和高像素持久性的影響而產(chǎn)生。像素密度是VR目前發(fā)展的另一個(gè)挑戰(zhàn)，VR要達(dá)到與人類視覺相當(dāng)?shù)乃?，還有很長(zhǎng)的路要走。

1.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

1.2.1概念及特點(diǎn)

AR是一種實(shí)時(shí)計(jì)算攝影機(jī)影像位置及角度并加上相應(yīng)圖像、視頻、3D模型的技術(shù)[2]。在體驗(yàn)者所能觀察和感受的真實(shí)世界里嵌入由計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息是AR想要實(shí)現(xiàn)的最終目的。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的主要特征表現(xiàn)為能夠在真實(shí)環(huán)境中結(jié)合虛擬事物，實(shí)現(xiàn)兩者在同一環(huán)境下共存;使虛擬和真實(shí)兩個(gè)世界同時(shí)存在，保持同步，使用者能夠在現(xiàn)實(shí)世界中直觀地體驗(yàn)虛擬的空間事物;在三維空間中可以準(zhǔn)確添加定位虛擬物體，獲得新的視覺感官體驗(yàn)。

1.2.2發(fā)展歷程

“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”明確定位為一個(gè)技術(shù)概念最早是在1992年，由TomCaudell提出，當(dāng)時(shí)他將AR描述為在真實(shí)環(huán)境中疊加電腦呈現(xiàn)的材料所表現(xiàn)的場(chǎng)景[3]。近些年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅猛，隨之硬件設(shè)備的價(jià)格也受到影響而逐漸下降，在此基礎(chǔ)上，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的系統(tǒng)研究也得到了推進(jìn)[1]。

1.2.3存在的問題

就像對(duì)于使用VR存在擔(dān)憂一樣，對(duì)于AR也存在著同樣的問題。其中，最關(guān)鍵的一點(diǎn)的是，除了現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)方面的挑戰(zhàn)，消費(fèi)者使用AR產(chǎn)品時(shí)可能還存在著泄露個(gè)人隱私風(fēng)險(xiǎn)的困擾。產(chǎn)生這一問題主要是因?yàn)槟壳癆R設(shè)備已變得非常強(qiáng)大，具有實(shí)時(shí)分析環(huán)境的功能，還具有實(shí)時(shí)人臉識(shí)別算法，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)人臉識(shí)別，這很容易侵犯?jìng)€(gè)人隱私，造成信息泄露。

2虛擬融合環(huán)境中的教育應(yīng)用

2.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用

2.1.1虛擬遠(yuǎn)程教育

遠(yuǎn)程教育是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與環(huán)境支持開展的教育，主要采用互聯(lián)網(wǎng)等傳播媒體的教學(xué)模式。在構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)時(shí)，會(huì)設(shè)計(jì)智能虛擬的引導(dǎo)者角色，以引導(dǎo)學(xué)生更好地體驗(yàn)虛擬教學(xué)環(huán)境。學(xué)生可以在以網(wǎng)絡(luò)信息和多媒體功能為基礎(chǔ)的虛擬環(huán)境中，充分調(diào)動(dòng)自己的自主學(xué)習(xí)能力，足不出戶便可享有豐富的學(xué)習(xí)資源[2]。

2.1.2虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境

虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)是指基于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境所呈現(xiàn)的接近真實(shí)的實(shí)驗(yàn)。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，實(shí)驗(yàn)儀器、操作設(shè)備和實(shí)驗(yàn)試劑等都是虛擬的，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求利用VR實(shí)時(shí)生成所需設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這樣一來，就減少了學(xué)校實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)支出方面的壓力，能夠解決學(xué)校實(shí)驗(yàn)方面存在的設(shè)備不足、場(chǎng)地受限、經(jīng)費(fèi)缺乏等普遍問題。虛擬實(shí)驗(yàn)室提供豐富生動(dòng)的教學(xué)資源和3D實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)的操作演示，使用靈活，操作簡(jiǎn)單，可以呈現(xiàn)最精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

2.2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用

AR教育就其根本性質(zhì)來說，只不過是因?yàn)樵诮逃幕A(chǔ)上附加了AR作為技術(shù)支撐，就使得原本的基礎(chǔ)教育產(chǎn)生了新的特性，同時(shí)也會(huì)衍生出新的教學(xué)方式供教師使用[3]。

2.2.1AR閱讀

AR讀物主要是在紙質(zhì)書本頁(yè)面中借助圖像識(shí)別技術(shù)來疊加一些虛擬圖像信息，使讀者產(chǎn)生更直觀新穎的感官體驗(yàn)。一般情況下，通過圖書相關(guān)APP掃描可實(shí)現(xiàn)書中平面化的內(nèi)容跳出顯示為立體圖像，使圖書內(nèi)容更加形象直觀。將AR閱讀應(yīng)用在中小學(xué)立體幾何教學(xué)中，讓同學(xué)在課堂上通過直接掃描書本觀看立體三維圖形，可以解決那些空間想象能力較弱的學(xué)生在知識(shí)理解方面存在的難題。

2.2.2教學(xué)演示

在教學(xué)活動(dòng)開展中教師最慣用的教學(xué)形式之一就是教學(xué)演示。在傳統(tǒng)教學(xué)活動(dòng)開展過程中，教師通常采用的是基于平面的多媒體教學(xué)演示，學(xué)生的體驗(yàn)感不強(qiáng)烈。但在教學(xué)活動(dòng)展開過程中基于AR技術(shù)的教學(xué)演示，教師和學(xué)生接觸更多的是在真實(shí)的教學(xué)場(chǎng)景環(huán)境中疊加進(jìn)去一些虛擬的三維立體模型或者虛擬動(dòng)畫效果。

3虛擬融合環(huán)境中教育應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)及不足

傳統(tǒng)教育中，往往存在受教育者無法參與到課堂中、無法和教師進(jìn)行互動(dòng)的困難，VR，AR技術(shù)和教育的結(jié)合則很好地解決了這個(gè)難題。將新技術(shù)應(yīng)用于具體的教學(xué)環(huán)境中，可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生在課堂中與知識(shí)的自然交互，還可以在一定程度上提升學(xué)生的體驗(yàn)感，進(jìn)而推動(dòng)學(xué)生在教師安排的課堂探究環(huán)節(jié)中能自覺主動(dòng)的進(jìn)行學(xué)習(xí)。另一方面，基于VR，AR技術(shù)的情景化虛擬教學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境，能夠?yàn)閷W(xué)生提供聲音、動(dòng)畫等多樣的數(shù)字化媒體教學(xué)內(nèi)容，能夠使學(xué)生能夠?qū)W(xué)習(xí)產(chǎn)生興趣。對(duì)于基于虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的系列教育產(chǎn)品，普通教育者追求的并不是技術(shù)方面炫酷的體驗(yàn)，而是學(xué)生學(xué)習(xí)水平和教學(xué)效果實(shí)實(shí)在在的改善和提高。但是目前，AR，VR產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段，還存在應(yīng)用不足、技術(shù)儲(chǔ)備不足、數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)不足等問題，使得其在教育領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用還存在著一些弊端。在實(shí)際課堂教學(xué)中，并不是所有的知識(shí)內(nèi)容的教授都可以應(yīng)用新技術(shù)，而且，有些教師對(duì)于新技術(shù)的學(xué)習(xí)運(yùn)用持抵觸心理，新技術(shù)的教學(xué)優(yōu)勢(shì)很難在課堂中完全發(fā)揮出來[4]。

4結(jié)語(yǔ)

采用前沿的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)手段，結(jié)合高校多學(xué)科、多專業(yè)對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的需求，探索建設(shè)基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)體系，研究構(gòu)建多元化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源建設(shè)體系，為師生開創(chuàng)一種接近現(xiàn)實(shí)、互動(dòng)性強(qiáng)、豐富多樣的學(xué)習(xí)方式提供解決方案。

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作者簡(jiǎn)介：姓名 ：袁博，出生年月：1990年5月，性別：男，民族：漢族，籍貫：遼寧省沈陽(yáng)市，單位：個(gè)人，身份證號(hào)碼210104199005225219，學(xué)位：碩士，研究方向： 虛擬現(xiàn)實(shí)，平面視覺設(shè)計(jì)。