基于情境感知的校園導(dǎo)覽系統(tǒng)

蔡蘇 吳超 王沛文

【摘 要】情境感知作為一種強(qiáng)交互形態(tài)，是智慧校園建設(shè)的一大熱點(diǎn)內(nèi)容。本文基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、位置服務(wù)和移動(dòng)計(jì)算等技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了地理導(dǎo)航與文化瀏覽一體化的校園導(dǎo)覽系統(tǒng)。系統(tǒng)以Android手機(jī)平臺(tái)為客戶端，包含校園熱點(diǎn)新聞推送、校園地理位置導(dǎo)航、校園建筑（群）定向搜索、校園文化導(dǎo)覽等以校園環(huán)境和校園文化為核心的服務(wù)與功能。旨在為校內(nèi)外人員提供一個(gè)熟悉校園地理文化環(huán)境的綜合服務(wù)體，同時(shí)探索移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和位置服務(wù)等技術(shù)應(yīng)用于校園導(dǎo)覽的效果，為“智慧校園”的子系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供思路，同時(shí)也為K-?12教師創(chuàng)建有教育意義的戶外探究活動(dòng)提供參考。

【關(guān)鍵詞】智慧校園；位置服務(wù)；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；移動(dòng)計(jì)算；校園導(dǎo)覽

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2018）02、03-0118-03

智慧校園概念及其發(fā)展現(xiàn)狀

智慧校園源于2008年美國(guó)IBM總裁兼首席執(zhí)行官彭明盛在題為“智慧地球：下一代領(lǐng)導(dǎo)議程”的演講中首次提出的“智慧地球”理念[1]。智慧校園包括學(xué)習(xí)情境識(shí)別與環(huán)境感知技術(shù)、校園移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)、社會(huì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、學(xué)習(xí)分析技術(shù)、數(shù)字資源的組織和共享技術(shù)。當(dāng)前我國(guó)智慧校園還沒(méi)有完全擺脫數(shù)字校園的思維，很多情況下只是提供了簡(jiǎn)單的信息查詢和交互平臺(tái)，缺乏情境感知。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和位置服務(wù)是提供情境感知功能的兩大關(guān)鍵技術(shù)，在國(guó)內(nèi)K-12教育中尚未得到充分應(yīng)用。

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和位置服務(wù)的應(yīng)用案例

將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入傳統(tǒng)的地圖導(dǎo)航逐漸成為地理漫游服務(wù)的一大熱門，近年來(lái)，許多研究者對(duì)這種新型導(dǎo)航方式的實(shí)用效果和設(shè)計(jì)模式進(jìn)行了研究。Huang H和K Rehrl先后探究了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、語(yǔ)音提示和電子地圖三種模式對(duì)地理導(dǎo)航的實(shí)際效果[2][3]，發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的導(dǎo)航效果并不如后兩種傳統(tǒng)方式，其主要原因是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)硬件環(huán)境的穩(wěn)定性要求較高，使得不同用戶體驗(yàn)差異較大。JH Lee等人針對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)多標(biāo)簽阻擋視線等缺陷，設(shè)計(jì)了一種基于道路信息和位置信息讓標(biāo)簽時(shí)刻顯示在屏幕恰當(dāng)位置的方法，大大提升了用戶體驗(yàn)[4]。北師大“VR/AR+教育”實(shí)驗(yàn)室自2013年開(kāi)始研發(fā)基于位置服務(wù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的校園導(dǎo)覽系統(tǒng)，以實(shí)際校園環(huán)境為例部署使用，并通過(guò)實(shí)證研究證明該系統(tǒng)能夠增強(qiáng)用戶對(duì)空間對(duì)象深層的認(rèn)識(shí)，提高了使用者的執(zhí)行效率[5][6][7]。

以上幾個(gè)案例為建設(shè)情境感知的智慧校園提供了設(shè)計(jì)思路。本文在借鑒此類軟件設(shè)計(jì)思路的同時(shí)，充分發(fā)揮校園環(huán)境體量小、用戶群?jiǎn)我弧⒁渍系忍攸c(diǎn)，開(kāi)發(fā)出精度高、內(nèi)容豐富、特色性強(qiáng)的校園導(dǎo)覽系統(tǒng)，使其充分體現(xiàn)智慧校園情境感知的特點(diǎn)。

“VR/AR+教育”實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用AR和LBS開(kāi)發(fā)的基于情境感知的校園導(dǎo)覽系統(tǒng)

本文介紹“VR/AR+教育”實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)的一個(gè)基于移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和位置服務(wù)的校園導(dǎo)覽系統(tǒng)，包括熱點(diǎn)新聞、實(shí)景導(dǎo)航、目標(biāo)地查詢、文化導(dǎo)覽等功能，使得校園成為一個(gè)可以隨時(shí)隨地可探索的學(xué)習(xí)環(huán)境。系統(tǒng)主要包含實(shí)景導(dǎo)航、目標(biāo)地查詢和文化導(dǎo)覽三大功能模塊。設(shè)計(jì)以智慧校園的任務(wù)為最終導(dǎo)向，旨在探索移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和位置服務(wù)等技術(shù)應(yīng)用于校園導(dǎo)覽的效果，為智慧校園的子系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供思路。雖然這是一個(gè)應(yīng)用于高校的移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)校園導(dǎo)覽的案例，但它也可為K-12教師從技術(shù)和教學(xué)方面創(chuàng)建有教育意義的戶外探究活動(dòng)提供參考。

1.實(shí)景導(dǎo)航

實(shí)景導(dǎo)航模塊以客戶端用攝像頭所取得當(dāng)前實(shí)景為主界面，與此同時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算用戶所處位置并與數(shù)據(jù)庫(kù)中所有建筑預(yù)存位置進(jìn)行信息比對(duì)，確定一定范圍內(nèi)所有建筑物的名稱、方向和距離等信息，通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將這些信息在真實(shí)場(chǎng)景中，并且所有建筑以標(biāo)記點(diǎn)的方式呈現(xiàn)在用戶界面的雷達(dá)上，方便用戶全局把握，如圖1所示。當(dāng)用戶在校園內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)或者走動(dòng)時(shí)，客戶端GPS坐標(biāo)及陀螺儀信息發(fā)生變化，系統(tǒng)通過(guò)重新計(jì)算，及時(shí)更新所有建筑方位信息，由此完成對(duì)用戶周圍建筑和景物的實(shí)時(shí)呈現(xiàn)與導(dǎo)覽。

2.目標(biāo)地查詢

實(shí)景導(dǎo)航僅針對(duì)一定范圍內(nèi)（如200米）的建筑和景物進(jìn)行信息呈現(xiàn)與導(dǎo)覽，屬于不定向的指導(dǎo)。我們進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)地查詢功能，以此作為實(shí)景導(dǎo)航功能的擴(kuò)充。在目標(biāo)地查詢功能中，支持用戶在搜索框中手動(dòng)輸入想要到達(dá)的目的地，系統(tǒng)自動(dòng)為用戶計(jì)算目的地距離、方位，同樣以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的方式將其位置信息呈現(xiàn)在真實(shí)場(chǎng)景中，同時(shí)在最下面的雷達(dá)上也有顯示，如圖 2所示。通過(guò)此功能，用戶可根據(jù)自己的需要定向選擇導(dǎo)覽目標(biāo)，以增強(qiáng)對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境的體驗(yàn)。

3.文化導(dǎo)覽

當(dāng)用戶走到校園內(nèi)某一文化建筑前，并試圖了解其文化背景及詳細(xì)信息時(shí)，可將攝像頭移至景物前。如圖 3所示，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)圖片識(shí)別功能識(shí)別出相應(yīng)圖片信息，并發(fā)送給服務(wù)器端相應(yīng)請(qǐng)求，服務(wù)器端根據(jù)所取圖片從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取與之相關(guān)的相應(yīng)內(nèi)容（文字、圖片、視頻、3D模型等），并將它們實(shí)時(shí)呈現(xiàn)在屏幕的真實(shí)場(chǎng)景前，與真實(shí)景物相互交融。用戶點(diǎn)擊該三維交互卡片，即可進(jìn)入詳細(xì)介紹的頁(yè)面。通過(guò)此功能，用戶省略繁瑣的查詢環(huán)節(jié)就可以方便、快捷、直觀地體驗(yàn)到校園文化。除此之外，用戶還可以點(diǎn)擊屏幕右上角的“收藏”按鈕對(duì)喜愛(ài)的內(nèi)容進(jìn)行收藏，并在“個(gè)性化設(shè)置”界面中再次得到收藏的內(nèi)容。

總結(jié)

本文所開(kāi)發(fā)的校園導(dǎo)覽系統(tǒng)將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與移動(dòng)位置服務(wù)相結(jié)合，應(yīng)用于校園導(dǎo)航中，拓寬了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和移動(dòng)位置服務(wù)的應(yīng)用領(lǐng)域。利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了空間信息的可視化，豐富了空間信息可視化的研究框架，同時(shí)也為地理信息科學(xué)的發(fā)展開(kāi)辟了新的研究方向和手段，有著非常重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。LBS和AR等情境感知相關(guān)技術(shù)經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展日益完善，在K-12教育領(lǐng)域也有著廣闊的發(fā)展空間。隨著越來(lái)越多的教學(xué)活動(dòng)走出課堂、走向室外，該技術(shù)不僅可以應(yīng)用于智能化校園建設(shè)，也能夠協(xié)助教師從技術(shù)和教學(xué)方面創(chuàng)建更有教育意義的戶外探究活動(dòng)，結(jié)合具體教學(xué)重難點(diǎn)，設(shè)計(jì)引導(dǎo)學(xué)生解決教師預(yù)先創(chuàng)設(shè)的問(wèn)題，從而提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

參考文獻(xiàn)

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