增强现实的技术类型与教育应用

2024-12-17上海AR开发专家

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  一、
  增强现实
  技术的基本概念
  增强现实(Augmented Reality，AR)是虚拟现实技术的分支之一，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等多种领域。一般认为，这一词汇最早是由波音公司的研究员Tom Caudell在1990年代提出的。增强现实的目的在于对现实世界做进一步的扩充和延伸。在其技术进化的过程中，主要面临的技术难题是视觉呈现方式、目标追踪定位等。
  根据Johnson等人的观点，增强现实系统经历了有标记点与无标记点两种类型。前者依赖数据手套、传感器和立体显示设备，后者则代替以全球定位系统GPS、电子罗盘和图像识别设备。近年来，移动互联网产业蓬勃发展，便携性、智能性、互动性等特征逐渐显现，手机也开始成为 增强现实发展的重要领地，与增强现实密切相关的APP迅速扩张并独成一脉。在增强现实的应用中，现实环境对客体而言是具有真实感的，在数字技术与想象心理 维系下还得以强化。
  与一般意义上的虚拟现实技术相比，Milgram、Takemura、Utsumi与Kishino(1994) 进行了详细探讨，并提出了“现实与虚拟世界的连续性”的理论，将现实世界与虚拟世界看成是一个封闭的集合，将其中间区域定义为
  混合现实
  。由此推定， 增强现实是现实世界的延伸，是迈向虚拟世界的桥梁。Ronald T. Azuma(1997)则将增强现实框定为虚拟现实的另一种变化形态。增强现实利用叠加的方式将虚拟物体放置到现实世界中，为用户提供真实与虚拟的双重体验。增强现实用一种无缝连接的方式，在真实与虚拟之间搭建了一座桥梁(Chang，Morreale & Medicherla，2010)。可以说，增强现实不同于虚拟现实，它部分地保留了用户的现实体验，即通过海量的地理信息数据，与真实的位置、对象及其意义展开互动。
  二、增强现实的技术进展与类型
  增强现实技术是一项高新科技技术，通过立体显示、传感器、二维码、3D建模等技术，充分调动用户的参与意识与互动思维，把现实世界与虚拟世界有机结合起来，从而营造出似真似幻的 曼妙时空。增强现实的技术主要包括：显示技术、识别技术、立体成像技术、传感技术等。就显示技术而言，则主要分为头盔式和非头盔式两种。就头盔式而言，依据影像呈现方式的不同，又可分为屏幕式与光学反射式。其技术区别，如表1所示。
  表1  屏幕式头盔显示和光学反射式显示技术的区别
   随着移动互联网与智能手机的逐渐普及，人们逐渐把目光聚焦到手持显示设备(Hand-Held Displays)、空间显示设备(SpatialDisplays)以及可穿戴显示设备(Wearable Displays)上，希望借助于最新的3D显示技术带来轻松、便携、愉悦的沉浸感受。在这股技术潮流中，手持显示在商业上最为成功。而裸眼3D技术，因其无需佩戴眼镜、立体透视感强烈、适应各种光线条件等优势集于一身，正逐渐应用到各种电子屏幕上。空间显示是与环境密切融合的技术，它一般与使用者相分离，并能被多人同时使用，触摸虚拟对象可感生真实感。空间显示设备通常是显示器或投影仪。2012年4月，Google正式发布名为“ProjectGlass”的未来眼镜概念设计，集GPS、手机、相机等功能于一身，用户只需眼部动作就能完成查询路况、收发信息、拍照摄像等实时操作。它本质上是摄像头、微型投影仪、传感器、操控设备、存储传输等的结合体，可看作是光学反射式显示技术的最新应用。
  与主流的屏幕显示技术相比，另外一个进展迅速的技术类型是全息影像(Holography)，它是一种在真正意义上实现360度影像表达的技术，即从任意角度观看都会得到真实的立体效果。这种技术从最初的静态影像呈现，如身份证照片、防伪标示等，进化到如今的实时性、动态性、体积感等多种特性。从技术实现的方式而言，既有大型投影群的参与， 也能见到微型投影器的身影。前者可在大型广场等户外举行虚拟展示、艺术表演等活动，而后者应用于智能手机、平板电脑、智能手表等可穿戴设备上，开发互动性体验、立体投影等新媒体功能，则更具有技术优势与发展潜力。此外，透明面板的发明也带给人们极大的想象空间，即把屏幕的光学折射特性应用到极致，透过屏幕可以看清后边的真实世界，这使得裸眼3D产生的虚拟空间与真实世界更容易叠合，而不借助于摄像头进行影像的捕捉，既避免了光学反射式投影影像的对焦虚化， 更避免了头盔式屏幕显示的影像质量的画质损失，因而是一种极具前景的增强现实技术。
  三、增强现实技术的具体教育应用
  在网络信息时代，新媒体技术的不断裂变与涌现，对传统的教育形态造成了深刻的影响，儿童教育亟需寻找增强现实、虚拟仿真等新技术手段来提升效率和趣味性。
  1．网页浏览与信息获取
  Layar(拉亚)是全球首款增强现实感的手机浏览器，由荷兰SPRX Mobile软件公司研发设计，支持IOS和Android手机应用，能向用户提供周边环境的真实图像。其使用方法主要是通过摄像头进行现场捕获，在手机屏幕下方就可看到与拍摄物相关的信息与数据。作为技术平台提供者，Layar等浏览器中内置了海量的地图数据，通过开放接口，吸引了大约数千个第三方AR 应用。尽管必须遵守诸如谷歌地图等的开发协议，但也回避了网络隐私等敏感问题。
  在Layar发布前后，Yelp、SekaiCamera、Junaio、安居客等类AR产品不断出现。相比较而言，Yelp局限于店铺推介和评论，Sekai Camera主要专注于游戏平台，而Junaio则可根据用户喜好浏览各种虚拟城市信息。增强现实技术被越来越多地应用到无线营销中，与社交媒体APP的 结合日益密切，通过手机增强现实体验，可为用户带来意想不到的用途。例如用手机摄像头扫描识别周围建筑物的外观，即可进行商业信息查询等；若扫描尚未设计布局的空房间，则会调动组合相应的装潢元素，让用户加以选择或匹配，甚或扫描天际，显示未来时间的天气状况等。诸如此类的商业应用，带给用户无限的延展空 间与创意启示。
  2．三维导航与游戏场景
  增强现实应用于三维导航与游戏中是近年来的新趋势。在该领域，通过全新构建的高逼真度立体场景，将虚拟的角色与环境紧密结合，将用户带进完全不同的时空氛围中，借助于巧妙设计的剧情与角色扮演任务，让用户感受到驾驭角色的临场感，体验到幻想空间的精神激励与感官刺激。在三维场景中，用户可以根据自己的需要切换视角，明确自身所处的地理位置与任务进度。借助于即时通信技术中的文字与语音，用户还可以真实地感受到团队协作的精神支撑，克服了传统单机游戏无法进行情感交流、无法看到团队中个人价值 的弊端，使得游戏过程更具互动性、参与性与情境性。
  将增强现实技术应用于三维导航的例子也有很多。2007年，Schmeil、 Broll在其开发的AR移动助理系统中，提出了虚拟秘书的角色设定。当用户携带AR装备达到特定地点时，根据GPS的位置数据，用户能与虚拟秘书进行即时问答，从中获取该位置的相关介绍与资料。虚拟秘书的概念尽管新颖，但仍然受到显示屏幕、位置定位等技术困扰，其视觉效果、易用性等往往不尽如人意。 2008年，Iris Herbst等人在有关TimeWarp项目中，开始尝试将游戏元素加入三维导航中。该游戏设计的初衷是把
  AR技术
  融合到一个“人文旅游+冒险游戏”的三维导航中，并试图结合当地民间传说故事，体现文化元素的巧妙运用。在后来的实施中，时空选择、任务布置、能力提升、商品交易等元素的加入，使得该项目的参与性较强，游戏趣味明显，获得了不错的口碑与评价。
  3．虚拟仿真与互动教学
  在枯燥的学科教学中，教育者往往苦于认知工具的匮乏。在历史课堂教学中，由于地上建筑遗存的缺失，学习者无法想象当年的建筑外观与地貌特征。借助于增强现实技术，可以让学习者穿越时空、直观地体验建筑造型与美学特征，甚至复原当时的战斗情景与转折瞬间，而这一切只需借助于先进的可穿戴智能设备，便能虚实结合地营造出学习气氛与环境。增强型图书将纸质书的阅读感受与电子资源的特点结合起来，能“提升阅读体验，提供资源支持，实现丰富的互动学习”。国内外的相关研究表明，具有沉浸感的虚拟现实游戏能够提升学习者的学习意愿，高效地展示学习材料与成果，激发学习的兴趣与热情，巩固长期知识的记忆与凝练。
  2004年Liarokapis等在实验中证实，在互动教学中采用增强现实技术，比如用3D方式呈现发动机引擎的凸轮轴构造，有助于大学生理解更为复杂的问题或理论。增强现实与不同学科的结合的 情况十分常见，天文学、化学、生物学、几何学等课程中都能见到成功案例。2006年，Thomas证实了增强现实技术丰富了儿童的想象力和认知度，能在其创设的环境中更加自然地开展学习。2007年，Ardito等人开展了一个名为“Egnathia公园古迹考古”的游戏项目，其中的参与者先被划分成很多小团队，每队由4～5人组成，并推举1人为队长。团队的任务是扮演一个抵达该地的罗马家庭，在被分配手机、地图等物品后，开始考古探险的历程。在这一过程中，学习者可以接触到提前规划好的教学内容，并利用手机、笔记本等工具做出分析和记录，同时结合真实的现场与虚拟增强画面进行对比分析，从而收获知识探索与主动发现的乐趣。
  2008年，Freitas和Campos开发了SMART(system of augmented realityfor teaching)系统，用于二年级的概念教学，比如运输方式或动物种群等，收到了较好的教学效果。2009年英国广播公司BBC的Edris在一项研究 中利用增强现实技术设计了“地球、月球与太阳的互动游戏”，通过对10岁儿童的教学观察与体验，证实了增强现实技术是有效的教学认知工具。2010年 Naliuka等人的VikingGhost Hunt是同类项目中较为突出的一个，它在很多方面全面超越了“Egnathia”的诸多技术限制，在虚实互动方面走得更远，其成果也更加深入。作为探究式与协作式学习的典型事例，这一项目给予后来的研究者以积极的启示。
  四、增强现实的教育价值分析
  增强现实是一种跨度广泛、针对性强的人机交互技术。多个应用案例表明，
  AR教育
  游戏具有提供情境、支持协作、促进自主学习等作用。AR教育游戏的一些案例表明，其可应用于情境化学习、协作式学习、自主性学习等各种形式的学习活动中[7]。借助于AR中的互动技术，学生、教师、团队甚至是偌大校园， 组成了一个个“活动着的实验室”。通过增强现实技术与手机等设备的视觉听觉展示，能“绘声绘色地讲述演绎教育内容，形成完整的儿童认知 体系”。同时，增强现实技术的应用为儿童教育“提供了崭新的教学模式”。而作为微型移动学习的设计，必须对用户的学习体验加以特别考虑。在为学习者提供虚拟学习环境的同时，还应该提供必要的、有效的学习支持。增强现实是改善学习效果的一种途径，有形的、可感知的界面设计是认知工具的基本体现，可以帮助儿童对抽象概念的理解。可以说，AR的应用为促进和支持真实环境中探究式的学习，开辟了一条崭新的路径。
  从人类的感知经验来说，增强现实拓展了人对客观世界的认识能力，能够获得真实环境下无法获得的辅助信息，比如地理坐标、大气环境、交通提示等，而这些在现实条件下人们是无法即时掌控的。其次，增强现实能够帮助人们实现“时空穿梭”，把历史上曾经出现但是无法复原的人文、自然景观进行虚拟展示，甚至把幻想世界中光怪陆离的奇异景象进行视觉再造。前者如消失的文化古迹、古代的战争场面等，后者如未来的城市空间、瑰丽的科幻世界等。此外，增强现实能够打破现有 空间的限制和不足，对宇宙太空、微观世界等人类无法抵达的视界进行操作，拉近时空距离，突破认知界限。比如Star Walk(星际漫步、天文指南)，就是增强现实版的“天文互动指南”，通过GPS、指南针和陀螺仪等就能帮助用户轻松辨别星座，创设了极佳的实时互动性学习体验。
  作为虚拟现实技术发展的重要领域，增强现实的出现完善并扩大了人类已有的的认识领域和知识结构，变革了传统的时空观念，也为探究周围世界的科学知识提供了重要的认知工具。增强现实所具有的丰富认知、突破时空、实时交互等教学特性，将使得它在移动应用开发得到更多的关注和推广，为学习者提供更加广阔的学习环境和丰富的学习资源。尽管增强现实的应用仍有许多现实问题有待解决，比如经济成本、使用效率、认知度不高、安全性等，但是人们对于它的未来成长空间寄予厚望。