增强现实的技术类型与教育应用

Vol.24No.112014增强现实的技术类型与教育应用齐立森1皮宗辉2徐苗1王树国2（1．山东理工大学计算机科学与技术学院，山东淄博255049；2．喀什师范学院南疆教育发展研究中心，新疆喀什844099）摘要：增强现实是真实世界与虚拟环境相结合的系统，其显示技术经历了头盔式、光学反射式、手持式、全息投影等技术类型。增强现实的教育应用，涵盖网页浏览与信息获取、三维导航与教学游戏、虚拟仿真与互动教学等多种领域，蕴含着丰富认知、突破时空、实时互动等教育价值。关键词：增强现实技术类型教育应用学习环境【中图分类号】G40-057【文献标识码】A【论文编号】1009—8097（2014）11—0018—05【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2014.11.003基金项目：本文受新疆维吾尔自治区普通高等学校人文社会科学重点研究基地—喀什师范学院南疆教育发展研究中心基金资助，同时系新疆南疆教育发展研究中心2013年度重点项目“南疆中小学‘班班通’教学资源利用研究”(项目编号：XJEDU070113B03)阶段性研究成果。一增强现实技术的基本概念增强现实(AugmentedReality，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TomCaudell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)[1]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。RonaldT.Azuma(1997)[2]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)[3]。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。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-HeldDisplays)、空间显示设备(SpatialDisplays)以及可穿戴显示设备(WearableDisplays)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SPRXMobile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，SekaiCamera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，IrisHerbst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”[4]。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[5]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(systemofaugmentedrealityforteaching)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VikingGhostHunt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[6]。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”[8]。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”。[9]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[10]。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[11]。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[12]。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