增强虚拟现实技术的教学应用研究
作者: 徐媛, 硕士研究生, 曲阜师范大学信息技术与传播学
摘要：增强现实( Augmented Reality, AR) 是把计算机生成的虚拟信息合成到用户看到的真实世界中, 使真实世界与虚拟物体实时叠加到同一时空而同时存在的一种技术。本文介绍了增强现实的概念、特点和技术原理, 根据增强现实系统所具备的性能和已有研究成果, 探讨了其在教与学中的应用方式, 试图为增强现实进入教育领域提供借鉴。
引言
近年来, 虚拟现实( Virtual Reality, VR) 吸引了大众极大的注意。VR 的基本思想是使用户沉浸于由计算机创造的“虚拟三维世界”。然而它的不足也很明显: 它们将其中的用户从他们身边的真实世界中隔离了出来。而增强现实( Augmented Reality,AR) 的潜能将更巨大: 该技术采用的是补充增强真实世界的显示而非替代, 用户在看到他身边真实世界的同时可以看到被复合到真实世界中的计算机图形。
基于增强现实如此的潜力和优势, 本文将探讨增强现实在教育领域的应用。
一、增强现实简介
虚拟现实( VR) 将平面的二维网络世界转变为充满新的吸引力的三维世界, 使人们对计算机功能的认识跃迁到一个更高层次。尽管虚拟现实技术能模拟十分逼真的三维世界, 但它创造的虚拟环境与现实物理世界基本是完全分割的, 若将真实世界与虚拟世界结合将达到更完美的统一。为弥补这种缺陷, 虚拟现实进一步发展产生了增强现实( AR) 。关于VR 与AR 的关系, 为AR 下定义的Millgram 在1994 年描述了一种分类法来确定两者的工作关系, 他定义了一个现实与虚拟的连续统一体[1], 由该图我们可以清楚地理解AR 与VR 的关系( 如图1 所示) :
图1 Millgram 定义的真实环境与虚拟环境的连续统一体
2. 增强现实
增强现实通过计算机技术, 将虚拟的信息应用到真实世界, 真实的环境和虚拟的物体实时叠加到同一个画面或空间中同时存在; 再通过硬件和软件系统的协调作用, 使得身处其中的用户可以以更加自然的方式与环境中的真实和虚拟物体进行三维实时交互。HRL 实验室的Ronald Azuma 这样定义增强现实:虚实结合, 实时交互, 三维注册[2]。
增强现实对人的视觉系统进行了景象增强与扩张, 信息的显示与用户的所见所闻所感结合起来, 实现了虚拟信息与真实世界的无缝连接, 为虚拟世界和现实世界的接轨提供了空间, 将用户花在切换和对应现实与虚拟世界上的时间和工作量降低, 从而使计算机界面和用户眼中的世界完美地合二为一。这种增强现实系统具有较虚拟现实更广阔的应用潜力和空间。
二、增强现实特点和技术原理
1. AR特点
( 1) 真实性。增强现实的优越性体现在实现了虚拟世界中的事物和用户周围真实环境的结合, 它对用户而言是真实世界和虚拟物体的共存。
( 2) 实时互动性。增强现实最大的意义在于虚拟世界和真实世界的实时同步, 理想的AR 使人们可以在现实世界中真实地感受来自虚拟空间的一切模拟或幻想的事物, 令我们更加容易进入角色, 大大增强了使用的趣味性和实用性。
( 3) 实用性。广州英狮公司研发出了新型混合现实技术, 结合数字图像基础分析技术, 将现时相对昂贵的AR 捕捉设备成本降到最低, 只需要一个普通摄像头[3]。因此, 通过技术优化, 我们可以做到使用一般的廉价通用设备而使之灵敏度达到一些高级设备的水准, 使AR 技术在现实世界中更加实用。
2. 技术原理
通过增强现实, 用户在感观到真实环境的同时能在虚拟影像的指导下接触操作真实物体。在技术上, 大多数的增强现实都是通过图形叠加的方式把虚拟图像置于真实的图像或环境中, 其关键技术构成包括四点[4][5]:
( 1) 显示技术: AR 的显示设备主要用于显示虚拟图像与真实环境相叠加所产生的影像。人类从外界所获得的信息有近80%是通过眼睛得到的, 因此AR系统中的头盔显示技术成为整个系统的关键问题之一。用于AR 的显示器包括头盔式显示器( HMD) 、手持显示器和投影显示器。目前主要使用的是透视式头盔显示器, 如光学透视式HMD、视频透视式HMD等。
( 2) 跟踪和定位技术: 为了交互, AR 需要进行定位, 准确跟踪用户的位置和视域方向, 以确定用户的观察点和计算机生成的虚拟物体在三维场景中的准确位置。目前在准备好的室内环境中能够实现较好的定位效果, 对于室外的、移动的AR 应用, 跟踪计算对象的实时位置还比较困难。
( 3) 界面和可视化技术: 在感观到的真实环境中与虚拟信息进行实时交互是比较困难的, 用户如何与AR 交互以及如何有效地在AR 显示器上表现信息是增强现实的另一个关键点。AR 系统的定位错误是很难避免的, 如何解决并实现有效的可视化目前正在研究当中。
(4) 标定技术: 为生成准确的定位, AR 系统需要进行大量的标定。目前AR 标定使用摄像机标定的原理, 以及许多手动标定技术。研究人员正在对如何避免或减少使用标定的方法进行探索。
三、增强现实在教与学中的应用
与VR 的发展应用途径类似, 目前AR 广泛地应用在诸如军事、医学研究、装配与维修、航空航海训练、商业及娱乐等领域, 而涉及教育教学的应用研究为数不多。这一方面与AR 所需的软硬件设备有关,另一方面也与目前AR 技术的水平和特性有关。但可以预测, 随着信息化革命的大潮和AR 技术本身的发展成熟, AR 不久就会在教育领域大显身手。
对于增强现实在教与学中的应用, 笔者认为有以下几种方式值得研究。
1. 立体书籍
看书学习对于中小学学生来说有时是很枯燥单调的, 即使图文并茂也是平面呆板的, 若通过AR 技术使读者在看书的同时通过头盔显示器看到听到相关知识的动态画面及声音, 将会大大提高读者的兴趣和集中注意力。有公司研制出了一种“魔法书”[6], 魔法书看上去和普通书籍没有不同, 同样有图片和文字。
当读者戴着头盔显示器观看书页看到某个知识点时,可以同时看到立体活动的物体, 沉浸在书中所描绘的三维虚拟世界中。立体书籍使读者的注意力被吸引到书中, 使看书不再枯燥单调, 不再抽象, 可提高学习效率, 增强理解和记忆。
2. 操作技能培训
增强现实技术已经在国外的一些工程技术人员培训中有许多实际应用。同样, 将来我们可以将其移植到学科实验教学与练习中来。比如理工学科的试验,在头盔显示器中叠加上试验相关的提示或说明信息,然后逐渐减少显示的信息量, 直到学习者可独立操作。这种练习符合认知的渐进过程和建构主义的支架式教学模式, 能帮助学习者在指导下逐渐地掌握、建构和内化知识技能。
3. AR教育游戏
教育游戏为学生创造了一个宽松和谐的学习环境, 在启发人的思维和培养能力方面发挥着重要作用, 学生在游戏中愉悦地学习。而AR 虚实结合实时互动且不受动作限制的特性使得此类游戏更吸引人,更能达到游戏的教育益智目的。据英国《新科学家》周刊报道, 新加坡国立大学的研究人员发明了一种新颖互动的“讲故事”方式, 即会“演”故事的魔方。
这种“故事魔方”应用增强现实技术, 把电脑图解加之于现实世界, 让动画故事呈现在孩子们的传统魔方上。在实验室的测试中, 玩者说他们喜欢故事魔方胜于图画书, 因为这种魔方“能提供具体、直接的信息互动方式”。
4. 残障人群学习
使用增强现实技术可简化人机界面, 促进信息交换速度, 减少学习使用机器的时间。面对现在各种高科技的电子信息设备, 特别是结构复杂的计算机操作, 人们都需要花一定的时间学习, 而这对于智障或残疾人群有很大的困难。如果我们把一些输入指令改为人们与生俱来的声音或动作, 学习难度将大大降低, 并节省了学习时间。另外, 在人与计算机的交流中存在沟通的障碍, 如果用直观的图形分析, 使用者不需接触电脑, 通过摄像头, 只要给电脑“望见”就行了。这样可以缩短信息交流过程, 为伤残人士的学习和通过网络交流提供了莫大的方便。
四、增强现实的教育应用展望
增强现实作为一种最新的电脑技术, 已经开始在各个领域得到应用。尽管增强现实目前有许多可演示的研究系统, 但达到实用标准的还比较少, 技术上还存在很大的障碍, 但现时的技术发展都是呈加速趋势的, 在终身教育成为时代发展的必然趋势且竞争日益激烈的信息时代, 增强现实在不久的未来必将在教育领域大展身手。
[参考文献]
[1] James.R..Vallino. Introduction to Augmented Reality [E] http://www.se.rit.edu/~jrv/research/ar/introduction.html
[2] Ronald.T.Azuma. A survey of augmented reality[J], Teleoperators andVirtual Enviroments,1997,6(4):355- 385
[3] 英狮数码. http://www.yes3d.com/product1.asp
[4] Ronald.T.Azuma,Yohan Bailot et al. , Recent advances in augmentedreality[J],IEEE Computer Graphics and Applications,2001,21(6):34-37
[5] 陈靖, 王涌天, 闫达远. 增强现实系统及其应用[J]. 计算机工程与应用, 2001,( 15)
[6] 魔法般的三维立体书[EB]. 四川新闻网http://www.newssc.org/gb/Newssc/meiti/cdrb/fk/userobject10ai1128543.html
