增強現(xiàn)實在教育中的應用

洪震++趙建民

摘要：增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）技術是在虛擬現(xiàn)實技術基礎上發(fā)展起來的，通過將計算機生成的虛擬物體、場景或系統(tǒng)提示信息疊加到真實場景中，從而實現(xiàn)真實世界信息和虛擬世界信息相結合。增強現(xiàn)實技術實現(xiàn)了虛擬與現(xiàn)實的融合和交互，為現(xiàn)實中的教育教學提供了更廣闊的探索空間。本文主要介紹AR技術主要原理以及在教育教學上的應用，并實現(xiàn)與移動技術的結合，完成應用的多平臺發(fā)布。希望通過增強現(xiàn)實技術為青少年的教育教學以及生活增添魔幻色彩。

關鍵詞：AR；教育教學；多平臺；移動技術

引言

在當前以信息技術為背景的現(xiàn)代教育教學中，學生的學習興趣得到了提高，主體性得到了較大的發(fā)揮。但是，大部分多媒體信息存在一定的局限性，它只能按照時間的流程，按電腦中程序設計的流向有限制地瀏覽。早在2011年的《地平線報告》中，增強現(xiàn)實與游戲?qū)W習（Game-Based Learning）同被列為未來兩三年內(nèi)將會廣泛使用的技術。[1]

隨著科學的發(fā)展虛擬現(xiàn)實技術應運而生，虛擬現(xiàn)實是利用計算機發(fā)展中的高科技手段構造出一個虛擬的境界，使參與者獲得與現(xiàn)實一樣的感覺。增強現(xiàn)實（AR）是一種新興的體驗形式。運用增強現(xiàn)實技術，又稱擴增內(nèi)容（Augmented Content，計算機依據(jù)現(xiàn)實環(huán)境的相關信息實時生成）可以無縫地整合到現(xiàn)實環(huán)境中，為人類所感知。擴增內(nèi)容可以是二維及三維物體、視頻及音頻材料、文本信息等，甚至可以是嗅覺及觸覺信息。總體而言，增強現(xiàn)實技術可以幫助個體了解背景、獲取信息、擴充知識，能形象生動地表現(xiàn)教學內(nèi)容，營造一個跟隨技術發(fā)展的教學環(huán)境，提高學生掌握知識、技能的效率，真正使教學者更容易地去表達自己的教學思想和內(nèi)容，使學習者更直觀、更容易理解教學者的教學思想和教學內(nèi)容?？梢灶A言，增強現(xiàn)實技術將是繼多媒體、計算機網(wǎng)絡之后，在教育領域內(nèi)最具有應用前景的一項技術。[2][3]

增強現(xiàn)實技術

AR技術是通過攝像頭采集現(xiàn)實數(shù)據(jù)（如mark），然后調(diào)用虛擬的三維數(shù)據(jù)，并且交互的實時性強，現(xiàn)已廣泛應用于各個行業(yè)（如科學實驗、商業(yè)應用、科學教育、娛樂、文化等）和各種平臺（如Windows、IOS、Android）。其基本原理如圖1。

1.主要原理

現(xiàn)在AR設備層出不窮，如頭盔式、桌面式、手持式等，最基本的設施就是采集現(xiàn)實信息的攝像頭，一個數(shù)據(jù)處理終端和一個顯示器?；镜脑恚孩偻ㄟ^攝像頭對現(xiàn)實的場景進行實時的采集，并將采集的信息傳輸給處理器。②當場景中出現(xiàn)marker時，處理器就會做出相應的工作，將虛擬的三維信息與marker的信息相關聯(lián)。③處理器處理完后將信息傳輸?shù)斤@示器。④人眼通過觀看顯示器即可看到虛擬的三維物體。

2.關鍵技術

AR系統(tǒng)中關鍵的技術就是信息識別的技術，現(xiàn)在比較流行的三種技術是GPS+Sensor、marker識別和圖像識別。本文介紹的是marker識別的技術，marker的信息主要是一個關于灰度值大小的數(shù)組。[4]marker識別型的增強現(xiàn)實系統(tǒng)將marker圖像的信息事先保存，通過識別技術，在當前的圖像中查找識別marker圖像，從marker圖像中獲取位置信息，然后在marker圖像上疊加顯示。[5]

Unity3d開發(fā)環(huán)境搭建

1.Unity3d概覽

Unity3d是一款可以輕松創(chuàng)建三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等互動內(nèi)容的、多平臺的綜合游戲開發(fā)工具。支持多種主流三維建模軟件的模型格式，其編輯環(huán)境可運行在Windows和Mac OS X下，可以發(fā)布游戲至Windows、Mac、iPhone和Android平臺，也可以利用Unity web player插件發(fā)布網(wǎng)頁游戲，支持Mac和Windows的網(wǎng)頁瀏覽（如圖2）。[6]

2.開發(fā)環(huán)境的搭建

在Windows和Mac OS X環(huán)境下安裝Unity3d軟件，Unity發(fā)布到Android和IOS平臺是需要相應的SDK來支持的，所以需要在電腦上安裝Android-sdk和ios-sdk。并且還要注意，在Windows下是不能發(fā)布到IOS平臺的，所以本文介紹的案例是使用兩種系統(tǒng)環(huán)境完成的。

3.基于Unity3d的AR技術原理

基于Unity3d的AR案例的開發(fā)，主要是運用marker識別的技術，其原理框圖如圖3。

在Unity3d開發(fā)環(huán)境中具體的工作如圖4，在場景中主要存在一個主camera就是在顯示器看到的內(nèi)容，一個承載攝像頭拍攝的真實場景，當攝像頭檢測到marker后，會將模型的信息與marker的信息綁定在一起。當制作完成后可以發(fā)布到不同的平臺。

案例介紹——magic book

該案例是一本講述關于恐龍的科普書（如圖5），講述的是霸王龍、副櫛龍、三角龍、翼龍的生存時代和生活習性。不僅能閱讀文字，同時可以通過電腦或者手持的移動設備看到三維的恐龍。改善原有純粹以靜態(tài)二維文本、圖像為主的教育教學方式，通過增強現(xiàn)實技術應用于教學環(huán)境中，可以大大提高學習者的興趣。

當程序發(fā)布到Windows，在光線明亮處，將書放到攝像頭下，立刻在屏幕中出現(xiàn)恐龍。其效果圖如圖6。

移動技術的發(fā)展和智能終端的出現(xiàn)，使增強現(xiàn)實技術從固定的電腦上轉(zhuǎn)移到了不受地理限制的智能終端上，可以隨時隨地的學習。以智能Android手機和蘋果iPad為應用實例，發(fā)布到Android環(huán)境后生成了一個*.apk文件，安裝在Android手機上后打開即可，其效果如圖7。

發(fā)布到IOS環(huán)境需要經(jīng)過Xcode編譯后才能安裝到iPad。其效果如圖8。

總結與展望

本文主要介紹了AR技術，并基于Unity3d的開發(fā)平臺制作增強現(xiàn)實的教育教學案例，在制作之前Unity的環(huán)境一定要搭建好，在此之后進一步的工作是要以故事作為內(nèi)容，加入3D角色、聲音及互動道具，實現(xiàn)更多的交互操作，設計更加美觀的、有意義的教學應用案例。

隨著計算機技術的不斷進步，很多實用新技術將不斷出現(xiàn)，AR技術也將會出現(xiàn)新的挑戰(zhàn)，如怎樣在其中創(chuàng)建教學活動，學習者之間如何更直接地交流？如何與現(xiàn)有的學習管理系統(tǒng)整合？這些都需要我們在面對挑戰(zhàn)的同時，探討怎樣將增強現(xiàn)實技術更有效地應用于學習系統(tǒng)，以使學習媒體在情境化、沉浸感及自然交互性方面有所突破。

參考文獻：

[1]The Horizon Report 2011 Edition[EB/OL].

[2]增強現(xiàn)實學習系統(tǒng)開發(fā)之研究[EB/OL].http：//www.narkii.com/club/bbs_58209.shtml，2012.

[3]張寶運，惲如偉.增強現(xiàn)實技術及其教學應用探索[J].實驗技術與管理，2010.

[4]ARToolkit.[EB/OL]. [2011-05-21].http：//www.hitl.washington.edu/artoolkit.

[5]朱柱.基于Unity3d虛擬實驗系統(tǒng)的設計與應用研究[D].武漢：華中師范大學碩士論文，2012.

[6]吳亞峰，于復興.Unity3d游戲開發(fā)技術詳解與典型案列[M].北京：人民郵電出版社，2012.endprint