移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入智慧校園的應(yīng)用研究

盧曦

摘要：移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)的迅速發(fā)展正在推動教育的改革。移動AR技術(shù)為學(xué)習(xí)者提供了一種交互式、無邊界的移動學(xué)習(xí)環(huán)境。本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一基于移動AR技術(shù)的智慧校園系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括移動客戶端和遠(yuǎn)程服務(wù)器端。客戶端應(yīng)用程序使用Android SDK和Wikitude SDK開發(fā)實(shí)現(xiàn)。服務(wù)器端使用Struts2開發(fā)框架和MySQL數(shù)據(jù)庫開發(fā)實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)的研究既有助于AR技術(shù)在非正式學(xué)習(xí)情境中的應(yīng)用，又有助于促進(jìn)校園文化活動的傳播。

關(guān)鍵字：移動學(xué)習(xí)移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)智慧校園

1研究背景

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR技術(shù)）幫助我們將物理世界與虛擬世界無縫地結(jié)合起來。與虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）不同，AR技術(shù)將圖像、視頻或其他數(shù)據(jù)疊加到真實(shí)世界的實(shí)時視圖上，從而為用戶提供了一個真實(shí)場景和計算機(jī)生成的虛擬場景疊加的復(fù)合視圖。隨著智能移動設(shè)備的飛速發(fā)展，移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Mobile Augmented Reality， Mobile AR）開始出現(xiàn)。智能移動設(shè)備提供強(qiáng)大的移動特性，可以充分利用環(huán)境的真實(shí)性來增加使用者與系統(tǒng)的互動。智能移動設(shè)備內(nèi)置的位置傳感器（如全球定位系統(tǒng)GPS）能夠?qū)崟r獲取使用者的準(zhǔn)確位置和環(huán)境信息，可以幫助應(yīng)用程序自動、自適應(yīng)地發(fā)送最更加合適的資源。此外，移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)改變了傳統(tǒng)的人機(jī)交互方式，使用者可以通過智能手機(jī)的內(nèi)置攝像頭進(jìn)行信息訪問，而不是在輸入框中輸入關(guān)鍵詞。

正因?yàn)橐苿覣R技術(shù)提供了一種全新的交互模式和信息訪問模式。專注于移動教育的研究人員和開發(fā)人員已經(jīng)開始探索如何使用移動AR技術(shù)為學(xué)習(xí)者們提供一種新的學(xué)習(xí)環(huán)境，越來越多的關(guān)于移動AR的教學(xué)研究和學(xué)習(xí)軟件已經(jīng)出現(xiàn)。

本文旨在探討如何將移動AR技術(shù)應(yīng)用在本學(xué)院的智慧校園建設(shè)中。

2需求分析

校園活動是大學(xué)生非正式學(xué)習(xí)的一種常見形式。目前，最常用的活動宣傳方式是傳統(tǒng)的印刷媒體和現(xiàn)代的網(wǎng)絡(luò)媒體。印刷媒體（如海報和小冊子）特點(diǎn)是設(shè)計精美很容易引起學(xué)生的注意，還可以張貼在校園內(nèi)的任何地方或者方便地分發(fā);但是印刷媒體的成本很高，當(dāng)活動結(jié)束時，過時的海報和小冊子也會造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染?；ヂ?lián)網(wǎng)媒體的特點(diǎn)是成本小沒有資源浪費(fèi)，網(wǎng)絡(luò)傳播廣、速度快，但是過于大量的信息容易使學(xué)生產(chǎn)生困惑，信息的針對性不強(qiáng)。本研究設(shè)計并實(shí)現(xiàn)一個基于AR的智慧校園系統(tǒng)，目的在于幫助在校學(xué)生通過智能手機(jī)上的移動AR快速地熟悉校園環(huán)境，獲取實(shí)時的校園生活學(xué)習(xí)等方方面面的資訊。本系統(tǒng)既有助于AR技術(shù)在非正式學(xué)習(xí)情境中的應(yīng)用，又有助于促進(jìn)校園文化活動的傳播。

3功能設(shè)計

智慧校園移動客戶端應(yīng)用主要由兩個功能模塊組成：移動AR顯示功能模塊和校園活動信息管理功能模塊。

移動AR顯示功能是移動客戶端應(yīng)用程序中的核心功能。該模塊基于移動端的用戶定位和圖像捕捉識別，將虛擬的校園活動信息和實(shí)時圖像疊加顯示在手機(jī)屏幕上，用戶可以很方便地獲取到感興趣的校園活動信息，幫助用戶快速地了解校園文化融入校園生活。

校園活動信息管理功能模塊主要包括用戶討論關(guān)注感興趣的活動、評價活動等子功能，該模塊主要為大學(xué)生們提供了一個良好的互相學(xué)習(xí)交流的平臺環(huán)境，用戶不僅可以自己在校園內(nèi)任何地方快速地了解校園動態(tài)，還可以與許多有相同興趣愛好的學(xué)生進(jìn)行交流互動。

4系統(tǒng)實(shí)施

4.1系統(tǒng)架構(gòu)

智慧校園系統(tǒng)由兩部分組成：Android操作系統(tǒng)平臺上的移動客戶端應(yīng)用程序和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器?？蛻舳撕头?wù)器之間通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。用戶從客戶端提交請求后，服務(wù)器將接收并響應(yīng)此請求，并將處理結(jié)果返回給客戶機(jī)。

移動客戶端應(yīng)用程序是基于JAVA JDK、Android SDK和Wikitude SDK開發(fā)的Eclipse平臺。Wikitude廣泛應(yīng)用于各種移動操作系統(tǒng)平臺，為開發(fā)人員輕松創(chuàng)建移動AR環(huán)境或應(yīng)用程序提供服務(wù)。Wikitude SDK 8引入了對象跟蹤和場景識別的功能，相對GPS更加精確。移動AR顯示功能模塊遵循Wikitude的體系結(jié)構(gòu)，采用GPS定位和場景識別相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)虛擬視圖與真實(shí)校園環(huán)境的多種交互。

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器采用Struts2開發(fā)框架，選擇MySQL做數(shù)據(jù)庫管理，通過HTTP協(xié)議和JSON傳輸格式完成客戶機(jī)和服務(wù)器之間常見的數(shù)據(jù)通信。

4.2功能實(shí)現(xiàn)

移動AR顯示功能模塊通過Google Earth在學(xué)校構(gòu)建興趣點(diǎn)（POI）信息。當(dāng)用戶啟動AR顯示功能后，系統(tǒng)將立即訪問GPS信息，然后根據(jù)用戶的位置加載POI信息。此時，當(dāng)用戶使用智能手機(jī)的內(nèi)置攝像頭對準(zhǔn)目標(biāo)建筑物（例如圖書館）時，屏幕上將在真實(shí)視圖上疊加出現(xiàn)一個關(guān)于圖書館基本信息介紹的虛擬視圖。點(diǎn)擊這個虛擬視圖，用戶獲取到更詳細(xì)的圖書館活動信息。移動AR顯示功能模塊可以有效地幫助學(xué)生在校園快速地展開各類戶外交流和學(xué)習(xí)。

校園活動信息管理功能模塊主要包括用戶登錄注冊、活動信息列表顯示、關(guān)注活動信息、活動評價、活動討論等子功能模塊。通過以上功能，本模塊可以有效地輔助學(xué)生管理個人數(shù)據(jù)、保存學(xué)生在校園各處的生活學(xué)習(xí)痕跡。

通過移動AR顯示功能模塊與校園活動信息管理功能模塊的相互協(xié)作，本智慧校園系統(tǒng)為學(xué)生提供了更好的用戶體驗(yàn)。

5反饋與建議

基于移動AR的智慧校園系統(tǒng)激發(fā)了學(xué)生探索校園環(huán)境奧秘的興趣，給學(xué)生們帶來了一種在戶外學(xué)習(xí)交流的神奇體驗(yàn)。

使用者普遍認(rèn)為本系統(tǒng)的移動AR顯示模塊中采用的基于移動AR技術(shù)進(jìn)行信息訪問的方式比在搜索欄中鍵人關(guān)鍵詞更為方便。更重要的是，該模塊通過一個快速、可視化的信息檢索過程使使用者得到及時的幫助和易于理解的圖文信息。對于校園活動信息管理模塊，使用者認(rèn)為通過這種在線分享和交流校園活動信息的方式有助于融人校園生活，激發(fā)戶外學(xué)習(xí)的興趣。

從使用者的反饋意見中可知本系統(tǒng)仍存在一定的不足需要改進(jìn)。首先，部分位置存在WiFi和GPS信號差的問題，不準(zhǔn)確的位置信息或無法訪問的互聯(lián)網(wǎng)連接會嚴(yán)重影響移動AR顯示功能的實(shí)現(xiàn)，從而降低用戶體驗(yàn)。其次，部分使用者認(rèn)為現(xiàn)有校園活動信息管理模塊的功能和同類型經(jīng)常使用的工具軟件相比功能偏少。

6結(jié)論

本文基于移動AR技術(shù)設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一個用于校園文化活動展示與交流的智慧校園系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過圖像識別和GPS定位相結(jié)合的方式對捕捉到的圖像進(jìn)行準(zhǔn)確定位，通過移動AR技術(shù)對校園真實(shí)環(huán)境附加了圖文信息（校園活動信息），為當(dāng)代大學(xué)生開展戶外非正式學(xué)習(xí)提供了環(huán)境。通過使用反饋將會在后續(xù)研究對本系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)。首先，為了保證用戶體驗(yàn)的便利性和及時性，在出現(xiàn)WiFi和GPS信號中斷的情況下，應(yīng)考慮替代接入。其次，基于移動AR的情境學(xué)習(xí)理論，對校園活動信息管理模塊進(jìn)行功能擴(kuò)展。第三，研究實(shí)現(xiàn)多用戶實(shí)時交互。

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