AR技術在計算機教學中的應用研究

湯雨鑫，楊國凱，張堯

（吉林建筑科技學院，吉林 長春 130114）

1 AR技術

增強現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱AR），是指透過攝影機影像的位置及角度精算，融入圖像分析技術，使屏幕上的虛擬世界能夠與現(xiàn)實世界的場景進行結合，并產(chǎn)生交互的技術。這種技術最早于1990年提出。隨著電子產(chǎn)品運算能力的提升，增強現(xiàn)實的用途也越來越廣泛。

增強現(xiàn)實技術的特點是可以通過設備的攝像頭獲得周圍的環(huán)境信息，然后把三維畫面按照制定好的程序疊加到周圍環(huán)境上，AR技術是VR技術的一種升級應用，例如手機、平板或AR眼鏡這種帶有攝像頭的設備都可以使用AR技術。AR技術能夠識別周圍環(huán)境，并以真實環(huán)境為依托疊加虛擬畫面。與VR系統(tǒng)強調(diào)用戶在虛擬環(huán)境中的視覺、聽覺、觸覺等感官的完全浸入不同，AR技術不僅能使用戶與外界正常交流，而且能夠?qū)?D影像呈現(xiàn)在用戶面前。

2 AR眼鏡

目前主流的AR眼鏡技術大致可以分為三個方案，即棱鏡方案，自由曲面方案和光波導方案。

2.1 棱鏡方案

棱鏡方案的代表作品是Google glass,其光學顯示系統(tǒng)主要由微型投影儀和棱鏡組成。微型投影儀被塑料外殼包裹在里面，在眼鏡前方放置棱鏡，當AR眼鏡顯示畫面信息時，畫面從投影儀射出，經(jīng)過折射畫面從縱向變成橫向照射到棱鏡上，棱鏡前面有一個45°的斜面，畫面照射到這個斜面后，就被反射到人眼中，投影儀的畫面就顯示給用戶，棱鏡方案的原理與潛望鏡原理一樣都是利用光的反射[1-2]。

2.2 自由曲面方案

自由曲面方案代表產(chǎn)品為愛普生的BT300，BT300取消了鏡架上的投影儀模塊，直接將鏡片分為兩層。外面一層包括透明鏡片和液晶屏，內(nèi)層是自由曲面。外層的鏡片到晶狀體的距離太短，導致不能清晰地看清事物，因此需要內(nèi)層的自由曲面發(fā)揮作用。所謂自由曲面，就是沒有規(guī)則的曲面，根據(jù)不同的場合曲面構成也不同，AR眼鏡上的自由曲面鏡片通過特定的曲面角度改變液晶屏幕投射出的光線角度，讓光線看起來像是來自更遠的距離，這樣眼睛就會根據(jù)虛假的距離重新聚焦，用戶就能看清屏幕上的內(nèi)容。

2.3 光波導方案

光波導方案代表產(chǎn)品微軟的HoloLens，HoloLens改進了棱鏡方案和自由曲面方案的共同問題，即用戶的視線會被阻擋。光波導方案的基本原理是：首先光源不是在視線的前方，而是在上部或者是側(cè)面；然后鏡片設計至少包含兩層，當光線進入鏡片時，會從鏡片的夾縫中以一定的角度照射進去；最后設計角度要合理，不能太小，否則光線會從一邊進入而直接從另一邊出去，也不能太大，否則光線會穿透鏡片照射到外面。角度設計要在滿足全反射的條件下射入，使光線能夠在鏡片中來回反射，直到用戶看到畫面[3]。

3 AR技術在計算機教學方面的應用

“計算機導論”和“網(wǎng)絡工程”課程是計算機專業(yè)學生的必修基礎課，內(nèi)容涉及計算機硬件基礎與計算機體系結構。采用AR技術進行輔助教學，利用虛擬硬件來代替真實的硬件。

3.1 AR在計算機教學方面的優(yōu)勢

3.1.1 真實的學習感受

AR技術呈現(xiàn)的內(nèi)容具有3D立體效果，非常生動、直觀、形象，有助于學生理解和記憶。例如，在進行有關計算機硬件的課程講解時，大部分學校不能滿足每個學生配備一臺電腦進行組裝與拆卸，而采用傳統(tǒng)的教師演示加PPT教學，這種方式對于學習硬件等實驗教學內(nèi)容是不夠的。學生沒有實際操作，不能全面掌握硬件在組裝與拆卸過程中需要注意的許多細節(jié)，對于知識點的理解不夠深入和全面。在一些教學中可以利用AR技術，事先將各種型號的計算機或硬件的3D模型存到系統(tǒng)中，學生佩戴一副AR眼鏡就可以看到3D模型，并可以通過傳感設備進行交互，這樣可以更好地了解計算機每部分組成及各部件的組裝與拆卸[4]。

3.1.2 降低成本

AR的虛擬映射數(shù)據(jù)存在Web或云服務器中，基于從AR應用程序收到的請求，然后再從Web或云服務器檢索虛擬對象并將其發(fā)送至應用程序。因此AR的虛擬映射數(shù)據(jù)不存在物理損耗，而在實驗機房進行實驗操作時，硬件會出現(xiàn)損耗現(xiàn)象。采用AR技術教學可以大大降低采購硬件和維護硬件的成本，尤其可以避免買價格高昂的計算機硬件設備。

3.2 AR技術在計算機課程教學中的應用

在“計算機導論”教學中，有關計算機硬件基礎知識與體系結構的講解是必不可少的。設計一個AR虛擬中心系統(tǒng)，配備AR眼鏡和傳感設備，教師在講解計算機硬件基礎知識與體系結構時，進入AR虛擬中心系統(tǒng)，學生佩戴AR眼鏡。根據(jù)提供的輸入數(shù)據(jù)，AR眼鏡將虛擬的3D模型呈現(xiàn)在學生眼前，學生可以對計算機硬件的各部分組成有更加直觀的了解，同時通過傳感設備進行交互，完成計算機的組裝和拆卸。

在“計算機網(wǎng)絡”教學中，有關核心交換機和路由的講解是必不可少的，由于相關設備價格非常昂貴，不能滿足所有學生獨立操作，不利于學生對該設備的學習和理解。采用AR技術，教師在課前將核心交換機或路由進行建模處理，例如介紹核心交換機和用交換機拓展以太網(wǎng)時利用AR來輔助，設計出具體的課程安排，課上老師為同學們的AR眼鏡提供數(shù)據(jù)的輸入，同學們可以利用AR眼鏡來了解交換機的各部分組成，利用傳感設備來完成以太網(wǎng)的拓展，模擬各種接口的連接方法，熟悉組網(wǎng)的注意事項，這種教學方法激發(fā)了學生學習興趣，提高了教學效果。

3.3 AR在計算機教學中的問題

3.3.1 電池續(xù)航

由于AR眼鏡要求6DoF tracking和SLAM（空間定位和建構）的能力，對設備性能要求較高，進而非常耗電。于是為了保持合理的續(xù)航時間，只能增加電池容量，而越長的續(xù)航，意味著越大的體積，以及越差的用戶體驗。

3.3.2 設備成本

以AR眼鏡為例，目前市場上的AR眼鏡大多數(shù)都在千元以上的價位，要大規(guī)模應用到機房中還有很長的一段路要走。市面上有多款AR眼鏡，但沒有一款AR眼鏡是為了計算機教學而設計的，說明市場上還沒有形成相應的生態(tài)環(huán)境。

3.3.3 缺乏高效的交互方式

目前，市面上的AR設備大多數(shù)是通過手勢來實現(xiàn)交互。但手勢交互存在一些問題。1.不符合人體工學：長時間舉手非常疲勞，也就不滿足剛剛提到的“輕松”的原則；2.觸感缺失：觸摸虛擬按鍵無有力反饋，也就很難實現(xiàn)“速度”的要求。

3.4 AR存在問題的解決辦法

（1）提升電池技術，提高電池的能量密度。

（2）電池技術沒有長足進步前提下，大幅降低對電池的依賴，走低功耗的路線。

4 結語

總結來說，AR技術在計算機教學方面，尤其是硬件教學方面有很大的作用，虛擬硬件降低了教學成本，同時利于后期處理與維護，因為虛擬硬件的數(shù)據(jù)一般是不會出現(xiàn)錯誤或丟失的，而傳統(tǒng)的硬件若損壞的話需要專業(yè)的人來修理。當然虛擬硬件在某些方面也不能百分百代替實體硬件。與此同時AR技術在其他方向也有著廣闊的應用前景，比如，輔助教育、工業(yè)維修、醫(yī)療教學、古跡復原和數(shù)字化文化遺產(chǎn)保護等。但AR也有不少技術問題需要突破，真正大范圍地應用AR還有一段路要走。