楊姍姍 吳大軍 邱成軍

摘 要：本文介紹了目前應(yīng)用較為廣泛的擴展現(xiàn)實技術(shù)的背景、概況、與虛擬現(xiàn)實區(qū)別和應(yīng)用現(xiàn)狀，重點討論了擴展現(xiàn)實技術(shù)在教育教學(xué)領(lǐng)域中的一些嘗試和階段性成果，這其中包括工業(yè)學(xué)習(xí)、醫(yī)學(xué)學(xué)習(xí)、軍事學(xué)習(xí)、輔助學(xué)習(xí)、情境學(xué)習(xí)、教育游戲和電子書方面的成就。最后，闡述了基于擴展現(xiàn)實技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)需要的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)平臺。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和手持移動設(shè)備的高速發(fā)展，在教育教學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，將智能手機作為擴展現(xiàn)實技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用平臺，無疑是其發(fā)展的新道路?；跀U展現(xiàn)實技術(shù)的教育教學(xué)產(chǎn)品必將走進千家萬戶。

關(guān)鍵詞：擴展現(xiàn)實技術(shù) 移動終端 電子書 教育技術(shù)

中圖分類號：G434 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）07（a）-0170-02

20世紀90年代早期，Tom Cnadell 等人在波音公司提出了擴展現(xiàn)實技術(shù)（Augmen

ted reality簡稱AR）這個概念，擴展現(xiàn)實技術(shù)是虛擬現(xiàn)實研究領(lǐng)域中一個新興的受歡迎的研究方向。人們生活的環(huán)境中包含大量的數(shù)字化信息，如果想用計算機建模并繪制出來，十分困難。完全的虛擬環(huán)境就需要巨量的數(shù)據(jù)和信息，并且耗費大量的能源。比如一個簡單的娛樂性的飛行模擬游戲，要想產(chǎn)生與真實場景相似，要消耗上億美元的支出。但是，擴展現(xiàn)實技術(shù)可以充分利用身邊的真實世界的實物和電腦中產(chǎn)生的虛擬場景相互配合，產(chǎn)生一種綜合的立體的視覺感受和良好效果。用戶如果在現(xiàn)實世界中移動物體，電腦中的虛擬物體也跟隨著移動，二者合二為一。理想狀態(tài)下，計算機中的虛擬物體完全有能力同操作人員和真實物體進行交互交流。擴展現(xiàn)實要最終實現(xiàn)的目標(biāo)是讓用戶處于一種融合的、友好的環(huán)境中，能夠區(qū)分真實物體和虛擬物體，其所感知的是一個真實物體和虛擬物體環(huán)境相互融合的、友好的單一世界。我們生活的現(xiàn)實世界中的一切事物一直以來都是多姿多彩，將虛擬設(shè)備和軟件裝備現(xiàn)實世界并進行虛擬和擴展，那么，大量信息將陸續(xù)地進入我們的視野，所有事物會變得越來越祥和美麗，人類社會文明將步入更高的境地。

1 擴展現(xiàn)實技術(shù)概要

擴展現(xiàn)實技術(shù)是指把原本在現(xiàn)實世界的一定時間、空間范圍內(nèi)很難體驗到的視覺、聲音、味道、觸覺等實體信息通過科學(xué)技術(shù)模擬仿真后再疊加到現(xiàn)實世界被人類感官所感知，從而達到超越現(xiàn)實的感官體驗。簡單的說，在現(xiàn)實可見的場景中，通過硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)，虛擬的物體或說明的信息疊加在一起，豐富用戶感知內(nèi)容，超越用戶對現(xiàn)實世界事物的感知內(nèi)容，即擴展現(xiàn)實。如本文引言所述，擴展現(xiàn)實是虛擬現(xiàn)實（Virtual reality，簡稱VR）的一個非常重要分支，并且這幾年收到越來越多的科研人員的歡迎，不但包含了虛擬現(xiàn)實的特點，還具有自身的特點。擴展現(xiàn)實融合了計算機科學(xué)、光電子技術(shù)科學(xué)、傳感器技術(shù)、數(shù)字圖像處理、視覺跟蹤技術(shù)、顯示技術(shù)等學(xué)科。

2 擴展現(xiàn)實與虛擬現(xiàn)實之間的區(qū)別

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征如下。

（1）沉浸感（Immersion），是指用戶在使用擴展現(xiàn)實產(chǎn)品時候產(chǎn)生的身臨其境的感覺。這是通過計算機軟件繪制的3D圖像，使得人置身于一種虛擬環(huán)境中，感覺人就像在真實的客觀存在的世界中一模一樣。

（2）交互性（Interaction），是指用戶和現(xiàn)實物體可以與計算機中的虛擬物體相互之間作用。利用虛擬環(huán)境，用戶可以利用大量的傳感器和輸入輸出設(shè)備與虛擬環(huán)境進行交互，比如：當(dāng)用戶用手去抓取虛擬環(huán)境中的物體時，用戶不但能夠感受虛擬物體的重量，而且還有質(zhì)感。

（3）想象（Imagination），是它能夠啟發(fā)用戶的創(chuàng)新思想。在虛擬環(huán)境中，人們不但能夠沉寂在知識的海洋，獲取大量的、新鮮的知識，而且能夠提高用戶的感性和理性認識，最終，激發(fā)用戶思想的火花。

而基于擴展現(xiàn)實技術(shù)的產(chǎn)品是用戶能夠看到真實物體和虛擬物體的融合到一起的真實環(huán)境。擴展現(xiàn)實是對真實世界的物理信息的一種補充、擴展和增強，擴展現(xiàn)實并不是要完全代替用戶的真實的世界。增強現(xiàn)實的目標(biāo)是讓用戶處于一種交融的環(huán)境中，用戶沒有能力區(qū)分真實事物和虛擬事物，用戶所感知到的唯一存在的世界是由真實和虛擬相融合而成。目前，擴展現(xiàn)實基于三維空間注冊技術(shù)，人機交互技術(shù)以及3D戰(zhàn)線技術(shù)實現(xiàn)。綜上所述，用戶的浸入程度是虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實最顯著之差別。虛擬現(xiàn)實屬于完全的、徹底的浸入狀態(tài)，這也是虛擬現(xiàn)實的目標(biāo)所在，在某些系統(tǒng)中，視覺和聽覺都要受系統(tǒng)所控制。擴展現(xiàn)實是對真實環(huán)境擴展、增強，同時，用戶保持真實場景的感知。

3 基于擴展現(xiàn)實技術(shù)產(chǎn)品在教育教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

基于擴展現(xiàn)實技術(shù)的教育產(chǎn)品和教育資源使得學(xué)習(xí)具有高度可視化和互動性。擴展現(xiàn)實技術(shù)很容易將各種海量數(shù)據(jù)覆蓋到用戶所在的現(xiàn)實世界，過程流暢無阻塞。另外一個優(yōu)勢是擴展現(xiàn)實能夠有效地使得虛擬物體與真實物體相互互動，增強學(xué)習(xí)興趣，提高質(zhì)量。在該技術(shù)的支持下，學(xué)生可以在現(xiàn)實實物的基礎(chǔ)之上建立虛擬物體，構(gòu)建模型，學(xué)習(xí)新知識。嘗試將擴展現(xiàn)實技術(shù)與學(xué)生手中的教科書相結(jié)合，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣也是種方式。擴展現(xiàn)實技術(shù)在各個領(lǐng)域的學(xué)習(xí)中都有極其廣泛的應(yīng)用。

3.1 工業(yè)學(xué)習(xí)

新加波國立大學(xué)開發(fā)了一套基于虛擬交互面板的擴展現(xiàn)實系統(tǒng)，指導(dǎo)用戶裝配電腦，避免經(jīng)常翻閱紙質(zhì)的裝配圖，容易產(chǎn)生問題的弊端，用戶將經(jīng)歷集中在裝備上，方便裝配。Sareika M和Schmalstieg D是奧地利格拉茨工業(yè)大學(xué)的教授，二人組成的課題組研發(fā)了Urban Sketcher系統(tǒng)，這個系統(tǒng)能夠輔助城市規(guī)劃。通過攝像機能夠捕獲真實的物體用虛擬三維模型構(gòu)造，無縫結(jié)合，使得設(shè)計趨于理想化。2002年，上海大學(xué)多媒體中心開發(fā)了基于增強現(xiàn)實的虛擬裝修系統(tǒng)。2007年，南京航空航天大學(xué)的胡教授等人進行了增強現(xiàn)實技術(shù)在維修誘導(dǎo)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)中的研究，并開發(fā)了一種維修輔助系統(tǒng)，其特點是人性化、智能化，對維修人員進行培訓(xùn)和指導(dǎo)，不但能夠降低維修人員維修作業(yè)難度、而且能夠減少維修人員作業(yè)差錯。

3.2 醫(yī)學(xué)學(xué)習(xí)

2010年美國科學(xué)家設(shè)計了一套實時的增強現(xiàn)實原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用擴展現(xiàn)實技術(shù)和3D建模分別獲得身體各個部位對應(yīng)的三維數(shù)據(jù)和人體器官的3D模型，通過擴展現(xiàn)實技術(shù)將器官的三維模型數(shù)據(jù)處理，通過算法合成胡，將其疊加到患者相應(yīng)的身體部位，通過特殊的設(shè)備，醫(yī)生不但能夠觀察到虛實合成圖像，而且能夠多角度觀察患者，同時，以前肉眼無法看到的器官的內(nèi)部信息，現(xiàn)在一目了然。不但提高了醫(yī)生分析、診斷病情的能力，也減輕病人痛苦。

目前，世界上已經(jīng)研制出的用于醫(yī)學(xué)培訓(xùn)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)有以下幾個方面。

（1）基于增強現(xiàn)實的外科手術(shù)模擬訓(xùn)練。美國亞利桑那州大學(xué)研制的該系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)手套記錄腕關(guān)節(jié)和手指的運動情況、手掌的拱起程度以及大拇指與小指之間的接觸和分開距等數(shù)據(jù)。克服了以往的外科手術(shù)模擬訓(xùn)練只能通過訓(xùn)練錄像，分析手術(shù)過程中醫(yī)生的活動和時間的缺點。（2）“可見人”虛擬圖像學(xué)習(xí)系統(tǒng)。其是由5000多幀人體不同截面的光、磁和射線的圖像組成的，學(xué)習(xí)者通過交互網(wǎng)絡(luò)調(diào)用可以人體圖，其信息量比《大不列顛百科全書》的儲存空間高50倍左右。（3）導(dǎo)管插入動脈的模擬器。學(xué)生可以在這個有科學(xué)家設(shè)計的擴展現(xiàn)實系統(tǒng)中反復(fù)實踐導(dǎo)管插入動脈時的操作，不用擔(dān)心會給病人帶來痛苦。（4）眼睛手術(shù)模擬器。根據(jù)人眼的結(jié)構(gòu)，科學(xué)家創(chuàng)建出了人眼的3D圖像，同時其具備實時的觸覺反饋信息功能。該虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能夠模擬醫(yī)生在移去晶狀體時候的全過手術(shù)過程，通過一個立體目鏡和大型計算機數(shù)據(jù)圖像工作站生成數(shù)字化圖象，眼睛前部結(jié)構(gòu)的血管、虹膜和鞏膜組織以及角膜的透明度等都可以顯示在用戶的面前。（5）口腔手術(shù)擴展現(xiàn)實系統(tǒng)。學(xué)習(xí)者可以通過利用擴展現(xiàn)實技術(shù)做好的三維牙齒和牙根圖像，進行訓(xùn)練。（6）虛擬腹部擴展現(xiàn)實。學(xué)生者使用該擴展現(xiàn)實系統(tǒng)時，學(xué)習(xí)胃、胰、肝、膽管和膽囊知識，學(xué)生要配帶特制的眼鏡和數(shù)據(jù)手套。

3.3 軍事學(xué)習(xí)

澳大利亞大學(xué)高級計算研究中心的Piekars姑等，開發(fā)了一個軍事訓(xùn)練和演習(xí)仿真系統(tǒng)，有真實訓(xùn)練場景、虛擬車輛、虛擬仿真巖體等，通過GPS、頭戴顯示器、電子羅盤等先進設(shè)備，將參與軍事訓(xùn)練的士兵的信息發(fā)送到虛擬指揮中心，達到訓(xùn)練目的。除此之外，美國海軍研究院也研制了戰(zhàn)場擴展現(xiàn)實系統(tǒng)，戰(zhàn)士不僅可看到戰(zhàn)斗場景，還可以將各種偵查信息傳送到指揮中心。

3.4 輔助學(xué)習(xí)

早在2008年7月，泰國的Larn Gear Technology公司采用MR Studio的技術(shù)，設(shè)計出了首套擴展現(xiàn)實電子書《Eanhstmcture》。該技術(shù)利用特制的標(biāo)記來代表對象。一旦標(biāo)記對象被攝像頭發(fā)現(xiàn)，則成像數(shù)據(jù)就會被被輸入計算機系統(tǒng)，在標(biāo)記的位置出現(xiàn)相應(yīng)的3D對象。這樣的設(shè)計便是擴展現(xiàn)實電子書的原型。2008年9月份舉行的第60屆法蘭克福圖書博覽會上，由德國Ars Edition公司利用圖像處理技術(shù)，設(shè)計了擴展現(xiàn)實電子書《Aliens&UFOs》，成為會展上一個亮點。

3.5 情境學(xué)習(xí)

擴展現(xiàn)實在博物館和展覽館的應(yīng)用價值巨大，非常適合歷史學(xué)習(xí)和體驗，淮安信息學(xué)院研制了基于AR技術(shù)的周恩來紀念館體驗，允許用戶使用移動設(shè)備來訪問紀念館，從而了解偉人的豐功偉績。就國內(nèi)而言，2002年，上海大學(xué)的研究人員開發(fā)了基于增強現(xiàn)實的虛擬裝修系統(tǒng)，同時開發(fā)了基于擴展現(xiàn)實技術(shù)的上海大學(xué)校園漫游系統(tǒng)。該校園的漫游系統(tǒng)還可以在科技館、展覽館等地方應(yīng)用。另外，王涌天教授開發(fā)的基于擴展現(xiàn)實技術(shù)的數(shù)字圓明園，將圓明園清朝鼎盛時期的部分景觀和盛世面貌重現(xiàn)給游客，使得游客對古代圓明園的歷史有更加深刻的印象。澳大利亞Powerhouse 博物館開發(fā)了基于安卓系統(tǒng)的百年前悉尼面貌的擴展現(xiàn)實圖像，用戶可以利用手機下載和觀看。

3.6 教育游戲

擴展現(xiàn)實游戲是種比較特別的教育形式，使用標(biāo)記技術(shù)，通常包括一個玩具和一個硬件設(shè)備或攝像頭來作為三維坐標(biāo)輸入，可以很容地應(yīng)用到各種學(xué)科，包括人類學(xué)、歷史學(xué)或地理等。wIzQubes就是一款給兒童將故事的寓教于樂產(chǎn)品，該產(chǎn)品有新加坡MXR公司利用擴展現(xiàn)實技術(shù)研制。兒童將學(xué)會顏色、單詞等知識。

3.7 電子書

Billinghurst和Poupyrev分別是美國華盛頓大學(xué)和索尼計算機科學(xué)實驗室的研究人員，他們研制了基于擴展現(xiàn)實技術(shù)的“神奇書本”。讀者在閱讀時，顯示器上能夠顯示真實環(huán)境的場景，讀者能感知由書本內(nèi)容生成的虛擬圖像，同時，讀者還可以與其他“讀者”進行交流。這可以應(yīng)用到各種學(xué)科的學(xué)習(xí)中。隨著ActionScript3.0語言的FLARToolkit類庫的發(fā)布，并且無償?shù)拈_放源代碼，加入到了增強現(xiàn)實電子書的制作行列的Flash/Flex愛好者也越來越多。出現(xiàn)了很多新奇的增強現(xiàn)實電子書，很多開發(fā)者還將增強現(xiàn)實電子書的注意力集中在兒童內(nèi)容、游戲娛樂和學(xué)校教育。2012年第61屆法蘭克福圖書博覽會上利奧紙品集團開發(fā)了ARIUXTM技術(shù)，利用顯示屏展示空間立體影像，增強感知效果。韓國光州科學(xué)技術(shù)學(xué)院研制了一種增強3D電子書，運用特制的眼鏡型顯示器來配合使用，電子書的每頁都是3D人物。

增強現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)具、玩具等方面的應(yīng)用和發(fā)展?jié)摿薮?，越來越多的國?nèi)學(xué)者重視。2010年第62屆法蘭克福圖書博覽會上，中華商務(wù)聯(lián)合印刷有限公司將增強現(xiàn)實技術(shù)成功應(yīng)用在《中國彈起》互動3D圖書。

4 教育教學(xué)產(chǎn)品中的開發(fā)平臺-擴展現(xiàn)實技術(shù)

為了滿足開發(fā)擴展現(xiàn)實產(chǎn)品的需要，許多研究組織和機構(gòu)開發(fā)了配套的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，用于處理擴展現(xiàn)實任務(wù)的標(biāo)記識別、坐標(biāo)信息、模型建立、視頻圖片合并等功能。

4.1 硬件設(shè)備

首先，早期構(gòu)架的擴展現(xiàn)實系統(tǒng)需要龐大的硬件支持，系統(tǒng)包括佩戴便攜式計算機、頭盔顯示器、攝像機以及各種跟蹤定位裝置。系統(tǒng)體積大笨重、價格昂貴、并且攜帶不方便，限制了用戶的使用范圍。比如，google眼鏡等設(shè)備成本高，不能進入平常百姓家庭，無法使用。目前，隨著智能手機、ipad等設(shè)備，都內(nèi)置了高清晰攝像頭、紅外通信、藍牙接口以及WLAN、運動傳感器、GPS等。這些移動通信設(shè)備終端的應(yīng)用，增強了擴展現(xiàn)實系統(tǒng)的移動性、便攜性和人機交互性，使得擴展現(xiàn)實系統(tǒng)方便攜帶。其次，PC機上應(yīng)用擴展現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)開發(fā)了很多教育教學(xué)方面的系統(tǒng)，相對較成熟，目前，研究者們正準(zhǔn)備把這些擴展現(xiàn)實系統(tǒng)移植到手機等移動終端上，提高擴展現(xiàn)實系統(tǒng)的學(xué)習(xí)廣泛性。

4.2 軟件工具

擴展現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)軟件包較多，且大部分軟件開放源代碼。日本的ARToolkit開發(fā)工具能夠快速編寫AR應(yīng)用，采用基于標(biāo)記的視頻檢測方法進行定位；佳能混合實驗室開放了MR Platform，具備相機校正工具、視頻捕捉、圖像檢測和坐標(biāo)計算等功能；VPRN是實現(xiàn)混合方式跟蹤定位的開發(fā)工具，支持強大的網(wǎng)絡(luò)中的混合定位支持；Unifeys SDK是商業(yè)版本的擴展現(xiàn)實開發(fā)工具，依靠視頻檢測進行跟蹤和定位，提供基本的數(shù)學(xué)運算和計算機視覺算法。

5 結(jié)語

目前，作為一種新穎的教育教學(xué)手段，擴展現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)引起了教育界和社會各界人的很大性趣。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，社會的進步，數(shù)字化的普及，擴展現(xiàn)實技術(shù)產(chǎn)品的成本會越來越低，在可預(yù)見的未來，擴展現(xiàn)實廣泛的進入我們的教育教學(xué)領(lǐng)域。

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