陳泳成

(北京理工大學(xué)珠海學(xué)院， 519088)

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增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在圖書館的應(yīng)用價(jià)值探析

陳泳成

(北京理工大學(xué)珠海學(xué)院， 519088)

簡(jiǎn)述增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)的特征和工作原理，及其在企業(yè)、高校等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用情況，指出AR技術(shù)可以幫助讀者解決在利用圖書館資源過程中遇到的諸多問題，有利于創(chuàng)造完善的學(xué)習(xí)環(huán)境，引導(dǎo)讀者利用圖書館資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)；AR；圖書館；移動(dòng)學(xué)習(xí)；移動(dòng)設(shè)備

1 引言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，簡(jiǎn)稱AR)技術(shù)是將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，通過計(jì)算處理生成虛擬物體、場(chǎng)景或動(dòng)作效果等疊加到真實(shí)場(chǎng)景中，讓真實(shí)世界和虛擬對(duì)象合為一體并進(jìn)行互動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)的增強(qiáng)。通過這項(xiàng)技術(shù)，將人眼睛所看到的真實(shí)環(huán)境與虛擬的信息融合在一起，從而使人們能看到一個(gè)更加多元化的世界。

隨著以3G/4G網(wǎng)絡(luò)為代表的高速移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)智能設(shè)備的硬件性能及功能模塊越來越豐富，如GPS、傳感器等，憑借其定位系統(tǒng)和無線連接的功能，使在移動(dòng)設(shè)備上開發(fā)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)成為可能，可通過搭載iOS、Android或黑莓系統(tǒng)設(shè)備，能夠有效地將虛擬信息與真實(shí)環(huán)境相結(jié)合，從而創(chuàng)造一個(gè)無所不在的學(xué)習(xí)環(huán)境，這種類型的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)被稱為移動(dòng)AR技術(shù)應(yīng)用。移動(dòng)AR技術(shù)的應(yīng)用意義深遠(yuǎn)，可以為人們提供一個(gè)全新的參與和互動(dòng)的信息體驗(yàn)。這些應(yīng)用程序促進(jìn)物理世界和數(shù)字化環(huán)境之間的大融合，而這種相互融合的功能正是圖書館延伸服務(wù)所需要的。

2 AR技術(shù)概述

2.1 AR技術(shù)的特征

關(guān)于AR技術(shù)的基本特征描述，Azuma在1997年寫的關(guān)于一篇AR技術(shù)的綜述文章中給出了定義：“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有以下三個(gè)特點(diǎn)：(1)結(jié)合現(xiàn)實(shí)與虛擬；(2)實(shí)時(shí)互動(dòng)；(3)三維定位。隨后在2001年提出一個(gè)真正的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序，必須以交互方式將圖形或數(shù)據(jù)對(duì)象實(shí)時(shí)地連接到對(duì)象中，以實(shí)現(xiàn)圖形到物理環(huán)境的真實(shí)與虛擬的結(jié)合：AR系統(tǒng)用虛擬對(duì)象補(bǔ)充現(xiàn)實(shí)世界(計(jì)算機(jī)生成的)，共存于同一空間中的真實(shí)世界。AR技術(shù)可適用于所有的感覺，包括聽覺、觸覺、嗅覺[1]。我們所熟悉的VR(虛擬現(xiàn)實(shí))技術(shù)已發(fā)展成熟并被推廣使用，該技術(shù)所提供的模擬世界是一種在虛擬世界中沉浸、封閉的效果，而AR技術(shù)的特點(diǎn)則是允許將虛擬信息集成到真實(shí)環(huán)境中，可以把虛擬對(duì)象帶入到用戶的真實(shí)環(huán)境里，通過聽、看、觸摸虛擬信息來增強(qiáng)對(duì)真實(shí)環(huán)境的感知。

虛擬信息與真實(shí)世界不止是融合在一起，而是在真實(shí)世界的基礎(chǔ)上增加一層相關(guān)的額外內(nèi)容進(jìn)行交互，從而增強(qiáng)用戶的現(xiàn)實(shí)感。用戶通過不斷拉遠(yuǎn)、靠近、點(diǎn)擊觸摸屏、語(yǔ)音等更多的方式來與虛擬對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，AR系統(tǒng)將觀察用戶的頭部、肢體動(dòng)作和視線方向來定位用戶每次變化的地理位置。隨著用戶位置的變化，所呈現(xiàn)的效果也隨之變化，虛擬世界中的信息和真實(shí)世界場(chǎng)景實(shí)時(shí)同步。因此，AR技術(shù)是補(bǔ)充真實(shí)世界的感知及交互，而不是代替真實(shí)。

2.2 AR技術(shù)原理

AR技術(shù)最初是以透過式頭盔顯示系統(tǒng)和定位系統(tǒng)相結(jié)合的形式來實(shí)現(xiàn)的。美國(guó)學(xué)者M(jìn)ilgram和日本學(xué)者Kishino提出了一個(gè)從現(xiàn)實(shí)到虛擬環(huán)境的連續(xù)統(tǒng)一體(Milgram’s Reality-Virtuality Continuum)。其中現(xiàn)實(shí)環(huán)境(Real Environment)和虛擬環(huán)境(Virtual Environment)在兩端，中間是混合現(xiàn)實(shí)(Mixed Reality)[2]。而跟蹤定位技術(shù)、界面顯示技術(shù)、虛擬融合技術(shù)和用戶交互技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)[3]。其工作原理(圖1)是首先利用具備AR技術(shù)的移動(dòng)設(shè)備采集真實(shí)環(huán)境的場(chǎng)景，采集的數(shù)據(jù)將傳輸給核心處理器進(jìn)行處理，并流向跟蹤定位系統(tǒng)。而用戶交互技術(shù)則幫助用戶和真實(shí)環(huán)境中的虛擬對(duì)象之間進(jìn)行交互，交互的信息也發(fā)送給跟蹤定位系統(tǒng)。定位系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測(cè)用戶的位置、視野方向及物理運(yùn)動(dòng)情況，同時(shí)不斷地處理采集的數(shù)據(jù)和用戶交互的數(shù)據(jù)，讀取及更新虛擬對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容，以幫助AR應(yīng)用系統(tǒng)決定對(duì)用戶顯示何種虛擬對(duì)象和何種效果。當(dāng)虛擬對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)接收到請(qǐng)求，則利用虛擬融合技術(shù)對(duì)虛實(shí)環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確的配準(zhǔn)。通過虛擬融合技術(shù)加工處理后，再把數(shù)據(jù)信息傳回計(jì)算與存儲(chǔ)設(shè)備做最后處理，并通過界面顯示技術(shù)，將虛擬信息和物理世界最終的融合效果在移動(dòng)設(shè)備顯示屏上顯示。

圖1 AR技術(shù)原理圖

3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用狀況

3.1 AR技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

在AR技術(shù)的探索期，其主要應(yīng)用于企業(yè)、高等院校。最早在1990年，波音公司利用透過式頭盔裝配飛機(jī)的關(guān)鍵布線。隨后，哥倫比亞大學(xué)發(fā)明首個(gè)移動(dòng)AR系統(tǒng)原型Touring Machine。而隨著移動(dòng)智能設(shè)備、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、顯示技術(shù)、室內(nèi)定位導(dǎo)航技術(shù)的不斷發(fā)展，推動(dòng)AR技術(shù)消費(fèi)市場(chǎng)的發(fā)展與產(chǎn)品的落地，參與者不斷增多。目前AR技術(shù)在工業(yè)制造、醫(yī)療、軍事、娛樂、游戲、教育、旅游、展覽以及古跡復(fù)原等領(lǐng)域均有所應(yīng)用[3]。如荷蘭SPRXmobile公司研發(fā)的Layar[4]，是全球第一款增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的手機(jī)瀏覽器，應(yīng)用程序允許添加所有類型的多媒體，使靜態(tài)圖像變得栩栩如生，并提高用戶的體驗(yàn)。如，只需要將手機(jī)的攝像頭對(duì)準(zhǔn)建筑物等，就能在手機(jī)的屏幕下方看到與該棟建筑物相關(guān)的現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)，還能看到周邊房屋出租、酒吧及餐館的打折信息、招聘啟事以及ATM等實(shí)用性的信息。

3.2 AR技術(shù)在圖書館的應(yīng)用狀況

AR技術(shù)在國(guó)外高校圖書館的應(yīng)用已經(jīng)有所發(fā)展。歐美國(guó)家的高校圖書館紛紛利用該技術(shù)升級(jí)圖書館的服務(wù)工作。如芬蘭奧盧大學(xué)圖書館開發(fā)的SmartLibrary應(yīng)用、美國(guó)邁阿密大學(xué)圖書館的ShelvAR和印度國(guó)家設(shè)計(jì)學(xué)院圖書館開發(fā)的librARi，為圖書館在書刊排架、尋書導(dǎo)航等方面提供了幫助；美國(guó)北卡羅來納州立大學(xué)圖書館的WolfWalk、與非裔美國(guó)人文化中心合作的Red, White&Black Walking Tour以及俄勒岡州立大學(xué)圖書館、檔案館的BeaverTracks，可展示校園景點(diǎn)和歷史故事等歷史資料，幫助圖書館館藏發(fā)揮更大的價(jià)值；英國(guó)的曼徹斯特大學(xué)Mimas學(xué)術(shù)數(shù)據(jù)中心的“SCARLET”和“ SCARLET+”項(xiàng)目，美國(guó)的賓漢姆頓大學(xué)圖書館的AR magic book，利用AR技術(shù)豐富學(xué)生對(duì)特藏和古籍的研究利用和教學(xué)[5]；還有荷蘭阿姆斯特丹市立博物館的ARtours項(xiàng)目、弗吉尼亞海灘公共圖書館的“景點(diǎn)偉大故事”、美國(guó)費(fèi)城的“費(fèi)城歷史”在線數(shù)據(jù)庫(kù)，創(chuàng)建增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序覆蓋歷史照片到用戶的真實(shí)環(huán)境[6]。

在移動(dòng)AR應(yīng)用中還有其他個(gè)性化功能，如美國(guó)Quest Visual公司的一款利用光學(xué)字符識(shí)別(OCR)技術(shù)識(shí)別文字翻譯軟件“Word Lens”，以及伊利諾依大學(xué)厄本那香檳分校開發(fā)的一款基于OCR技術(shù)的移動(dòng)AR應(yīng)用程序，可通過手機(jī)攝像頭選擇性地掃描課程作業(yè)頁(yè)面、教學(xué)大綱或書目提要，掃描后應(yīng)用程序還為用戶提供其他的推薦資源。這樣的應(yīng)用程序可以幫助用戶學(xué)習(xí)和理解閱讀，高效率地?cái)U(kuò)展學(xué)習(xí)資源；還有一種面部識(shí)別軟件，利用人臉識(shí)別技術(shù)的AR手機(jī)應(yīng)用程序掃描用戶照片，從而識(shí)別是否為本館讀者及讀者的相關(guān)信息，如瑞典TAT和Polar Rose合作推出的“TAT Augmented ID”[7]。北京師范大學(xué)教育研究所研制出一種增強(qiáng)型圖書，名叫“未來之書”，讀者通過AR應(yīng)用程序就可以感受虛實(shí)結(jié)合的交互閱讀體驗(yàn)[8]。

4 AR技術(shù)在圖書館移動(dòng)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用價(jià)值

移動(dòng)AR應(yīng)用為用戶提供了大量的圖書館資源整合信息。同時(shí)，AR應(yīng)用程序的易用性將構(gòu)思原創(chuàng)內(nèi)容的權(quán)利直接給了圖書館員和教育者，引導(dǎo)讀者善用圖書館資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。

4.1 便于探索發(fā)現(xiàn)

傳統(tǒng)的圖書檢索主要是以下兩個(gè)步驟：(1)查找圖書管理信息系統(tǒng)中的索書號(hào)；(2)根據(jù)索書號(hào)確定圖書的位置。而大多數(shù)現(xiàn)有的圖書管理信息系統(tǒng)只協(xié)助用戶尋找一本特定的書刊，因?yàn)樗峁┑男畔⑹呛?jiǎn)單的所在樓層和索書號(hào)。然而，這些服務(wù)未能滿足那些為了希望在圖書館發(fā)現(xiàn)資源而不是尋找資源的讀者。以發(fā)現(xiàn)為導(dǎo)向的讀者可能對(duì)他們尋找的一個(gè)問題或主題有模糊的想法，而不是想要得到一本具體的書或雜志。為了找到那些可以滿足他們需求的資源，他們要“反復(fù)試驗(yàn)”才能得到適當(dāng)?shù)年P(guān)鍵詞，即所謂的學(xué)習(xí)領(lǐng)域無意識(shí)現(xiàn)象(phenomenon of learning domain unawareness)。對(duì)于大部分讀者來說存在空間感知(Spatial unawareness)問題，即讀者不知道在哪里以及如何有效地獲得圖書館提供的目標(biāo)資源來實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)?，F(xiàn)有的指示板，無論是懸掛在天花板或墻上，由于這些設(shè)計(jì)不具個(gè)性化，對(duì)于讀者來說指導(dǎo)效果不明顯，甚至作用不大。讀者必須到現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)他們的個(gè)人需求來判斷是否在正確的方向上或在正確的區(qū)域。他們也可能會(huì)混淆自己的位置和目標(biāo)資源之間的相對(duì)位置。因此讀者實(shí)際上需要的是“個(gè)人方向”，而不是“公共方向”[9]。

對(duì)于在圖書館學(xué)習(xí)的讀者來說，非常希望能夠在一個(gè)舒適的環(huán)境里便捷地找到想要的學(xué)習(xí)資源。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠在移動(dòng)設(shè)備的屏幕上直接顯示虛擬信息，使原本沒有任何特殊含義的物體有了額外的附加信息。通常所附的信息包括存儲(chǔ)信息、公共設(shè)備的位置、資源的位置、評(píng)論等，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)和建筑平面圖進(jìn)行室內(nèi)定位，并在手持的移動(dòng)設(shè)備上顯示定位信息或?qū)Ш铰窂?。讀者還可以學(xué)習(xí)任何一本增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)程序能夠識(shí)別的出版圖書。通過他的移動(dòng)設(shè)備獲取更多這本被識(shí)別的圖書的內(nèi)容。從理論上講，AR技術(shù)通過整合物理和虛擬資源，為圖書館的學(xué)習(xí)環(huán)境提供了更詳細(xì)的信息，能滿足讀者的多種需求，幫助讀者更好地查找和發(fā)現(xiàn)知識(shí)，提供高效、便捷的信息獲取服務(wù)。

4.2 幫助知識(shí)理解

圖書館為讀者提供的信息、資源、情景等呈現(xiàn)方式較為簡(jiǎn)單，但隨著科技的發(fā)展，學(xué)習(xí)資源的多元化和復(fù)雜化使讀者在理解知識(shí)上常常遇到困難，傳統(tǒng)的呈現(xiàn)方式如紙質(zhì)、電子化、音視頻等已不能很好地幫助讀者深刻地解讀知識(shí)。由于知識(shí)理解的偏差，讀者往往不能準(zhǔn)確地表達(dá)自己的觀點(diǎn)。移動(dòng)學(xué)習(xí)之父克拉克奎因認(rèn)為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)將是移動(dòng)學(xué)習(xí)的應(yīng)用新方向[10]，可以利用AR技術(shù)進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)學(xué)習(xí)，使移動(dòng)學(xué)習(xí)更具情境性，更真實(shí)。目前有許多通過移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模型開發(fā)的教育信息系統(tǒng)，如利用Android平板電腦模擬核爆炸后的第一天福島核電站的12公里半徑內(nèi)的校園場(chǎng)景。研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)習(xí)者對(duì)核問題的態(tài)度明顯與他們接觸增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)演示相關(guān)；Di Serio等人通過比對(duì)使用幻燈片這種傳統(tǒng)的教學(xué)方法和通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備進(jìn)行自主學(xué)習(xí)兩種方式的高中生藝術(shù)教育研究，證明了AR技術(shù)的應(yīng)用提高了學(xué)習(xí)者的積極性及感官意識(shí)。這表明，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于學(xué)習(xí)教育是相當(dāng)有效的。圖書館可以通過AR技術(shù)平臺(tái)將館內(nèi)的每一幅作品，結(jié)合圖表、圖形、動(dòng)畫和以人為中心的每一個(gè)解說，為讀者提供一個(gè)獨(dú)特的增強(qiáng)方式觀賞，誘發(fā)讀者強(qiáng)烈的好奇心，使其繼續(xù)選擇其他補(bǔ)充材料，如書籍、文章和主題視頻等，幫助讀者理解，并不斷推動(dòng)讀者進(jìn)一步學(xué)習(xí)。

4.3 提供協(xié)作共享的學(xué)習(xí)環(huán)境

目前許多圖書館仍主要提供個(gè)人閱讀環(huán)境，所獲得的知識(shí)只限于個(gè)人，個(gè)人獲得的知識(shí)不能被流通和共享。特別是對(duì)于初學(xué)者來說，他們需要花很多時(shí)間來思考和學(xué)習(xí)什么資源能滿足他們的需求。而圖書館服務(wù)的最終目標(biāo)是幫助用戶學(xué)習(xí)閱讀和理解閱讀。利用AR應(yīng)用程序，讓學(xué)習(xí)者相互交流，可以有效地改善和促進(jìn)協(xié)作共享的學(xué)習(xí)環(huán)境的發(fā)展，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)圖書館的服務(wù)目標(biāo)是一個(gè)很好的機(jī)會(huì)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)及關(guān)聯(lián)規(guī)則分析幫助讀者解決學(xué)習(xí)領(lǐng)域認(rèn)知的問題，協(xié)助讀者建立一個(gè)個(gè)性化的圖書館學(xué)習(xí)模式。這不同于大數(shù)據(jù)校驗(yàn)自動(dòng)生成的閱讀路徑模式，因?yàn)檫@是讀者根據(jù)自己的學(xué)習(xí)需要，創(chuàng)建的不同類型的學(xué)習(xí)路徑，可以包括圖書信息、多媒體信息以及突然而至的靈感。利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的導(dǎo)航功能，讀者可以跟隨路徑系統(tǒng)地讀取數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)和書籍進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。除了采用自建的學(xué)習(xí)路徑，也可以采用其他讀者創(chuàng)建的公共學(xué)習(xí)路徑，與他人分享自己的經(jīng)驗(yàn)，共享他人的閱讀成果。讀者可以挑選他們想要在圖書館跟蹤的學(xué)習(xí)路徑，如同閱讀路徑的使用一樣，選擇他們感興趣的學(xué)習(xí)路徑的節(jié)點(diǎn)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)導(dǎo)航功能將協(xié)助引導(dǎo)他們的位置，以幫助讀者更有效地訪問與主題相關(guān)的資源。

5 總結(jié)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)不是噱頭，而應(yīng)被看作是用于圖書館吸引讀者的有效補(bǔ)充。學(xué)生通過AR技術(shù)在一個(gè)特定的主題中獲得無限的增強(qiáng)交付信息，使學(xué)習(xí)者能夠充分利用圖書館的資源，意味著學(xué)生可以精通基本的信息素養(yǎng)技能，成功搜索其所需要的信息，使用一切可能的工具來完成他們的學(xué)業(yè)任務(wù)，以實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目的。

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(責(zé)任編輯：王靖雯)

The Application Value of Augmented Reality Technology in Library

CHEN Yong-cheng

(Beijing Institute of Technology, Zhuhai 519088, China)

This paper briefly introduces the characteristics and working principles of AR, as well as the application in many fields, such as enterprises and universities.It points out that the AR technology can help readers to solve many problems encountered in the process of library resources in the use, to create a perfect learning environment and to guide the reader of using library resources for autonomous learning.

augmented reality technology; AR; library; mobile learning; mobile device

G250.78

A

1006-1525(2016)05-0033-04

陳泳成，女，助理館員。

2016-03-07