胥正憲

摘要：傳統(tǒng)教育往往采用粉筆黑板以及使用投影儀等方式，存在著較多弊端，本文探討了一種新的教育方案，將 AR 與 VR 技術(shù)應(yīng)用于教育中。考慮到處理能力等多種因素，AR 與 VR 技術(shù)的發(fā)展目前主要借助 PC 機(jī)。但是隨著移動終端處理能力的快速發(fā)展，如何將 AR 與 VR 技術(shù)應(yīng)用于用戶量龐大的移動終端。本文對VR/AR/MR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了文獻(xiàn)研究，并做了一些探討。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；虛擬現(xiàn)實(shí)；教育

隨著技術(shù)的發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality簡稱 AR）與虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality 簡稱 VR）被越來越多的人好看，它們在最近幾年獲得了較大的發(fā)展。在 2015年的一份投資報(bào)告中指出 AR 與VR 是未來又一個(gè)具有前景的技術(shù)[1-2]。目前 HTC、Facebook、Samsung、Apple、Alphabet 等科技公司都展開了相關(guān)研究與開發(fā)[3-6]。

在教育領(lǐng)域，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的黑板教學(xué)漸漸的被豐富多彩的多媒體教學(xué)所取代。多媒體教學(xué)所帶來的巨大便利，受到了老師和學(xué)生的一致好評，但是也逐漸暴露出多媒體演示不夠形象具體、沒有沉浸感、缺乏互動體驗(yàn)、無法進(jìn)行自主學(xué)習(xí)等缺點(diǎn)。而近幾年興起的 AR 與 VR 技術(shù)可以有效彌補(bǔ)上述缺點(diǎn)，本課題著力于將 AR 與 VR 技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域，從而使學(xué)生獲得更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

1、核心概念及要素

（1）、VR，Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實(shí)：是一種通過計(jì)算機(jī)模擬真實(shí)感的圖像，聲音和其他感覺，從而復(fù)制出一個(gè)真實(shí)或者假想的場景，并且讓人覺得身處這個(gè)場景之中，還能夠與這個(gè)場景發(fā)生交互。

VR要素：沉浸感，一種讓人身處虛擬場景內(nèi)的感覺，依靠遮擋真實(shí)場景的光線，提供盡可能大的視角，具有真實(shí)感的畫面，三維，立體甚至光場的視覺，環(huán)繞聲場和其他感官的刺激實(shí)現(xiàn)。

交互性，用戶可以和虛擬場景中的內(nèi)容發(fā)生實(shí)時(shí)交互，對用戶行為具有真實(shí)感的響應(yīng)，可以有視覺上，力覺上，聽覺上和其他感官上的回饋，依靠傳感器，軟件運(yùn)算，執(zhí)行機(jī)構(gòu)等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

假想性，可以根據(jù)設(shè)計(jì)者的想象設(shè)計(jì)出各種各樣的虛擬場景，內(nèi)容來源于現(xiàn)實(shí)而高于現(xiàn)實(shí)，可以在一定程度上違反物理定律，超現(xiàn)實(shí)的虛擬場景，依靠人為想象，軟件設(shè)計(jì)，特效等途徑實(shí)現(xiàn)。

2、AR，Augmented Reality，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)：是一種直接或間接地觀察真實(shí)場景，但其內(nèi)容通過計(jì)算機(jī)生成的組成部分被增強(qiáng)，計(jì)算機(jī)生成的組成部分包括圖像，聲音，視頻或其他類型的信息。

AR要素：現(xiàn)場感，通過直接（鏡片透視）或間接（攝像頭拍攝，實(shí)時(shí)播放）觀察真實(shí)世界，處于什么現(xiàn)場就顯示什么現(xiàn)場。

增強(qiáng)性，對現(xiàn)場顯示的內(nèi)容增加額外信息，包括圖像、聲音、視頻或其他信息。

相關(guān)性，計(jì)算機(jī)必須對現(xiàn)場進(jìn)行認(rèn)知，增加的內(nèi)容和現(xiàn)場具有相關(guān)性，包括位置相關(guān)，內(nèi)容相關(guān)，時(shí)間相關(guān)等等。

3、MR，Mixed Reality，混合現(xiàn)實(shí)：一種將真實(shí)場景和虛擬場景非常自然地融合在一起，它們之間可以發(fā)生具有真實(shí)感地實(shí)時(shí)交互，讓人們難以區(qū)分哪部分是真實(shí)的，哪部分是虛擬的。

MR要素：現(xiàn)場感，真實(shí)場景和來自現(xiàn)場，通過鏡片透視或攝像頭方式取得，和AR一致。

混合性，真實(shí)場景和虛擬場景自然地合在一起，發(fā)生真實(shí)感地交互，包括遮擋，碰撞等。

逼真性，虛擬場景的顯示效果接近真實(shí)場景，不容易辨別。

二、國內(nèi)外研究動態(tài)及水平

目前 AR 與 VR 技術(shù)發(fā)展正處在方興未艾的階段，很多 AR 與 VR 項(xiàng)目都在積極研究中。例如Google 推出了 VR 解決方案 Cardboard、Microsoft Holo Lens 全息眼鏡由Microsoft 公司于北京時(shí)間 2015年1月22 日凌晨與 Window10 同時(shí)發(fā)布、Apple 收購了 AR 開發(fā)解決方案 Metaio 用以發(fā)展自己的 AR 技術(shù)、Intel 收購了 AR 頭戴式顯示器制造商 Recon、Sony 推出了 Play Station VR 頭盔、Facebook 也推出了自己的 Oculus Rift VR 頭盔、HTC 也于今年推出了自己的 VIVE VR 頭盔、Samsung推出了 Gear VR設(shè)備。在國內(nèi)也有很多廠商也積極研究 AR 與 VR 技術(shù)，例如 Tencent 有計(jì)劃推出自己的 VR 頭盔。

90年代以前，AR的概念還比較模糊；90年代是AR技術(shù)迅速發(fā)展的10年。比較有名的研究機(jī)構(gòu)有：美國麻省理工大學(xué)的圖像導(dǎo)航外科手術(shù)室；哥倫比亞大學(xué)的圖形和用戶交互實(shí)驗(yàn)室；日本的混合現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室；德國的Arvika組織；新加坡的混合現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室。此外，用于快速開發(fā)的開源軟件工具ARToolkit也由華盛頓大學(xué)的圖形實(shí)驗(yàn)室成功開發(fā)并維護(hù)至今。

原有的研究領(lǐng)域拓展到多個(gè)新的領(lǐng)域，如城市規(guī)劃、娛樂教育、工業(yè)仿真、文化遺產(chǎn)保護(hù)等AR系統(tǒng)由簡單的桌面式擴(kuò)展到戶外可攜帶型、空間體驗(yàn)型顯示設(shè)備也從頭盔顯示器延伸到大型可觸摸式、桌面投射式和便攜式。

我國在AR領(lǐng)域的研究起步較晚，研究機(jī)構(gòu)主要集中在高校的科研單位：北京理工大學(xué)；北京航空航天大學(xué)；國防大學(xué)；浙江大學(xué)；上海大學(xué)；從國內(nèi)發(fā)表的論文來看，主要集中在系統(tǒng)應(yīng)用和配準(zhǔn)技術(shù)上，研究的問題比較單一、涉及面比較窄另外，從專利申請的情況看，全球共有108個(gè)，這之中我國僅有北京理工大學(xué)的一個(gè)。

目前國內(nèi)AR的研究成果主要有：北京理工大學(xué)自主研制了視頻、光學(xué)穿透式兩類頭盔顯示器；北京理工大學(xué)利用AR技術(shù)重建圓明園的實(shí)驗(yàn)也取得了重要進(jìn)展；上海大學(xué)快速制造工程中心與浙江大學(xué)合作開發(fā)了AR場景光源的實(shí)時(shí)檢測和真實(shí)感繪制框架；此外，在城市規(guī)劃、地下管網(wǎng)、地理信息系統(tǒng)等領(lǐng)域也有相關(guān)的研究。

在教育領(lǐng)域，目前傳統(tǒng)教材所展現(xiàn)的信息都非常有限，如能結(jié)合 AR 與 VR 技術(shù)進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)，使之變?yōu)閼?yīng)用 AR 與 VR 技術(shù)的課本，將會給使用者新的使用體驗(yàn)，幫助使用者更好的、更全面的了解教材所提供的信息，對更加有效掌握知識非常有幫助。在這方面，國內(nèi)外有著很多研究，可為我們提供很好的借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]徐德華，張雪艷. 中國 VR 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用前景與對策研究[J]. 經(jīng)營管理

者，2017，（01）：271.

[2]黃賢立，羅冬梅. 基于訊飛語音技術(shù)的智能家居控制 APP 設(shè)計(jì)[J]. 福建電

腦，2016，（08）：112+145.

[3]王陽. 基于 Android 的室內(nèi) Wi Fi 定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京大學(xué)，2016.

[4]張宇. 現(xiàn)實(shí)亦虛擬 虛擬亦現(xiàn)實(shí)[J]. 機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，2016，（02）：48-54.

[5]王曉雨. 沉浸式虛擬 3D 敦煌莫高窟場景重現(xiàn)技術(shù)研究[D].西安工程大學(xué)，2016.

[6]王志強(qiáng). 基于移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的虛擬機(jī)械臂系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].河北工程大

學(xué)，2015.

[7]羅永東，張淑軍. 一種基于 Unity 3D 的移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)自動導(dǎo)覽方法[J]. 計(jì)算機(jī)與

數(shù)字工程，2015，（11）：2024-2028+2051.