接合自然增强现实<br/>——移动学习新体验

接合自然增强现实
——移动学习新体验

2011-08-15李婷

中国远程教育 2011年8期

□李婷

接合自然增强现实
——移动学习新体验

□李婷

增强现实(Augmented Reality,AR)是以虚拟现实技术为基础，将计算机生成的虚拟信息叠加到用户所看到的真实场景中的一种新技术。当真实场景与虚拟信息叠加于同一时空时，帮助用户增强对现实世界的感知。本文介绍了增强现实技术的基本概念，并结合其特点与当前发展状况，探讨了增强现实技术在移动学习中的应用，希望AR为促进移动学习的发展提供借鉴。

接合自然；增强现实；虚拟现实；移动学习

近年来，手机终端通讯设备对人们的社会生活起着巨大的作用，人机交互变得越来越重要，交互性能直接影响着用户对终端设备所呈现信息的接受程度和效率。手机已经成了人们生活、学习、工作活动中不可或缺的伙伴，增强现实技术的智能手机渐渐走进了人们的生活，也必将会使移动学习呈现出更加丰富多彩的内容。

一、相关定义介绍

（一）增强现实

增强现实(Augmented Reality,AR)是用户通过AR系统将计算机所生成的虚拟物体、虚拟场景或相关信息叠加到真实世界情境当中，将用户所感知的当前现实情境进行“增强”与“扩张”。[1]AR技术按用户要求将计算机所产生的虚拟内容实时叠加到视频流，将三维虚拟物体放进用户环境中。随着计算机视觉技术的发展，AR系统模型更具灵活性和真实感。用户通过AR置身于虚实难辨的情境中，自身与真实世界的联系仍存在，这种交互方式增加了用户的沉浸感。

（二）虚拟现实与增强现实

虚拟现实(VirtualReality，VR)，是指通过综合运用计算机图形系统、各种显示及控制接口设备，在计算机上生成可交互的三维环境，为用户提供沉浸感觉的技术。AR随着VR技术的发展而产生的，其显著的差别在于用户沉浸感的不同，VR系统强调用户在虚拟环境中的视觉、听觉、触觉等感官的完全浸入，将用户抛离于现实世界而完全沉浸于由计算机所控制的信息空间之中。而AR系统更加关注现实世界的重要作用，努力将用户在现实世界的存在性与感官效果达到有效的统一。AR系统将计算机产生的虚拟环境与真实环境相融合，增强了用户对真实环境的理解。

（三）接合自然

接合自然（Articulated Naturality）是将虚拟世界与现实世界进行自然、直接的无缝连接。其深层内涵在于使人类获取信息的体验脱离鼠标或键盘，摆脱机械的互动得以回归自然。[2]接合自然技术使AR得到更加有效的加强、延伸与整合，为手机终端支持的增强现实服务提供了可能的技术支持。目前，AR技术虽然处于小范围的试用阶段，但是伴随着接合自然技术的发展，它必将深刻的影响着人类的生活方式。

二、“接合自然”的增强现实服务

传统的AR服务通常是平面的，无法真正做到与周围的环境与虚拟信息进行实时有效的衔接，颗豆柏德公司作为全球领先的接合自然移动服务供应商，将视联网（Articulated Naturality Web）技术植入手机，让用户更为充分的使用这一技术。视联网强调将接合自然与网络信息技术完美接合，通过数字界面增强人们的体验。例如，使用手机的摄像头照照天空，来显示一天的天气状况；使用相机扫描一下某名胜古迹，就可以获取该古迹的相关信息等等。不同用户的手机有不同的用途，这使增强现实技术在实际应用中有了更多的延伸空间。

（一）特点

1.真实性

AR技术使用户处于一种自然融合的环境中，所感知到的是真实世界和虚拟场景相融合的统一世界。

2.开放性

用户可以将信息上传到具有支持增强现实功能的开放平台上帮助获取与共享信息。通过SPRX mobile公司推出的Layar的软件，用户只需要将手机的摄像头对准周围的建筑物或者开放空间，就能在手机屏幕下方看到与之相关的现实数据。而Wikitude世界浏览器，除了能够帮助用户查看已有信息外，还可以让用户自行编写、分享信息，并通过手机上的Wikitude软件查阅其他用户分享的信息，所有内容都可以通过维基模式来维护。用户可以使用自己的Google、Yahoo!、Twitter或是Open ID账号登录并提交信息，进行网络资源的共建与共享。

3.实时互动性

AR技术利用已有的真实世界环境与虚拟场景进行无缝接合，为用户提供一种完美的复合视觉效果。虚拟场景随着用户周围真实世界的改变而变化，使这种复合视觉效果变得更为真实，虚拟物体还可以与用户和真实物体以一种自然的方式进行交互。例如，引入AR技术的AR Invaders游戏，玩家利用设备自带的摄像头捕捉周围的实时画面，配以陀螺仪和重力感应来判断玩家的动作、方向和位置变化，使玩家随时随地都处于真实的游戏场景中。

4.实用性

智能手机作为价格昂贵的AR设备的替代品，降低了该技术应用的价格门槛。例如，谷歌、诺基亚、三星、iPhone以及Touch的多款手机终端均支持AR应用。以iPhone上的TwittARound软件为例，只需将摄像头对准天空就可以判断当前的天气状况。

（二）关键技术

构造一个AR系统需要解决很多关键的技术问题，主要包括显示技术、跟踪和定位(registration)技术、界面和可视化技术以及标定(calibration)技术。

1.显示技术

AR的显示器主要是于呈现虚拟物体与现实世界合成后的复合影像。人脑所感知事物的信息，大部分来自视觉。视觉是人最主要的感觉通道，约有83%的左右的信息是通过眼睛这个视觉感受器输送给大脑。因此，AR系统中显示技术占有举足轻重的地位。AR系统显示设备包括：头箍显示器(Head-Mounted Displays,HMD)，[3]手持显示器(Hand—HeldDisplays)和投影显示器(Projection Displays)。移动手机终端中所采用的显示设备是手持显示器，它属于平面LCD显示器的一种，使用捆绑的摄像机提供基于视频透视的增强功能。手持显示器充当一个窗口或放大镜，显示用VR覆盖的真实对象，所需的虚拟信息直接投影到真实对象上进行增强。最简单的情况是，无需戴特殊的眼镜而将增强信息直接投影到对象表面上。

2.跟踪定位技术

为了实现有效的交互，AR需要进行跟踪定位，准确地跟踪用户的位置以及视域方向，这是更好地完成交互的必要条件。当用户处于室外移动的环境中时，AR利用手机终端内置的一系列传感器，如相机、GPS、导航和加速器等收集数据，[4]跟踪计算对象在户外的实时位置，使用户能够利用数字摄像头来浏览周围有趣或有用的目标物体。

3.界面和可视化技术

用户通过与AR系统进行交互，能够有效地将交互信息在AR显示器上完美呈现是许多研究人员正在考虑的问题。特别是在室外移动的环境中，没有鼠标、键盘等操控设备的帮助，智能手机软件开发便成为研究的焦点。

4.标定技术

为了准确的定位，AR系统需要进行大量的标定。测量的值包括摄像机参数，视域范围，传感器的偏移，对象定位以及变形等。手机终端的AR系统中，采用LBS（基于位置的服务）来标定移动设备或用户所在的地理位置并提供与位置相关的各类信息服务。利用手机自带的摄像头定位一个虚拟物品或虚拟信息与之相对应的三类数据是：GPS坐标、数字罗盘确定的手机朝向和加速器给出的手机与地面角度。

三、“接合自然”的增强现实技术在移动学习中的应用

由于AR技术具有实现对真实世界的增强特点，已经被广泛应用于军事、医学、古迹复原和数字化文化遗产保护、工业维修、网络视频通讯、旅游、商务以及娱乐等领域，[5]在教育教学中应用的研究也正在逐步展开。随着移动技术的发展，具有体积小、携带方便、普及性高等特点的手机已经成为AR系统应用发展的新方向，为移动学习开辟了一条更为有效的途径。

（一）在情境感知学习中的应用

AR使移动学习更具情境性。AR技术所具有的真实性为移动学习提供了更为真实的学习情境。在情境学习过程中由于强调的是知识所具有的情境性，并且学习者需要在情境中获得和应用知识，因此学习者更需要在真实的活动及文化背景中进行学习，以利于对知识的记忆与应用。在情境感知学习过程中，学习内容由移动学习系统通过感知学习者的学习情境自动推送给学习者，促使学习者在情境中进行学习。目前，我国正在使用AR技术完成圆明园的重建。学习者可以利用手中的移动设备，方便地体验增强现实的效果，并且可以将“虚实融合”的图像通过移动存储设备保存留念。此类技术可以帮助学生对历史或建筑文化等相关知识进行学习，学生通过置身于真实的圆明园环境中将虚拟的场景与现实叠加，有利于学生对相关信息的记忆和了解，唤起学生的爱国热情。此类学习过程中可以采用即指即现的方式，学习者将接入互联网的具有摄像功能的手机对准实际的目标物体后，手机显示屏就会呈现与之相关的数字内容及服务，帮助学习者进行自主学习。

（二）在参与模拟的体验式学习中的应用

在参与模拟的体验式学习过程中，利用移动设备的微世界模拟功能，对学习情境、自然环境等进行部分模拟，并且用户自身可以参与到模拟系统中。增强现实的quake游戏可以让位于全球不同地点的玩家，共同进入一个真实的自然场景，以虚拟替身的形式，进行网络对战。在移动学习中，学习者可以与其他的学习者相联系，共同存在于同一虚拟场景中，学习者以竞争的方式在虚拟的世界中建立自己的身份与地位，让学习者更具沉浸感。带有AR系统的手机终端为真实的问题情境、工作活动、文化背景中开展情境学习提供了可能。

（三）在活动学习中的应用

AR使移动学习信息获取与分享更及时。在移动学习过程中实时而又具有交互功能的系统必然会提高学习者的学习效率与学习热情。活动学习是在实践活动中的学习，即以问题为中心组成学习团队，在外部专家与团队成员之间的相互帮助下，通过主动学习、不断质疑、分享经验，使问题得到解决。AR的IDEA提供了全新的搜索模式，以图片代替文字自动搜索，利用摄像头获取图片信息将会让信息的搜索更加及时。学习者看到不了解的东西，可以即时拍摄并了解到相关的内容，不再需要记住关键信息后，拿到电脑前去搜索。配合使用SekaiCamera AR应用软件，能够在iPhone摄像头的影像上叠加其他学习者对某一事物提交的评论，图片和动画等信息，[6]同时，学习者也可以在Wikitude.me网站上登陆自己帐号分享信息，帮助学习者进行“头脑风暴”。

（四）在技能学习中的应用

AR使学习者在操作技能学习中互动更加实时。AR技术使虚拟世界与真实世界能够在同一空间同步存在，带有AR系统的手机终端能够使学习者在显示屏中看到现实与虚拟场景叠加而成的模拟场景，帮助学习者进入角色，增强移动学习的趣味性与实用性。例如，在化学课程学习过程中，学习者通过AR软件将虚拟的化学器材与药品与真实的场景相融合，通过拖动或点击手机屏幕完成器材的学习与安置或进行化学试验，并可以通过屏幕观察试验结果影像及相关信息，使移动学习中的试验课程更加安全、有趣，也为学习者节省了试验的成本。