增强现实在教育中的应用

洪震++赵建民

摘要：增强现实（Augmented Reality，AR）技术是在虚拟现实技术基础上发展起来的，通过将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息叠加到真实场景中，从而实现真实世界信息和虚拟世界信息相结合。增强现实技术实现了虚拟与现实的融合和交互，为现实中的教育教学提供了更广阔的探索空间。本文主要介绍AR技术主要原理以及在教育教学上的应用，并实现与移动技术的结合，完成应用的多平台发布。希望通过增强现实技术为青少年的教育教学以及生活增添魔幻色彩。

关键词：AR；教育教学；多平台；移动技术

引言

在当前以信息技术为背景的现代教育教学中，学生的学习兴趣得到了提高，主体性得到了较大的发挥。但是，大部分多媒体信息存在一定的局限性，它只能按照时间的流程，按电脑中程序设计的流向有限制地浏览。早在2011年的《地平线报告》中，增强现实与游戏学习（Game-Based Learning）同被列为未来两三年内将会广泛使用的技术。[1]

随着科学的发展虚拟现实技术应运而生，虚拟现实是利用计算机发展中的高科技手段构造出一个虚拟的境界，使参与者获得与现实一样的感觉。增强现实（AR）是一种新兴的体验形式。运用增强现实技术，又称扩增内容（Augmented Content，计算机依据现实环境的相关信息实时生成）可以无缝地整合到现实环境中，为人类所感知。扩增内容可以是二维及三维物体、视频及音频材料、文本信息等，甚至可以是嗅觉及触觉信息。总体而言，增强现实技术可以帮助个体了解背景、获取信息、扩充知识，能形象生动地表现教学内容，营造一个跟随技术发展的教学环境，提高学生掌握知识、技能的效率，真正使教学者更容易地去表达自己的教学思想和内容，使学习者更直观、更容易理解教学者的教学思想和教学内容。可以预言，增强现实技术将是继多媒体、计算机网络之后，在教育领域内最具有应用前景的一项技术。[2][3]

增强现实技术

AR技术是通过摄像头采集现实数据（如mark），然后调用虚拟的三维数据，并且交互的实时性强，现已广泛应用于各个行业（如科学实验、商业应用、科学教育、娱乐、文化等）和各种平台（如Windows、IOS、Android）。其基本原理如图1。

1.主要原理

现在AR设备层出不穷，如头盔式、桌面式、手持式等，最基本的设施就是采集现实信息的摄像头，一个数据处理终端和一个显示器。基本的原理：①通过摄像头对现实的场景进行实时的采集，并将采集的信息传输给处理器。②当场景中出现marker时，处理器就会做出相应的工作，将虚拟的三维信息与marker的信息相关联。③处理器处理完后将信息传输到显示器。④人眼通过观看显示器即可看到虚拟的三维物体。

2.关键技术

AR系统中关键的技术就是信息识别的技术，现在比较流行的三种技术是GPS+Sensor、marker识别和图像识别。本文介绍的是marker识别的技术，marker的信息主要是一个关于灰度值大小的数组。[4]marker识别型的增强现实系统将marker图像的信息事先保存，通过识别技术，在当前的图像中查找识别marker图像，从marker图像中获取位置信息，然后在marker图像上叠加显示。[5]

Unity3d开发环境搭建

1.Unity3d概览

Unity3d是一款可以轻松创建三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等互动内容的、多平台的综合游戏开发工具。支持多种主流三维建模软件的模型格式，其编辑环境可运行在Windows和Mac OS X下，可以发布游戏至Windows、Mac、iPhone和Android平台，也可以利用Unity web player插件发布网页游戏，支持Mac和Windows的网页浏览（如图2）。[6]

2.开发环境的搭建

在Windows和Mac OS X环境下安装Unity3d软件，Unity发布到Android和IOS平台是需要相应的SDK来支持的，所以需要在电脑上安装Android-sdk和ios-sdk。并且还要注意，在Windows下是不能发布到IOS平台的，所以本文介绍的案例是使用两种系统环境完成的。

3.基于Unity3d的AR技术原理

基于Unity3d的AR案例的开发，主要是运用marker识别的技术，其原理框图如图3。

在Unity3d开发环境中具体的工作如图4，在场景中主要存在一个主camera就是在显示器看到的内容，一个承载摄像头拍摄的真实场景，当摄像头检测到marker后，会将模型的信息与marker的信息绑定在一起。当制作完成后可以发布到不同的平台。

案例介绍——magic book

该案例是一本讲述关于恐龙的科普书（如图5），讲述的是霸王龙、副栉龙、三角龙、翼龙的生存时代和生活习性。不仅能阅读文字，同时可以通过电脑或者手持的移动设备看到三维的恐龙。改善原有纯粹以静态二维文本、图像为主的教育教学方式，通过增强现实技术应用于教学环境中，可以大大提高学习者的兴趣。

当程序发布到Windows，在光线明亮处，将书放到摄像头下，立刻在屏幕中出现恐龙。其效果图如图6。

移动技术的发展和智能终端的出现，使增强现实技术从固定的电脑上转移到了不受地理限制的智能终端上，可以随时随地的学习。以智能Android手机和苹果iPad为应用实例，发布到Android环境后生成了一个*.apk文件，安装在Android手机上后打开即可，其效果如图7。

发布到IOS环境需要经过Xcode编译后才能安装到iPad。其效果如图8。

总结与展望

本文主要介绍了AR技术，并基于Unity3d的开发平台制作增强现实的教育教学案例，在制作之前Unity的环境一定要搭建好，在此之后进一步的工作是要以故事作为内容，加入3D角色、声音及互动道具，实现更多的交互操作，设计更加美观的、有意义的教学应用案例。

随着计算机技术的不断进步，很多实用新技术将不断出现，AR技术也将会出现新的挑战，如怎样在其中创建教学活动，学习者之间如何更直接地交流？如何与现有的学习管理系统整合？这些都需要我们在面对挑战的同时，探讨怎样将增强现实技术更有效地应用于学习系统，以使学习媒体在情境化、沉浸感及自然交互性方面有所突破。

参考文献：

[1]The Horizon Report 2011 Edition[EB/OL].

[2]增强现实学习系统开发之研究[EB/OL].http：//www.narkii.com/club/bbs_58209.shtml，2012.

[3]张宝运，恽如伟.增强现实技术及其教学应用探索[J].实验技术与管理，2010.

[4]ARToolkit.[EB/OL]. [2011-05-21].http：//www.hitl.washington.edu/artoolkit.

[5]朱柱.基于Unity3d虚拟实验系统的设计与应用研究[D].武汉：华中师范大学硕士论文，2012.

[6]吴亚峰，于复兴.Unity3d游戏开发技术详解与典型案列[M].北京：人民邮电出版社，2012.endprint