增强现实技术在图书馆的应用价值探析

陈泳成

(北京理工大学珠海学院， 519088)



增强现实技术在图书馆的应用价值探析

陈泳成

(北京理工大学珠海学院， 519088)

简述增强现实(AR)技术的特征和工作原理，及其在企业、高校等诸多领域的应用情况，指出AR技术可以帮助读者解决在利用图书馆资源过程中遇到的诸多问题，有利于创造完善的学习环境，引导读者利用图书馆资源进行自主学习。

增强现实技术；AR；图书馆；移动学习；移动设备

1 引言

增强现实(Augmented Reality，简称AR)技术是将虚拟的信息应用到真实世界，通过计算处理生成虚拟物体、场景或动作效果等叠加到真实场景中，让真实世界和虚拟对象合为一体并进行互动，从而实现对现实的增强。通过这项技术，将人眼睛所看到的真实环境与虚拟的信息融合在一起，从而使人们能看到一个更加多元化的世界。

随着以3G/4G网络为代表的高速移动互联网的快速发展，智能手机、平板电脑等移动智能设备的硬件性能及功能模块越来越丰富，如GPS、传感器等，凭借其定位系统和无线连接的功能，使在移动设备上开发增强现实系统成为可能，可通过搭载iOS、Android或黑莓系统设备，能够有效地将虚拟信息与真实环境相结合，从而创造一个无所不在的学习环境，这种类型的增强现实系统被称为移动AR技术应用。移动AR技术的应用意义深远，可以为人们提供一个全新的参与和互动的信息体验。这些应用程序促进物理世界和数字化环境之间的大融合，而这种相互融合的功能正是图书馆延伸服务所需要的。

2 AR技术概述

2.1 AR技术的特征

关于AR技术的基本特征描述，Azuma在1997年写的关于一篇AR技术的综述文章中给出了定义：“增强现实系统具有以下三个特点：(1)结合现实与虚拟；(2)实时互动；(3)三维定位。随后在2001年提出一个真正的增强现实应用程序，必须以交互方式将图形或数据对象实时地连接到对象中，以实现图形到物理环境的真实与虚拟的结合：AR系统用虚拟对象补充现实世界(计算机生成的)，共存于同一空间中的真实世界。AR技术可适用于所有的感觉，包括听觉、触觉、嗅觉[1]。我们所熟悉的VR(虚拟现实)技术已发展成熟并被推广使用，该技术所提供的模拟世界是一种在虚拟世界中沉浸、封闭的效果，而AR技术的特点则是允许将虚拟信息集成到真实环境中，可以把虚拟对象带入到用户的真实环境里，通过听、看、触摸虚拟信息来增强对真实环境的感知。

虚拟信息与真实世界不止是融合在一起，而是在真实世界的基础上增加一层相关的额外内容进行交互，从而增强用户的现实感。用户通过不断拉远、靠近、点击触摸屏、语音等更多的方式来与虚拟对象进行实时交互，AR系统将观察用户的头部、肢体动作和视线方向来定位用户每次变化的地理位置。随着用户位置的变化，所呈现的效果也随之变化，虚拟世界中的信息和真实世界场景实时同步。因此，AR技术是补充真实世界的感知及交互，而不是代替真实。

2.2 AR技术原理

AR技术最初是以透过式头盔显示系统和定位系统相结合的形式来实现的。美国学者Milgram和日本学者Kishino提出了一个从现实到虚拟环境的连续统一体(Milgram’s Reality-Virtuality Continuum)。其中现实环境(Real Environment)和虚拟环境(Virtual Environment)在两端，中间是混合现实(Mixed Reality)[2]。而跟踪定位技术、界面显示技术、虚拟融合技术和用户交互技术是增强现实技术的基础[3]。其工作原理(图1)是首先利用具备AR技术的移动设备采集真实环境的场景，采集的数据将传输给核心处理器进行处理，并流向跟踪定位系统。而用户交互技术则帮助用户和真实环境中的虚拟对象之间进行交互，交互的信息也发送给跟踪定位系统。定位系统能实时检测用户的位置、视野方向及物理运动情况，同时不断地处理采集的数据和用户交互的数据，读取及更新虚拟对象数据库的内容，以帮助AR应用系统决定对用户显示何种虚拟对象和何种效果。当虚拟对象数据库接收到请求，则利用虚拟融合技术对虚实环境进行准确的配准。通过虚拟融合技术加工处理后，再把数据信息传回计算与存储设备做最后处理，并通过界面显示技术，将虚拟信息和物理世界最终的融合效果在移动设备显示屏上显示。

图1 AR技术原理图

3 增强现实技术的应用状况

3.1 AR技术的应用领域

在AR技术的探索期，其主要应用于企业、高等院校。最早在1990年，波音公司利用透过式头盔装配飞机的关键布线。随后，哥伦比亚大学发明首个移动AR系统原型Touring Machine。而随着移动智能设备、移动互联网技术、显示技术、室内定位导航技术的不断发展，推动AR技术消费市场的发展与产品的落地，参与者不断增多。目前AR技术在工业制造、医疗、军事、娱乐、游戏、教育、旅游、展览以及古迹复原等领域均有所应用[3]。如荷兰SPRXmobile公司研发的Layar[4]，是全球第一款增强现实的手机浏览器，应用程序允许添加所有类型的多媒体，使静态图像变得栩栩如生，并提高用户的体验。如，只需要将手机的摄像头对准建筑物等，就能在手机的屏幕下方看到与该栋建筑物相关的现实数据，还能看到周边房屋出租、酒吧及餐馆的打折信息、招聘启事以及ATM等实用性的信息。

3.2 AR技术在图书馆的应用状况

AR技术在国外高校图书馆的应用已经有所发展。欧美国家的高校图书馆纷纷利用该技术升级图书馆的服务工作。如芬兰奥卢大学图书馆开发的SmartLibrary应用、美国迈阿密大学图书馆的ShelvAR和印度国家设计学院图书馆开发的librARi，为图书馆在书刊排架、寻书导航等方面提供了帮助；美国北卡罗来纳州立大学图书馆的WolfWalk、与非裔美国人文化中心合作的Red, White&Black Walking Tour以及俄勒冈州立大学图书馆、档案馆的BeaverTracks，可展示校园景点和历史故事等历史资料，帮助图书馆馆藏发挥更大的价值；英国的曼彻斯特大学Mimas学术数据中心的“SCARLET”和“ SCARLET+”项目，美国的宾汉姆顿大学图书馆的AR magic book，利用AR技术丰富学生对特藏和古籍的研究利用和教学[5]；还有荷兰阿姆斯特丹市立博物馆的ARtours项目、弗吉尼亚海滩公共图书馆的“景点伟大故事”、美国费城的“费城历史”在线数据库，创建增强现实应用程序覆盖历史照片到用户的真实环境[6]。

在移动AR应用中还有其他个性化功能，如美国Quest Visual公司的一款利用光学字符识别(OCR)技术识别文字翻译软件“Word Lens”，以及伊利诺依大学厄本那香槟分校开发的一款基于OCR技术的移动AR应用程序，可通过手机摄像头选择性地扫描课程作业页面、教学大纲或书目提要，扫描后应用程序还为用户提供其他的推荐资源。这样的应用程序可以帮助用户学习和理解阅读，高效率地扩展学习资源；还有一种面部识别软件，利用人脸识别技术的AR手机应用程序扫描用户照片，从而识别是否为本馆读者及读者的相关信息，如瑞典TAT和Polar Rose合作推出的“TAT Augmented ID”[7]。北京师范大学教育研究所研制出一种增强型图书，名叫“未来之书”，读者通过AR应用程序就可以感受虚实结合的交互阅读体验[8]。

4 AR技术在图书馆移动学习中的应用价值

移动AR应用为用户提供了大量的图书馆资源整合信息。同时，AR应用程序的易用性将构思原创内容的权利直接给了图书馆员和教育者，引导读者善用图书馆资源进行自主学习。

4.1 便于探索发现

传统的图书检索主要是以下两个步骤：(1)查找图书管理信息系统中的索书号；(2)根据索书号确定图书的位置。而大多数现有的图书管理信息系统只协助用户寻找一本特定的书刊，因为它提供的信息是简单的所在楼层和索书号。然而，这些服务未能满足那些为了希望在图书馆发现资源而不是寻找资源的读者。以发现为导向的读者可能对他们寻找的一个问题或主题有模糊的想法，而不是想要得到一本具体的书或杂志。为了找到那些可以满足他们需求的资源，他们要“反复试验”才能得到适当的关键词，即所谓的学习领域无意识现象(phenomenon of learning domain unawareness)。对于大部分读者来说存在空间感知(Spatial unawareness)问题，即读者不知道在哪里以及如何有效地获得图书馆提供的目标资源来实现自主学习。现有的指示板，无论是悬挂在天花板或墙上，由于这些设计不具个性化，对于读者来说指导效果不明显，甚至作用不大。读者必须到现场根据他们的个人需求来判断是否在正确的方向上或在正确的区域。他们也可能会混淆自己的位置和目标资源之间的相对位置。因此读者实际上需要的是“个人方向”，而不是“公共方向”[9]。

对于在图书馆学习的读者来说，非常希望能够在一个舒适的环境里便捷地找到想要的学习资源。增强现实技术能够在移动设备的屏幕上直接显示虚拟信息，使原本没有任何特殊含义的物体有了额外的附加信息。通常所附的信息包括存储信息、公共设备的位置、资源的位置、评论等，可以对现场和建筑平面图进行室内定位，并在手持的移动设备上显示定位信息或导航路径。读者还可以学习任何一本增强现实程序能够识别的出版图书。通过他的移动设备获取更多这本被识别的图书的内容。从理论上讲，AR技术通过整合物理和虚拟资源，为图书馆的学习环境提供了更详细的信息，能满足读者的多种需求，帮助读者更好地查找和发现知识，提供高效、便捷的信息获取服务。

4.2 帮助知识理解

图书馆为读者提供的信息、资源、情景等呈现方式较为简单，但随着科技的发展，学习资源的多元化和复杂化使读者在理解知识上常常遇到困难，传统的呈现方式如纸质、电子化、音视频等已不能很好地帮助读者深刻地解读知识。由于知识理解的偏差，读者往往不能准确地表达自己的观点。移动学习之父克拉克奎因认为增强现实将是移动学习的应用新方向[10]，可以利用AR技术进行关键点学习，使移动学习更具情境性，更真实。目前有许多通过移动增强现实模型开发的教育信息系统，如利用Android平板电脑模拟核爆炸后的第一天福岛核电站的12公里半径内的校园场景。研究发现，学习者对核问题的态度明显与他们接触增强现实演示相关；Di Serio等人通过比对使用幻灯片这种传统的教学方法和通过增强现实设备进行自主学习两种方式的高中生艺术教育研究，证明了AR技术的应用提高了学习者的积极性及感官意识。这表明，增强现实技术应用于学习教育是相当有效的。图书馆可以通过AR技术平台将馆内的每一幅作品，结合图表、图形、动画和以人为中心的每一个解说，为读者提供一个独特的增强方式观赏，诱发读者强烈的好奇心，使其继续选择其他补充材料，如书籍、文章和主题视频等，帮助读者理解，并不断推动读者进一步学习。

4.3 提供协作共享的学习环境

目前许多图书馆仍主要提供个人阅读环境，所获得的知识只限于个人，个人获得的知识不能被流通和共享。特别是对于初学者来说，他们需要花很多时间来思考和学习什么资源能满足他们的需求。而图书馆服务的最终目标是帮助用户学习阅读和理解阅读。利用AR应用程序，让学习者相互交流，可以有效地改善和促进协作共享的学习环境的发展，这对于实现图书馆的服务目标是一个很好的机会。

增强现实技术通过数据挖掘技术及关联规则分析帮助读者解决学习领域认知的问题，协助读者建立一个个性化的图书馆学习模式。这不同于大数据校验自动生成的阅读路径模式，因为这是读者根据自己的学习需要，创建的不同类型的学习路径，可以包括图书信息、多媒体信息以及突然而至的灵感。利用增强现实系统中的导航功能，读者可以跟随路径系统地读取数据、文献和书籍进行自主学习。除了采用自建的学习路径，也可以采用其他读者创建的公共学习路径，与他人分享自己的经验，共享他人的阅读成果。读者可以挑选他们想要在图书馆跟踪的学习路径，如同阅读路径的使用一样，选择他们感兴趣的学习路径的节点，增强现实导航功能将协助引导他们的位置，以帮助读者更有效地访问与主题相关的资源。

5 总结

增强现实(AR)不是噱头，而应被看作是用于图书馆吸引读者的有效补充。学生通过AR技术在一个特定的主题中获得无限的增强交付信息，使学习者能够充分利用图书馆的资源，意味着学生可以精通基本的信息素养技能，成功搜索其所需要的信息，使用一切可能的工具来完成他们的学业任务，以实现学习目的。

[1] Jim Hahn.Mobile augmented reality applications for library services[J].New Library World，2012 (133):429-438.

[2] 齐越，马红妹.增强现实:特点、关键技术和应用[J].小型微型计算机系统，2004,25(6):900-903.

[3] 易观智库.中国增强现实市场专题研究报告2015[EB/0L].[2015-08-19].http://mt.sohu.com/20150819/n419258140.shtml.

[4] 百度百科.Layer[EB/OL].[2016-03-06].

[5] 李晓娟，任思琪，黄国彬.国外高校图书馆应用增强现实技术的案例研究[J].图书情报工作，2015,59(11):73-81,105.

[6] 付跃安.移动增强现实(AR) 技术在图书馆中应用前景分析[J].中国图书馆学报，2013,39(205):34-39.

[7] 王璞.移动增强现实技术在图书馆中的应用研究[J].图书与情报，2014 (1):96-100.

[8] 李震，李艳诚.图书馆应用移动增强现实技术(AR)探究[J].图书馆学研究，2014 (21):17-21.

[9] Tien-Chi Huang Yu Shu Ting-ChiehYeh Pei-Ya Zeng.Get lost in the library? An innovative application of augmented reality and indoor positioningtechnologies[J].The Electronic Library，2016(34).

[10] 移动学习前沿.克拉克奎因：增强现实将是移动学习的应用新方向[EB/0L].[2015-06-16].http://toutiao.com/a4499235996/.

(责任编辑：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

陈泳成，女，助理馆员。

2016-03-07