增强现实 （AR）在建筑教育中的应用前景与探讨

梁晏恺

沈阳建筑大学，辽宁沈阳 110168

增强现实（Augmented Reality，简称AR）在1990年被提出，是将现实中的信息与虚拟世界的信息实时集成，经过多种传感器的协调工作、三维建模、融合场景，使真实图形和虚拟图形能够共同显示、产生互动的技术。通过听觉、视觉甚至触觉输出场景，为使用者带来沉浸式的体验。

随着行业内相关技术的不断发展，增强现实技术被广泛运用于医疗、化学、工业设计、教育等行业，并随着研究人员的不断探索，增强现实技术取得了巨大的飞跃，为后期更广泛的开发应用提供了基础。不仅在研究领域提供了更加具有代入感的体验，更有可能引领下一代人机交互的发展趋势，改变人类的生活方式。目前建筑领域也在与增强现实技术的融合做积极的探索，本文主要探讨增强现实技术在建筑教育领域的应用前景。

1 增强现实技术简述

1994年，在Paul Milgram（保罗·米尔格拉姆）和Fumio Kishino（岸野文郎）的论文《A Taxonomy of Mixed Reality Visual Displays》中，两位作者定义了Reality-Virtually Continuum（真实-虚拟连续体），并论述了从现实环境到虚拟环境之间的概念，并将从现实环境到虚拟环境之间的状态统称为混合现实（Mixed Reality，简称MR）。真实-虚拟连续体定义图如图1所示。

图1 真实-虚拟连续体定义图

增强现实不同于虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），后者是将虚拟世界中的场景在现实世界赋予使用者真实的感觉，而增强现实则是基于真实场景的基础上叠加虚拟要素。当前增强现实的应用实例（如游戏、测量工具app），不需要过度依赖真实环境的识别，而当对场景的识别达到比较高的精度时，从使用者的角度具备更高的灵活性时，即可称为高保真AR。

在增强现实的实际体验中，真实环境和虚拟环境必须无缝结合。传感器感知环境中的物体、光源、反射、阴影、位置等，同时对被摄物体做出场景识别，内部建模根据真实环境做精准的坐标定位，同时实时调整输出画面中的虚拟画面，达到真实环境和虚拟环境在体验上的高度一致。

2 增强现实在建筑教育行业中的应用前景

基于增强现实的教学方式不同于传统的以教材或幻灯片作为载体的教学方式，传统载体受呈现方式的局限，苦于认知工具的匮乏，只能以2D的形式对教学内容进行展示，学习者无法在脑海中呈现建筑的关系和特征。而基于增强现实的方式是通过真实的环境基底与三维模型相结合，对教学内容以实时的、更直观的方式呈现，学习者借助增强现实技术即可直观地感受建筑的美学与建筑师的设计理念。目前，国内外的研究者也通过实验证实，采用增强现实技术辅助教学会丰富学习者的兴趣度和认知度，促进学习者主动获取知识。AR为教育界带来革命性改变的核心可归为以下三类。

2.1 将复杂的内容以更直观的方式呈现

建筑的美或不美，协调或不协调，这些带给人的感受存在着一定规律。对于建筑学的教育而言，审美的建立尤为重要，在教学的过程中也需要解决对美认知的问题。特别是对于建筑历史、建筑技术的课程而言，当前教材上的图例、网络上的照片或是构造详图都很难在空间上的维度给学生最直观的感受，甚至存在配图清晰度较低的问题。特别是中国建筑史中的木构架建筑结构做法、屋顶形式、斗拱，通过实时的三维建模展示会比平面展示更加容易辨识，标注更加清晰，教学内容的呈现过程更加生动。宋氏斗拱模型如图2所示。学习内容以三维模型的形式在屏幕呈现，显示细部的构造细节，随时转变角度、跟随用户的指令放大缩小，学习者通过操作App感受模型在各个角度的关系，进行高效的学习。

图2 宋氏斗拱模型

2.2 将现实体验中难以精确量化的参数可视化

增强现实技术更能拓宽学习者的感知能力，实时获得在真实世界无法量化感知到的参数（如距离、角度、高度等）。建筑的尺度是影响人对建筑空间感知的直接要素之一，传统学习方式对建筑体量的把握难以精确化，对于尺度的认知停留在视觉上和心理上给人的感觉，在学习者参与实际设计的过程中就可能对前期的概念设计产生障碍。在数据上掌握不同案例中建筑体量之间的关系，是学习者在未来自身项目实践中将学习理论运用在实际中的关键。

在建筑内部空间的营造中，也需要设计人员自身对于开间、进深、面积等指标的把控。对于建筑学的初学者而言，一面墙的长度、柱间距、层高、房间面积都不容易做视觉上的估算。必要时需要通过地砖、地板的规格、块数估算距离，经验越丰富，误差越小。建筑学学习者在学习的过程中将这些参数可视化，增强对这些指标的观察和记忆，能显著提高相关技能的掌握程度。

2.3 降低学习者的学习成本以及授课者的教学成本

当下移动终端（手机、头戴式终端、智能眼镜等）的运算能力足以满足增强现实对硬件性能的硬性需求，AR技术的应用不再局限于成本高昂的桌面级计算平台，同时还具备携带方便、使用成本低的特性。另外，由于AR具备更强的交互能力，在使用过程中往往不需要有针对性地指导。学习者在使用过程中接受实时的操作引导，带来无意识反馈，降低了使用过程的学习成本，也促进了学习者在更愉悦的状态下做更深入的知识探究。同时，通过增强现实软件的学习方式也节省了教学准备时间，省去了教师前期准备模型的步骤，大大提高了教学效率。将备课重心由机械、重复式的准备课件转移到课程设计本身，带来更好的教学效果。

3 结语

增强现实技术可以使建筑学的学习者更直观地感受建筑形态上的特征，带来更具沉浸感的学习过程，降低学习成本的同时大大提高学习质量，增加了学习过程的趣味性。增强现实的应用使学习方式变得多样化，运用当下具备高运算能力的移动终端，让随时随地学习相关知识成为未来建筑学学习者的学习习惯。随着移动终端设备AR开发平台的推出（如苹果的ARKit，谷歌的ARCore），并且支持Android Studio、Unity、Unreal等多个开发环境，更低的软件开发成本也为增强现实的进一步应用提供技术基础。基于当前终端设备强大的运算能力，建筑领域AR技术的运用可以给学习者未来的学习方式带来巨大的转变，为未来AR在教育领域的应用提供更多可能。