AR技术在计算机教学中的应用研究

汤雨鑫，杨国凯，张尧

（吉林建筑科技学院，吉林 长春 130114）

1 AR技术

增强现实（Augmented Reality，简称AR），是指透过摄影机影像的位置及角度精算，融入图像分析技术，使屏幕上的虚拟世界能够与现实世界的场景进行结合，并产生交互的技术。这种技术最早于1990年提出。随着电子产品运算能力的提升，增强现实的用途也越来越广泛。

增强现实技术的特点是可以通过设备的摄像头获得周围的环境信息，然后把三维画面按照制定好的程序叠加到周围环境上，AR技术是VR技术的一种升级应用，例如手机、平板或AR眼镜这种带有摄像头的设备都可以使用AR技术。AR技术能够识别周围环境，并以真实环境为依托叠加虚拟画面。与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不同，AR技术不仅能使用户与外界正常交流，而且能够将3D影像呈现在用户面前。

2 AR眼镜

目前主流的AR眼镜技术大致可以分为三个方案，即棱镜方案，自由曲面方案和光波导方案。

2.1 棱镜方案

棱镜方案的代表作品是Google glass,其光学显示系统主要由微型投影仪和棱镜组成。微型投影仪被塑料外壳包裹在里面，在眼镜前方放置棱镜，当AR眼镜显示画面信息时，画面从投影仪射出，经过折射画面从纵向变成横向照射到棱镜上，棱镜前面有一个45°的斜面，画面照射到这个斜面后，就被反射到人眼中，投影仪的画面就显示给用户，棱镜方案的原理与潜望镜原理一样都是利用光的反射[1-2]。

2.2 自由曲面方案

自由曲面方案代表产品为爱普生的BT300，BT300取消了镜架上的投影仪模块，直接将镜片分为两层。外面一层包括透明镜片和液晶屏，内层是自由曲面。外层的镜片到晶状体的距离太短，导致不能清晰地看清事物，因此需要内层的自由曲面发挥作用。所谓自由曲面，就是没有规则的曲面，根据不同的场合曲面构成也不同，AR眼镜上的自由曲面镜片通过特定的曲面角度改变液晶屏幕投射出的光线角度，让光线看起来像是来自更远的距离，这样眼睛就会根据虚假的距离重新聚焦，用户就能看清屏幕上的内容。

2.3 光波导方案

光波导方案代表产品微软的HoloLens，HoloLens改进了棱镜方案和自由曲面方案的共同问题，即用户的视线会被阻挡。光波导方案的基本原理是：首先光源不是在视线的前方，而是在上部或者是侧面；然后镜片设计至少包含两层，当光线进入镜片时，会从镜片的夹缝中以一定的角度照射进去；最后设计角度要合理，不能太小，否则光线会从一边进入而直接从另一边出去，也不能太大，否则光线会穿透镜片照射到外面。角度设计要在满足全反射的条件下射入，使光线能够在镜片中来回反射，直到用户看到画面[3]。

3 AR技术在计算机教学方面的应用

“计算机导论”和“网络工程”课程是计算机专业学生的必修基础课，内容涉及计算机硬件基础与计算机体系结构。采用AR技术进行辅助教学，利用虚拟硬件来代替真实的硬件。

3.1 AR在计算机教学方面的优势

3.1.1 真实的学习感受

AR技术呈现的内容具有3D立体效果，非常生动、直观、形象，有助于学生理解和记忆。例如，在进行有关计算机硬件的课程讲解时，大部分学校不能满足每个学生配备一台电脑进行组装与拆卸，而采用传统的教师演示加PPT教学，这种方式对于学习硬件等实验教学内容是不够的。学生没有实际操作，不能全面掌握硬件在组装与拆卸过程中需要注意的许多细节，对于知识点的理解不够深入和全面。在一些教学中可以利用AR技术，事先将各种型号的计算机或硬件的3D模型存到系统中，学生佩戴一副AR眼镜就可以看到3D模型，并可以通过传感设备进行交互，这样可以更好地了解计算机每部分组成及各部件的组装与拆卸[4]。

3.1.2 降低成本

AR的虚拟映射数据存在Web或云服务器中，基于从AR应用程序收到的请求，然后再从Web或云服务器检索虚拟对象并将其发送至应用程序。因此AR的虚拟映射数据不存在物理损耗，而在实验机房进行实验操作时，硬件会出现损耗现象。采用AR技术教学可以大大降低采购硬件和维护硬件的成本，尤其可以避免买价格高昂的计算机硬件设备。

3.2 AR技术在计算机课程教学中的应用

在“计算机导论”教学中，有关计算机硬件基础知识与体系结构的讲解是必不可少的。设计一个AR虚拟中心系统，配备AR眼镜和传感设备，教师在讲解计算机硬件基础知识与体系结构时，进入AR虚拟中心系统，学生佩戴AR眼镜。根据提供的输入数据，AR眼镜将虚拟的3D模型呈现在学生眼前，学生可以对计算机硬件的各部分组成有更加直观的了解，同时通过传感设备进行交互，完成计算机的组装和拆卸。

在“计算机网络”教学中，有关核心交换机和路由的讲解是必不可少的，由于相关设备价格非常昂贵，不能满足所有学生独立操作，不利于学生对该设备的学习和理解。采用AR技术，教师在课前将核心交换机或路由进行建模处理，例如介绍核心交换机和用交换机拓展以太网时利用AR来辅助，设计出具体的课程安排，课上老师为同学们的AR眼镜提供数据的输入，同学们可以利用AR眼镜来了解交换机的各部分组成，利用传感设备来完成以太网的拓展，模拟各种接口的连接方法，熟悉组网的注意事项，这种教学方法激发了学生学习兴趣，提高了教学效果。

3.3 AR在计算机教学中的问题

3.3.1 电池续航

由于AR眼镜要求6DoF tracking和SLAM（空间定位和建构）的能力，对设备性能要求较高，进而非常耗电。于是为了保持合理的续航时间，只能增加电池容量，而越长的续航，意味着越大的体积，以及越差的用户体验。

3.3.2 设备成本

以AR眼镜为例，目前市场上的AR眼镜大多数都在千元以上的价位，要大规模应用到机房中还有很长的一段路要走。市面上有多款AR眼镜，但没有一款AR眼镜是为了计算机教学而设计的，说明市场上还没有形成相应的生态环境。

3.3.3 缺乏高效的交互方式

目前，市面上的AR设备大多数是通过手势来实现交互。但手势交互存在一些问题。1.不符合人体工学：长时间举手非常疲劳，也就不满足刚刚提到的“轻松”的原则；2.触感缺失：触摸虚拟按键无有力反馈，也就很难实现“速度”的要求。

3.4 AR存在问题的解决办法

（1）提升电池技术，提高电池的能量密度。

（2）电池技术没有长足进步前提下，大幅降低对电池的依赖，走低功耗的路线。

4 结语

总结来说，AR技术在计算机教学方面，尤其是硬件教学方面有很大的作用，虚拟硬件降低了教学成本，同时利于后期处理与维护，因为虚拟硬件的数据一般是不会出现错误或丢失的，而传统的硬件若损坏的话需要专业的人来修理。当然虚拟硬件在某些方面也不能百分百代替实体硬件。与此同时AR技术在其他方向也有着广阔的应用前景，比如，辅助教育、工业维修、医疗教学、古迹复原和数字化文化遗产保护等。但AR也有不少技术问题需要突破，真正大范围地应用AR还有一段路要走。