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增强现实在教育学习环境的应用与实践
2012年3月20日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:蔡苏,宋倩,唐瑶
    单位:京师范大学教育技术学院

    摘要:增强现实虚拟现实技术的延伸。增强现实环境中的学习注重虚拟与现实的结合,通过在现实环境之中设置虚拟信息,让学习者使用计算机或移动设备在虚实融合环境中与学习内容互动。本文首先介绍增强现实的核心特点及与虚拟现实的区别,然后简要介绍了增强现实的技术实现流程,梳理了国内外教育领域中增强现实学习环境的研究现状,介绍了一个自主研发的增强现实教育应用案例———“未来之书”,并阐述了增强现实技术对于教学的意义和价值,即增强现实学习环境符合情境学习理论和建构主义学习理论,它带给我们的不仅仅是一个技术平台,更可能是新的教学模式和方法。文章最后总结探讨了增强现实学习环境的发展趋势。

    纵观信息技术的每一次演变, 科技的进步与新技术的诞生都会带来新的想法与作法, 这在信息与教育整合上也不例外。数字化信息、网络平台、移动学习、普适学习以及近年来出现的三维虚拟学习环境、增强现实学习环境等,都是将科技的优势应用于教学和学习活动之中的具体体现。

    增强现实(Augmented Reality,简称AR)是虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)技术的延伸。增强现实技术与虚拟现实技术几乎同时出现,早在1968 年,图形学先驱Sutherland 制作的第一个头盔式显示器就是透射式、而非完全沉浸式的,它可以作为AR 设备使用。在随后的20 年中,由于硬件设备与图形学研究本身的限制,AR 技术没有显著的进展。20 世纪90 年代初期,波音公司的Tom Caudell 与同事在其设计的辅助布线系统中提出了“增强现实(Augmented Reality)”这个名词[1]。虽然对于增强现实的概念目前尚没有一个统一的定义,但一般认为,增强现实技术是借助于三维显示技术、交互技术、多种传感技术、计算机视觉技术以及多媒体技术把计算机生成的二维或三维的虚拟信息融合到用户所要体验的真实环境中的一种技术。增强现实技术发展以来已经在诸如医学、娱乐、军事训练、工程设计、机器人及远程机器人学、制造维护和修理、消费设计等多个领域得到了发展。

    一、增强现实的核心特点

    虚拟现实是创造一个全新的虚拟世界, 用户可借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互,产生身临其境的感受和体验,用户完全沉浸在合成的环境中, 因此用户不能看到自己周围的真实环境。相比之下,增强现实则是强调虚实结合,将虚拟的物体叠加或合成到真实世界汇总, 它允许用户看见真实世界。因此,增强现实是补充真实而不是完全替代它[2]。James R Vallino 在其博士论文中提出: 增强现实技术是将合成的感觉信息融合进用户对真实世界的感知中[3]。增强现实系统的目标是将互动的现实世界和交互式计算机生成的世界融合, 以这样的方式使得它们看起来是一个环境。

    理想的增强现实系统不仅提供实时的、逼真的、高解像度的3D 场景,而且需要有一套复杂跟踪定位设备和交互感应设备, 以此来实现人与虚拟环境的无缝融合, 并使人通过最自然的操作与虚拟世界中的三维物体进行实时交互。这样增强现实技术可以将人类不可抵达的真实世界或者存在于人们想象中的微观世界用三维动画模拟的方式生动形象地展现在人们面前, 使人们方便地对其中的事物进行细致入微地观察, 探索事物的本质和规律[4]。

    与虚拟现实尽可能消除人们对真实世界的感知相反,增强现实是对真实世界的加强。Milgram 对增强现实虚拟现实之间的关系做了一个描述,定义了现实—虚拟之间的连续变化关系[5],如下图1 所示。

增强现实在教育领域学习环境的架构与实践
图1 Milgram 的虚拟——现实连续性

    增强现实有两个特点:第一在概念上,认为数字空间中的视频环境即是真实环境;第二在技术上,通过图像与三维几何模型的无缝结合实现虚实融合。

    增强现实技术的研究已有十几年, 早先为实现增强现实技术的虚实结合, 一般都需要佩戴透视式头盔显示器,但是这些头盔、立体眼镜造价比较昂贵,设备也沉重,影响了增强现实技术的推广使用。后来随着计算机视觉技术的发展, 增强现实开始通过二维图片的标记来定位, 只需要一个普通的摄像头去捕捉这个标记,然后由软件计算其标记位置和方向,把虚拟的三维几何对象按照这个位置和方向实时叠加上来, 用户可直接通过电脑屏幕或者投影设备就能看到虚实融合的场景。增强现实环境中的学习注重虚拟与现实的结合, 通过在现实环境之中设置虚拟信息, 让学习者使用计算机或移动设备在虚拟信息架构出的虚拟环境中与学习内容互动。

    二、增强现实技术实现流程

    AR 系统中,成像设备、跟踪与定位技术和交互技术是实现一个基本系统的支撑技术[6]。为了实现虚拟物体与真实场景尽可能自然的融合, 增强现实需要解决如何精确定位的问题。AR 系统需要通过分析大量的定位数据和场景信息来保证由计算机生成的虚拟物体可以精确地定位在真实场景中, 它一般包括4 个基本步骤: 

     (1)捕获真实场景图像;

    (2) 分析真实场景和相机位置信息;

    (3)生成虚拟对象;

    (4)合并图像流生成虚实融合场景,如图2 所示。

增强现实在教育领域学习环境的架构与实践
图2 增强现实技术实现简单流程

    三、增强现实学习环境研究现状及典型案例介绍

    对增强现实技术应用于教育领域的研究起点主要有两类:(1)从游戏的角度;(2)从e-Learning 的角度。前者主要依据技术的发展对游戏进行划分,而当前代表游戏最高水平的就是三维图形(3D Graphics)游戏, 因此人们在研究3D 游戏用于教学时又称游戏为3D 虚拟世界或3D 虚拟环境。对于后者,Clougherty 提出将e-Learning 划为三个阶段, 第一阶段是学习管理系统环境下的学习,如Moodle 环境中的学习, 第二阶段是社会网络环境下的学习,如Web2.0 下的Blog、Wiki 等学习,第三阶段是在三维虚拟空间中的学习, 增强现实学习即属于三维虚拟空间学习的范畴[7]。

    不管是从游戏角度, 还是e-Learning 角度, 越来越多的人关注增强现实技术在教育领域中的应用, 并且设计了许多不同的系统或平台等,以满足学习者或教学者的需求。

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标签:增强现实教育
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