增強現實在教育中的應用

洪震++趙建民

摘要：增強現實（Augmented Reality，AR）技術是在虛擬現實技術基礎上發展起來的，通過將計算機生成的虛擬物體、場景或系統提示信息疊加到真實場景中，從而實現真實世界信息和虛擬世界信息相結合。增強現實技術實現了虛擬與現實的融合和交互，為現實中的教育教學提供了更廣闊的探索空間。本文主要介紹AR技術主要原理以及在教育教學上的應用，并實現與移動技術的結合，完成應用的多平臺發布。希望通過增強現實技術為青少年的教育教學以及生活增添魔幻色彩。

關鍵詞：AR；教育教學；多平臺；移動技術

引言

在當前以信息技術為背景的現代教育教學中，學生的學習興趣得到了提高，主體性得到了較大的發揮。但是，大部分多媒體信息存在一定的局限性，它只能按照時間的流程，按電腦中程序設計的流向有限制地瀏覽。早在2011年的《地平線報告》中，增強現實與游戲學習（Game-Based Learning）同被列為未來兩三年內將會廣泛使用的技術。[1]

隨著科學的發展虛擬現實技術應運而生，虛擬現實是利用計算機發展中的高科技手段構造出一個虛擬的境界，使參與者獲得與現實一樣的感覺。增強現實（AR）是一種新興的體驗形式。運用增強現實技術，又稱擴增內容（Augmented Content，計算機依據現實環境的相關信息實時生成）可以無縫地整合到現實環境中，為人類所感知。擴增內容可以是二維及三維物體、視頻及音頻材料、文本信息等，甚至可以是嗅覺及觸覺信息。總體而言，增強現實技術可以幫助個體了解背景、獲取信息、擴充知識，能形象生動地表現教學內容，營造一個跟隨技術發展的教學環境，提高學生掌握知識、技能的效率，真正使教學者更容易地去表達自己的教學思想和內容，使學習者更直觀、更容易理解教學者的教學思想和教學內容。可以預言，增強現實技術將是繼多媒體、計算機網絡之后，在教育領域內最具有應用前景的一項技術。[2][3]

增強現實技術

AR技術是通過攝像頭采集現實數據（如mark），然后調用虛擬的三維數據，并且交互的實時性強，現已廣泛應用于各個行業（如科學實驗、商業應用、科學教育、娛樂、文化等）和各種平臺（如Windows、IOS、Android）。其基本原理如圖1。

1.主要原理

現在AR設備層出不窮，如頭盔式、桌面式、手持式等，最基本的設施就是采集現實信息的攝像頭，一個數據處理終端和一個顯示器。基本的原理：①通過攝像頭對現實的場景進行實時的采集，并將采集的信息傳輸給處理器。②當場景中出現marker時，處理器就會做出相應的工作，將虛擬的三維信息與marker的信息相關聯。③處理器處理完后將信息傳輸到顯示器。④人眼通過觀看顯示器即可看到虛擬的三維物體。

2.關鍵技術

AR系統中關鍵的技術就是信息識別的技術，現在比較流行的三種技術是GPS+Sensor、marker識別和圖像識別。本文介紹的是marker識別的技術，marker的信息主要是一個關于灰度值大小的數組。[4]marker識別型的增強現實系統將marker圖像的信息事先保存，通過識別技術，在當前的圖像中查找識別marker圖像，從marker圖像中獲取位置信息，然后在marker圖像上疊加顯示。[5]

Unity3d開發環境搭建

1.Unity3d概覽

Unity3d是一款可以輕松創建三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等互動內容的、多平臺的綜合游戲開發工具。支持多種主流三維建模軟件的模型格式，其編輯環境可運行在Windows和Mac OS X下，可以發布游戲至Windows、Mac、iPhone和Android平臺，也可以利用Unity web player插件發布網頁游戲，支持Mac和Windows的網頁瀏覽（如圖2）。[6]

2.開發環境的搭建

在Windows和Mac OS X環境下安裝Unity3d軟件，Unity發布到Android和IOS平臺是需要相應的SDK來支持的，所以需要在電腦上安裝Android-sdk和ios-sdk。并且還要注意，在Windows下是不能發布到IOS平臺的，所以本文介紹的案例是使用兩種系統環境完成的。

3.基于Unity3d的AR技術原理

基于Unity3d的AR案例的開發，主要是運用marker識別的技術，其原理框圖如圖3。

在Unity3d開發環境中具體的工作如圖4，在場景中主要存在一個主camera就是在顯示器看到的內容，一個承載攝像頭拍攝的真實場景，當攝像頭檢測到marker后，會將模型的信息與marker的信息綁定在一起。當制作完成后可以發布到不同的平臺。

案例介紹——magic book

該案例是一本講述關于恐龍的科普書（如圖5），講述的是霸王龍、副櫛龍、三角龍、翼龍的生存時代和生活習性。不僅能閱讀文字，同時可以通過電腦或者手持的移動設備看到三維的恐龍。改善原有純粹以靜態二維文本、圖像為主的教育教學方式，通過增強現實技術應用于教學環境中，可以大大提高學習者的興趣。

當程序發布到Windows，在光線明亮處，將書放到攝像頭下，立刻在屏幕中出現恐龍。其效果圖如圖6。

移動技術的發展和智能終端的出現，使增強現實技術從固定的電腦上轉移到了不受地理限制的智能終端上，可以隨時隨地的學習。以智能Android手機和蘋果iPad為應用實例，發布到Android環境后生成了一個*.apk文件，安裝在Android手機上后打開即可，其效果如圖7。

發布到IOS環境需要經過Xcode編譯后才能安裝到iPad。其效果如圖8。

總結與展望

本文主要介紹了AR技術，并基于Unity3d的開發平臺制作增強現實的教育教學案例，在制作之前Unity的環境一定要搭建好，在此之后進一步的工作是要以故事作為內容，加入3D角色、聲音及互動道具，實現更多的交互操作，設計更加美觀的、有意義的教學應用案例。

隨著計算機技術的不斷進步，很多實用新技術將不斷出現，AR技術也將會出現新的挑戰，如怎樣在其中創建教學活動，學習者之間如何更直接地交流？如何與現有的學習管理系統整合？這些都需要我們在面對挑戰的同時，探討怎樣將增強現實技術更有效地應用于學習系統，以使學習媒體在情境化、沉浸感及自然交互性方面有所突破。

參考文獻：

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

[2]增強現實學習系統開發之研究[EB/OL].http：//www.narkii.com/club/bbs_58209.shtml，2012.

[3]張寶運，惲如偉.增強現實技術及其教學應用探索[J].實驗技術與管理，2010.

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

[5]朱柱.基于Unity3d虛擬實驗系統的設計與應用研究[D].武漢：華中師范大學碩士論文，2012.

[6]吳亞峰，于復興.Unity3d游戲開發技術詳解與典型案列[M].北京：人民郵電出版社，2012.endprint