談增強現實和虛擬現實技術在課堂教學中的應用

隨著計算機硬件和軟件技術的不斷發展，許多當年受限于各種技術問題而無法普及的科技產品也涅槃重生并逐漸流行起來。其中就包括最近以游戲Pokemon Go紅遍全球的增強現實技術（AR）以及將2016年定義為元年的虛擬現實技術（VR）。

歷史發展

其實上述兩種技術早在上世紀就嶄露頭角了。以虛擬現實技術產品為例，已知的世界上的第一臺虛擬現實產品誕生于1956年，是攝影師Morton Heilig發明的設備Sensorama（如圖1），這是一款集成體感裝置的3D互動終端，它集3D顯示器、立體聲音箱、氣味發生器以及振動座椅于一身，用戶坐在上面能夠體驗到6部炫酷的短片，內容包括《薩賓娜的日期》《我是一個可樂瓶》等，這一領先當代科技的設備帶來了新潮的體驗。當然，它看上去巨大而且笨重，更像是一臺醫療設備，同時也不是所有人都有勇氣享受這種刺激的，因此很快它就銷聲匿跡，淡出了人們的視線。

后期的虛擬現實設備又經過了多次改進，1984年，Jaron Lanier公司推出了世界上第一款商業虛擬現實設備——RB2（如圖2）。這款30多年前的設備不僅與現在主流的虛擬現實設備的外觀相近，甚至還配有體感追蹤手套，可以實現一定的交互操作。

2009年，得到眾籌資金的Oculus Rift項目重啟了當今虛擬現實項目的研發，尤其是在2014年該項目被Facebook以20億美金收購后其軟硬件開發的速度也越來越快，終于在2016年初將產品正式投入市場。同年，HTC Vive、PS VR等重磅設備紛紛發售，由此衍生的各種應用鋪天蓋地而來，關于虛擬現實的新聞一時間充斥著各大媒體，讓人真切地感受到VR真的來到了我們身邊！

由只能看視頻的冰箱大小的設備到能夠戴在頭上進行各種互動的頭盔，虛擬現實技術的發展不是一朝一夕完成的，而是幾代人共同智慧的結晶。

增強現實技術同樣也是科技逐步發展的結果，這一技術于1990年被提出，1998年第一次應用于實時直播（Sportvision開發的1st&Ten系統）。而1999年ARToolKit開源增強現實開發工具的出現（奈良先端科學技術學院的加藤弘開發）使得增強現實技術開始廣泛應用。其最初的應用還是局限于廣播電視行業，如各大電視臺引進的虛擬演播室系統，各電視臺的氣象播報節目等，往往是將虛擬的環境與真實主持人進行場景融合。2013年央視春節聯歡晚會的舞臺則將這種應用方式發揮到了極致。

技術關聯

從原理上講，虛擬現實技術是利用先進的軟硬件技術，用虛假的信息欺騙使用者的視覺、聽覺、運動甚至觸覺、嗅覺等感知，使人產生身臨其境感覺的技術。增強現實技術則是在可確定的真實環境中疊加計算機生成的虛擬信息，從而混淆觀眾感知的技術。

我們可以發現，這兩種科技有一定的關聯性：有人認為虛擬現實技術是增強現實技術的極致，因為它將所有的真實環境全部疊加、替換成了虛擬信息（如圖3）；還有些人認為增強現實技術是虛擬現實技術的分支，因其在虛擬環境中混入了部分真實信息（如圖4）。

無論認同哪種觀點，不可否認的是，虛擬現實技術與增強現實技術二者之間具有較多共通性，我們可以通過它們的技術特征（如表1）來繼續確認這點。

如果將虛擬定義為“假”，將現實定義為“真”，我們可將虛擬現實理解為“以假亂真”，將增強現實理解為“真假難辨”。

應用前景

“讀萬卷書，行萬里路”是古人對知識獲取和應用的概括，意思就是以閱讀增長才識，以體會增長見識，學以致用。在當今的課堂教學中，教師通過使用多媒體技術，將視頻、圖像、交互性課件等資源展示給學生，使學生對知識產生更深刻的理解，在課堂上就能夠增長見識。虛擬現實和增強現實技術的出現，能更深入課堂教學，帶給學生更加“真實”的體驗。課堂教學中有了這兩種技術的支持，不僅能夠“行萬里路”，甚至可以跨越時間與空間，體驗過去與未來，置身于微觀世界、宇宙洪荒。

讓我們想象一下：在一堂關于問路的英語口語練習課上，當學生戴上設備，進入真正的紐約街頭，并在熙熙攘攘的異國環境中真正地體驗一次問路過程的時候，這一切對學生尤其是對偏遠地區的學生來說，將會是一次多么難忘的經歷（虛擬現實技術）。又如，語文課上，當老師帶領學生朗讀《鳥的天堂》時，教室中間生長出一棵榕樹，并在短短的時間獨木成林，學生們坐在樹林中親眼看到地板變成水面，屋頂化為天空，還有遮天蔽日的千萬只鳥在身邊飛舞……置身于鳥的天堂，又有哪位學生體會不到巴金先生當年的感受呢（增強現實技術）？

硬件配備

就在課堂上實現虛擬現實和增強現實技術教學而言，我們首先需要考慮的是硬件設備的使用。當前這兩種技術都處于起步階段，各種硬件設備的規格也參差不齊，表2是筆者整理的可用于課堂教學的部分硬件設備列表。

表格中的入門級代表實現這一技術應用的基礎硬件標準，同時也是最容易在課堂普及的設備。標準級別是增強了體驗的常見設備，具有一般的性能和臨場體驗感。高端設備都是基于谷歌公司新技術標準的設備，具有更多的功能和互動性。其中Tango技術原先被稱為Project Tango，是包含了能夠實現即時定位與地圖構建技術（SLAM）的軟硬件技術。Daydream則是為集成了虛擬現實的Android N系統打造的軟硬件標準。頂尖級別是當今最頂級的民用技術產品，擁有最多的功能、強大的互動和最佳的體驗，其中VR系列產品無一例外地采用了頭戴顯示器與高性能主機通過線纜連接的方式，一方面解決了擁有強大運算能力的主機與頭盔輕量化之間的平衡，但另一方面高效率低延遲的無線連接技術還不成熟導致了線纜的存在，而延遲則是影響使用者體驗的重大因素，超過20毫秒的延遲不僅會導致體驗變差，還會讓使用者產生頭暈等不適癥狀。頂尖的AR設備則是微軟產品HoloLens一家獨大，相比谷歌眼鏡項目的退出和Magic Leap那過于科幻的產品難產，HoloLens已經推出了產品商用套裝并將所有的功能集成到了售價5000美金的頭盔中（其開發者版本售價為3000美金）。至于理想級別的設備，是筆者針對頂尖級別產品缺陷而臆想的完美配置，其中部分內容受限于當前科技水平還未實現，如無介質全息投影技術。

無論如何，精簡指令集的出現和納米工藝的提升已經將奔騰級別的運算效能濃縮到了手機大小的設備上。未來VR設備的發展趨勢應當是使用越來越輕的便攜設備去欣賞越來越真實的虛擬世界；AR設備則會向無需攜帶設備就能看到全息畫面的立體投影方向發展。

軟件開發

21世紀是信息化的時代，也是信息科技急速發展的時代。作為走在時代前沿的信息技術教學，不僅要讓學生掌握教材中的知識和技能，還要讓學生了解最新的信息技術動態，擴大知識層面，并在實踐探究中發展創造性思維。

2015年初，筆者在一堂城鄉交流課上首次應用了增強現實技術并取得了很好的課堂效果（所使用課件榮獲第十三屆NOC活動數字化學習工具評優賽項的恩歐希教育信息化發明創新獎）。當時考慮到農村地區的硬件設備不發達，從而采用了入門級別的設備解決方案，其優缺點都同樣明顯：采用臺式機加USB攝像頭的硬件組合使得增強現實技術可在低配置電腦上使用，避免了新技術受限于設備無法使用的尷尬局面；但同時它帶來的開發技術壁壘也使得教師必須具有相應的專業技術才能完成課件的制作。以筆者為例，那時無論是增強現實技術還是虛擬現實技術其開發都處于起步階段，所有的技術文檔和資料都沒有中文版本，再加上自己尚沒有Windows平臺開發經驗，也沒有C++編程基礎，所以前期大約有一個月的時間都是在自學、摸索，抱著詞典翻譯和消化研究，之后在制作動畫、三維模型、軟件開發、程序排錯等方面又耗費了一個多月的時間才最終完成（如上頁圖5）。

有了這次的開發經驗，再加上自己不斷地研究和國際國內開發環境的改善，2016年初，筆者同時應用增強現實和虛擬現實技術，結合電子書包做了一次新的課堂嘗試（所使用課件榮獲第十四屆NOC活動數字化學習工具評優賽項的恩歐希教育信息化發明創新獎）。國際、國內的開發環境改善是指在這一年中，國內開始涌現出一批增強現實技術開發團隊，如太虛、視辰、亮風臺等，國外的Wikitude、Vuforia等也在技術上有了長足的進步，增添了更多功能。虛擬現實方面，Unreal、Unity、CRYENGINE等游戲引擎也紛紛宣布原生支持VR技術應用的開發。筆者此次所用的開發平臺從Visual C++轉換為Unity+C#，應用平臺也從Windows轉到了Android系統。并在AR應用中增添了掃描課本播放視頻（如圖6）、觸摸按鈕改變三維模型紋理等交互（如圖7），既簡化了學生的操作，又提高了趣味性。再加上漫游環節中虛擬現實技術的使用（如圖8），使課堂氣氛達到了高潮。得益于三維引擎的強大功能，它在增添了粒子、大氣等大量新特性的同時又大大降低了制作難度，其硬件體驗級別也由2015年的入門級上升到了標準級。

現階段比較尷尬的情況是，從高端級別的體驗開始，技術對硬件設備的要求越來越高。到時2016年末為止，符合Daydream標準的智能設備只有谷歌Pixel以及華為Mate9、ZTE Axon7等幾款，包含Tango技術的手機目前更是只有聯想Phab 2 Pro一款。因其設備的特殊性（新的硬件或者技術規范），無意中增添了課件開發的成本。好在谷歌免費提供了Google VR SDK的GitHub下載，為應用開發提供了很多便利，并有簡單的實例代碼可供研究。同時，谷歌應用商店內置了豐富的VR/AR應用，老師們可以在課堂上依據授課內容使用（如上頁圖9）。

頂尖設備目前還比較小眾，設備擁有量很少，同時設備中采用了大量特殊硬件，如深度攝像頭、紅外基站等，導致無法成為開發主流。為改善這一情況，制造商們紛紛推出了自家設備的應用開發包并宣稱與主流三維引擎兼容，這些SDK我們都可在其官方網站上找到并下載。甚至微軟在將HoloLens的開發功能整合到Visual Studio 2015 Update 1之余，還額外提供了HoloLens虛擬機，讓沒有設備的開發人員一樣能夠制作出頂級的增強現實應用。HTC Vive還借助Steam 平臺打造了眾多VR資源，微軟同樣致力于將HoloLens融入仍在不斷升級的Windows 10中。

結束語

在1945年7月出版的《大西洋月刊》上，Vannevar Bush描繪了他的一個構想：一部可連接在普通眼鏡上的頭戴式照相機，可記錄評論、照片以及科學實驗數據。他這樣寫道：“想象一下未來實驗室里的研究者，他的雙手是自由的，他是不被束縛的……他的照相機比核桃還要小，附在普通眼鏡上……這遠不是普通的構想。”

Vannevar Bush預測，半個世紀之后，可能真的“世界已經到達一個設備具有超高可靠性并且便宜而又復雜的時代，這些東西一定會到來”。

現在，它真的來了，而且不僅僅是拍照攝像，甚至已經發展成了一套復雜的交互式設備，并將很快進入到我們的課堂教學中。無論是HTC的VIVE、微軟的HOLOLENS還是其他設備，都會在各方面改變我們的生活和學習。這是硬件的革命，也是軟件的創新，更是科技的進步！

參考文獻：

[1]Jon Axworthy.The origins of virtual reality[EB/OL].http：//www.wareable.com/wearable-tech/origins-of-virtual-reality-2535.

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[3]AVA KOFMAN.The Atlantic[EB/OL].https：//www.theatlantic.com/technology/archive/2015/06/dueling-realities/395126/.