增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）：現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)及產(chǎn)學(xué)研一體化展望

王培霖　梁奧齡　羅柯　高巍　周志穎

摘要：隨著科技的進(jìn)步，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)逐漸成為一個(gè)在教育行業(yè)越來越成熟且具有巨大潛力的新技術(shù)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與教育的結(jié)合使得書本中抽象的內(nèi)容具體化、形象化，打破了傳統(tǒng)教育模式的局限，給教育行業(yè)發(fā)展提供了新的機(jī)遇和途徑。但消費(fèi)市場熱度和用戶接受度仍然不夠，其產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)方面還存在一定問題。該文縱觀增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的歷史發(fā)展、現(xiàn)狀問題和未來趨勢，希望通過增強(qiáng)現(xiàn)出版物的方式，節(jié)省更改原始紙質(zhì)圖書的成本，將AR技術(shù)更好地應(yīng)用到教育領(lǐng)域幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和理解傳統(tǒng)教育難以解釋的各種抽象概念，實(shí)現(xiàn)以最自然有效的方法讓孩子們快樂學(xué)習(xí)，真正走進(jìn)校園充分發(fā)揮AR技術(shù)的附加價(jià)值。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；混合現(xiàn)實(shí)；虛擬現(xiàn)實(shí)

一、什么是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

術(shù)語增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，以下簡稱“AR”）在早期被研究員們定義了很多不同的意思，1990年波音公司的員工Tom Caudell首次提出“Augmented Reality”一詞，1994年Milgram，Takemura，Utsumi和Kishino將AR定義為兩種不同的概念：廣義概念和狹義概念。在廣義概念中，AR被定義為“用模擬線索增強(qiáng)自然場景并反饋給操作者”，狹義概念中則將AR定義為“是一種參與者戴著透明的頭盔顯示器以清晰看到真實(shí)世界的虛擬現(xiàn)實(shí)的形式”。1997年Azuma等研究人員認(rèn)為AR應(yīng)該包含三個(gè)準(zhǔn)則：虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互和三維注冊，2004年HSllerer和Feiner、2003年Kaufmann、2008年Zhou、Duh和Billinghurst也提出了類似的定義。而2008年Klopfer和Squire還給了AR更廣泛的定義，他們認(rèn)為這是一種真實(shí)世界被動(dòng)態(tài)疊加上相關(guān)位置或虛擬信息的一種場景技術(shù)。2011年Martin等人給出了一個(gè)不具包容性的定義：AR是合并從一個(gè)攝像頭流出的圖像與視頻信息的系統(tǒng)，2011年Sayed，Zayed和Sharawy將AR描述為通過增加真實(shí)生活中丟失的信息來將虛擬物體加入真實(shí)場景中的一種技術(shù)。大眾普遍接受1994年Milgram等人的“米爾格拉姆真實(shí)虛擬連續(xù)集”定義，這是一種從完全真實(shí)的環(huán)境到完全虛擬環(huán)境的模式，這個(gè)連續(xù)集中真實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境之間的空間被稱為混合現(xiàn)實(shí)（即Mixed Reality，簡稱MR）。

二、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的現(xiàn)狀

（一）背景概述

一直以來，人們熟知的教育場景都是老師提前安排好教學(xué)進(jìn)度，上課時(shí)站在講臺(tái)上用書寫黑板的方式為學(xué)生傳授知識(shí)，學(xué)生的教科書和作業(yè)等都是紙質(zhì)的。雖然這種靜態(tài)的教學(xué)方式長期被人們習(xí)慣和接受，但隨著科技的進(jìn)步，人們教育的創(chuàng)新提出了更高的要求，因此研究人員和教育界學(xué)者希望可以通過科技改進(jìn)教師的教學(xué)環(huán)境和學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，使學(xué)習(xí)更加高效。

2007年Teoh和Neo研究發(fā)現(xiàn)受試者認(rèn)為聽演講者在講臺(tái)上講課是一件十分無聊的事情，2012年P(guān)hang等人調(diào)查發(fā)現(xiàn)，想要學(xué)習(xí)理工類學(xué)科的學(xué)生不足60%，因?yàn)檫@類學(xué)科難度大學(xué)生容易提不起學(xué)習(xí)興趣，而受試者認(rèn)為技術(shù)的整合將有助于學(xué)習(xí)理工類知識(shí)。如2010年Chien等人調(diào)查發(fā)現(xiàn)AR能讓學(xué)生更有動(dòng)力地學(xué)習(xí)。2012年Ruth Geer和TrudyAnn Sweeney發(fā)現(xiàn)學(xué)生非常喜歡這些通過做游戲或者播放動(dòng)畫等方式來學(xué)習(xí)。

還有人認(rèn)為在教學(xué)過程中應(yīng)該為學(xué)生提供相關(guān)的學(xué)科環(huán)境并努力使課堂活動(dòng)更有趣，因?yàn)閷W(xué)生們會(huì)更愿意用交互的方式學(xué)習(xí)。女12002年Kiyokawa發(fā)現(xiàn)用AR技術(shù)生成虛擬圖像來教學(xué)的方式比傳統(tǒng)的使用黑板教學(xué)的方式更加自然，2007年Kozhevnikov和Thornton研究發(fā)現(xiàn)通過呈現(xiàn)豐富的可視化圖像并讓學(xué)生動(dòng)手控制這些圖像能夠培養(yǎng)他們的形象化思維，這些可以用可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)，即讓以前肉眼難以觀察的現(xiàn)象被直觀呈現(xiàn)出來。如1995年Cynthia F.Copolo和Paul B.Hounshell使用二維和三維的化學(xué)模型幫助學(xué)生們學(xué)習(xí)分子結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)三維模型的學(xué)習(xí)效果更好。1996年Dede等人發(fā)現(xiàn)學(xué)生使用虛擬環(huán)境可以更好地掌握抽象概念。2001年Wu等人發(fā)明了一種幫助學(xué)生更好理解化學(xué)抽象概念的動(dòng)畫。2004年Stith在教授細(xì)胞生物學(xué)時(shí)使用軟件創(chuàng)造了一種酶與底物結(jié)合的動(dòng)畫。2008年Robertson等人發(fā)現(xiàn)當(dāng)播放有趣的動(dòng)畫或者當(dāng)老師的演講富有吸引力時(shí)，學(xué)生會(huì)更好地理解所學(xué)內(nèi)容。這些都是常見的可視化技術(shù)的例子。

目前在教育領(lǐng)域，特別是可視化抽象概念方面有巨大潛力的技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，AR最早于1990年提出，它可以讓使用者與應(yīng)用進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，給用戶帶來較為自然和真實(shí)的體驗(yàn)，因此AR是一個(gè)很可能對教育行業(yè)產(chǎn)生巨大影響的新技術(shù)。

（二）AR在教育領(lǐng)域應(yīng)用的歷史

2002年Billinghurst認(rèn)為AR可以提高學(xué)生之間和師生之間的合作，并且可以使學(xué)習(xí)效率最大化。通過AR技術(shù)，用戶還可以從3D視角觀看學(xué)習(xí)內(nèi)容，這可以幫助學(xué)生克服難以觀察到真實(shí)世界或者理解復(fù)雜概念的困難。

由于AR是一個(gè)相對較新的技術(shù)，雖然已經(jīng)在很多方面有研究，基于教育的研究卻很少，直到2000年AR的教育應(yīng)用才第一次嶄露頭角。盡管如此，很多研究都已經(jīng)表明學(xué)生們很愿意使用AR技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，如2008年Klopfer和Squire發(fā)現(xiàn)學(xué)生對他們虛擬與現(xiàn)實(shí)環(huán)境結(jié)合的經(jīng)歷有很積極的反饋，2011年Burton等人也發(fā)現(xiàn)學(xué)生對這種可以分享信息和學(xué)習(xí)新概念的技術(shù)感到興奮。

2006年Sheldon和Hedley發(fā)現(xiàn)在受真實(shí)環(huán)境限制的課程中學(xué)生們可以通過AR更好地理解和體驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，之后各階段的教育也都開始逐步應(yīng)用AR技術(shù)。2008年Coffin等人在物理學(xué)領(lǐng)域使用增強(qiáng)視頻、視頻會(huì)議、物理跟蹤道具等技術(shù)將那些看不見的如加速度、壓力等物理量用覆蓋圖形頂部的物理道具可視化。2009年Dunleavy，Dede和Mitchell設(shè)計(jì)了一款名叫“接觸外星人”的AR手機(jī)游戲，學(xué)生通過采訪虛擬角色、采集數(shù)字信息等方式找出外星人登陸地球的原因。游戲過程中他們可以學(xué)到各種知識(shí)，具有很高的學(xué)生參與度。2011年Serion，Ibanez和Kloos在西班牙馬德里的一所中學(xué)的視覺藝術(shù)課程中研究了AR對學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力的影響，參與者表現(xiàn)出很大的熱情和接受度。2012年Xie使用通過溫度傳感器和壓力傳感器輸入的AR技術(shù)讓學(xué)生用現(xiàn)實(shí)世界中的物體仿真和模擬一些科學(xué)現(xiàn)象。

類似的案例還有很多，但是國內(nèi)的AR幾乎是從2012年才開始發(fā)展，教育領(lǐng)域的應(yīng)用則更少。不過近幾年類似的VR技術(shù)（虛擬現(xiàn)實(shí)即VirtualReality，以下簡稱“VR”）在國內(nèi)發(fā)展比較迅速，AR也隨之興起，出現(xiàn)了一些教育方面的新產(chǎn)品。

（三）AR發(fā)展現(xiàn)狀簡述

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，AR在技術(shù)上已經(jīng)越來越成熟，在一些電影和動(dòng)漫中，我們可以看到曾是幻想式的科技場景如今因?yàn)锳R技術(shù)的出現(xiàn)變得不再不可能，如名偵探柯南的眼鏡可以獲取實(shí)景信息并幫助人物分析現(xiàn)場情況。電影鋼鐵俠中，主角頭盔投影出來的影像和在實(shí)驗(yàn)室中對各種虛幻投影的拉伸旋轉(zhuǎn)等操作，都是AR技術(shù)應(yīng)用的體現(xiàn)。現(xiàn)實(shí)生活中，AR技術(shù)在醫(yī)療、建筑、汽修、教育等領(lǐng)域也都有了一些應(yīng)用產(chǎn)品，且其數(shù)量和種類逐年增長。

全世界眾多互聯(lián)網(wǎng)巨頭都已經(jīng)加入到了AR/VR領(lǐng)域的競爭中，2014年3月，F(xiàn)acebook宣布以20億美金收購VR技術(shù)的領(lǐng)頭羊公司Oculus。Facebook創(chuàng)始人扎克伯格這樣評價(jià)：Oculus將有機(jī)會(huì)創(chuàng)造新的社交平臺(tái)，改變?nèi)藗児ぷ鳌蕵泛徒涣鞯姆绞健Ｖ筇O果、微軟、谷歌等國際大公司也都紛紛加入進(jìn)來。蘋果先后收購了Metatio、FaceShifl、PrimeSense以及Flybv Media等多家AR企業(yè)，展示了其在AR/VR領(lǐng)域一展宏圖的決心。蘋果此次推出的新款產(chǎn)品iPhone7 Plus首次配備了雙攝像頭，讓設(shè)備變得像人的雙眼一樣，可以獲取相機(jī)捕獲的圖像深度等信息（景深），使計(jì)算機(jī)視覺中能夠提供更強(qiáng)的約束以更精準(zhǔn)地捕捉前景背景，捕獲深度后的AR三維交互更加準(zhǔn)確，用戶體驗(yàn)也更上一層樓。

2012年4月谷歌曾推出AR眼鏡Google Glass，在眼鏡上配備攝像頭和微處理器，可以增強(qiáng)人們對環(huán)境的認(rèn)知。2014年谷歌的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目Tango讓安卓手機(jī)通過攝像頭獲取環(huán)境的景深等信息，并在分析后三維重現(xiàn)周圍的環(huán)境。2015年1月，微軟發(fā)布了一款混合現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器HoloLens，通過全息影像為用戶提供沉浸式的體驗(yàn)，是可穿戴設(shè)備與AR技術(shù)的完美結(jié)合。

2016年則是AR技術(shù)飛速發(fā)展的一年，其強(qiáng)大的功能和應(yīng)用前景讓AR成為新一代技術(shù)中最被看好的一顆明星。最近幾年VR/AR市場正在快速拓展，但是要讓AR如同手機(jī)電腦一樣真正融人人們的生活還有很長的路要走。

三、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)面臨的挑戰(zhàn)

（一）AR技術(shù)在教育產(chǎn)品的概述

AR的技術(shù)特點(diǎn)與其在教育方面的應(yīng)用需求十分契合。AR技術(shù)用多種媒體呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，將文字、圖片、視頻、動(dòng)畫等一系列技術(shù)手段融合進(jìn)來，吸引學(xué)生的注意力，提升他們的學(xué)習(xí)興趣，讓他們積極主動(dòng)地參與到教學(xué)活動(dòng)中。AR技術(shù)還給學(xué)生提供了同時(shí)使用多種感官如眼、耳、手相結(jié)合的全方位式的互動(dòng)體驗(yàn)，使學(xué)生可以在互動(dòng)過程中對教材的知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行理解和探究。加上中國龐大的教育市場，政府和家長對孩子教育的投入，使AR在國內(nèi)教育行業(yè)的應(yīng)用有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α庖呀?jīng)進(jìn)行了較長時(shí)間的AR技術(shù)研究，大量國外研究員的調(diào)查研究也顯示出AR技術(shù)與教育相結(jié)合確實(shí)能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效果，并且已經(jīng)有了一些應(yīng)用于教育領(lǐng)域較好的AR產(chǎn)品。相比之下國內(nèi)的AR市場起步較晚，但是也取得了一些不錯(cuò)的成果。

國內(nèi)AR在教育領(lǐng)域取得的成果大多是針對青少年和兒童早教的。AR技術(shù)對傳統(tǒng)教育行業(yè)的改革是顛覆性的，中國的傳統(tǒng)教育是在大課堂內(nèi)，教師對學(xué)生進(jìn)行近乎“填鴨式”的教育，通過講解枯燥的文字、圖片給學(xué)生傳播知識(shí)，這樣的教學(xué)方式單調(diào)，尤其對于在學(xué)習(xí)方面不那么有天賦的學(xué)生來說不易理解，即使理解之后也容易忘記，教學(xué)效果并不理想。而AR技術(shù)具有三維注冊、實(shí)時(shí)交互、虛實(shí)結(jié)合的特點(diǎn)，和將虛擬的三維物體和場景疊加到現(xiàn)實(shí)世界中的特性，可以極大地增強(qiáng)老師和學(xué)生的教學(xué)體驗(yàn)，使傳統(tǒng)教學(xué)中抽象的概念變成立體生動(dòng)的模型，對學(xué)生理解抽象知識(shí)有較大的幫助，理解之后能提升成就感，進(jìn)一步提高學(xué)生自身的學(xué)習(xí)意愿。紙質(zhì)書本中描述的自然地理地貌、人文建筑、歷史事件和一些抽象的物理化學(xué)概念等都可以通過AR技術(shù)活靈活現(xiàn)展現(xiàn)在學(xué)生面前。比如學(xué)生在學(xué)習(xí)地球自轉(zhuǎn)，和地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)產(chǎn)生日夜更替現(xiàn)象時(shí)，運(yùn)用AR技術(shù)將三維抽象的場景呈現(xiàn)在課堂上，可以使老師的教學(xué)更加生動(dòng)、形象、具體。學(xué)生在聽老師的講解和觀察AR模型運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還可以自己操作3D模型，以更好地理解日夜交替的原理。2005年一組研究員在英國倫敦開展了一次類似的研究，一名老師和一組十歲左右的學(xué)生使用地球自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)的虛擬動(dòng)畫來幫助理解日夜之間的更替，結(jié)果顯示學(xué)生的參與度明顯提高。國內(nèi)的AR應(yīng)用“視+AR”中也有一款類似的太陽系運(yùn)轉(zhuǎn)模型。國內(nèi)也已經(jīng)有一些較為成熟的針對青少年和兒童教學(xué)的AR軟件和AR出版物，這些產(chǎn)品應(yīng)用在教育領(lǐng)域的主要形式大致分為以下幾種：

1.4D認(rèn)知卡

2015年7月18日，由夢想人科技推出的一款具有革命性意義的兒童教育產(chǎn)品“4D認(rèn)知卡”在北京展覽館4號(hào)館正式亮相，這是國內(nèi)第一款跟出版社合作的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教育產(chǎn)品。4D認(rèn)知卡是AR技術(shù)應(yīng)用最簡單的一種形式，它的出現(xiàn)可以說是AR技術(shù)在幼兒教育上的完美運(yùn)用。每一張認(rèn)知卡片對應(yīng)一個(gè)4D動(dòng)畫，利用AR軟件對卡片進(jìn)行掃描，就會(huì)出現(xiàn)立體的動(dòng)畫模型，并且可以對模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、拉伸等操作，360度全方位地對模型進(jìn)行學(xué)習(xí)，讓孩子通過一個(gè)簡單的手持設(shè)備體驗(yàn)奇妙的世界。還比如在夢想人科技的主營產(chǎn)品“4D書城”里就有一款觀看火箭發(fā)射過程的認(rèn)知卡，通過掃描卡片，設(shè)備屏幕上出現(xiàn)火箭模型，起飛后能清楚得看到整個(gè)過程中火箭的逐級脫落，在火箭飛向高空時(shí)，需要用戶抬起手機(jī)跟隨向上移動(dòng)追蹤火箭模型，整個(gè)過程十分真實(shí)有趣。

2.AR圖書

AR圖書可以讓書本中的內(nèi)容“跳”出來，日本的“東京書籍”就有針對教科書開發(fā)的AR應(yīng)用。在學(xué)習(xí)立體幾何時(shí)，直接掃描書本就可以看到三維的立體圖形，彌補(bǔ)了部分學(xué)生因缺乏空間想象能力而難以理解所學(xué)內(nèi)容的弱勢。英語和化學(xué)等教科書也可以同樣的運(yùn)用AR技術(shù)把書中的內(nèi)容用三維模型呈現(xiàn)出來。在國內(nèi)，也有了很多針對青少年兒童的圖書。對于童話故事類的書本，通過AR技術(shù)可以將文字闡述的故事用動(dòng)畫的形式活靈活現(xiàn)地表現(xiàn)出來。

2014年國內(nèi)有了第一款A(yù)R圖書《西游記的故事》——黑熊怪。在2016年7月舉行的第26屆全國書博會(huì)上也看到了很多國內(nèi)出版的AR圖書。由天地出版社出版的三部AR圖書“拍拍樂創(chuàng)意童書”《誰是我的公主》《倒霉的普魯魯斯》《土豆鞋匠的奇幻旅行》，“拍拍樂創(chuàng)意童書”是2014年從西班牙引進(jìn)的，只需用手機(jī)或平板電腦下載相關(guān)APP并掃描圖書，書里的三維動(dòng)畫人物就從書里“跳”出來了，并在設(shè)備中自己動(dòng)了起來。

吉林電子音像出版社也帶來了自己的“立體派”融媒體系列圖書，其中就有以宇宙、恐龍為主題的“太空第一課”和“恐龍時(shí)代”等AR圖書。AR圖書還可以很好地運(yùn)用在中小學(xué)課堂教學(xué)領(lǐng)域，可以提供很好的虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界相結(jié)合的教學(xué)體驗(yàn)。而將AR技術(shù)用于中小學(xué)教材的做法成本較低，因?yàn)椴恍枰獙ΜF(xiàn)有的中小學(xué)教材進(jìn)行其他的改變。學(xué)生只需要運(yùn)用一臺(tái)有攝像頭的移動(dòng)設(shè)備就可以進(jìn)行很好的AR體驗(yàn)。

同樣以“4D書城”中人教版六年級英語教材的掃描版為例，該教材在書本中添加AR注釋，學(xué)生在課下通過點(diǎn)擊注釋的標(biāo)識(shí)就可以聽到標(biāo)準(zhǔn)的英語原文閱讀語音，這樣一個(gè)手機(jī)就解決了受課堂時(shí)間限制不能多聽語音材料，課下只能購買磁帶或用隨身聽播放的麻煩。學(xué)生還可以通過點(diǎn)擊，自己在教材上添加文本、語音、圖片等注釋，提高學(xué)生自己的創(chuàng)造能力，讓學(xué)生在課下也有很好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

3.AR游戲

通過游戲?qū)W習(xí)，可以在學(xué)習(xí)上提升學(xué)生的協(xié)作、交流、創(chuàng)造和想象能力。通過AR技術(shù)可以把游戲變成適合學(xué)生使用的學(xué)習(xí)工具，寓教于樂，把在從前平面的紙板上進(jìn)行的游戲數(shù)字化、立體化。AR游戲可以用于物理、化學(xué)、歷史、藝術(shù)等各類學(xué)科的課堂。走出課堂，在戶外學(xué)生也可以運(yùn)用AR學(xué)習(xí)。

2009年Ardito、Buono等人發(fā)明了一款叫做“探索”的移動(dòng)AR游戲，它可以幫助學(xué)生探索意大利的名勝古跡，每組為3-5個(gè)中學(xué)生，一組成員擁有兩個(gè)手機(jī)和一張紙質(zhì)考古地圖，游戲要求學(xué)生通過手機(jī)中給的線索發(fā)現(xiàn)某個(gè)考古地點(diǎn)，通過AR技術(shù)的學(xué)生可以看到這些地方原本可能長成什么樣子。2011年，谷歌推出過一款搭載在安卓平臺(tái)上的手機(jī)AR游戲“蝶千尋”（Google Butterfly），這是一款基于地理位置的通過攝像頭在不同地域捕捉到不同蝴蝶的游戲，所有的蝴蝶都3D的方式呈現(xiàn)在手機(jī)屏幕上。該游戲涵蓋了中國目前已知的1805只蝴蝶，即使只翻看目錄，都可以從游戲中學(xué)到不少關(guān)于蝴蝶的知識(shí)。國內(nèi)也有過自主獨(dú)立開發(fā)的AR游戲，但迄今為止還沒有將它應(yīng)用到教育上的具體案例。

在2015年推出的一款叫做《行界：零》的游戲中，其背景被設(shè)定為世界末日爆炸后所有物體散開了，玩家需要走到戶外，根據(jù)游戲中的指示，去尋找隱藏在周圍的遺跡，還原所有的物品，拯救世界。這是一款同《Pokemon Go》一樣基于LBS玩法（基于地理位置的服務(wù)）的游戲。今年7月在《Pokemon Go》風(fēng)靡全球過后，《行界：零》這款國產(chǎn)游戲受到了玩家的關(guān)注，一度在一天內(nèi)增加15萬新用戶。

4.AR建模

利用AR技術(shù)可以展示三維立體物體和場景的特點(diǎn)，還可以對高等教育的內(nèi)容做出貢獻(xiàn)，如對醫(yī)學(xué)、電氣、機(jī)械、天文、地理、農(nóng)學(xué)、建筑等教學(xué)場景中一些難以用文字、圖片和視頻表達(dá)，學(xué)生不易理解的內(nèi)容建立三維模型。學(xué)生通過對三維模型的旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，可以形象地了解所學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)原理，打破傳統(tǒng)課堂的限制。老師也可以通過AR技術(shù)向?qū)W生展示一些不易表達(dá)的內(nèi)容。2007年Hedegaard使用基于視覺的3D跟蹤技術(shù)和交互特征技術(shù)，將AR系統(tǒng)用在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域中的心電圖學(xué)習(xí)上，通過使用病人心臟的3D模型來拓展醫(yī)學(xué)生對心肌疾病的空間想象能力。2014年一個(gè)西班牙團(tuán)隊(duì)研究了用AR技術(shù)建模來教授人類歷史學(xué)的可能性，參與者們認(rèn)為效果非常好，他們都能理解和回憶起大部分的歷史事件。國內(nèi)也有對這一方向的探索，2013年中國礦業(yè)大學(xué)出版社推出名為《采掘機(jī)械與液壓傳動(dòng)》的教材，這是國內(nèi)首部采用AR紙數(shù)互動(dòng)移動(dòng)閱讀技術(shù)的出版物。2015年北京交通大學(xué)出版社也推出了《電力機(jī)車制動(dòng)機(jī)》M+BOOK版，讀者只需用相應(yīng)的軟件掃描教材中的機(jī)車圖形，就可以觀察電力機(jī)車的立體結(jié)構(gòu)圖，還可以觸摸、拆分、組裝各個(gè)部件。

（二）現(xiàn)階段AR產(chǎn)品的潛在問題

1.消費(fèi)者市場尚未打開且新鮮感持續(xù)性不足

上文中提到了AR的諸多應(yīng)用和好處，然而現(xiàn)實(shí)生活中，AR產(chǎn)品似乎并沒有流行起來，這是為什么呢？相對于VR而言，AR技術(shù)在商品化被民眾認(rèn)知接受的過程中動(dòng)作更快。2010年前后，索尼、任天堂等公司都曾推出過具備AR屬性的掌上游戲機(jī)，遺憾的是，AR游戲雖然新鮮勁十足，但對比用戶使用VR時(shí)完全沉浸式的體驗(yàn)，AR對環(huán)境的改變并不徹底。加上掌上游戲機(jī)提供的AR游戲偏向小品類型且面向過于小眾，以及銷售價(jià)格較高等因素，AR技術(shù)在游戲領(lǐng)域并沒有取得全面的突破和用戶的認(rèn)可。

今年7月任天堂推出的AR游戲《Pokemon Go》使成千上萬的人走上街頭，體驗(yàn)了一把捕捉屬于自己的小精靈的樂趣。該游戲推出后短短90天內(nèi)就獲得了6億美元的收入，成為了歷史上最快突破這一收入大關(guān)的游戲。然而看似前景一片大好的《Pokemon Go》似乎還沒有達(dá)到頂峰就迅速迎來了滑坡。7月高峰期過后這款游戲開始不斷流失付費(fèi)用戶，僅僅一個(gè)月用戶量就從4500萬降到了3000萬，可見人們對這款游的新鮮感已經(jīng)迅速消退。時(shí)至今日，因?yàn)楦魇礁鳂拥膯栴}，包括中國在內(nèi)的大部分地區(qū)還沒有開放該款游戲。將AR技術(shù)應(yīng)用到游戲上并不難，真正的難點(diǎn)在于如何將技術(shù)與創(chuàng)新、耐玩相結(jié)合，得到廣大用戶的認(rèn)可，打開AR游戲的市場。

現(xiàn)階段的AR教育產(chǎn)品也存在著一些問題，經(jīng)過用戶體驗(yàn)后的反饋分析發(fā)現(xiàn)，諸如AR圖書這類的產(chǎn)品的確能給課堂教學(xué)帶來極大的幫助，但AR圖書的閱讀體驗(yàn)并不夠友好，在使用AR閱讀圖書時(shí)，獲取信息的過程不太方便。雖然大多數(shù)AR應(yīng)用的使用步驟很簡單，但在使用這些應(yīng)用閱讀圖書的過程中，上傳圖片、識(shí)別文本并重現(xiàn)注釋等步驟因?yàn)槭艿剿惴ê途W(wǎng)速的限制會(huì)比較花時(shí)間，而光照等環(huán)境因素的變化也可能會(huì)給攝像頭對文本的識(shí)別帶來一些問題。

AR圖書與AR游戲一樣，給讀者帶來的新鮮度有限，很多小朋友在一開始使用如4D認(rèn)知卡這一類的產(chǎn)品觀察學(xué)習(xí)時(shí)會(huì)覺得十分新奇有趣，但過一段時(shí)間過后就很難再保持興趣用這些產(chǎn)品進(jìn)行學(xué)習(xí)。不像VR能夠透過近期熱門的頭戴式虛擬顯示裝置進(jìn)行更為真實(shí)沉浸式的體驗(yàn)，AR圖書與游戲在虛實(shí)結(jié)合方面，虛擬物體與真實(shí)場景的結(jié)合在光照及景深方面，倘若處理不夠精確細(xì)致，則會(huì)導(dǎo)致擬真感降低，在用戶體驗(yàn)上勢必就大打折扣。

2.AR出版物沖擊傳統(tǒng)教育觀念

AR出版物在推廣時(shí)，其用戶接受度并不高。AR產(chǎn)品在現(xiàn)階段的產(chǎn)品載體主要是移動(dòng)設(shè)備。諸如4D認(rèn)知卡，AR圖書這樣的青少年讀物必須要在手機(jī)、平板電腦上使用。如果閱讀AR圖書的時(shí)間過長會(huì)對孩子的視力造成一定的影響。家長是否愿意花錢來購買這類產(chǎn)品，讓孩子長時(shí)間的在電子設(shè)備屏幕前學(xué)習(xí)是AR出版物能否得到大范圍推廣的關(guān)鍵，國內(nèi)較為傳統(tǒng)的家長亦對于孩子使用手機(jī)及平版電腦能否達(dá)到更有效的學(xué)習(xí)效果秉持疑問的態(tài)度。對TAR出版物在課堂上的使用，教師和學(xué)生能否適應(yīng)使用AR技術(shù)進(jìn)行教學(xué)，也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。AR出版物要想得到大范圍推廣，實(shí)現(xiàn)走進(jìn)課堂的最終目標(biāo)，還有很長的一段路要走。

大部分的傳統(tǒng)行業(yè)進(jìn)行創(chuàng)新改革的意愿與積極性都較低，因?yàn)槊磕昕恐F(xiàn)有的技術(shù)和產(chǎn)品就能帶來可觀且穩(wěn)定的收入。對于傳統(tǒng)的紙質(zhì)圖書行業(yè)來說，每年青少年兒童讀物的銷售都是能夠得到保證的，學(xué)生教材這樣的產(chǎn)品更是不用擔(dān)心銷量，將AR技術(shù)使用到圖書上進(jìn)而提升書本的附加價(jià)值，相較之下就顯得必要性不足。所以大部分的出版社對于投入時(shí)間和精力去進(jìn)行創(chuàng)新的意愿普遍偏低。

3.國內(nèi)業(yè)界發(fā)展尚處于起步階段

AR在國外的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，國內(nèi)應(yīng)用的數(shù)量也在增加，但仍然難以打開國內(nèi)消費(fèi)者市場，受關(guān)注度不高，無法形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。從一份來自易觀國際的研究報(bào)告中可以看出，中國的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)企業(yè)主要分為四種公司：生態(tài)級增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)公司、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件公司、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)硬件公司和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)衍生品公司。

其中增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)硬件公司是產(chǎn)業(yè)鏈中非常重要的一環(huán)，因?yàn)檐浖募夹g(shù)需要基于高要求的硬件才能制造完美的用戶體驗(yàn)，但是最近幾年才逐步在國內(nèi)增加，最知名的為百度和聯(lián)想，其余10多家均為中小型初創(chuàng)公司。AR眼鏡是AR硬件產(chǎn)品中在國內(nèi)較為成熟但還沒有量產(chǎn)的一款產(chǎn)品。

AR軟件公司是市場中的主要環(huán)節(jié)，數(shù)量最多，約有100多家，可以分為AR底層技術(shù)公司和AR應(yīng)用開發(fā)公司，其中的底層技術(shù)公司具有開發(fā)AR應(yīng)用開發(fā)軟件工具的能力，與國外開發(fā)軟件工具不同的是它們具有中文操作界面、多平臺(tái)適用等，但在圖像識(shí)別、跟蹤、人機(jī)交互和云服務(wù)技術(shù)等方面尚不夠成熟。

中國的AR衍生品公司較多，它們以業(yè)務(wù)為主生產(chǎn)衍生產(chǎn)品，但由于其中的實(shí)體卡片容易被模仿，技術(shù)成本低，競爭較為激烈，企業(yè)之間容易發(fā)生價(jià)格戰(zhàn)，此外這些實(shí)體載體的發(fā)行和銷售渠道也較少。國內(nèi)生態(tài)級AR公司很少，因?yàn)樾枰梢詫R硬件、軟件技術(shù)較好結(jié)合，并整合各類產(chǎn)業(yè)鏈資源，可以控制國際化產(chǎn)業(yè)鏈。

4.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)受限

現(xiàn)在移動(dòng)端的硬件條件與之前相比有了較大的進(jìn)步，渲染和顯示已經(jīng)能做到實(shí)時(shí)交互。機(jī)器耗電、發(fā)燙等問題雖然也在優(yōu)化、改善，但硬件規(guī)格限制等原因，移動(dòng)設(shè)備電池續(xù)航時(shí)間還是較短的，最多只能連續(xù)使用三到四個(gè)小時(shí)。國內(nèi)AR硬件技術(shù)較為落后，仍處于初級發(fā)展階段，包括成像、輸入輸出方式等，開發(fā)周期較長。多數(shù)公司在做軟件，AR產(chǎn)業(yè)需要公司具有軟硬件均可開發(fā)的能力，而軟硬件配套設(shè)施不成熟。AR產(chǎn)業(yè)缺乏足夠好的操作系統(tǒng)，最早的VR廠商Oculus Rift虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔不支持OS X操作系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)蘋果沒有圖形處理能力足夠高的計(jì)算機(jī)，現(xiàn)在蘋果的顯卡仍不能滿足Rift建議的配置，而且Rift要求操作系統(tǒng)應(yīng)該為Windows 7及以上版本的操作系統(tǒng)。市場統(tǒng)計(jì)機(jī)構(gòu)Gartner的數(shù)據(jù)表明現(xiàn)在全球市場上能滿足VR/AR設(shè)備所需的處理器數(shù)量不到1%，此外AR還需要很好的顯示技術(shù)和感知技術(shù)，對芯片的運(yùn)算能力和圖像處理能力的要求很高，需要配置高端顯卡。因此如此高配置的PC機(jī)成本必然不低，限制了AR市場的推廣。

全球許多公司具有自己開源的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)SDK，但所有權(quán)多數(shù)在國外，比如Wikitude SDK、高通公司賣給PTC美國參數(shù)技術(shù)公司的Vuforia SDK。這些公司經(jīng)營時(shí)間久，底蘊(yùn)較為深厚，龐大的用戶量也給他們提供了足夠的反饋及數(shù)據(jù)分析，能夠進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和改善。而國內(nèi)擁有自己SDK的公司還是少數(shù)，目前有由上海視辰信息科技有限公司開發(fā)的EasyAR SDK和由亮風(fēng)臺(tái)信息科技公司開發(fā)的HiAR SDK等，但是這些國內(nèi)的AR公司與國外的大公司相比還有差距，要追上國際頂尖水平還是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。而且SDK即使是開源的，其License通常在使用上也有較多限制，比如說這些條款中皆有可無責(zé)隨時(shí)收回使用權(quán)限的權(quán)力并無須先行告知，在使用上的風(fēng)險(xiǎn)相對高了不少也容易對用戶造成困擾。

不過國內(nèi)目前有少量應(yīng)用可以在一定程度上解決上述三方面問題，如夢想人科技公司研發(fā)的“4D書城”APP，其中有百科AR卡、4D故事繪本和一些VR的兒童教育內(nèi)容，還有出版了上千本包含教輔、教材、童話和成語故事等各類AR電子圖書，并將在未來不斷推陳出新，滿足消費(fèi)者對產(chǎn)品新鮮感的要求。國內(nèi)公司中接近生態(tài)級增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)公司標(biāo)準(zhǔn)的公司有：塔普制造、亮風(fēng)臺(tái)科技、央數(shù)文化，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)底層技術(shù)公司如夢想人科技公司有一套自己的SDK和AR出版物平臺(tái)以供用戶閱覽和出版方制作圖書，其開發(fā)的夢想編輯器可以運(yùn)用模板快速直接制作所需的應(yīng)用，可以滿足消費(fèi)者希望自己制作應(yīng)用的需求。

5.挑戰(zhàn)教育界整體認(rèn)知方式

現(xiàn)在有些AR技術(shù)還不夠成熟，尤其是在人機(jī)交互接口方面仍然多數(shù)局限于手機(jī)觸屏、電腦鼠標(biāo)、鍵盤等輸入方式，讓老師和學(xué)生用起來覺得不夠“過癮”，而且老師想要加入完全屬于自己想法的3D模型仍然受到技術(shù)上的約束。

但這些只是時(shí)間問題，如果未來遠(yuǎn)程教育應(yīng)用成熟了，學(xué)校和傳統(tǒng)的教室還有必要存在嗎？這對教育無疑是一個(gè)極大的沖擊，而且教育經(jīng)濟(jì)預(yù)算和教學(xué)成本將發(fā)生很大改變。比如2002年Billinghurst，Cheok，Prince&Kato指出，隨著全息投影技術(shù)、遠(yuǎn)程視頻會(huì)議交互技術(shù)的發(fā)展，老師和學(xué)生會(huì)有很多通過3D AR接口進(jìn)行面對面交流的機(jī)會(huì)；而且現(xiàn)在整個(gè)教育的方式，現(xiàn)在老師和學(xué)生之間的交互方式都毫無疑問將會(huì)經(jīng)歷一個(gè)巨大的變化，這會(huì)改變?nèi)藗儗τ趥鹘y(tǒng)教學(xué)的觀念，需要一段時(shí)間去適應(yīng)和接受，人們還可能會(huì)擔(dān)心當(dāng)技術(shù)使用過多時(shí)可能會(huì)帶來一些負(fù)面影響如由于過度依賴技術(shù)導(dǎo)致孩子們與人交流的時(shí)間減少等。

當(dāng)AR全方位進(jìn)入人們生活的時(shí)候，AR技術(shù)還可以讓人們隨時(shí)隨地按照自己的想法和進(jìn)度進(jìn)行學(xué)習(xí)，事實(shí)上，人們甚至都已經(jīng)不在需要真正意義上去把一門學(xué)科學(xué)習(xí)地很精了，因?yàn)锳R技術(shù)將使得任何需要學(xué)習(xí)的東西變得無比容易。老師的意義也變得更廣泛，不止局限于在課堂上講課的老師和教授，而是任何領(lǐng)域的技術(shù)人員或者專業(yè)人士都可以變成老師通過AR技術(shù)傳授知識(shí)。

四、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)產(chǎn)學(xué)研一體化的展望

（一）需求增長

雖然市面上已有些不錯(cuò)的AR教育產(chǎn)品，也在國內(nèi)外有所推廣，但是仍然有很多地方可以改進(jìn)，尤其對于用戶來說，使用最自然最方便最舒適的方式進(jìn)行教學(xué)和學(xué)習(xí)是每個(gè)人都夢寐以求的，而且解放雙手是人類科技發(fā)展的趨勢之一。比如現(xiàn)在多數(shù)教育類AR產(chǎn)品還局限于移動(dòng)端的APP或者投影儀投射3D模型，最終顯示出來仍然是在二維平面上，比如現(xiàn)在學(xué)生還只能在手機(jī)屏幕等二維平面上看到三維模型，還不能在任意空間中自由呈現(xiàn)，未來將使用平臺(tái)改為全息投影方式可能給用戶帶來更直觀的體驗(yàn)，與VR眼鏡等可穿戴設(shè)備結(jié)合起來也是一種發(fā)展方向。

現(xiàn)在多數(shù)時(shí)候人們還需要使用手指點(diǎn)擊屏幕來操作模型，未來手勢識(shí)別技術(shù)成熟后，人們將可以通過直接揮動(dòng)身體任意部位控制各種虛擬物體。此外，目前的教學(xué)還不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的交互，仍然受到教室等空間范圍的限制，未來遠(yuǎn)程教學(xué)將可以提供給老師和學(xué)生身臨其境之感，極大方便不同地域老師與學(xué)生之間的學(xué)習(xí)互動(dòng)和溝通交流。

（二）技術(shù)革新

雖然AR技術(shù)近幾年在國內(nèi)才有較大發(fā)展，其他國家技術(shù)已經(jīng)相對成熟，但是還是有很多細(xì)節(jié)方面可以做得更加完善，比如AR技術(shù)需要使用圖像處理、渲染及跟蹤算法等，雖然已經(jīng)可以應(yīng)用至正常的真實(shí)環(huán)境，但是有時(shí)候存在由于光線問題而導(dǎo)致的物體陰影、物體運(yùn)動(dòng)在跟蹤時(shí)仍然存在較大延時(shí)或是遮蔽問題、分辨率或是幀數(shù)不高時(shí)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)烈的抖動(dòng)及運(yùn)動(dòng)模糊等問題，還有較大的優(yōu)化和改進(jìn)空間，而程序的魯棒性、實(shí)時(shí)性等也同樣有待提高。

用戶的需求和現(xiàn)階段技術(shù)的邊緣也是有沖突的。有些產(chǎn)品即使使用了目前最前沿的AR技術(shù)也可能因?yàn)檫_(dá)不到用戶需求而難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，與之相對的有一些新的技術(shù)難以找到用武之地而不得不暫時(shí)被遺棄，還有一些用戶需求只需使用以前的技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)，無需再投入資金與精力去開發(fā)新的技術(shù)。如何找到技術(shù)與用戶需求的契合點(diǎn)也是AR行業(yè)需要努力的方向。

此外公司內(nèi)部各部門之間的溝通協(xié)作時(shí)容易出現(xiàn)矛盾，導(dǎo)致生產(chǎn)和研發(fā)過程效率不高。如夢想人科技公司研發(fā)部、產(chǎn)品部、總裁辦、綜合管理部、風(fēng)控部、市場部、營銷部、數(shù)字出版業(yè)務(wù)拓展部、內(nèi)容規(guī)劃部、資源制作組部，每個(gè)部門分工細(xì)致明確，但這也導(dǎo)致整體連貫性的欠缺，當(dāng)產(chǎn)品部門設(shè)計(jì)一個(gè)新產(chǎn)品時(shí)也許覺得很好，但交給研發(fā)部門實(shí)現(xiàn)時(shí)可能發(fā)現(xiàn)某項(xiàng)技術(shù)至今仍存在較大問題，沒有很好的解決方案，做不到理想的產(chǎn)品狀態(tài)。而技術(shù)人員和用戶的需求也往往有很大區(qū)別，技術(shù)部門通常追求技術(shù)上的完美，但也許大多數(shù)用戶并不會(huì)在意這種細(xì)節(jié)，而用戶希望的產(chǎn)品有時(shí)候技術(shù)也不關(guān)心，那些看似與技術(shù)并不相關(guān)的東西容易被忽略。

夢想人科技初期為國內(nèi)外200多家公司提供了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)行業(yè)解決方案，也擁有自己較為完備的SDK軟件開發(fā)庫，但與美國高通公司的Vuforia、德國Metaio等比起來，知名度不夠高，功能也存在更多局限。

（三）產(chǎn)業(yè)推廣

隨著技術(shù)的發(fā)展與成熟，AR可以在未來滿足不同用戶的定制化需求。如“夢想人”現(xiàn)在的大部分AR產(chǎn)品都是針對青少年兒童的。人機(jī)交互界面，圖書內(nèi)容等都是為孩子們量身打造，讓他們擁有很好的閱讀體驗(yàn)，但是對于成年人來說，這類圖書就顯得不適合他們使用。所以在未來，針對不同的領(lǐng)域和用戶人群，設(shè)計(jì)AR產(chǎn)品可以像設(shè)計(jì)衣服一樣，根據(jù)不同的需求進(jìn)行不一樣的設(shè)計(jì)。比如對于醫(yī)療、汽修、建筑這些行業(yè)就可以只針對這類工作的從業(yè)者打造最適合他們的簡潔明了的操作界面，輔助他們更高效地進(jìn)行工作。而AR游戲這一類的產(chǎn)品，就可以為了吸引各個(gè)年齡階段的用戶打造更為復(fù)雜，絢麗的界面，根據(jù)不同的需求提供不同的娛樂模式，讓所有用戶都能有較高的參與度。

將各類AR產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化從而實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的生產(chǎn)銷售是現(xiàn)階段AR產(chǎn)業(yè)正在解決的問題。對AR產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化是使新技術(shù)和新科研成果得到推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)，是促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵步驟，也是AR產(chǎn)業(yè)化的前提條件。隨著AR技術(shù)的發(fā)展，AR產(chǎn)品的社會(huì)化程度越來越高，生產(chǎn)規(guī)模越來越大，對技術(shù)要求也越來越復(fù)雜，公司內(nèi)各部門的分工越來越細(xì)，各個(gè)公司之間的交流合作也會(huì)越來越多，所以必須要制定和使用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對行業(yè)進(jìn)行規(guī)范和統(tǒng)一，保證產(chǎn)品的生產(chǎn)和行業(yè)的發(fā)展正常進(jìn)行。