增強現實 （AR）在建筑教育中的應用前景與探討

梁晏愷

沈陽建筑大學，遼寧沈陽 110168

增強現實（Augmented Reality，簡稱AR）在1990年被提出，是將現實中的信息與虛擬世界的信息實時集成，經過多種傳感器的協調工作、三維建模、融合場景，使真實圖形和虛擬圖形能夠共同顯示、產生互動的技術。通過聽覺、視覺甚至觸覺輸出場景，為使用者帶來沉浸式的體驗。

隨著行業內相關技術的不斷發展，增強現實技術被廣泛運用于醫療、化學、工業設計、教育等行業，并隨著研究人員的不斷探索，增強現實技術取得了巨大的飛躍，為后期更廣泛的開發應用提供了基礎。不僅在研究領域提供了更加具有代入感的體驗，更有可能引領下一代人機交互的發展趨勢，改變人類的生活方式。目前建筑領域也在與增強現實技術的融合做積極的探索，本文主要探討增強現實技術在建筑教育領域的應用前景。

1 增強現實技術簡述

1994年，在Paul Milgram（保羅·米爾格拉姆）和Fumio Kishino（岸野文郎）的論文《A Taxonomy of Mixed Reality Visual Displays》中，兩位作者定義了Reality-Virtually Continuum（真實-虛擬連續體），并論述了從現實環境到虛擬環境之間的概念，并將從現實環境到虛擬環境之間的狀態統稱為混合現實（Mixed Reality，簡稱MR）。真實-虛擬連續體定義圖如圖1所示。

圖1 真實-虛擬連續體定義圖

增強現實不同于虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR），后者是將虛擬世界中的場景在現實世界賦予使用者真實的感覺，而增強現實則是基于真實場景的基礎上疊加虛擬要素。當前增強現實的應用實例（如游戲、測量工具app），不需要過度依賴真實環境的識別，而當對場景的識別達到比較高的精度時，從使用者的角度具備更高的靈活性時，即可稱為高保真AR。

在增強現實的實際體驗中，真實環境和虛擬環境必須無縫結合。傳感器感知環境中的物體、光源、反射、陰影、位置等，同時對被攝物體做出場景識別，內部建模根據真實環境做精準的坐標定位，同時實時調整輸出畫面中的虛擬畫面，達到真實環境和虛擬環境在體驗上的高度一致。

2 增強現實在建筑教育行業中的應用前景

基于增強現實的教學方式不同于傳統的以教材或幻燈片作為載體的教學方式，傳統載體受呈現方式的局限，苦于認知工具的匱乏，只能以2D的形式對教學內容進行展示，學習者無法在腦海中呈現建筑的關系和特征。而基于增強現實的方式是通過真實的環境基底與三維模型相結合，對教學內容以實時的、更直觀的方式呈現，學習者借助增強現實技術即可直觀地感受建筑的美學與建筑師的設計理念。目前，國內外的研究者也通過實驗證實，采用增強現實技術輔助教學會豐富學習者的興趣度和認知度，促進學習者主動獲取知識。AR為教育界帶來革命性改變的核心可歸為以下三類。

2.1 將復雜的內容以更直觀的方式呈現

建筑的美或不美，協調或不協調，這些帶給人的感受存在著一定規律。對于建筑學的教育而言，審美的建立尤為重要，在教學的過程中也需要解決對美認知的問題。特別是對于建筑歷史、建筑技術的課程而言，當前教材上的圖例、網絡上的照片或是構造詳圖都很難在空間上的維度給學生最直觀的感受，甚至存在配圖清晰度較低的問題。特別是中國建筑史中的木構架建筑結構做法、屋頂形式、斗拱，通過實時的三維建模展示會比平面展示更加容易辨識，標注更加清晰，教學內容的呈現過程更加生動。宋氏斗拱模型如圖2所示。學習內容以三維模型的形式在屏幕呈現，顯示細部的構造細節，隨時轉變角度、跟隨用戶的指令放大縮小，學習者通過操作App感受模型在各個角度的關系，進行高效的學習。

圖2 宋氏斗拱模型

2.2 將現實體驗中難以精確量化的參數可視化

增強現實技術更能拓寬學習者的感知能力，實時獲得在真實世界無法量化感知到的參數（如距離、角度、高度等）。建筑的尺度是影響人對建筑空間感知的直接要素之一，傳統學習方式對建筑體量的把握難以精確化，對于尺度的認知停留在視覺上和心理上給人的感覺，在學習者參與實際設計的過程中就可能對前期的概念設計產生障礙。在數據上掌握不同案例中建筑體量之間的關系，是學習者在未來自身項目實踐中將學習理論運用在實際中的關鍵。

在建筑內部空間的營造中，也需要設計人員自身對于開間、進深、面積等指標的把控。對于建筑學的初學者而言，一面墻的長度、柱間距、層高、房間面積都不容易做視覺上的估算。必要時需要通過地磚、地板的規格、塊數估算距離，經驗越豐富，誤差越小。建筑學學習者在學習的過程中將這些參數可視化，增強對這些指標的觀察和記憶，能顯著提高相關技能的掌握程度。

2.3 降低學習者的學習成本以及授課者的教學成本

當下移動終端（手機、頭戴式終端、智能眼鏡等）的運算能力足以滿足增強現實對硬件性能的硬性需求，AR技術的應用不再局限于成本高昂的桌面級計算平臺，同時還具備攜帶方便、使用成本低的特性。另外，由于AR具備更強的交互能力，在使用過程中往往不需要有針對性地指導。學習者在使用過程中接受實時的操作引導，帶來無意識反饋，降低了使用過程的學習成本，也促進了學習者在更愉悅的狀態下做更深入的知識探究。同時，通過增強現實軟件的學習方式也節省了教學準備時間，省去了教師前期準備模型的步驟，大大提高了教學效率。將備課重心由機械、重復式的準備課件轉移到課程設計本身，帶來更好的教學效果。

3 結語

增強現實技術可以使建筑學的學習者更直觀地感受建筑形態上的特征，帶來更具沉浸感的學習過程，降低學習成本的同時大大提高學習質量，增加了學習過程的趣味性。增強現實的應用使學習方式變得多樣化，運用當下具備高運算能力的移動終端，讓隨時隨地學習相關知識成為未來建筑學學習者的學習習慣。隨著移動終端設備AR開發平臺的推出（如蘋果的ARKit，谷歌的ARCore），并且支持Android Studio、Unity、Unreal等多個開發環境，更低的軟件開發成本也為增強現實的進一步應用提供技術基礎。基于當前終端設備強大的運算能力，建筑領域AR技術的運用可以給學習者未來的學習方式帶來巨大的轉變，為未來AR在教育領域的應用提供更多可能。