基于AR技術(shù)的虛擬頭盔的研究和設(shè)計

杜煜 岳俊華 甄文銘 解乘 高鵬志

【摘要】傳統(tǒng)課堂令學(xué)生感到枯燥，書本上密密麻麻的文字，復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)、立體幾何等內(nèi)容，需要學(xué)生想象理解。而AR（虛擬現(xiàn)實）技術(shù)可以改變這些現(xiàn)象。AR技術(shù)在現(xiàn)在的教學(xué)中具備良好的運用前景，合理應(yīng)用AR技術(shù)將會使教學(xué)變得豐富多彩和教學(xué)的簡潔性。使教學(xué)有新的形式和方法。使用AR技術(shù)在教育方面，還可提高教學(xué)效率。

【關(guān)鍵詞】AR技術(shù) 虛擬頭盔 教育可視化

一、引言

運用AR技術(shù)出現(xiàn)的內(nèi)容是三維立體的，通過AR技術(shù)，學(xué)生們的課堂體驗從老師在黑板面授轉(zhuǎn)移到到三維立體層面，不再是老師用籠統(tǒng)的概念讓同學(xué)們憑自己的想象力去學(xué)習(xí)書本上的不一描述清楚的難點，而是給人以真實的三維空間，讓同學(xué)能夠置身于與真實世界里幾乎無差別的模擬場景，讓同學(xué)真正走進書本，有助于學(xué)生了解和記憶。

二、什么是AR

現(xiàn)實增強，又叫“增強現(xiàn)實技術(shù)”。增強現(xiàn)實技術(shù)是一種人機交互技術(shù)。它可以實現(xiàn)人和計算機的交流，它可以把虛擬現(xiàn)象和現(xiàn)實世界相連接，做到虛實結(jié)合，AR是運用計算機生成一種視覺、聽覺、觸覺和和身體舉動等的虛構(gòu)的環(huán)境 ，經(jīng)過各種傳感設(shè)施讓使用者身臨其境 ，完成使用者和虛擬環(huán)境直接進行彼此交互的目的，提高辦事效率。

在AR技術(shù)運用中 ，使用者不僅可以體驗到和現(xiàn)實一樣的感覺還可以獲得存在缺陷的信息。由于AR技術(shù)是將虛擬空間帶入現(xiàn)實生活并與之結(jié)合，通過AR技術(shù)可以使二者連接。因此，AR技術(shù)實現(xiàn)教育可視化應(yīng)用是非常有發(fā)展的 ，它用于教育是非常可行的。

AR技術(shù)是一種完成人腦和電腦相互交互的技術(shù)，我們可以利用這種技術(shù)，將虛擬場景實體化。它是以交互性和系統(tǒng)的構(gòu)想為特性而制造的高級計算機人機互動界面。用戶不僅可以通過AR技術(shù)實現(xiàn)在虛擬世界中體驗真實的感覺，還可以突破時間空間等限制，感受與現(xiàn)實截然相反的虛擬世界的魅力。

三、硬件平臺

AR技術(shù)的應(yīng)用是一個虛構(gòu)世界和現(xiàn)實世界相結(jié)合 ，它是計算機圖形和可視化技術(shù)，產(chǎn)生的虛構(gòu)世界 ，并經(jīng)過傳感技術(shù)將虛擬對象放在切實的環(huán)境中 ，借助設(shè)施將虛擬與真實環(huán)境融為一體。

AR在教育中應(yīng)用的硬件平臺的組成包含：計算機系統(tǒng)、視頻輸入轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、動作捕捉跟蹤系統(tǒng)、視頻顯示系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)。更需要一套完整、成熟的軟件。

四、系統(tǒng)研究的意義及原因

1、開發(fā)新的教育形式，為社會的發(fā)展提供人才。

2、把AR技術(shù)運用在教學(xué)的的各個過程，使AR成為教學(xué)工具。并適用于各個年齡階段的學(xué)生。

3、AR教育能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)趣味，提高教學(xué)效率。

4、AR的可視化、互動性用在教育可以設(shè)計出老師和同學(xué)拉進關(guān)系的學(xué)習(xí)方案：例如，游戲化教學(xué)。

5、化學(xué)、物理等以鉆研試驗為主學(xué)科在學(xué)習(xí)過程中需要做模擬實驗，近距離切實的接觸具備一定的風(fēng)險，對人的身體有害。而運用AR技術(shù)，能夠進行虛構(gòu)的實驗，并且可以獲得相同的實驗結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)，但是教學(xué)中的危險卻大幅度降低了。

6、AR能夠讓不同的老師，學(xué)生聚集在一個辦公室，和教師。完成學(xué)術(shù)的商討和傳授知識。達到真是互動的效果。

五、設(shè)計與實現(xiàn)

AR教學(xué)交互在現(xiàn)在的教學(xué)中主要是通過2種模式完成的，分別是基于圖像的識別（image-AR）和基于位置（location/AR）的識別。這2種識別技術(shù)都需要虛擬頭盔、傳感器等裝置支持。

六、結(jié)語

AR技術(shù)的特性現(xiàn)實感、交替性、多樣性。其中現(xiàn)實感是AR的最實質(zhì)性的特征，它可以使虛擬世界與現(xiàn)實生活完美結(jié)合，并使使用者置身其中直接感受物質(zhì)的本質(zhì);學(xué)生在現(xiàn)實環(huán)境中進行可視化操作，操作虛擬事物體會他的性質(zhì)

由項目人員制作的AR技術(shù)軟件，在AR物理，化學(xué)實驗中，學(xué)生能夠運用實驗臺和AR技術(shù)進行真假結(jié)合的實驗來得到實驗的結(jié)果，近距離安全的感受物質(zhì)的物理現(xiàn)象和化學(xué)反應(yīng);因為AR技術(shù)的多樣性，所以我們可以進行協(xié)作學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)，從而加深我們對知識或物體概念、構(gòu)造、性質(zhì)的了解。

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基金項目：吉林建筑大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，項目編號：2018S1127。