□李婷

接合自然 增強現(xiàn)實
——移動學習新體驗

□李婷

增強現(xiàn)實(Augmented Reality,AR)是以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)，將計算機生成的虛擬信息疊加到用戶所看到的真實場景中的一種新技術(shù)。當真實場景與虛擬信息疊加于同一時空時，幫助用戶增強對現(xiàn)實世界的感知。本文介紹了增強現(xiàn)實技術(shù)的基本概念，并結(jié)合其特點與當前發(fā)展狀況，探討了增強現(xiàn)實技術(shù)在移動學習中的應(yīng)用，希望AR為促進移動學習的發(fā)展提供借鑒。

接合自然；增強現(xiàn)實；虛擬現(xiàn)實；移動學習

近年來，手機終端通訊設(shè)備對人們的社會生活起著巨大的作用，人機交互變得越來越重要，交互性能直接影響著用戶對終端設(shè)備所呈現(xiàn)信息的接受程度和效率。手機已經(jīng)成了人們生活、學習、工作活動中不可或缺的伙伴，增強現(xiàn)實技術(shù)的智能手機漸漸走進了人們的生活，也必將會使移動學習呈現(xiàn)出更加豐富多彩的內(nèi)容。

一、相關(guān)定義介紹

（一）增強現(xiàn)實

增強現(xiàn)實(Augmented Reality,AR)是用戶通過AR系統(tǒng)將計算機所生成的虛擬物體、虛擬場景或相關(guān)信息疊加到真實世界情境當中，將用戶所感知的當前現(xiàn)實情境進行“增強”與“擴張”。[1]AR技術(shù)按用戶要求將計算機所產(chǎn)生的虛擬內(nèi)容實時疊加到視頻流，將三維虛擬物體放進用戶環(huán)境中。隨著計算機視覺技術(shù)的發(fā)展，AR系統(tǒng)模型更具靈活性和真實感。用戶通過AR置身于虛實難辨的情境中，自身與真實世界的聯(lián)系仍存在，這種交互方式增加了用戶的沉浸感。

（二）虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實

虛擬現(xiàn)實(VirtualReality，VR)，是指通過綜合運用計算機圖形系統(tǒng)、各種顯示及控制接口設(shè)備，在計算機上生成可交互的三維環(huán)境，為用戶提供沉浸感覺的技術(shù)。AR隨著VR技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的，其顯著的差別在于用戶沉浸感的不同，VR系統(tǒng)強調(diào)用戶在虛擬環(huán)境中的視覺、聽覺、觸覺等感官的完全浸入，將用戶拋離于現(xiàn)實世界而完全沉浸于由計算機所控制的信息空間之中。而AR系統(tǒng)更加關(guān)注現(xiàn)實世界的重要作用，努力將用戶在現(xiàn)實世界的存在性與感官效果達到有效的統(tǒng)一。AR系統(tǒng)將計算機產(chǎn)生的虛擬環(huán)境與真實環(huán)境相融合，增強了用戶對真實環(huán)境的理解。

（三）接合自然

接合自然（Articulated Naturality） 是將虛擬世界與現(xiàn)實世界進行自然、直接的無縫連接。其深層內(nèi)涵在于使人類獲取信息的體驗脫離鼠標或鍵盤，擺脫機械的互動得以回歸自然。[2]接合自然技術(shù)使AR得到更加有效的加強、延伸與整合，為手機終端支持的增強現(xiàn)實服務(wù)提供了可能的技術(shù)支持。目前，AR技術(shù)雖然處于小范圍的試用階段，但是伴隨著接合自然技術(shù)的發(fā)展，它必將深刻的影響著人類的生活方式。

二、“接合自然”的增強現(xiàn)實服務(wù)

傳統(tǒng)的AR服務(wù)通常是平面的，無法真正做到與周圍的環(huán)境與虛擬信息進行實時有效的銜接，顆豆柏德公司作為全球領(lǐng)先的接合自然移動服務(wù)供應(yīng)商，將視聯(lián)網(wǎng)（Articulated Naturality Web） 技術(shù)植入手機，讓用戶更為充分的使用這一技術(shù)。視聯(lián)網(wǎng)強調(diào)將接合自然與網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)完美接合，通過數(shù)字界面增強人們的體驗。例如，使用手機的攝像頭照照天空，來顯示一天的天氣狀況；使用相機掃描一下某名勝古跡，就可以獲取該古跡的相關(guān)信息等等。不同用戶的手機有不同的用途，這使增強現(xiàn)實技術(shù)在實際應(yīng)用中有了更多的延伸空間。

（一）特點

1.真實性

AR技術(shù)使用戶處于一種自然融合的環(huán)境中，所感知到的是真實世界和虛擬場景相融合的統(tǒng)一世界。

2.開放性

用戶可以將信息上傳到具有支持增強現(xiàn)實功能的開放平臺上幫助獲取與共享信息。通過SPRX mobile公司推出的Layar的軟件，用戶只需要將手機的攝像頭對準周圍的建筑物或者開放空間，就能在手機屏幕下方看到與之相關(guān)的現(xiàn)實數(shù)據(jù)。而Wikitude世界瀏覽器，除了能夠幫助用戶查看已有信息外，還可以讓用戶自行編寫、分享信息，并通過手機上的Wikitude軟件查閱其他用戶分享的信息，所有內(nèi)容都可以通過維基模式來維護。用戶可以使用自己的Google、Yahoo!、Twitter或是Open ID賬號登錄并提交信息，進行網(wǎng)絡(luò)資源的共建與共享。

3.實時互動性

AR技術(shù)利用已有的真實世界環(huán)境與虛擬場景進行無縫接合，為用戶提供一種完美的復合視覺效果。虛擬場景隨著用戶周圍真實世界的改變而變化，使這種復合視覺效果變得更為真實，虛擬物體還可以與用戶和真實物體以一種自然的方式進行交互。例如，引入AR技術(shù)的AR Invaders游戲，玩家利用設(shè)備自帶的攝像頭捕捉周圍的實時畫面，配以陀螺儀和重力感應(yīng)來判斷玩家的動作、方向和位置變化，使玩家隨時隨地都處于真實的游戲場景中。

4.實用性

智能手機作為價格昂貴的AR設(shè)備的替代品，降低了該技術(shù)應(yīng)用的價格門檻。例如，谷歌、諾基亞、三星、iPhone以及Touch的多款手機終端均支持AR應(yīng)用。以iPhone上的TwittARound軟件為例，只需將攝像頭對準天空就可以判斷當前的天氣狀況。

（二）關(guān)鍵技術(shù)

構(gòu)造一個AR系統(tǒng)需要解決很多關(guān)鍵的技術(shù)問題，主要包括顯示技術(shù)、跟蹤和定位(registration)技術(shù)、界面和可視化技術(shù)以及標定(calibration)技術(shù)。

1.顯示技術(shù)

AR的顯示器主要是于呈現(xiàn)虛擬物體與現(xiàn)實世界合成后的復合影像。人腦所感知事物的信息，大部分來自視覺。視覺是人最主要的感覺通道，約有83%的左右的信息是通過眼睛這個視覺感受器輸送給大腦。因此，AR系統(tǒng)中顯示技術(shù)占有舉足輕重的地位。AR系統(tǒng)顯示設(shè)備包括：頭箍顯示器(Head-Mounted Displays,HMD)，[3]手持顯示器(Hand—HeldDisplays)和投影顯示器(Projection Displays)。移動手機終端中所采用的顯示設(shè)備是手持顯示器，它屬于平面LCD顯示器的一種，使用捆綁的攝像機提供基于視頻透視的增強功能。手持顯示器充當一個窗口或放大鏡，顯示用VR覆蓋的真實對象，所需的虛擬信息直接投影到真實對象上進行增強。最簡單的情況是，無需戴特殊的眼鏡而將增強信息直接投影到對象表面上。

2.跟蹤定位技術(shù)

為了實現(xiàn)有效的交互，AR需要進行跟蹤定位，準確地跟蹤用戶的位置以及視域方向，這是更好地完成交互的必要條件。當用戶處于室外移動的環(huán)境中時，AR利用手機終端內(nèi)置的一系列傳感器，如相機、GPS、導航和加速器等收集數(shù)據(jù)，[4]跟蹤計算對象在戶外的實時位置，使用戶能夠利用數(shù)字攝像頭來瀏覽周圍有趣或有用的目標物體。

3.界面和可視化技術(shù)

用戶通過與AR系統(tǒng)進行交互，能夠有效地將交互信息在AR顯示器上完美呈現(xiàn)是許多研究人員正在考慮的問題。特別是在室外移動的環(huán)境中，沒有鼠標、鍵盤等操控設(shè)備的幫助，智能手機軟件開發(fā)便成為研究的焦點。

4.標定技術(shù)

為了準確的定位，AR系統(tǒng)需要進行大量的標定。測量的值包括攝像機參數(shù)，視域范圍，傳感器的偏移，對象定位以及變形等。手機終端的AR系統(tǒng)中，采用LBS（基于位置的服務(wù)）來標定移動設(shè)備或用戶所在的地理位置并提供與位置相關(guān)的各類信息服務(wù)。利用手機自帶的攝像頭定位一個虛擬物品或虛擬信息與之相對應(yīng)的三類數(shù)據(jù)是：GPS坐標、數(shù)字羅盤確定的手機朝向和加速器給出的手機與地面角度。

三、“接合自然”的增強現(xiàn)實技術(shù)在移動學習中的應(yīng)用

由于AR技術(shù)具有實現(xiàn)對真實世界的增強特點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)學、古跡復原和數(shù)字化文化遺產(chǎn)保護、工業(yè)維修、網(wǎng)絡(luò)視頻通訊、旅游、商務(wù)以及娛樂等領(lǐng)域，[5]在教育教學中應(yīng)用的研究也正在逐步展開。隨著移動技術(shù)的發(fā)展，具有體積小、攜帶方便、普及性高等特點的手機已經(jīng)成為AR系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展的新方向，為移動學習開辟了一條更為有效的途徑。

（一）在情境感知學習中的應(yīng)用

AR使移動學習更具情境性。AR技術(shù)所具有的真實性為移動學習提供了更為真實的學習情境。在情境學習過程中由于強調(diào)的是知識所具有的情境性，并且學習者需要在情境中獲得和應(yīng)用知識，因此學習者更需要在真實的活動及文化背景中進行學習，以利于對知識的記憶與應(yīng)用。在情境感知學習過程中，學習內(nèi)容由移動學習系統(tǒng)通過感知學習者的學習情境自動推送給學習者，促使學習者在情境中進行學習。目前，我國正在使用AR技術(shù)完成圓明園的重建。學習者可以利用手中的移動設(shè)備，方便地體驗增強現(xiàn)實的效果，并且可以將“虛實融合”的圖像通過移動存儲設(shè)備保存留念。此類技術(shù)可以幫助學生對歷史或建筑文化等相關(guān)知識進行學習，學生通過置身于真實的圓明園環(huán)境中將虛擬的場景與現(xiàn)實疊加，有利于學生對相關(guān)信息的記憶和了解，喚起學生的愛國熱情。此類學習過程中可以采用即指即現(xiàn)的方式，學習者將接入互聯(lián)網(wǎng)的具有攝像功能的手機對準實際的目標物體后，手機顯示屏就會呈現(xiàn)與之相關(guān)的數(shù)字內(nèi)容及服務(wù)，幫助學習者進行自主學習。

（二）在參與模擬的體驗式學習中的應(yīng)用

在參與模擬的體驗式學習過程中，利用移動設(shè)備的微世界模擬功能，對學習情境、自然環(huán)境等進行部分模擬，并且用戶自身可以參與到模擬系統(tǒng)中。增強現(xiàn)實的quake游戲可以讓位于全球不同地點的玩家，共同進入一個真實的自然場景，以虛擬替身的形式，進行網(wǎng)絡(luò)對戰(zhàn)。在移動學習中，學習者可以與其他的學習者相聯(lián)系，共同存在于同一虛擬場景中，學習者以競爭的方式在虛擬的世界中建立自己的身份與地位，讓學習者更具沉浸感。帶有AR系統(tǒng)的手機終端為真實的問題情境、工作活動、文化背景中開展情境學習提供了可能。

（三）在活動學習中的應(yīng)用

AR使移動學習信息獲取與分享更及時。在移動學習過程中實時而又具有交互功能的系統(tǒng)必然會提高學習者的學習效率與學習熱情?；顒訉W習是在實踐活動中的學習，即以問題為中心組成學習團隊，在外部專家與團隊成員之間的相互幫助下，通過主動學習、不斷質(zhì)疑、分享經(jīng)驗，使問題得到解決。AR的IDEA提供了全新的搜索模式，以圖片代替文字自動搜索，利用攝像頭獲取圖片信息將會讓信息的搜索更加及時。學習者看到不了解的東西，可以即時拍攝并了解到相關(guān)的內(nèi)容，不再需要記住關(guān)鍵信息后，拿到電腦前去搜索。配合使用SekaiCamera AR應(yīng)用軟件，能夠在iPhone攝像頭的影像上疊加其他學習者對某一事物提交的評論，圖片和動畫等信息，[6]同時，學習者也可以在Wikitude.me網(wǎng)站上登陸自己帳號分享信息，幫助學習者進行“頭腦風暴”。

（四）在技能學習中的應(yīng)用

AR使學習者在操作技能學習中互動更加實時。AR技術(shù)使虛擬世界與真實世界能夠在同一空間同步存在，帶有AR系統(tǒng)的手機終端能夠使學習者在顯示屏中看到現(xiàn)實與虛擬場景疊加而成的模擬場景，幫助學習者進入角色，增強移動學習的趣味性與實用性。例如，在化學課程學習過程中，學習者通過AR軟件將虛擬的化學器材與藥品與真實的場景相融合，通過拖動或點擊手機屏幕完成器材的學習與安置或進行化學試驗，并可以通過屏幕觀察試驗結(jié)果影像及相關(guān)信息，使移動學習中的試驗課程更加安全、有趣，也為學習者節(jié)省了試驗的成本。

四、接合自然的AR在未來移動學習應(yīng)用中的展望

增強虛擬現(xiàn)實技術(shù)令人振奮，目前已有很多出色的AR軟件被應(yīng)用于iPhone平臺，隨著世界各國對教育關(guān)注度的日益升高，移動學習必然成為未來學習方式的重要組成部分。AR手機終端由于其價格低廉、攜帶方便以及真實性與良好交互性等特點將成為移動學習的重要工具，并進而改變?nèi)藗兊纳睢?/p>

[1]接合自然：把科幻小說變成現(xiàn)實[OL].[2010-03-15].http://www.it.com.cn/market/sh/news/2010/03/15/17/761189.html

[2]視覺啟智在學習中的作用[OL].[2008-10-11].http://new.060s.com/article/2008/10/11/64902.htm

[3]徐媛.增強現(xiàn)實技術(shù)的教學應(yīng)用研究[J].中國遠程教育，2007，（10）：68－70.

[4]增強現(xiàn)實未來移動用戶的終極體驗！[OL].[2011-01-30].http://www.ipc.me/articulated-naturality-web.html

[5]3D顯示、4G等被列2010年10大戰(zhàn)略技術(shù)[OL].[2010-05-22].http://www.pjtime.com/2010/5/44397476_6.shtml

[6]增強現(xiàn)實(Augmented Reality)淺談[OL].[2010-05-31].http://www.cnblogs.com/luweii/archive/2010/05/31/1748048.html

2011－02－25

李婷，研究生，徐州師范大學云龍校區(qū)信息傳播學院（221004）。

責任編輯 柯 南

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