扩展现实技术在教育教学中的应用研究
中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（a）-0170-02
20世纪90年代早期，Tom Cnadell 等人在波音公司提出了扩展现实技术（Augmen
ted reality简称AR）这个概念，扩展现实技术是虚拟现实研究领域中一个新兴的受欢迎的研究方向。人们生活的环境中包含大量的数字化信息，如果想用计算机建模并绘制出来，十分困难。完全的虚拟环境就需要巨量的数据和信息，并且耗费大量的能源。比如一个简单的娱乐性的飞行模拟游戏，要想产生与真实场景相似，要消耗上亿美元的支出。但是，扩展现实技术可以充分利用身边的真实世界的实物和电脑中产生的虚拟场景相互配合，产生一种综合的立体的视觉感受和良好效果。用户如果在现实世界中移动物体，电脑中的虚拟物体也跟随着移动，二者合二为一。理想状态下，计算机中的虚拟物体完全有能力同操作人员和真实物体进行交互交流。扩展现实要最终实现的目标是让用户处于一种融合的、友好的环境中，能够区分真实物体和虚拟物体，其所感知的是一个真实物体和虚拟物体环境相互融合的、友好的单一世界。我们生活的现实世界中的一切事物一直以来都是多姿多彩，将虚拟设备和软件装备现实世界并进行虚拟和扩展，那么，大量信息将陆续地进入我们的视野，所有事物会变得越来越祥和美丽，人类社会文明将步入更高的境地。
1 扩展现实技术概要
扩展现实技术是指把原本在现实世界的一定时间、空间范围内很难体验到的视觉、声音、味道、触觉等实体信息通过科学技术模拟仿真后再叠加到现实世界被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。简单的说，在现实可见的场景中，通过硬件设备和软件系统，虚拟的物体或说明的信息叠加在一起，丰富用户感知内容，超越用户对现实世界事物的感知内容，即扩展现实。如本文引言所述，扩展现实是虚拟现实（Virtual reality，简称VR）的一个非常重要分支，并且这几年收到越来越多的科研人员的欢迎，不但包含了虚拟现实的特点，还具有自身的特点。扩展现实融合了计算机科学、光电子技术科学、传感器技术、数字图像处理、视觉跟踪技术、显示技术等学科。
2 扩展现实与虚拟现实之间的区别
虚拟现实技术的特征如下。
（1）沉浸感（Immersion），是指用户在使用扩展现实产品时候产生的身临其境的感觉。这是通过计算机软件绘制的3D图像，使得人置身于一种虚拟环境中，感觉人就像在真实的客观存在的世界中一模一样。
（2）交互性（Interaction），是指用户和现实物体可以与计算机中的虚拟物体相互之间作用。利用虚拟环境，用户可以利用大量的传感器和输入输出设备与虚拟环境进行交互，比如：当用户用手去抓取虚拟环境中的物体时，用户不但能够感受虚拟物体的重量，而且还有质感。
（3）想象（Imagination），是它能够启发用户的创新思想。在虚拟环境中，人们不但能够沉寂在知识的海洋，获取大量的、新鲜的知识，而且能够提高用户的感性和理性认识，最终，激发用户思想的火花。
而基于扩展现实技术的产品是用户能够看到真实物体和虚拟物体的融合到一起的真实环境。扩展现实是对真实世界的物理信息的一种补充、扩展和增强，扩展现实并不是要完全代替用户的真实的世界。增强现实的目标是让用户处于一种交融的环境中，用户没有能力区分真实事物和虚拟事物，用户所感知到的唯一存在的世界是由真实和虚拟相融合而成。目前，扩展现实基于三维空间注册技术，人机交互技术以及3D战线技术实现。综上所述，用户的浸入程度是虚拟现实和增强现实最显著之差别。虚拟现实属于完全的、彻底的浸入状态，这也是虚拟现实的目标所在，在某些系统中，视觉和听觉都要受系统所控制。扩展现实是对真实环境扩展、增强，同时，用户保持真实场景的感知。
基于扩展现实技术的教育产品和教育资源使得学习具有高度可视化和互动性。扩展现实技术很容易将各种海量数据覆盖到用户所在的现实世界，过程流畅无阻塞。另外一个优势是扩展现实能够有效地使得虚拟物体与真实物体相互互动，增强学习兴趣，提高质量。在该技术的支持下，学生可以在现实实物的基础之上建立虚拟物体，构建模型，学习新知识。尝试将扩展现实技术与学生手中的教科书相结合，提高学生的学习兴趣也是种方式。扩展现实技术在各个领域的学习中都有极其广泛的应用。
3.1 工业学习
新加波国立大学开发了一套基于虚拟交互面板的扩展现实系统，指导用户装配电脑，避免经常翻阅纸质的装配图，容易产生问题的弊端，用户将经历集中在装备上，方便装配。Sareika M和Schmalstieg D是奥地利格拉茨工业大学的教授，二人组成的课题组研发了Urban Sketcher系统，这个系统能够辅助城市规划。通过摄像机能够捕获真实的物体用虚拟三维模型构造，无缝结合，使得设计趋于理想化。2002年，上海大学多媒体中心开发了基于增强现实的虚拟装修系统。2007年，南京航空航天大学的胡教授等人进行了增强现实技术在维修诱导系统关键技术中的研究，并开发了一种维修辅助系统，其特点是人性化、智能化，对维修人员进行培训和指导，不但能够降低维修人员维修作业难度、而且能够减少维修人员作业差错。 3.2 医学学习
2010年美国科学家设计了一套实时的增强现实原型系统。该系统利用扩展现实技术和3D建模分别获得身体各个部位对应的三维数据和人体器官的3D模型，通过扩展现实技术将器官的三维模型数据处理，通过算法合成胡，将其叠加到患者相应的身体部位，通过特殊的设备，医生不但能够观察到虚实合成图像，而且能够多角度观察患者，同时，以前肉眼无法看到的器官的内部信息，现在一目了然。不但提高了医生分析、诊断病情的能力，也减轻病人痛苦。
目前，世界上已经研制出的用于医学培训的虚拟现实系统有以下几个方面。
（1）基于增强现实的外科手术模拟训练。美国亚利桑那州大学研制的该系统利用数据手套记录腕关节和手指的运动情况、手掌的拱起程度以及大拇指与小指之间的接触和分开距等数据。克服了以往的外科手术模拟训练只能通过训练录像，分析手术过程中医生的活动和时间的缺点。（2）“可见人”虚拟图像学习系统。其是由5000多帧人体不同截面的光、磁和射线的图像组成的，学习者通过交互网络调用可以人体图，其信息量比《大不列颠百科全书》的储存空间高50倍左右。（3）导管插入动脉的模拟器。学生可以在这个有科学家设计的扩展现实系统中反复实践导管插入动脉时的操作，不用担心会给病人带来痛苦。（4）眼睛手术模拟器。根据人眼的结构，科学家创建出了人眼的3D图像，同时其具备实时的触觉反馈信息功能。该虚拟现实系统能够模拟医生在移去晶状体时候的全过手术过程，通过一个立体目镜和大型计算机数据图像工作站生成数字化图象，眼睛前部结构的血管、虹膜和巩膜组织以及角膜的透明度等都可以显示在用户的面前。（5）口腔手术扩展现实系统。学习者可以通过利用扩展现实技术做好的三维牙齿和牙根图像，进行训练。（6）虚拟腹部扩展现实。学生者使用该扩展现实系统时，学习胃、胰、肝、胆管和胆囊知识，学生要配带特制的眼镜和数据手套。
3.3 军事学习
澳大利亚大学高级计算研究中心的Piekars姑等，开发了一个军事训练和演习仿真系统，有真实训练场景、虚拟车辆、虚拟仿真岩体等，通过GPS、头戴显示器、电子罗盘等先进设备，将参与军事训练的士兵的信息发送到虚拟指挥中心，达到训练目的。除此之外，美国海军研究院也研制了战场扩展现实系统，战士不仅可看到战斗场景，还可以将各种侦查信息传送到指挥中心。
3.4 辅助学习
早在2008年7月，泰国的Larn Gear Technology公司采用MR Studio的技术，设计出了首套扩展现实电子书《Eanhstmcture》。该技术利用特制的标记来代表对象。一旦标记对象被摄像头发现，则成像数据就会被被输入计算机系统，在标记的位置出现相应的3D对象。这样的设计便是扩展现实电子书的原型。2008年9月份举行的第60届法兰克福图书博览会上，由德国Ars Edition公司利用图像处理技术，设计了扩展现实电子书《Aliens&UFOs》，成为会展上一个亮点。
3.5 情境学习
扩展现实在博物馆和展览馆的应用价值巨大，非常适合历史学习和体验，淮安信息学院研制了基于AR技术的周恩来纪念馆体验，允许用户使用移动设备来访问纪念馆，从而了解伟人的丰功伟绩。就国内而言，2002年，上海大学的研究人员开发了基于增强现实的虚拟装修系统，同时开发了基于扩展现实技术的上海大学校园漫游系统。该校园的漫游系统还可以在科技馆、展览馆等地方应用。另外，王涌天教授开发的基于扩展现实技术的数字圆明园，将圆明园清朝鼎盛时期的部分景观和盛世面貌重现给游客，使得游客对古代圆明园的历史有更加深刻的印象。澳大利亚Powerhouse 博物馆开发了基于安卓系统的百年前悉尼面貌的扩展现实图像，用户可以利用手机下载和观看。
3.6 教育游戏
扩展现实游戏是种比较特别的教育形式，使用标记技术，通常包括一个玩具和一个硬件设备或摄像头来作为三维坐标输入，可以很容地应用到各种学科，包括人类学、历史学或地理等。wIzQubes就是一款给儿童将故事的寓教于乐产品，该产品有新加坡MXR公司利用扩展现实技术研制。儿童将学会颜色、单词等知识。
3.7 电子书
Billinghurst和Poupyrev分别是美国华盛顿大学和索尼计算机科学实验室的研究人员，他们研制了基于扩展现实技术的“神奇书本”。读者在阅读时，显示器上能够显示真实环境的场景，读者能感知由书本内容生成的虚拟图像，同时，读者还可以与其他“读者”进行交流。这可以应用到各种学科的学习中。随着ActionScript3.0语言的FLARToolkit类库的发布，并且无偿的开放源代码，加入到了增强现实电子书的制作行列的Flash/Flex爱好者也越来越多。出现了很多新奇的增强现实电子书，很多开发者还将增强现实电子书的注意力集中在儿童内容、游戏娱乐和学校教育。2012年第61届法兰克福图书博览会上利奥纸品集团开发了ARIUXTM技术，利用显示屏展示空间立体影像，增强感知效果。韩国光州科学技术学院研制了一种增强3D电子书，运用特制的眼镜型显示器来配合使用，电子书的每页都是3D人物。
增强现实技术在教学具、玩具等方面的应用和发展潜力巨大，越来越多的国内学者重视。2010年第62届法兰克福图书博览会上，中华商务联合印刷有限公司将增强现实技术成功应用在《中国弹起》互动3D图书。
4 教育教学产品中的开发平台-扩展现实技术
为了满足开发扩展现实产品的需要，许多研究组织和机构开发了配套的硬件系统和软件系统，用于处理扩展现实任务的标记识别、坐标信息、模型建立、视频图片合并等功能。
4.1 硬件设备
首先，早期构架的扩展现实系统需要庞大的硬件支持，系统包括佩戴便携式计算机、头盔显示器、摄像机以及各种跟踪定位装置。系统体积大笨重、价格昂贵、并且携带不方便，限制了用户的使用范围。比如，google眼镜等设备成本高，不能进入平常百姓家庭，无法使用。目前，随着智能手机、ipad等设备，都内置了高清晰摄像头、红外通信、蓝牙接口以及WLAN、运动传感器、GPS等。这些移动通信设备终端的应用，增强了扩展现实系统的移动性、便携性和人机交互性，使得扩展现实系统方便携带。其次，PC机上应用扩展现实技术已经开发了很多教育教学方面的系统，相对较成熟，目前，研究者们正准备把这些扩展现实系统移植到手机等移动终端上，提高扩展现实系统的学习广泛性。
4.2 软件工具
扩展现实技术开发软件包较多，且大部分软件开放源代码。日本的ARToolkit开发工具能够快速编写AR应用，采用基于标记的视频检测方法进行定位；佳能混合实验室开放了MR Platform，具备相机校正工具、视频捕捉、图像检测和坐标计算等功能；VPRN是实现混合方式跟踪定位的开发工具，支持强大的网络中的混合定位支持；Unifeys SDK是商业版本的扩展现实开发工具，依靠视频检测进行跟踪和定位，提供基本的数学运算和计算机视觉算法。
5 结语
目前，作为一种新颖的教育教学手段，扩展现实技术已经引起了教育界和社会各界人的很大性趣。随着科学技术的发展，社会的进步，数字化的普及，扩展现实技术产品的成本会越来越低，在可预见的未来，扩展现实广泛的进入我们的教育教学领域。
