7
ퟜ뗚 295 웚 훐맺뗧뮯뷌폽 20118 벼쫵폫펦폃 컄헂뇠뫅ꎺ 10069860201108011406 *놾컄쫇맺볒짧믡뿆톧믹뷰ʮһÎå ¹æ»® 2010 Äê¶È½ÌÓýѧһ°譱ÎÌâ »ùÓÚ»ìºÏѧϰµÄÃ箙Ñʦ·¶Éú 4+2½ÌÓý¼¼ÊõÄÜÁ¦Å獏ø´´ÐÂÑо¿ ”(¿ÎÌâ±à ºÅ BCA100024µÄ½×¶ÎÐԳɹ鋓®Ò» ×ݹÛÐÅÏ¢¼¼ÊõµÄÿһ´ÎÑÝ±ä ¿Æ¼¼µÄ½ø²½ÓëР¼¼ÊõµÄµ®É巐¼»盒øÀ´ÐµÄÏë·¨Óë×÷·¨ ÕâÔÚÐÅÏ¢Óë ½ÌÓýÕ釚ÏÉÏÒ²²»ÀýÍâ Êý×Ö»¯ÐÅÏ¢ ÍøÂçƽ̨ Òƶ¯ ѧϰ ÆÕÊÊѧϰÒÔ¼°½üÄêÀ´³öÏÖµÄÈýάÐéÄâѧϰ»· ¾³ ÔöÇ¿ÏÖʵѧϰ»·¾³µÈ ¶¼Êǽ«¿Æ¼¼µÄÓÅÊÆÓ¦ÓÃÓÚ ½ÌѧºÍѧϰ»鋐¯Ö®ÖеľßÌ衫袞Ö ÔöÇ¿ÏÖʵ Augmented Reality¼ò³Æ ARÊÇÐéÄâ ÏÖʵ Virtual Reality¼ò³Æ VR¼¼ÊõµÄÑÓÉì ÔöÇ¿ÏÖʵ ¼¼ÊõÓëÐéÄ簪Öʵ¼¼Êõ¼¸ºõͬʱ³öÏÖ ÔçÔÚ 1968 Äê ͼ ÐÎѧÏÈÇý Sutherland ÖÆ×÷µÄµÚÒ»¸öÍ·¿øʽÏÔʾÆ÷¾ÍÊÇ Í¸Éäʽ ¶ø·ÇÍêÈ«³Á½þʽµÄ Ëü¿ÉÒÔ×÷Ϊ AR É豸ʹ Óà ÔÚËæºóµÄ 20 ÄêÖÐ ÓÉÓÚÓ²¼þÉ雎¸ÓëͼÐÎѧÑо¿±¾ ÉíµÄÏÞÖÆ AR ¼¼ÊõûÓÐÏÔÖøµÄ½øÕ¹ 20 ÊÀ¼Í 90 Äê´ú ³õÆÚ ²¨Òô¹«Ë¾µÄ Tom Caudell ÓëͬÊÂÔÚÆ菲霈Ƶĸ¨ Ö嵂¼ÏßϵͳÖÐÌ盖öÁË ÔöÇ¿ÏÖʵ Augmented Reali- ty)”Õâ¸öÃû´Ê [1] Ë菠»¶ÔÓÚÔöÇ¿ÏÖʵµÄ¸ÅÄ鍗¿Ç°ÉÐûÓÐ Ò»¸öͳһµÄ¶¨Òå µ«Ò»°ãÈÏΪ ÔöÇ¿ÏÖʵ¼¼ÊõÊǽèÖú ÓÚÈýάÏÔʾ¼¼Êõ ½»»¥¼¼Êõ ¶àÖÖ´«¸Ð¼¼Êõ ¼ÆËã»úÊÓ ¾õ¼¼ÊõÒÔ¼°¶狹½Ì蠑¼Êõ°Ñ¼ÆË羹揵嵭ɵĶþά»òÈýά µÄÐéÄ簟ÅÏ¢Èںϵ½Óû§ËùÒªÌ衽éµÄÕ賁µ»·¾³ÖеÄÒ» ÖÖ¼¼Êõ ÔöÇ¿ÏÖʵ¼¼Êõ·¢Õ¹ÒÔÀ´ÒѾÔÚÖ鏸醴½Ñ§ Óé ÀÖ ¾üÊÂѵÁ· ¹¤³ÌÉè¼Æ »憘÷È˼°Ô¶³Ì»憘÷ÈËѧ ÖÆ Ôìά»¤ºÍÐÞÀí Ï都ÑÉ霈Ƶȶ犧öÁìÓòµÃµ½ÁË·¢Õ¹ 퓶잿쿖쪵뗄뫋탄쳘뗣 ÐéÄ簪ÖʵÊÇ´´ÔìÒ»¸öȫеÄÐéÄ簗À½ç Óà »§ ¿É½èÖú±ØÒªµÄ×°±¸ÓëÊý×Ö»¯»·¾ »¥ ²揵揵暿ÙÆ萓³µÄ¸ÐÊܺÍÌåÑé Óû§ÍêÈ«³Á½þÔ ºÏ ³É µÄ »· ¾³ ÖÐ Òò´ËÓû§²»ÄÜ¿´µ½×Ô¼º ʵ »· ¾³ Ïà ±È Ö® Ï ÔöÇ¿ÏÖʵÔòÊÇÇ¿µ÷ÐéÊ ½«ÐéÄâµÄÎïÌ蠏þ¼Ó»òºÏ³Éµ½Õ賁µÊ Ëü ÔÊ Ð橆û§¿´¼鋠賁µÊÀ½ç Òò´Ë ÔöÇ¿ÏÖʵÊDz¹³蒄賁 ¶ø²»ÊÇÍêÈ«Ì豢撝ü [2] James R Vallino ÔÚÆ䲩ʿÂÛ ÎÄ ÖÐ Ìá ³ö ÔöÇ¿ÏÖʵ¼¼ÊõÊǽ«ºÏ³ÉµÄ ºÏ½øÓû§¶ÔÕ賁µÊÀ½邨ĸÐÖªÖÐ [3] ÔöÇ¿ÏÖʵϵͳµ Ä¿±êÊǽ«»¥¶¯µÄÏÖʵÊÀ½郤ͽ»»¥ ÊÀ ½ç ÈÚ ºÏ ÒÔÕ簷ùµÄ·½Ê½Ê¹µÃËüÃÇ¿´Æ »·¾³ À榘ëµÄÔöÇ¿ÏÖʵϵͳ²»½öÌ盪©Ê ±ÆÕæ µÄ ¸ß ½â Ïñ ¶È µÄ 3D ³¡ ¾° ¶ø ÇÒ Ðè Òª ÓÐ Ò» Ì× ¸´ Ô ×Ù¶¨Î»É雎¸ºÍ½»»¥¸ÐÓ¦É雎¸ ÒÔ´ËÀ´ÊµÏÖÈËÓë Äâ »· ¾³ µÄ ÎÞ ·ì ÈÚ ºÏ ²¢Ê¹ÈËͨ¹ý×靕ÔÈ»µÄ² ÐéÄâÊÀ½釉еÄÈýάÎïÌ蠖øÐÐʵʱ½ Õâ Ñù Ôö Ç¿ ÏÖʵ¼¼Êõ¿ÉÒÔ½«ÈËÀ犂»¿ÉµÖ´ïµÄ ÔÚÓÚÈËÃÇÏëÏóÖеÄ΢¹ÛÊÀ½醺ÃÈý ʽÉú¶¯ÐÎÏóµØÕ¹ÏÖÔÚÈËÃÇÃ貮° ʹÈËÃÇ·½±羞Ø¶Ô ÆäÖеÄÊÂÎï½øÐÐϸÖÂÈë΢µØ¹Û² ̽ Ë÷ Ê Îï µÄ ±¾ Öʺ͹æÂÉ [4] ÓëÐéÄ簪Öʵ¾¡¿ÉÄÜÏ﨤ýÈËÃǶÔÕ ÖªÏà·´ ÔöÇ¿ÏÖʵÊǶÔÕ賁µÊÀ½邨ļÓÇ¿ Milgram ¶Ô ÔöÇ¿ÏÖʵºÍÐéÄ簪Öʵ֮¼莊ĹØϵ×ö ¶¨ Òå ÁË ÏÖ Êµ ÐéÄâÖ®¼莊ÄÁ¬Ðø±莉¯¹Øϵ [5] Èç Ï ҳ ͼ 1 Ëùʾ 퓶잿쿖쪵톧쾰뮷뺳뗄볜릹폫쪵볹 * 쯕ꎬ쯎 ꎬ쳆 ±±¾©Ê¦·¶´óѧ ½ÌÓý¼¼ÊõѧԺ ±±¾© 100875햪튪ꎺ퓶잿쿖쪵쫇탩쓢쿖쪵벼쫵뗄퇓짬퓶잿쿖쪵뮷뺳훐뗄톧쾰힢훘탩쓢폫쿖쪵뗄뷡뫏ꎬ춨맽퓚쿖쪵뮷뺳횮훐 짨훃탩쓢탅쾢ꎬ죃톧쾰헟쪹폃볆쯣믺믲틆뚯짨놸퓚탩쪵죚뫏뮷뺳훐폫톧쾰쓚죝뮥뚯놾컄쫗쿈뷩짜퓶잿쿖쪵뗄뫋탄 쳘뗣벰폫탩쓢쿖쪵뗄쟸뇰ꎬ좻뫳볲튪뷩짜쇋퓶잿쿖쪵뗄벼쫵쪵쿖쇷돌ꎬ쫡샭쇋맺쓚췢뷌폽쇬폲훐퓶잿쿖쪵톧쾰뮷뺳 뗄퇐뺿쿖ힴꎬ뷩짜쇋튻룶ퟔ훷퇐랢뗄퓶잿쿖쪵뷌폽펦폃낸샽—— 캴살횮쫩ꎬ늢닻쫶쇋퓶잿쿖쪵벼쫵뛔폚뷌톧뗄 틢틥뫍볛횵ꎬ벴퓶잿쿖쪵톧쾰뮷뺳럻뫏쟩뺳톧쾰샭싛뫍붨릹훷틥톧쾰샭싛ꎬ쯼듸룸컒쏇뗄늻뷶뷶쫇튻룶벼쫵욽첨ꎬ 룼뿉쓜쫇탂뗄뷌톧쒣쪽뫍랽램컄헂ퟮ뫳ퟜ뷡첽쳖쇋퓶잿쿖쪵톧쾰뮷뺳뗄랢햹쟷쫆맘볼듊ꎺ퓶잿쿖쪵ꎻ톧쾰뮷뺳ꎻ뗧ퟓ톧쾰 훐춼럖샠뫅ꎺ G434 컄쿗뇪쪶싫ꎺ A 114

11 08 114 06 增强现实学习环境的架构与实践

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Page 1: 11 08 114 06 增强现实学习环境的架构与实践

总第 295 期 中国电化教育 2011.8技 术 与 应 用

文章编号:1006—9860(2011)08—0114—06

*本文是国家社会科学基金“十一五”规划 2010 年度教育学一般课题“基于混合学习的免费师范生‘4+2’教育技术能力培养创新研究”(课题编

号:BCA100024)的阶段性成果之一。

纵观信息技术的每一次演变, 科技的进步与新

技术的诞生都会带来新的想法与作法, 这在信息与

教育整合上也不例外。 数字化信息、网络平台、移动

学习、 普适学习以及近年来出现的三维虚拟学习环

境、增强现实学习环境等,都是将科技的优势应用于

教学和学习活动之中的具体体现。增强现实(Augmented Reality,简称 AR)是虚拟

现实(Virtual Reality,简称 VR)技术的延伸。增强现实

技术与虚拟现实技术几乎同时出现,早在 1968 年,图

形学先驱 Sutherland 制作的第一个头盔式显示器就是

透射式、而非完全沉浸式的,它可以作为 AR 设备使

用。 在随后的 20 年中,由于硬件设备与图形学研究本

身的限制,AR 技术没有显著的进展。 20 世纪 90 年代

初期,波音公司的 Tom Caudell 与同事在其设计的辅

助布线系统中提出了 “增强现实 (Augmented Reali-ty)”这个名词[1]。虽然对于增强现实的概念目前尚没有

一个统一的定义,但一般认为,增强现实技术是借助

于三维显示技术、交互技术、多种传感技术、计算机视

觉技术以及多媒体技术把计算机生成的二维或三维

的虚拟信息融合到用户所要体验的真实环境中的一

种技术。 增强现实技术发展以来已经在诸如医学、娱

乐、军事训练、工程设计、机器人及远程机器人学、制

造维护和修理、消费设计等多个领域得到了发展。

一、增强现实的核心特点

虚 拟 现 实 是 创 造 一 个 全 新 的 虚 拟 世 界, 用 户

可借助必 要 的 装 备 与 数 字 化 环 境 中 的 对 象 进 行 交

互,产生身临其境的感受 和 体 验,用 户 完 全 沉 浸 在

合成的环 境 中, 因 此 用 户 不 能 看 到 自 己 周 围 的 真

实环境。 相比之下,增强 现 实 则 是 强 调 虚 实 结 合,将虚拟的 物 体 叠 加 或 合 成 到 真 实 世 界 汇 总, 它 允

许用户看见真实世界。 因此,增强现实是补充真实

而不是完全替代它 [2]。 James R Vallino 在其博士论

文中提出: 增 强 现 实 技 术 是 将 合 成 的 感 觉 信 息 融

合进用户对真实世界的感知中 [3]。 增强现实系统的

目标是将 互 动 的 现 实 世 界 和 交 互 式 计 算 机 生 成 的

世界融合, 以 这 样 的 方 式 使 得 它 们 看 起 来 是 一 个

环境。 理想的增强现实系统不仅提供实时的、逼真

的、高 解 像 度 的 3D 场 景,而 且 需 要 有 一 套 复 杂 跟

踪定位设 备 和 交 互 感 应 设 备, 以 此 来 实 现 人 与 虚

拟环境的 无 缝 融 合, 并 使 人 通 过 最 自 然 的 操 作 与

虚拟世界 中 的 三 维 物 体 进 行 实 时 交 互。 这 样 增 强

现实技术 可 以 将 人 类 不 可 抵 达 的 真 实 世 界 或 者 存

在于人们 想 象 中 的 微 观 世 界 用 三 维 动 画 模 拟 的 方

式生动形 象 地 展 现 在 人 们 面 前, 使 人 们 方 便 地 对

其中的事 物 进 行 细 致 入 微 地 观 察, 探 索 事 物 的 本

质和规律 [4]。与 虚 拟 现 实 尽 可 能 消 除 人 们 对 真 实 世 界 的 感

知相反,增强现实是对真实世界的加强。 Milgram 对

增强现实和虚拟现实之间的关系做了一个描述,定

义了现实—虚拟之 间 的 连 续 变 化 关 系 [5],如 下 页 图

1 所示。

增强现实学习环境的架构与实践*

蔡 苏,宋 倩,唐 瑶

(北京师范大学 教育技术学院, 北京 100875)

摘要:增强现实是虚拟现实技术的延伸。增强现实环境中的学习注重虚拟与现实的结合,通过在现实环境之中

设置虚拟信息,让学习者使用计算机或移动设备在虚实融合环境中与学习内容互动。本文首先介绍增强现实的核心

特点及与虚拟现实的区别,然后简要介绍了增强现实的技术实现流程,梳理了国内外教育领域中增强现实学习环境

的研究现状,介绍了一个自主研发的增强现实教育应用案例———“未来之书”,并阐述了增强现实技术对于教学的

意义和价值,即增强现实学习环境符合情境学习理论和建构主义学习理论,它带给我们的不仅仅是一个技术平台,

更可能是新的教学模式和方法。文章最后总结探讨了增强现实学习环境的发展趋势。关键词:增强现实;学习环境;电子学习

中图分类号:G434 文献标识码:A

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2011.8 中国电化教育 总第 295 期 技 术 与 应 用

增强现实有两个特点:第一在概念上,认为数字

空间中的视频环境即是真实环境;第二在技术上,通

过图像与三维几何模型的无缝结合实现虚实融合。增强现实技术的研究已有十几年, 早先为实现增强

现实技术的虚实结合, 一般都需要佩戴透视式头盔

显示器,但是这些头盔、立体眼镜造价比较昂贵,设

备也沉重,影响了增强现实技术的推广使用。 后来随

着计算机视觉技术的发展, 增强现实开始通过二维

图片的标记来定位, 只需要一个普通的摄像头去捕

捉这个标记,然后由软件计算其标记位置和方向,把

虚拟的三维几何对象按照这个位置和方向实时叠加

上来, 用户可直接通过电脑屏幕或者投影设备就能

看到虚实融合的场景。 增强现实环境中的学习注重

虚拟与现实的结合, 通过在现实环境之中设置虚拟

信息, 让学习者使用计算机或移动设备在虚拟信息

架构出的虚拟环境中与学习内容互动。

二、增强现实技术实现流程

AR 系统中,成像设备、跟踪与定位技术和交互

技术是实现一个基本系统的支撑技术[6]。为了实现虚

拟物体与真实场景尽可能自然的融合, 增强现实需

要解决如何精确定位的问题。 AR 系统需要通过分

析大量的定位数据和场景信息来保证由计算机生成

的虚拟物体可以精确地定位在真实场景中, 它一般

包括 4 个基本步骤:(1)捕获真实场景图像;(2) 分析

真实场景和相机位置信息;(3)生成虚拟对象;(4)合并

图像流生成虚实融合场景,如图 2 所示。

三、增强现实学习环境研究现状及典型案例介绍

对增强现实技术应用于教育领域的研究起点主

要有两类:(1)从游戏的角度;(2)从 e-Learning 的角

度。 前者主要依据技术的发展对游戏进行划分,而当

前代表游戏最高水平的就是三维图形(3D Graphics)游戏, 因此人们在研究 3D 游戏用于教学时又称游

戏 为 3D 虚 拟 世 界 或 3D 虚 拟 环 境 。 对 于 后 者 ,Clougherty 提出将 e-Learning 划为三个阶段, 第一

阶段是学习管理系统环境下的学习,如 Moodle 环境

中的学习, 第二阶段是社会网络环境下的学习,如

Web2.0 下的 Blog、Wiki 等学习,第三阶段是在三维

虚拟空间中的学习, 增强现实学习即属于三维虚拟

空间学习的范畴 [7]。 不管是从游戏角度, 还是 e-Learning 角度, 越来越多的人关注增强现实技术在

教育领域中的应用, 并且设计了许多不同的系统或

平台等,以满足学习者或教学者的需求。(一) 国外研究现状

国外目前对于增强现实已经从研究其算法技术

本身转到关注其具体领域的应用, 其中医疗领域的

应用研究是最大的一个热点, 而对于增强现实在教

育领域的应用,国外学者也做出了不少尝试。Billinghurs 利用增强现实技术设计了一套儿童

阅读书 Magic Book,它将书本内容制作成动画并且

以 AR 的形式迭加在书本上的不同单元里[8]。 在图 3(a)中,因为隐藏了图像捕获等设备,因此魔法书与普

通书本看起来并无差异;(b) 中是使用 AR 显示设备

观看魔法书的内容,通过此设备,能够看到叠加在魔

法书上的 3D 动画, 用户只需要通过移动书籍或转

换视角等操作就能够从不同角度观看,操作很简单;(c) 中 展 示 的 是 叠 加 到 真 实 场 景 中 的 虚 拟 场 景 。Magic Book 将计算机设备隐藏起来,用户只需要翻

阅书本来改变故事内容与场景, 利用 HMD 来观看

书本内容,不需要额外去操作指令按键,这样让互动

更接近自然的阅读行为。

ARCHEOGUIDE (Augmented Reality -basedCultural Heritage On-site GUIDE)(Vlahakis V,2002)是由欧盟资助的旨在通过增强现实技术复原古迹的

一个系统。 用户在户外遗址所在的位置,透过增强现

实客户端就可以接收到所在位置的相关虚拟信息,通过客户端与相应的 S-HMD 即可看到遗迹复原的

效果。Kaufmann 通过实验证实,看到书本上的三维物

体并与该图形进行必要的交互有助于学习者对复杂

的空间几何知识的理解[9]。 如下页图 4 所示,他们利

用增强现实技术建立教师与学生合作式 的 教 学 互

动,该系统能呈现简单的点线面与几何体的构成,并

相机位置信息

真实场景图像流 虚拟对象

虚实融合图像流

图形系统 图像流合并

图 2 简单 AR 系统的基本流程

(a)书籍本身 (b)使用显示设备观看 (c)虚拟场景

图 3 使用 Magic Book 展示从现实环境逐步迁移到虚拟环境中的体验

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总第 295 期 中国电化教育 2011.8技 术 与 应 用

① 冥王星曾被认为是大行星,但因一颗比冥王星更大、更远的天体的发现,2006 年 8 月 24 日召开的国际天文学联合会第 26 届大会将冥王星

定义为矮行星,故目前只有八大行星。

具有布尔运算的功能, 教师可以方便地表达几何形

体的变化以及在空间中的关系, 而学生在这种虚实

融合的立体环境中更容易掌握复杂的空间概念。 使

用增强现实进行几何教学使学生能够看到过去他们

只能用纸笔之类的传统方法构建的三维几何模型。直接在三维空间进行学习, 复杂的空间问题和空间

方法比传统方法更容易理解。 但此装置设备复杂,操

作不太方便。

Dünser 与 Horneker 以寓言故事作为内容,加入

3D 角色、声音及互动道具,来观察 5-7 岁的儿童如

何利用增强现实系统进行互动与合作学习[10]。如图 5所示,参与的儿童利用附有标签的互动道具,一边阅

读故事一边完成与故事内容相关的小任务。 研究中

发现,增强现实环境会吸引小孩的注意力,并让他们

在活动时会愿意不断地尝试着完成任务。 在此基础

上, 他们进一步设计了为 7 岁孩子提供的基于增强

现实的故事书 [11],研究儿童在现实世界中所具有的

知识和技能是如何影响他们在这种新的交互方式下

成功或失败的。 研究表明这种更接近物理交互的方

式能够带来更多样化的交互行为, 如孩子们通过移

动或反转标记能够导致增强现实场景中相应物体的

类似动作,这大大地激发了他们的兴趣。

Liu 等人设计了太阳系九大行星①增强现实的教

学实验系统[12]。 九大行星教学实验系统主要提供了 9张标记卡片,分别代表不同的行星。 在学习过程中系

统会提供题目,学习者将代表答案的标记卡片移动到

系统指定的位置作答。 比起只有文字选项的模拟试

题, 增强现实不仅可以具有三维虚拟物件的优势,而

且操作简单,能够提高学习者的注意力和学习效果。

Mulloni 设计了一个“牛与 UFO”游戏,通过移

动设备上的蓝牙装置与空间中的标签图卡来进行小

组对抗游戏[13],如图 6 所示。

Hye Sun Lee 和 Jong Weon Lee 设计了 一 款 目

标人群是幼儿园和小学学生的教育游戏, 旨在帮助

学习者掌握数学中的加法相关知识 [14]。 传统的棋盘

游戏容易产生厌倦情绪, 而利用增强现实技术改进

后的棋盘, 通过不断变换棋盘内容和 3D 模型直观

展示的形式有助于保持学习者的学习兴趣, 孩子能

够享受基于增强现实的由多种内容构成且直观互动

的棋盘游戏。 图 7 所示为不同标记标示的棋盘内容

以及棋盘上的三维模型。

Ori Inbar 开发了一款 iPhone 上的 AR 游戏 [15],支持 4-7 岁的儿童随时随地学习拼写, 这款游戏的

开发也邀请了幼儿文学专家的参与, 以保证儿童得

到的是合适的教育。El Sayed 等 人 设 计 了 一 款 增 强 现 实 学 生 卡 片

(ARSC), 并且分别通过在线和离线的不同解决方

案来检验卡片的使用效果[16]。 在线模式下,学生能够

通过键盘或者卡片上的标记与老师或教学内容进行

互动,如向老师提问等。而离线解决方案能够将学生

答疑、做练习、查看资源的情况作统计,为教师提供

参考。 下页图 8 为 ARSC 的应用示例,(a)和(b)是叠

加在标记上的动物细胞和太阳系运动模拟,(c) 是学

生正在提出问题,(d)是一个学生正在使用 ARSC 学

习。 研究表明,ARSC 能够在不牺牲教育收益的前提

下降低教育投入,而且学生学习的兴趣很高,89%的

学生表示对 ARSC 的效果满意, 超过 87%的学生认

图 4 几何学在增强现实环境中的展示

图 5 增强现实环境中的寓言故事学习

图 6 牛与 UFO 游戏

图 7 基于增强现实的棋盘游戏

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2011.8 中国电化教育 总第 295 期 技 术 与 应 用

图 8 基于增强现实的 ARSC

a b

dc

为教育过程需要这样的系统。

Priestnall 是一篇运用 AR 在教育上的方法论文

章,它利用航拍照片或雷达图,加迭等高线进行 3D绘图,重现冰河退却前的样貌,使学生对知识的理解

由抽象概念转化为真实概念[17],如图 9 所示。

The New Media Consortium(NMC)是 教 育 领

域一个著名国际性非盈利组织, 它由超过 250 个致

力于开发和利用新媒体和其他新技术的学院、大学、博物馆、公司以及其他关注于学习领域的组织组成。NMC 在 2010 年发布的地平线报告 (Horizon Re-port) 中将简单的增强现实技术应用 (Simple Aug-mented Reality)列为未来 2-3 年最具潜力的六个技

术之一[18],如下表所示。

(二) 国内研究现状

国内对增强现实的关注也在逐渐增多, 但是主

要还集中在计算机学科领域中的算法实现和优化阶

段,在教育领域中的应用极少。徐媛概要介绍了增强

现实在教育领域的应用主要有立体书籍、 操作技能

培训、AR 教育游戏、残障人群学习等几种方式[19]。董

子龙、 章国锋等人提出了一个基于汉字标志的增强

现实系统[20],利用普通的网络摄像头,实时地捕获用

户提供的包围在黑色方框中的汉字标记图像并在其

上附加相关的三维模型信息。 将汉字学习与计算机

生成的多媒体可视化信息结合起来, 能够充分调动

学习者的学习兴趣,丰富了汉字学习的手段和乐趣。苏俊钦的“扩增实境①应用于中文注音符号学习之研

究”[21] 是目前极少数比较系统地研究教育领域中增

强现实应用的研究之一,他将增强现实应用于儿童

学习注音符号,旨在探讨儿童是否能够在教育游戏

中利用媒体辅助获得有效的学习。 基于此他设计了

一套增强现实中文注音符号学习教材,系统依照每

个注音符号的发音, 建构相对应的虚拟动物图像,以动画告知儿童选取相应的标记以获得 正 确 的 反

馈,如图 10 所示。 简单的系统操作与虚拟图像的互

动可以有效增强儿童的兴趣,加深儿童对中文注音

的印象。

总体说来, 国内对增强现实还停留在技术解决

阶段, 对于其应用特别是在教育领域的应用的探索

才刚刚开始, 尚未从理论上系统探讨 AR 虚拟学习

环境的可行性和实证案例, 更没有开发自主知识产

权的 AR 虚拟学习环境去做深入研究。

四、基于增强现实的“未来之书”研究

北京师范大学现代教育研究所团队已经攻克增

强现实中的摄像机标定、三维模型及场景建模、虚拟

行为交互设计、 三维数据高效传输及处理等关键技

术难题,制作了若干与教育相关的案例,并将这些案

例集成在一本书籍———“未来之书”上。 通过一台计

该技术可能广泛使用的

时间段

地平线报告

2007地平线报告

2008地平线报告

2009地平线报告

2010

1年内

用户生成内容 草根视频 移动设备移动计算

(学习)

社会化网络协作式 web

技术云计算 开放式内容

2-3 年

移动电话 移动宽带无处不在的

地理信息电子书

虚拟世界 数据混聚 个人 web 简单增强现实技术

4-5 年

新兴学术著作综合人工智

能语义程序

应用手势交互技

大规模多人在线教育游戏

社会化操作系统

智能对象可视化数据

分析

NMC组织发布的教育领域技术趋势年度报告

图 10 增强现实注音符号系统

① 说明:台湾地区将增强现实称为扩增实境。

(a)航拍图片 (b)绘制等高线 (c)重现冰河消退场景

图 9 使用 AR 技术重现 3D 冰河消退场景

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总第 295 期 中国电化教育 2011.8技 术 与 应 用

算机和一个摄像头,识别书上的标记,就能在书本上

浮现虚拟的三维场景, 是一本真正虚实融合的三维

立体交互书, 如图 11 所示 (演示可参看 http://u.youku.com/runningmadly)。

(一) 制作标记图案并印刷书本

首先根据书本需要使用虚拟立体展示的内容数

量制作互不相同、独一无二的标记图案。 为保证摄像

头灵敏地捕获标记,应将标记做得简单,图案颜色对

比度高,并且不同标记之间的相互区分度较明显。 可

使用外围黑背景、内围白背景、字体颜色为黑色的标

记,周围可辅以装饰 logo 图案,如图 12 所示。

“未 来 之 书 ”内 容

的 编 排 如 图 13 所 示,传统文字、图片部分靠

左,占整个页面的 2/3,标记部分置于剩下 1/3页面的右上部分,右下

部分放置实际操作情景截图, 让读者在没有摄像头

的环境下能直观地看出本书与传统书籍的区别。(二) 捕获标记并生成虚实融合场景

系统首先将摄像头获取的真实场景图像显示为

最底层, 然后根据标定所得的摄像头内外参数和三

维注册算法计算出标记在真实空间中的三维位置,再在预先建好的虚拟三维模型库中找出标记块一一

对应的虚拟模型, 在标记的三维位置上将其按照摄

像头的投影矩阵投影到摄像头的投影平面上, 并将

虚拟三维模型在投影平面上的影像和真实空间在投

影平面上的影像进行合成, 形成最后虚实结合的场

景进行输出,如图 14 所示。 具体步骤如下:(1)利用

摄像头捕获真实场景,获得彩色图像信息;(2)根据设

定的阈值将采集到的彩色图像转换成二 值 黑 白 图

像,并对该二值图像进行连通域分析;(3)找出其中

所有的四边形区域作为候选匹配区域, 将每一候选

区域与模板库中的模板进行匹配,如果产生匹配,则

认为捕获到了一个标记;(4)根据摄像头的位置信息

和真实场景中的定位标记来计算摄像头相对于已知

标记的位置和姿态;(5)按照仿射变换矩阵在视平面

上绘制虚拟物体,最后与真实场景的视频合并,并投

影到普通显示屏幕上。

五、增强现实技术对于教学的意义及价值

在理论研究方面,尽管基于 AR 技术的虚拟学习

环境是一个新生事物,但是它的某些特征符合一些教

育理论上的观点。 比如(1)情境学习认为在特定情境

中获得的知识比所谓的一般知识更有力和更有用,要

求知识在真实的环境下呈现。(2)AR 虚拟学习环境中

包括丰富的建构工具包和表现场所,并强调学习者自

己更多的控制,这样既符合皮亚杰“把实验室搬到课

堂中去”的设想与实践,又符合建构主义学习理论的

关于“学习是一种真实情境的体验”的观点。虽然对于增强现实的研究已经有几十年,但是它

未来之书首页 书上浮现的虚拟化学分子模型

书上浮现的牛顿第一定律三维模拟

书上浮现的牛顿第二定律三维模拟

书上浮现的单摆三维模拟 书上浮现的太阳系三维模拟

图 11“未来之书”虚实融合场景

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图 13“未来之书”内容编排结构

118

Page 6: 11 08 114 06 增强现实学习环境的架构与实践

2011.8 中国电化教育 总第 295 期 技 术 与 应 用

在实际领域的应用近几年才逐渐得到突破。 目前,增

强现实主要运用于娱乐业和营销领域,而且随着技术

的逐渐成熟或简化后它正逐渐向其他领域扩展。 从已

有的研究可以看出,国外对于增强现实的教育应用已

经有较多的探索,主要表现为增强现实的教育游戏形

式, 当然也不乏用于辅助教师课堂教学的成功案例。基于现实世界、由网络数据增强的游戏可以给教育者

提供强大的新方式来表达关系和联系,增强现实也可

以用来模拟对象,让学习者在现实环境背景中看到虚

拟生成的模型对象,而且模型可以快速生成、操纵和

旋转,能够在最贴近自然的交互形式下为学习者搭建

一个自主探索的空间,这对于抽象内容的教学是很有

启发意义的。 正是由于增强现实的这些特点,使得它

在教育领域具有巨大的发展潜力。国内关于增强现实学习环境实证研究比较少,

对其应用于教学的探讨也还基本处于萌芽阶段,其

中原因有:第一,现有的技术要么存在于实验室原型

设计, 要么需要一些价格高昂的硬件或商业软件支

持(如 Virtools 提供 AR 接口),所以客观上造成我们

对 AR 技术的特点缺乏深入了解, 对其用于教和学

的认识也只限于文献, 而没有真正体验 AR 环境中

的教学, 无法深入研究。 即便使用商业化的 AR 软

件,但由于其核心技术掌握在别人手中,很多很好的

适合我国国情的教学活动无法在现有的 AR 平台中

实现。 第二,从国外文献来看,目前对教育中的 AR技术的应用研究大多属于经验性研究, 以行动研究

为主,建立在具体案例教学中,包括具体教学活动的

组织、实行以及学习效果测试等研究。 现阶段对 AR技术的研究,国外也是建立在经验型研究的基础上,尚处于起步阶段, 我们和国外的差距也只落后两三

年。 如果我们结合我国具体教育实践,将教育学习领

域中的 AR 应用遇到的问题逐个解决, 并且随着研

究的深入,其在教学上的规律也会逐渐清晰,经验型

的研究必将产生抽象的理论体系。 从这一点来看,AR 虚拟学习环境带给我们的不仅仅是一个技术平

台,更可能是新的教学模式和方法。

六、增强现实教育应用发展趋势

增强现实技术环境因其虚实融合性、 实时交互

性、三维沉浸性等特征,与基于传统学习管理平台的

学习模式以及类似 Second Life、Sloodle 的三维虚拟学

习环境[22]有了新的不同,特别是其虚实融合的 3D 沉

浸环境,在教学物体模拟、教学过程体验、教学结果呈

现和师生交互方面都提供了新的可能。 在这种新环境

下的教和学,教学活动如何设计,学习过程如何交互,以及学习效果如何评价等问题都成为当前教育领域

增强现实技术研究的热点。 通过对增强现实环境的介

绍,本文总结出增强现实学习环境的发展趋势如下。(一)拓展教学内容及教学活动

当学习者和教授者面对的不是平面或者纯粹的

三维空间, 而是面对增强现实这种融合虚拟对象和

现实场景的学习环境时, 传统的交互手段可能不太

适应。 不过这也提供了更大的可探究空间,例如,如

何在这种虚实融合的仿真环境中依据情境认知理论

和学习活动理论设立课程内容、创建教学活动,学习

者之间如何更直接地交流, 用户学习体验模型和用

户交互行为模型如何建立, 这些问题都有待增强现

实学习环境的开发者和用户去发掘。(二)与现有学习管理系统整合

作为一门新生技术,增强现实环境必须能够与现

有的平面信息系统数据共享,或进行某种关联,才能

被主流教育工作者接受。 但如何把这两种截然不同的

环境整合在一起,就需要更多人来用它,深入研究这

种整合环境如何增强教学的效果,使之符合现有的和

新的教学方法。(三)与智能技术相融合

目前的增强现实学习环境还只是能够创建三维

图形及简单交互, 而学习是一个很复杂的活动过程,理想的增强现实学习环境应该能够模仿人类教学导

师的经验、方法和行为,并具有更友好的交互方式等。(四)与移动技术结合

移动学习是现在的研究和应用的热点, 但移动

设备上的增强现实技术目前还停留在基于地理定位

等简单 2D 应用的层面, 如何让学习者随时随地地

进行移动学习, 又能享受到 PC 机上增强现实技术

带来 3D 立体学习体验, 还需要技术人员和教育工

作者的不懈努力。

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誅收稿日期:2011 年 3 月 12 日

责任编辑:马小强

具有丰富情感交流和良好的人机双向交互的网络自

主在线学习模式, 必将使网络在线学习方式产生巨

大变革,使网络在线学习环境、学习资源、学习内容,以及学习者的学习形式、 交互方式等更加丰富而有

效, 也必将会促进网络在线学习质量得到根本性地

提高。

参考文献:

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作者简介:

李勇帆:教授,研究方向为信息技术教学论、情感计算、虚拟现实([email protected])。

李里程:在读硕士,研究方向为 Maya 特效、增强现实。

誅收稿日期:2011 年 1 月 22 日

责任编辑:马小强

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