增强现实技术在移动学习中的应用初探

华东师范大学

刘丙彦

摘要：增强现实是虚拟现实与现实世界之间的场景呈现。 与虚拟现实相比，它更贴近现实世界，在真实世界呈现的基础上为其他场景增添了一层耀眼的“层次”。 集成带来更丰富的交互体验。 随着网络带宽和手机技术的发展，增强现实技术与手机的结合也给人们的移动学习带来了新的体验。 本文阐述了增强现实的概念和技术，并讲解了增强现实技术在移动学习中的应用。 同时探讨了其应用中存在的问题和未来的发展前景。

关键词：增强现实 手机 移动学习 虚拟现实

1 简介

近年来，在信息技术发展的推动下，增强现实技术开始出现。 随着移动计算设备和网络技术的快速发展，智能手机、平板电脑等移动设备广泛应用于人们的生活中，成为获取信息的重要方式。 虚拟现实和增强现实在网络和移动设备上的应用也更加广泛​​。 由于增强现实比虚拟现实能够给用户带来更加真实的体验，因此移动增强现实系统的研究和应用受到了越来越多的关注。 利用科技与媒体融合的优势，将增强现实技术与手机平台相结合，使人们获取信息更加便捷，基于移动终端的免费学习体验也更加丰富。

2 增强现实技术与移动学习的概念

2.1 增强现实技术的概念和技术原理

增强现实技术（Re-，简称AR技术）于1990年首次提出，是在虚拟现实技术（简称VR技术）基础上发展起来的新技术。 它也被称为混合现实和增强现实。 基于计算机应用的人机交互技术。 该技术在教育、医疗、军事、娱乐等领域具有广泛而深远的应用前景。

增强现实技术通过计算机系统提供的信息，将现实世界的信息与虚拟世界的信息“无缝”结合起来，将现实世界中在一定时间和空间内难以体验到的物理感官信息结合起来。通过计算机和其他科学。 将技术、模拟和仿真叠加到真实场景中，增加用户对现实世界的感知，从而增强现实，实现超越现实的感官体验。 如图1所示。

增强现实系统具有虚实结合、实时交互、三维配准三大突出特点，即现实世界与虚拟世界的信息融合，具有实时交互性。

2.2 关键技术

构建AR系统需要用到很多关键技术，包括：显示技术、跟踪定位技术、界面和可视化技术、校准技术等。

(1)显示技术

显示技术主要采用头盔式显示器（Head-）、手持式显示器（Hand-Held）和投影显示器（），并需要借助辅助设备来增强人们对现实的感知。

(2)跟踪定位技术

为了实现交互，AR需要利用定位来准确跟踪用户的位置和视野方向。 但由于技术限制，定位误差时常发生。

(3)界面与可视化技术

目前交互技术的研究主要集中在用户如何更好地与AR应用进行交互以及如何让AR显示器上呈现的信息更加有效。 目前的研究主要有两个方向：

一是结合不同的设备并发挥各自的优势； 另一种是通过合适的接口将虚拟事物与真实环境结合起来。

(4)标定技术

为了让定位更加精准，AR系统需要采集大量的测量标定值，如视场角、传感器偏移、物体定位和变形、相机参数等。目前的AR标定采用的是相机标定原理，并开发了许多手动AR校准技术。 还开发了免校准渲染器来取代复杂的工作。 Seo和Hong提出了一种基于弱透视投影模型的免校准AR方法。 他们扩展了这种方法以覆盖弱透视投影并支持传统照明技术，但这需要使用冗余传感器信息自动测量和补偿不断变化的校准参数。

2.3 AR技术的应用领域

AR技术有着广泛的应用。 不仅可以应用于高科技设备研发、数据模型可视化、娱乐艺术等领域，在医学研究、精密仪器制造、远程机器人控制等领域也具有应用优势。

移动学习（M-）的概念由美国大学于2000年提出，引入中国后发展迅速，覆盖领域广泛。 它是利用基于互联网和通信技术的移动设备来完成的。 除了数字化功能外，它还具有自由学习功能。 “移动学习”是一种利用仅限于使用iOS等系统的智能手机的硬件移动设备，随时随地、不受时间和空间限制地获取信息的学习方式。

3 增强现实技术在移动学习中的应用

2013年11月，移动学习信息网对移动学习操作系统App选择要求的调查显示：iOS系统要求分别占74.34%和59.29%； 而Win8的系统要求仅为21.24%； 其他和不要求的分别为6.19%和15.93%。 从调查结果不难看出，手机在移动学习中发挥着越来越重要的作用。

如何将产品和设备与增强现实技术相结合，使用户能够实现沉浸式学习，在移动学习中实现最大程度的互动，提升用户体验，已经成为各大商家对移动技术投入的方向和重点。 目前，基于增强现实系统的特点和优势，增强现实技术在移动学习中的运用主要体现在以下几个方面。

3.1 增强图文表达

增强现实技术与移动设备的结合应用于移动学习领域。 它使用移动设备上的摄像头来识别标记，例如图片、二维码、文本等； 它还使用3D图像和多媒体信息技术来辅助识别标记。 将物体映射到手机设备的屏幕上，以达到物体真实感增强的目的。 目前主要应用于学习理解概念和操作，具体体现在三个方面：增强现实教材、博物馆学习、外语学习。

AR技术应用于教育的例子有很多。 例如：一家加拿大公司与一家AR移动平台公司合作，利用AR技术推广儿童学习产品——互动世界地图。 该交互式地图有 80 多个标记的对象。 扫描相应位置获取视频和音频，展示世界各地一些著名的建筑和独特的风土人情。 内容可每月更新，持续激发孩子的好奇心。 增强现实让孩子足不出户就能了解世界。

3.2 增强场景融合

AR技术将虚拟信息叠加到现实世界的物体或场景上，可以增强学习者所处的真实场景，提供一种新的感知信息的方式，为学习者提供一个自然的、一体化的学习环境。 另外，采用AR技术进行虚拟展示，使信息内容更加立体化。 与传统学习相比，获得的信息更丰富、更直观。

AR技术还可以用于恢复和显示无法恢复的物体和场景，以获得物体图像的丰富信息，为这方面的学习者提供有效的帮助。 例如：敦煌莫高窟的AR展示、圆明园的原景展示。 通过显示屏可以看到重建的遗址原貌。

人们可以在博物馆中学到丰富的知识。 为了吸引游客、激发观众的学习兴趣，越来越多的科技展厅、博物馆开始利用增强现实技术，为观众提供基于虚实场景结合的沉浸式学习环境。 在博物馆中，增强现实技术主要通过小屏幕来实现（目前主要指智能手机和平板电脑）。 针对展览的特定部分，博物馆开发了使用增强现实技术的iOS和应用程序。 观众可以通过小屏幕看到更多立体展示的多媒体学习资料。 例如，亚洲艺术博物馆就曾举办过“中国兵马俑”展览。 虽然只展示了一小部分，但观众可以下载博物馆开发的具有增强现实功能的iOS应用程序，并扫描六张与展览相匹配的提醒卡。 您可以看到更多真实空间出土珍贵文物的3D内容和视频。 与静态的常规展品相比，融入博物馆场景的体验式学习更有趣，学习效果更好。

3.3 增强定向意识

要实现虚拟与现实物体的完美结合，AR系统必须利用跟踪定位技术，实时准确地跟踪用户在场景中的位置和视野方向，将虚拟物体融入到场景中物体的准确位置中。真实世界。 当前移动AR发展的主要方向是将移动AR与位置服务相结合。 在跟踪技术方面，AR主要经历了三个阶段：GPS跟踪、标记跟踪和自然无标记跟踪。 户外AR系统大多使用基于位置的服务（LBS），通过无线电通信网络或外部定位方法（例如GPS）确定移动设备或用户的位置，并提供位置相关信息。 智能手机AR系统利用GPS实时追踪手机在真实场景中的位置，利用“电子罗盘”确定手机指向的方向，利用“加速度计”确定手机的倾斜角度，并将相关信息投射到真实场景中并呈现在手机屏幕上。 优越的。

它是一款AR移动应用程序，利用AR技术显示智能手机的视野，发现令人眼花缭乱的数字信息“层”并与朋友分享。 它拥有三千多层目录，带来强大的视觉浏览体验。 增强现实使用手机的相机和基于位置的数据来查找本地企业、历史事实、照片等。 “打开App，打开某个方向的摄像头，你会在虚拟屏幕上看到一个地理地标。点击进去，你可以看到该地区的待售房屋、热门酒吧、商店、旅游信息，以及相关杂志和广告海报等。”

4 增强现实技术在移动学习应用中存在的问题及未来发展

4.1 问题

《2016年中国增强现实市场专题研究报告》结果显示，中国增强现实行业应用成熟度（AMC）模型显示，我国增强现实行业仍处于市场启动期，重点探索应用领域、探索利润楷模。 特征。 如表1所示。

目前，基于增强现实的移动学习已逐渐开始在多个领域得到应用。 但由于技术的不成熟，该技术在手机上使用时也存在一些问题：无线网络传输过程中，带宽窄、速度慢往往影响处理效果。 在基于校准技术的跟踪、识别和渲染图像时，手机的计算负载很大，这会大大增加功耗并损坏电池。 因此，迫切需要提高电池质量。 多个用户之间进行手机增强现实操作时，复杂度高，占用内存大。 当手机无法携带时，可能会卡顿甚至死机，影响体验。 在户外，随着手机摄像头的增强现实交互，较低的图像分辨率和图形处理能力，以及光线过弱或过强，都会影响跟踪算法和识别精度。

而且，从媒体的角度来看，麦克卢汉说：技术是人类的延伸。 过度依赖技术进行学习，虽然减少了人们主动思考的麻烦，但也会在一定程度上降低、退化人们的思维能力。 。

4.2 未来发展

目前，增强现实技术尚未成熟。 虽然它的应用范围很广，但基本上都是表面层面的技术应用，不够深入。 使用手机进行移动学习也是如此。 鉴于硬件设备研发不成熟，需要加强手机硬件支持的设计，提高电池、GPS精度、手机处理能力等； 提高软件中的物体识别能力和业务信息支持，提高用户手机移动性。 学习中的互动体验。 增强现实技术是技术发展的趋势。 基于AR系统的手机信息获取和学习方法符合当前人们合理利用时间碎片化、碎片化信息获取的趋势。 随着移动AR技术的不断发展和完善以及手机技术的创新，移动AR技术将成为重要的研究方向，也将为广大用户学习和获取知识带来更加精彩的体验。

5 结论

目前AR技术的许多解决方案和应用还处于起步阶段，停留在科研开发和观望市场前景上。 距离大规模成熟利用还有很长的路要走。 不过，从AR基础技术在各个行业的应用来看，都取得了可喜的成果，比如在医疗、建筑、教育、影视等领域，AR技术展现出了巨大的利用价值和广阔的前景。发展前景。 在许多其他领域，AR技术的利用前景也非常被看好。 相信在不久的将来，基于成熟技术的AR系统一定会在手机知识获取的移动学习中展现出更大的价值和优势，给用户提供更多的功能和便利，以及更深层次的交互体验，让我们拭目以待。

本文发表于

《广播电视信息》2016年第8期

我是分割线

欢迎发表您的意见，小编在留言区等您