張君輝，路子寬，曹佳偉

（青島工學(xué)院，山東 青島 266399）

引言

AR（Augmented Reality）即增強(qiáng)現(xiàn)實，它是將真實世界和虛擬世界連接起來的的技術(shù)，把現(xiàn)實世界中所存在的虛擬信息，通過一種技術(shù)來模擬這種信息，模擬它、重復(fù)它，并將虛擬信息應(yīng)用于現(xiàn)實世界，應(yīng)用于人類感官。AR 在虛擬現(xiàn)實與現(xiàn)實中存在，它采用了專門的加工方法或使用了專門的道具，使現(xiàn)實和虛擬結(jié)合在一起，取得和諧統(tǒng)一。增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)主要包括多媒體、三維建模、實時視頻顯示與控制、多傳感器融合、實時跟蹤與注冊、場景融合等新興技術(shù)[1]。

編程不斷成為我們生活中的一種必備技能，其學(xué)習(xí)手段和方式，必然成為我們關(guān)注的一個點(diǎn)。利用AR滲入學(xué)習(xí)的方式能夠帶來很多教育方面的優(yōu)勢。第一，學(xué)習(xí)方式的多樣化增強(qiáng)。通過三維立體浮現(xiàn)，視頻，闖關(guān)游戲等方式，使得學(xué)生更加沉浸于其有趣多變的學(xué)習(xí)中。第二，學(xué)習(xí)的場景真實性加強(qiáng)。AR 技術(shù)結(jié)合學(xué)習(xí)內(nèi)容，能夠有效的加強(qiáng)中小學(xué)生對知識的理解和對物體的認(rèn)知能力。多媒體、三維建模、視頻、游戲等都提供給學(xué)生們以良好的互動。通過不斷研究AR 技術(shù)，讓AR 的使用范圍更加廣泛。根據(jù)學(xué)生不同的個性，提供不同的學(xué)習(xí)環(huán)境和交互體驗。

1 AR 學(xué)習(xí)平臺在教育領(lǐng)域的國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)

國內(nèi)：2017 年11 月23 日上午，由教育部《中國教育信息化》雜志主辦的2017 年全國教育信息化創(chuàng)新與應(yīng)用成果展覽在武漢國際博覽中心重啟。會上，國內(nèi)首個AR / VR 普教云平臺、國內(nèi)首個將K12 教學(xué)內(nèi)容與AR / VR 技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合的教學(xué)平臺——AR 奇葩學(xué)校正式上線[2]。

AR 奇妙學(xué)堂作為中國首家AR/VR 普教云平臺及中國首家結(jié)合K12 教學(xué)內(nèi)容的AR/VR 技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)教學(xué)平臺，影新科技?xì)v時2 年重磅推出，其運(yùn)用最前沿的AR, VR 開發(fā)引擎以及教育行業(yè)特有的大數(shù)據(jù)分析算法嵌入AR/VR 教學(xué)課程2000+,成為當(dāng)前中國最大的AR/VR 課程庫。

國外：自2016 年，美國教育部便在高等教育中推廣 VR 技術(shù)。據(jù)了解，華盛頓大學(xué)最早開設(shè)VR/AR 相關(guān)課程；位于加州圣何塞的科格斯韋爾大學(xué)（The Cogswell College）也正式開辦VR 和AR 專業(yè)[3]，美國中小學(xué)開始使用增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）進(jìn)行教學(xué)。增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一種擴(kuò)展技術(shù)，它集顯示、交互、傳感、計算機(jī)圖形學(xué)和多媒體技術(shù)于一體，是一門典型的跨學(xué)科技術(shù)。加利福尼亞州的《加州公立學(xué)校課程標(biāo)準(zhǔn)》（K-12）提出，在教學(xué)中應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)可以為培養(yǎng)學(xué)生的能力和教師應(yīng)具備的素質(zhì)提供巨大的外部幫助，從而促進(jìn)學(xué)生內(nèi)外學(xué)習(xí)動機(jī)的轉(zhuǎn)化，通過AR 技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)可以促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)造力[4]。

2 AR 學(xué)習(xí)平臺研究內(nèi)容

2.1 研究視頻學(xué)習(xí)+模型展示的方法，簡單的視頻通過AR 技術(shù)后立馬變得立體、生動，實現(xiàn)跟蹤技術(shù)的基于視覺的跟蹤定位技術(shù)，實現(xiàn)二維圖片定位，三維圖片定位和基于SLAM 的三維環(huán)境定位，可以實現(xiàn)立體圖像通過視頻展示。

2.2 研究編程游戲制作＋闖關(guān)的實現(xiàn)，通過在AR 系統(tǒng)上構(gòu)建編程游戲的背景模型，提供給用戶已經(jīng)封裝好的編程命令，用戶通過各種組合不同的編程命令達(dá)到通過關(guān)卡的要求，并記錄闖關(guān)時間。

2.3 研究錄制視頻離線傳輸?shù)膶崿F(xiàn)，用戶使用錄制視頻離線傳輸?shù)姆绞绞峭ㄟ^流媒體傳輸形式進(jìn)行的，其核心是串流(Streaming)技術(shù)和數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，使用緩存機(jī)制，解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包問題和數(shù)據(jù)傳輸擁塞問題。選擇更合適傳輸視頻數(shù)據(jù)的UDP 等協(xié)議。

2.4 研究在線與用戶視頻的實現(xiàn)，通過在AR 系統(tǒng)上建立視頻交互窗口，通過服務(wù)器中轉(zhuǎn)方式以及編解碼（音視頻）技術(shù)+流媒體技術(shù)，采用UDX 協(xié)議，并解決網(wǎng)絡(luò)延遲問題。

3 AR 學(xué)習(xí)平臺創(chuàng)新點(diǎn)與項目特色

（1） 采用了當(dāng)今流行的AR 技術(shù)，使得在顯示、交互、傳感、計算機(jī)圖形與多媒體技術(shù)等方面得到了充分的利用和結(jié)合。（2） 利用AR 技術(shù)，可以利用充分的立體結(jié)構(gòu)模型來幫助孩子理解很多通過想象不容易理解的問題。加強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，促進(jìn)了孩子的興趣產(chǎn)生。（3） 利用AR 的學(xué)習(xí)平臺進(jìn)行程序設(shè)計的初步學(xué)習(xí)，促進(jìn)了孩子們對計算機(jī)對編程的認(rèn)識和了解。從娃娃抓起的計算機(jī)編程，為以后孩子擁有更大的潛力做好充足的鋪墊。（4） 對于中小學(xué)的教育可以集中于在非智力因素上，如學(xué)習(xí)環(huán)境、學(xué)習(xí)方式、學(xué)習(xí)策略等來利用AR 技術(shù)。（5） AR 技術(shù)能夠降低成本，AR 技術(shù)能夠讓課程變得虛幻化，不需要實質(zhì)性的物品和材料。例如，在人體解剖中，AR 可以呈現(xiàn)3D 虛擬人體，用戶可以控制控件并查看三維圖像。在生物課上，使用AR 卡進(jìn)行教學(xué)，以便更直觀地了解生物結(jié)構(gòu)[5]。

4 AR 學(xué)習(xí)平臺技術(shù)參數(shù)

3D 模型：3Dmax 或maya 輸出。

MP3 格式：音頻輸出4.8 hz。

識別圖：JPG 格式或者PNG 格式，1 200×1 200 px 以上。

客戶端類型：IOS，Android。

5 AR 學(xué)習(xí)平臺研究路線

研究路線：

5.1 準(zhǔn)備工作。在vuforia 做的操作是添加數(shù)據(jù)庫，也就是用來識別的目標(biāo)，切換到Target Manager 視圖，點(diǎn)擊Add Database：

選擇device 類型，target 就是我們添加過的目標(biāo)對象，一個數(shù)據(jù)庫可以有多個識別目標(biāo)，用名字區(qū)分，Rating 的星星數(shù)越多它的可辨識度就越高，勾選需要的目標(biāo)點(diǎn)擊下載，平臺選擇Unity 就會自動生成一個unitypackage 給你下載到本地。

通過點(diǎn)擊Add Target 添加目標(biāo)，這里選擇最簡單的二維圖像為目標(biāo)。在數(shù)據(jù)庫面板點(diǎn)擊某個目標(biāo)的名稱可以看它的特征點(diǎn)，十字表示的是計算得到的特征點(diǎn)，特征點(diǎn)數(shù)越多，識別效率越高：在Unity 中打開Edit->preference->External Tools 填 寫jdk 和sdk 路徑。

5.2 創(chuàng)建一個單圖片預(yù)定義目標(biāo)識別的應(yīng)用。在完成上述步驟后打開unity，導(dǎo)入VuforiaSDK 的擴(kuò)展包（高版本不需要），新建場景刪掉主攝像機(jī)，進(jìn)入主界面vuforia->prefab，選擇ARCamera 和ImageTarget：導(dǎo)入的模型，可以在Assest store 下載完整的模型擴(kuò)展，當(dāng)然也可以是自己做的，自己做可能需要導(dǎo)出fbx 模式。把模型拖到ImageTarget 下，把剛剛下載好的數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入（在 Assests 面板點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵 ->import pacage->custom package，選擇下載的database）以備用。進(jìn)入vuforia 項目配置面板填寫許可證并激活數(shù)據(jù)庫：點(diǎn)擊image target 在其右側(cè)Image Target Behaviour 中勾選數(shù)據(jù)庫及識別圖像。

5.3 用戶自定義目標(biāo)識別應(yīng)用實現(xiàn)。打開ImageTargetBehavior 組件，將Type 從predefined 改為userDefined。

5.4 模型動畫。點(diǎn)擊一個動畫，右側(cè)點(diǎn)擊Rig。找到模型，為其添加Animation 組件，添加一個默認(rèn)動畫。

5.5 播放音樂。AudioClip 加入音源，可以調(diào)節(jié)音頻關(guān)的效果，還可以調(diào)節(jié)3D 效果。在ImageTarget 對應(yīng)的面板將添加到模型上的音樂拖過去。

5.6 識別播放的視頻。目前vulforia 已經(jīng)提供了免費(fèi)的視頻組件VideoPlayback，官網(wǎng)可下，做法在下面給出：Imagegetarget 下添加預(yù)制體Video。ARCamera 下掛載 腳 本PlayVideo；Imagetarget 掛 載trackable Event Handler 腳本并刪除原先的Default Event Handler;Video 對象下Videoplayback 組件path 變量加入所播放視頻的名稱，視頻存在StreamingAssest 下。

AR Liscense 填寫及數(shù)據(jù)庫激活后即可實現(xiàn)播放視頻。

6 AR 學(xué)習(xí)平臺未來展望

AR 在現(xiàn)在有很大的發(fā)展?jié)摿?，在未來也有很多的發(fā)展空間。AR 在教學(xué)領(lǐng)域中的作用很大，但是如果老師或者學(xué)生的操作受限，也必然會影響AR 在學(xué)習(xí)領(lǐng)域的研究。學(xué)生依然以傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式為主，對于很多新型的AR 設(shè)備，他們了解的還甚少，很多方面的研究，我們還處在表面，因此發(fā)展需要很長的一段時間。隨著教育的不斷改革，科學(xué)技術(shù)的地位日益上升，因此，我們要適當(dāng)加強(qiáng)AR 的研究力度，通過不同的方式，解決當(dāng)前學(xué)生的編程學(xué)習(xí)問題。從電視機(jī)，投影儀開始學(xué)起，再到AR 眼鏡，AR 電腦等，從簡單的虛擬環(huán)境，慢慢配合三維移動物品，學(xué)生能學(xué)到除知識以外的很多操作技術(shù)，也能了解當(dāng)今科技的前沿[6]。因此，相信在不久的將來，我國的AR 技術(shù)會與學(xué)習(xí)領(lǐng)域融合的非常融洽。

現(xiàn)在，我國“互聯(lián)網(wǎng)+”、人工智能、大數(shù)據(jù)的熱潮不斷涌起。AR 技術(shù)適用于學(xué)習(xí)之中，但是由于AR 技術(shù)的硬件設(shè)備還不夠完善，現(xiàn)階段市場上依然找不到可以大量生產(chǎn)的AR 設(shè)備。虛擬現(xiàn)實與增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供了有利條件，虛擬現(xiàn)實與增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)為學(xué)生提供更加真實的情景，AR 可以讓全國各地的學(xué)生們聚集在一個虛擬環(huán)境中，一起學(xué)習(xí)，并且達(dá)到真實、實時的互動。

[1]周世明,柳思宇.基于AR 技術(shù)的學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)[J].電腦迷,2018(3):182.

[2] 霍莉樺. 基于AR 的深度學(xué)習(xí)平臺研究與開發(fā)[D].天津：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué),2018.

[3]李小平,陳建珍,趙豐年,等.AR/VR 學(xué)習(xí)情境設(shè)計問題的研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2017,27(8):12-17.

[4]盤華,鐘正,陳衛(wèi)東.基于移動AR 的幼兒學(xué)習(xí)資源設(shè)計與應(yīng)用[J].教育研究與實驗,2020(3):76-79.

[5]鐘佳德.教育工具成AR 技術(shù)發(fā)展方向[J].消費(fèi)電子,2016(6):50-53.

[6]梁慧慧.基于AR/VR 技術(shù)的室內(nèi)設(shè)計專業(yè)高效課堂教學(xué)模式構(gòu)建[J].工程經(jīng)濟(jì),2018,28(10):60-63.