单位文秘网 2022-02-14 08:12:53 点击: 次
信息应用到真实环境中,使真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到同一个画面或空间同时存在,呈现给使用者一个感官效果真实的新环境。
高普及度、便携易用的手持设备如智能手机等,实现了增强现实系统的小型化和便携化,是最能体现增强现实价值的平台之一,将大大拓展和深化增强现实系统应用的广度和深度。在近年新媒体联盟(New Media Consortium,NMC)发布的地平线报告中,增强现实技术和移动技术多次被列为具有潜力的关键技术,在教育领域具有广阔的应用空间和发展潜能,将对教学、学习和创造性表达产生积极的重大影响。增强现实技术为学习者提供情境性的学习体验,为移动学习提供了新的交互方式和学习情境,更好地符合了学习者随时随地进行学习的泛在学习目标。如何有效地将其应用到学习领域,为用户提供学习支持,需要我们的深入研究和思考。
一、增强现实系统
增强现实系统研究涉及多学科背景,包括计算机图形处理、人机交互、信息三维可视化、新型显示器、传感器设计、无线网络等。我们对增强现实系统从多个角度进行了综合分析,如图1所示。增强现实系统的工作原理与传统增强现实系统相同,基本流程为:(1)获取场景信息;(2)对传感器获取的信息进行分析处理;(3)生成虚拟图像;(4)三维显示。相对于传统增强现实系统,增强现实系统一般不需要显示完整的场景,但需要实时地分析处理大量传感器数据和虚拟信息,以进行精确的三维注册,所以增强现实系统具有特定的软硬件平台支持和关键技术支撑。与传统的增强现实系统相比,增强现实创新了移动应用模式,具有增强、移动、整合、开放等特征。
1.硬件系统
(1)处理器系统——持续计算能力
处理器系统用于提供增强现实系统的计算能力,是评价移动互联网终端性能的重要参数,主要包括CPU和GPU。当前智能手机的CPU已发展为多核处理器,以高速频率保证高运算要求。同时随着应用程序的丰富,智能终端需要处理复杂的图像任务,在硬件上引入了GPU负责图形显示功能的处理,系统性能得到极大提高。
(2)显示系统——采集显示能力
显示系统主要提供智能终端的采集显示能力,包括显示屏幕、摄像头等,是实现增强现实应用的重要设备。当前智能终端的显示屏幕基本在3.5英寸以上,屏幕色彩度日益提高,分辨率逐渐增强。终端摄像头分辨率通常达到百万级别至千万级别,可以拍摄和录制高清晰度影像。
(3)传感器系统——状态感知能力
传感器系统是实现增强现实的必要支持。当前,丰富的传感器设备已经成为智能手机的重要组成部分,如GPS、电子罗盘、加速计、陀螺仪、重力感应器、位移传感器、光线感应器等。传感器系统使手机变得越来越智慧化,向着情境感知的方向发展,增强了手机体验感和用户互动,是实现增强现实系统的有力支持。
(4)交互系统——人机互动能力
交互系统是影响增强现实系统体验的主要手段。当前智能手机采用触摸屏交互、语音交互等交互方式,在人机操作关系上产生了很大的变革,可以通过多通道与计算机生成的虚拟信息进行交互式反应,使用户更自然地融入到场景中去,具有更新鲜的体验感。
(5)网络系统——通信传输能力
无线通信技术和互联网技术是移动服务的支撑技术。在一些增强现实的应用中需要通过远程服务器来存储大量的数据信息,某些数据处理也要通过远程服务器来完成。3G等无线通信技术为增强现实应用的发展提供了网络带宽等支持。
2.软件系统
(1)目标识别算法
目标识别指在相关场景中找到给定的目标物体,并对其进行标记。增强现实需要实现复杂移动场景中的实时目标识别,如可采用多特征如色彩、纹理、轮廓融合的方式对复杂场景进行特征提取和识别。
(2)跟踪注册算法
跟踪注册算法将虚拟物体合并到真实空间中的准确位置。增强现实系统应实时跟踪手机在真实场景中的位置及姿态,并根据这些信息计算出虚拟物体在图像中的坐标,实现实时、鲁棒、稳定、准确的跟踪,保证虚拟物体画面与真实场景画面精准匹配。
(3)三维图形渲染算法
通过三维图形建模和渲染算法处理,在真实环境中叠加有增强显示效果的三维物体,进行逼真显示,帮助用户对环境的理解。
3.增强现实的类型
从增强现实在跟踪注册技术采用的不同方法角度来分析,可以将增强现实分为基于标记的和无标记的两类。基于标记的增强现实是指通过特定的标记或图案供系统辨识,使用计算机视觉方法识别出这些标志物,从而计算出摄像机相对于标志物的位置和方向,再据此计算出虚拟物体应该放置的位置和方向。在无标记增强现实系统中,真实环境的任何一部分都能被用作一个可跟踪的目标,通过摄像头捕捉现实世界的图像,然后在显示屏的图像上叠加文本、链接或其他对象实体,构建一个新的三维图形模型。二移动学习与增强现实的研究与发展分析
对增强现实技术的研究属于教育新技术研究的范畴,目标是通过技术研究,探索技术在教与学中的应用模式。本节基于Hype Cycle模型与地平线报告研究,分析增强现实在教育中的应用发展与前景。
1.Hy]pe Cycle模型分析
(1)Hype Cycle模型与教育技术
Hype Cycle(发展规律周期)模型是由Gartner提出的一个应用广泛的发展周期预测模型,模型描述了一项技术从诞生到成熟,再到广泛应用的过程,如图2所示。模型指出,技术的发展过程通常有以下规律:首先是起步上升期和快速发展期,这两个时期主要是理论研究阶段,新的技术理论从出现到快速成长,理论突破频繁。到了快速发展期的顶端,基础理论基本成熟,理论探索空问缩小。而此时该项技术在产业上的应用尚未成熟,缺乏成熟的应用模式,因此新技术受关注程度进入下降期。随着新技术应用模式的不断创新,该项技术的受关注程度将再次增加,并将其带入一个持续发展的爬坡期。随着技术应用模式的成熟,进入稳定应用期。
教育技术关注技术在教育领域应用,Hype Cycle发展周期模型对技术演进的分析,有助于我们对技术教学应用的研究。在教育技术研究中,教育新技术研究是前瞻性研究,它有助于我们探索教育技术未来发展的方向,帮助我们研究新技术,预见新技术在教育领域中的发展。技术的教学应用研究是核心研究,是教育技术的目的。需要在对新技术研究的基础上进一步设计开发其在教学中的应用,通过技术在教育中的应用体现和提升其价值。表1和图2分析了技术发展周期模型与教育技术研究各个阶段的关系。
(2)基于Hype Cycle模型的移动学习与增强现实分析
我们综合分析了Gartner最新提出的关于教育、新型技术、情境感知、人机交互等领域的分析,对其中与移动学习、增强现实、移动应用等相关的项目进行了分析,作出图3分析。
由图3中各项技术所处的发展阶段,得到如下分析结果:
●增强现实:处于快速发展阶段末期,理论研究逐步成熟,但在行业上的应用尚未成熟,需要进一步探索技术的行业应用模式。
●移动学习:Gartner将移动学习分为了两类,一类为低阶(Low-range/Midrange)手持设备,一类为智能终端设备。两类移动学习当前都尚处于应用模式探索阶段。
●移动应用开发:与增强现实相关的移动应用开发研究,如位置服务应用、移动开发平台等,技术相对成熟,已经具有相关的应用模式,处于技术的稳定应用期。
●情境感知:情境感知是与增强现实密切相关的一个研究领域,当前主要处于理论研究的快速发展时期。
2.地平线报告分析
我们对新媒体联盟历年发布的地平线报告中,与移动学习和增强现实有关的项目进行了分析。从2006年至今,在地平线报告中,每年都有移动技术和移动学习相关的项目,2005、2006、2010和2011年四年的地平线报告中,也都关注了增强现实在教育领域中的应用。
从地平线报告分析可以发现,手机、移动宽带、移动设备、移动计算等技术在近年被提及的次数最多,移动技术在教育中具有巨大的应用空间和发展潜能,移动学习是教育信息化发展的重要趋势。增强现实也在近年逐渐得到教育领域的关注。在2012年地平线报告中,与移动学习和增强现实有关的项目有如下变化。首先,“增强现实”这一项在2012年地平线报告中已不再出现。而在2011年地平线报告中排列第二位的“移动设备”,2012年从关注硬件设备转为关注如何通过移动设备更好地进行各种应用研究。2012年提出的“移动应用程序”(Mobile Apps)和“平板电脑应用”,强调的都是“应用”(Tablet Computing)。2013年地平线报告中再次强调了“平板电脑应用”(Tablet Computing)。分析这种变化,在于传统增强现实和移动相关的理论与技术研究相对成熟,未来关注的重点是学习应用模式的研究与创新,这与Garter的预测模型分析结果是一致的。
3.分析
基于Hype Cycle模型和地平线报告,我们分析如下:
(1)传统增强现实、移动设备、移动计算等理论与技术已趋于发展成熟,为增强现实和移动学习的发展提供了支持,未来将更多的关注应用模式的创新研究。
(2)增强现实技术在理论研究上日趋成熟,需要进一步探索其行业应用模式,随着移动学习和泛在学习的发展,教育应用将是增强现实应用开发和价值体现的重要领域。
(3)基于智能设备的移动学习正处于应用模式的发现和创新阶段,增强现实为移动学习提供了新的学习情境和交互方式,带来了新的研究场景和研究思路,将有效推动新的移动学习模式的研究。
(4)移动学习和增强现实二者相互融合,相互推动,共同发展。随着未来在情境感知等领域研究的发展和成熟,也将进一步推动增强现实的应用研究。
三、基于增强现实技术的移动学习分析
基于增强现实技术的移动学习研究在国内外还处于起步阶段,还需要我们更多的探索。
1.研究现状分析
已有研究中,学者们对增强现实技术应用于移动学习领域的有效性进行了分析,指出其在多个方面的优势。
(1)在学习情境创设上,基于增强现实的移动学习可以创建符合情境的学习环境,支持泛在的、协作的情境学习,丰富了个人学习环境的建设。
(2)在增强学习体验上,增强现实促进学习者与多种形式的情境信息进行交互互动,使学习信息的搜索更加便捷、学习体验更加真实,学习交互更加自然。
(3)在促进学习与能力培养上,增强现实型学习软件在注意力保持、学习迁移方面等优于文本型、图文型、计算机多媒体型等类型,有助于提高学习有效性。
2.学习案例分析
当前增强现实在教学领域的应用案例主要集中在泛在学习和游戏等方面。Star Walk(星空漫步)是一款典型的基于iOS系统的天文地理学习软件,如图4所示。
在使用时,当学习者开启Star Walk后,将摄像头对准天空,软件将对屏幕内的对象信息进行分析处理,及时提供关于对象的信息,呈现学习对象的增强实时互动三维模型,是一种即指即现的方式。学习者可以实时根据所处的经纬度、时间,学习所在位置的星空图,并可以通过“时间机器”功能,使学习者观察过去、现在的星相信息。软件通过维基百科链接描述天体条目的信息,并能够设置标签,通过微博等社交网络与其他学习者交互。Star Walk增强现实软件拉近了学习者与星空、天文学的距离,并且使用方法简单、界面设计美观、功能强大,是增强现实技术在移动学习中应用的成功案例。
3.Speeht的增强现实学习模式
对Star Walk学习案例进行分析,可以发现,增强现实应用综合了学习者的位置、时间、环境和社会关系等情境信息,创设了完善的移动学习体验。Marcus Speeht等提出了一个基于增强现实的学习分析模式,如图5所示。
模式基于增强现实的情境增强维度和学习目标维度进行分析,横向维度分析了六种典型的移动学习情境:独立情境,标识、位置、环境、关系与时间,纵向维度分析了六种不同层次的教学目标:资源描述、探索发现、内容理解、学习反思、团体合作、行为绩效。
增强现实支持和满足了学习对情境的要求,学习内容由移动学习系统通过感知学习者的学习情境自动推送给学习者,并且通过情境感知和处理,增强和创设新的学习情境。不同类型的增强现实学习,能够满足移动学习不同的情境需求,达到不同层次的教育目标。如StarWalk学习应用,基于学习者的位置情境、环境情境和时间情境,为用户提供良好的学习体验,将有助于学习内容的资源描述、探索发现、增强学习者的内容理解与协作学习。
Specht的分析模式对我们研究基于增强现实的学习具有借鉴和指导作用,从情境信息角度设计和分析移动学习应用,为学习者创设完善的学习情境,将增强移动学习的智能性和适应性,有助于学习支持系统功能的进一步完善,是移动学习可以深度扩展的方向。四增强现实学习系统设计
本节提出一个增强现实学习系统的设计与开发模型。在前期研究中,我们曾提出了一个面向位置服务移动学习的开发模型,在此基础上,我们对前期模型进行了扩展和细化,新的模型不仅适用于基于增强现实的系统开发,也能够对各种移动学习系统的开发提供框架指导,如图6所示。
增强现实学习系统的设计与开发包括需求分析、功能设计与技术实现三个模块。在需求分析阶段,要从用户角度和资源特点出发,对所要开发的软件进行分析。并非所有的学习活动都适用于移动学习形式,因此,需求分析是首要步骤,目的在于判断学习是否适合于增强现实类型。不恰当的应用移动设备不仅会造成资源上的浪费,还可能对学习的最终效果产生负面作用。在功能设计阶段,结合增强现实软件的特点和移动学习应用模式要求,进行媒体设计、交互设计、三维模型设计、位置服务和社交服务设计。在技术开发阶段,基于相应的移动平台,进行应用程序的开发。三个模块对应的层次包括系统层、服务层、应用层和开发层。系统层为手机提供底层的软硬件支撑,包括手机硬件平台和操作系统。服务层提供应用程序开发的接口和模块,我们将服务层进一步细化为两个层次:操作系统平台类库和第三方支持类库。不同类型移动学习系统开发涉及的功能模块,主要在服务层提供的各种开发包的支持下实现。其中基础服务层主要包括操作系统平台类库,如传感器编程组件、位置服务组件等。开发服务层包括第三方支持类库,地图引擎,增强现实开发的相关工具开发包如ARToolKit、Layar、高通Vuforia,以及各种相关移动开发框架等。应用层向上为用户提供学习应用,向下选择和使用服务层的相关功能。根据对移动学习系统的应用需求、功能模块、学习目标等的分析,选择适当的移动学习应用模式。具体的开发结合选用的平台,基于服务层的支持实现。在用户层,学习者通过智能手机终端,使用相应的学习软件。
五、结束语
增强现实领域当前还处于应用模式的探索时期,如何将增强现实有效地应用到教育与学习领域还需要我们持续深入的研究。下一步将对基于增强现实的学习模式和学习活动进行研究,如如何设计新型学习资源和资源呈现方式,如何构建有意义的问题情境,增强学习动机,如何设计有效的移动学习活动等。
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