胥正宪

摘要：传统教育往往采用粉笔黑板以及使用投影仪等方式，存在着较多弊端，本文探讨了一种新的教育方案，将 AR 与 VR 技术应用于教育中。考虑到处理能力等多种因素，AR 与 VR 技术的发展目前主要借助 PC 机。但是随着移动终端处理能力的快速发展，如何将 AR 与 VR 技术应用于用户量庞大的移动终端。本文对VR/AR/MR技术在教学中的应用进行了文献研究，并做了一些探讨。

关键词：增强现实；虚拟现实；教育

随着技术的发展，增强现实（Augmented Reality简称 AR）与虚拟现实（Virtual Reality 简称 VR）被越来越多的人好看，它们在最近几年获得了较大的发展。在 2015年的一份投资报告中指出 AR 与VR 是未来又一个具有前景的技术[1-2]。目前 HTC、Facebook、Samsung、Apple、Alphabet 等科技公司都展开了相关研究与开发[3-6]。

在教育领域，随着计算机科学技术的快速发展，传统的黑板教学渐渐的被丰富多彩的多媒体教学所取代。多媒体教学所带来的巨大便利，受到了老师和学生的一致好评，但是也逐渐暴露出多媒体演示不够形象具体、没有沉浸感、缺乏互动体验、无法进行自主学习等缺点。而近几年兴起的 AR 与 VR 技术可以有效弥补上述缺点，本课题着力于将 AR 与 VR 技术应用于教育领域，从而使学生获得更好的学习体验。

1、核心概念及要素

（1）、VR，Virtual Reality，虚拟现实：是一种通过计算机模拟真实感的图像，声音和其他感觉，从而复制出一个真实或者假想的场景，并且让人觉得身处这个场景之中，还能够与这个场景发生交互。

VR要素：沉浸感，一种让人身处虚拟场景内的感觉，依靠遮挡真实场景的光线，提供尽可能大的视角，具有真实感的画面，三维，立体甚至光场的视觉，环绕声场和其他感官的刺激实现。

交互性，用户可以和虚拟场景中的内容发生实时交互，对用户行为具有真实感的响应，可以有视觉上，力觉上，听觉上和其他感官上的回馈，依靠传感器，软件运算，执行机构等系统实现。

假想性，可以根据设计者的想象设计出各种各样的虚拟场景，内容来源于现实而高于现实，可以在一定程度上违反物理定律，超现实的虚拟场景，依靠人为想象，软件设计，特效等途径实现。

2、AR，Augmented Reality，增强现实：是一种直接或间接地观察真实场景，但其内容通过计算机生成的组成部分被增强，计算机生成的组成部分包括图像，声音，视频或其他类型的信息。

AR要素：現场感，通过直接（镜片透视）或间接（摄像头拍摄，实时播放）观察真实世界，处于什么现场就显示什么现场。

增强性，对现场显示的内容增加额外信息，包括图像、声音、视频或其他信息。

相关性，计算机必须对现场进行认知，增加的内容和现场具有相关性，包括位置相关，内容相关，时间相关等等。

3、MR，Mixed Reality，混合现实：一种将真实场景和虚拟场景非常自然地融合在一起，它们之间可以发生具有真实感地实时交互，让人们难以区分哪部分是真实的，哪部分是虚拟的。

MR要素：现场感，真实场景和来自现场，通过镜片透视或摄像头方式取得，和AR一致。

混合性，真实场景和虚拟场景自然地合在一起，发生真实感地交互，包括遮挡，碰撞等。

逼真性，虚拟场景的显示效果接近真实场景，不容易辨别。

二、国内外研究动态及水平

目前 AR 与 VR 技术发展正处在方兴未艾的阶段，很多 AR 与 VR 项目都在积极研究中。例如Google 推出了 VR 解决方案 Cardboard、Microsoft Holo Lens 全息眼镜由Microsoft 公司于北京时间 2015年1月22 日凌晨与 Window10 同时发布、Apple 收购了 AR 开发解决方案 Metaio 用以发展自己的 AR 技术、Intel 收购了 AR 头戴式显示器制造商 Recon、Sony 推出了 Play Station VR 头盔、Facebook 也推出了自己的 Oculus Rift VR 头盔、HTC 也于今年推出了自己的 VIVE VR 头盔、Samsung推出了 Gear VR设备。在国内也有很多厂商也积极研究 AR 与 VR 技术，例如 Tencent 有计划推出自己的 VR 头盔。

90年代以前，AR的概念还比较模糊；90年代是AR技术迅速发展的10年。比较有名的研究机构有：美国麻省理工大学的图像导航外科手术室；哥伦比亚大学的图形和用户交互实验室；日本的混合现实实验室；德国的Arvika组织；新加坡的混合现实实验室。此外，用于快速开发的开源软件工具ARToolkit也由华盛顿大学的图形实验室成功开发并维护至今。

原有的研究领域拓展到多个新的领域，如城市规划、娱乐教育、工业仿真、文化遗产保护等AR系统由简单的桌面式扩展到户外可携带型、空间体验型显示设备也从头盔显示器延伸到大型可触摸式、桌面投射式和便携式。

我国在AR领域的研究起步较晚，研究机构主要集中在高校的科研单位：北京理工大学；北京航空航天大学；国防大学；浙江大学；上海大学；从国内发表的论文来看，主要集中在系统应用和配准技术上，研究的问题比较单一、涉及面比较窄另外，从专利申请的情况看，全球共有108个，这之中我国仅有北京理工大学的一个。

目前国内AR的研究成果主要有：北京理工大学自主研制了视频、光学穿透式两类头盔显示器；北京理工大学利用AR技术重建圆明园的实验也取得了重要进展；上海大学快速制造工程中心与浙江大学合作开发了AR场景光源的实时检测和真实感绘制框架；此外，在城市规划、地下管网、地理信息系统等领域也有相关的研究。

在教育领域，目前传统教材所展现的信息都非常有限，如能结合 AR 与 VR 技术进行相关改进，使之变为应用 AR 与 VR 技术的课本，将会给使用者新的使用体验，帮助使用者更好的、更全面的了解教材所提供的信息，对更加有效掌握知识非常有帮助。在这方面，国内外有着很多研究，可为我们提供很好的借鉴。

参考文献

[1]徐德华，张雪艳. 中国 VR 技术发展现状、应用前景与对策研究[J]. 经营管理

者，2017，（01）：271.

[2]黄贤立，罗冬梅. 基于讯飞语音技术的智能家居控制 APP 设计[J]. 福建电

脑，2016，（08）：112+145.

[3]王阳. 基于 Android 的室内 Wi Fi 定位系统设计与实现[D].南京大学，2016.

[4]张宇. 现实亦虚拟 虚拟亦现实[J]. 机器人产业，2016，（02）：48-54.

[5]王晓雨. 沉浸式虚拟 3D 敦煌莫高窟场景重现技术研究[D].西安工程大学，2016.

[6]王志强. 基于移动增强现实的虚拟机械臂系统研究与实现[D].河北工程大

学，2015.

[7]罗永东，张淑军. 一种基于 Unity 3D 的移动增强现实自动导览方法[J]. 计算机与

数字工程，2015，（11）：2024-2028+2051.