基于手機的增強現實及其移動學習應用

[摘 要] 增強現實技術能為學習者創設虛實相融合的學習環境，讓他們在看到周圍真實環境的同時，還能看到計算機產生的虛擬信息。以手機作為增強現實應用的實現平臺，由于在移動性、便攜性以及人機交互性等方面具有較強的優勢，因而更具移動學習的應用前景。文章在論述基于手機的增強現實的結構、關鍵技術及主要功能特點的基礎上，從基于情境感知的學習、科學探究學習及參與模擬的學習等三個方面探討手機增強現實的移動學習應用。通過研究，能對基于手機的增強現實及其在移動學習中的應用有更深的理解。

[關鍵詞] 手機； 增強現實技術； 移動學習應用

[中圖分類號] G434 [文獻標志碼] A

[作者簡介] 程志（1965—），男，廣東河源人。副教授，博士，主要從事數字化學習、教師專業發展研究。E-mail：hnhkcz@sina.com。

一、前 言

增強現實（AR）是將計算機生成的二維或三維的虛擬信息與真實環境中的景象相融合的一種技術，它綜合了計算機圖形、融合顯示、多傳感器、圖像處理、計算機視覺等多門學科，是在虛擬現實（VR）的基礎上發展起來的一個新興的研究領域。增強現實系統的使用者可以在看到周圍真實環境的同時，還能看到計算機產生的增強信息，這種增強信息可以是在真實環境中與真實物體共存的虛擬物體，也可以是與存在的真實物體有關的非幾何信息。[1]目前，增強現實技術在醫學、娛樂、軍事訓練、教學培訓、工程設計、消費設計等許多領域得到廣泛的應用。基于桌面計算機的增強現實系統，由于存在體積龐大笨重、成本高、易損壞等缺陷，在實際使用及操作中常有諸多不便。目前小型的移動設備如智能手機，已經具備了接近普通PC機的運算能力，以及海量的存儲能力和高質量顯示效果，因此選擇手機作為增強現實技術的開發應用平臺，已成為新一代增強現實技術的必然趨勢。基于手機的增強現實，不僅能夠突破基于桌面PC機的增強現實所帶來的各種限制，而且在移動性、便攜性以及人機交互性等方面具有較強的優勢，因而更具移動學習的應用前景。鑒于此，本文試圖對基于手機的增強現實及其在移動學習中的應用作一些深入的探討，以期能對手機增強現實的教育應用有更深的理解。

二、基于手機的增強現實

（一）手機增強現實的結構

增強現實系統不僅可以使用戶看到周圍的真實環境，還可看到計算機產生的虛擬物體或非幾何信息。增強現實系統主要由攝像與處理模塊、注冊定位模塊、融合渲染模塊、顯示模塊等幾個關鍵部分組成（如圖1所示）。系統的工作流程大致如下：首先，攝像與處理模塊通過圖像采集設備獲取真實場景，并通過一定的算法降低噪聲；第二，注冊與定位模塊通過硬件或者軟件計算出觀察者當前的位置和姿態即注冊信息；第三，融合渲染模塊在獲得觀察者精確的注冊信息后，由計算機圖形系統根據注冊信息生成虛擬場景或物體，并通過視頻信號融合器實現計算機生成的虛擬場景與真實場景融合；最后，通過顯示設備輸出，使觀察者“浸沒”在增強后的場景中。

目前常用的增強現實系統的硬件一般主要包括PC機、攝像頭、頭盔顯示器和硬件跟蹤設備等。基于此構架的增強現實系統，由于存在體積龐大笨重、成本高、易損壞以及難以維護等缺點，因此對用戶的實際使用及操作帶來諸多不便。目前，小型移動設備如智能手機、掌上電腦（PDA）等，已經具備了接近普通PC機的運算能力，而且還內置了攝像頭、紅外通信接口、藍牙無線接口及GPS定位設備等，因此選擇智能手機作為增強現實技術的新載體，將增強現實技術移植到智能手機上，能夠使增強現實系統突破以往的體積龐大的限制，在便攜性、移動性以及人機交互性等方面具有更大的優勢，也因而使增強現實技術能應用于更加廣泛的領域。

由于手機的計算能力及圖形顯示能力相對還比較弱，為了減輕手機端的計算負擔，基于手機的增強現實目前大都還采用C/S的系統結構，讓手機端與服務器共同承擔計算處理任務，將部分計算工作放在服務器端，通過無線互聯網將計算結果返回，在手機屏幕上進行增強現實效果的顯示（如圖2所示）。該系統的工作過程如下：首先，手機通過攝像頭捕捉真實場景視頻，并通過無線網絡傳送給服務器；其次，服務器端實現三維跟蹤注冊，并且根據三維跟蹤注冊結果，先計算出虛擬模型的渲染參數，再將渲染參數通過無線網絡連接傳給手機；最后，手機根據渲染參數，進行虛擬場景渲染繪制，接著將虛擬場景疊加到真實場景視頻中，并且將虛實融合的增強場景圖像顯示在手機的屏幕上。

（二）手機增強現實的關鍵技術

基于手機的增強現實系統應能實時跟蹤手機在真實場景中的空間位置和姿態，并根據這些信息計算出虛擬物體在攝像機中的坐標，實現虛擬物體畫面與真實場景畫面精準匹配。因此，盡管手機增強現實系統的研究需涉及許多關鍵技術，但讓虛實準確結合的跟蹤注冊技術是最為關鍵的技術。手機增強現實系統的跟蹤注冊一般可分為兩種：[2]一種是采用跟蹤傳感器進行注冊，簡稱跟蹤器法；一種是采用計算機視覺系統結合特定算法來實時得到，簡稱視覺法。其中，視覺法或基于視覺的方法又可分為基于標志的方法和基于自然特征的方法。

基于跟蹤器的注冊方法常采用磁力跟蹤、超聲跟蹤、光學式跟蹤、慣性跟蹤、機械式跟蹤、全球衛星定位系統（GPS）等方法進行跟蹤注冊。由于不同的跟蹤器方法各有利弊，各自適合于不同的應用范圍，且容易受到外界的干擾，以至于單一使用某種傳感器進行跟蹤注冊，在精度和使用范圍上難于滿足實際應用的需要。因此，為了得到更廣泛的適應性和更好的性能，許多系統采用跟蹤器法與視覺法相結合的復合方法，以有效提高增強現實系統的跟蹤性能和注冊精度。

基于標志的跟蹤注冊是通過預先放置標記，然后對獲取的圖像進行分析，以計算攝像機的位置和姿態。人工標志的作用是向虛擬物體提供繪制信息，因此在很大程度上降低了計算機的計算要求和算法的復雜度，也使人工標志在增強現實系統中得到較為廣泛的應用。人工標志若按照形狀劃分則有三角形、方形、五邊形、圓形、同心圓環等，若按照顏色劃分則有黑白與彩色兩種情況。人工標志的實例如圖3所示。不同的人工標志所表達的信息不同，采用的分析識別的方法也不完全一樣，因此依據不同的應用場景合理地選取人工標志，能夠有效地降低分析難度及提高識別結果的準確性。人工標志的識別和頂點提取本身是兩個較為復雜的問題，涉及色彩過濾、圖像分割、直線擬合等多種處理方法。[3]此外，采用人工標志的另一個好處是使用者可以通過移動標志的位置實現與虛擬物體進行實時交互。但是，某些場合可能無法使用人工標志，如想在某一被破壞的建筑廢墟上呈現虛擬的、曾經的完整建筑景象，就無法在廢墟上安放標志物，只能通過無人工標志的方法來實現。

基于自然特征的跟蹤技術的基本原理與基于標識的跟蹤技術類似，不過前者采用的是對場景目標對象的自然特征進行識別的方法，而不是人工標志。與基于標識的跟蹤技術只適合小范圍的增強現實應用不同，基于自然特征的跟蹤技術由于擺脫了依賴放置在真實場景中的標志物的限制，因此具有更大的增強現實應用范圍，而且在光照變化比較大和遮擋情況下比基于標志的跟蹤更棒。

三、手機增強現實的主要功能特點

手機增強現實利用計算機產生的附加信息對真實環境的景象進行增強或擴張，并且還可讓學習者與這些附加信息進行實時交互，這些附加信息或是虛擬物體，或是非幾何信息。由此可見，手機增強現實具有以下主要功能特點。

（一）擴張真實環境

一般認為，增強現實技術是在虛擬現實技術的基礎上發展起來的一個研究領域，但二者對浸沒感的要求卻存在明顯的不同。虛擬現實強調使用者完全沉浸在一個由計算機所生成的虛擬空間之中，無法感知到周圍的真實世界，而增強現實則致力于將計算機產生的虛擬物體或信息與真實環境融為一體，使其成為真實環境中的一個組成部分，以此來增強使用者對現實世界的理解。Milgram 等人[4]的研究把虛擬環境和現實環境看成是一個連續的統一體（如圖4所示），增強現實位于現實環境與虛擬環境同時存在的混合現實部分，所以增強現實也被稱為混合現實。因此，增強現實是補充現實而不是替代現實，它為學習者呈現一個虛擬物體與真實環境自然融合的學習環境，讓他們可以在看到周圍真實環境的同時，還能看到計算機產生的虛擬物體，并且還可以在真實環境中與虛擬物體進行交互。因此，手機增強現實技術創設的虛實結合的學習環境，能使學習者更直觀、全面地掌握和理解學習對象。

（二）高度交互性

通過借助于各種傳感器或視覺計算，基于手機的增強現實能夠在學習者的位置和視線方向發生變化時，由計算機生成的疊加到真實場景中的虛擬物體也能實時地跟著改變。與此同時，學習者還能與虛擬物體進行交互。例如，當用手機攝像頭掃描空蕩蕩的、尚未裝潢的辦公室時，手機屏幕上會顯示出一系列的辦公室裝潢虛擬元素，學習者可通過與這些虛擬元素的交互來完成各種搭配。在基于手機的增強現實中，現實世界和虛擬世界的完美融合，讓人很難注意到現實和虛擬之間的區別，學習者只需用手指點擊手機屏幕中的景物，手上的移動設備就會立即把與該景物相關的信息呈現出來。因此，基于手機的增強現實的交互不再是具備明確位置的交互，而是擴展到整個環境，將自己融合于周圍的空間與對象之中。由此可見，以手機為終端的增強現實讓學習的交互變得更為完美與自然。

（三）定位信息服務

借助于GPS、電子羅盤的定位、定向信息，基于手機的增強現實能根據學習者的空間地理位置的變化，動態地為其提供各種學習信息，甚至這些信息還可通過三維的方式疊加在手機攝像頭的圖像上。在實際的應用中，只需要將手機的攝像頭對準某一方向或景物，就能在手機屏幕上自動顯示出有關的詳細信息。手機增強現實定位信息服務的工作原理如圖5所示，按順序如下：[5]（1）通過GPS取得緯度、經度和高度等信息，同時通過電子指南針取得面向的方向，并以此確定手機增強現實需要搜索的范圍；（2）向無線互聯網絡發送搜索范圍的數據；（3）通過無線互聯網絡，返回指定搜索范圍的相關信息，并將此信息疊加在手機顯示屏的畫面上。

目前，基于手機增強現實的位置信息服務，越來越多地受到大眾的廣泛關注。Layar是全球第一款增強現實感的手機瀏覽器，能夠在瀏覽器上向人們展示周邊環境的真實圖像。[6]運行Layar后，只要將手機攝像頭對準某一位置固定的物體比如建筑物，手機的屏幕上就會出現與畫面上物體或位置相關的有用信息，比如建筑物的介紹、建筑物周圍的銀行、便利店、咖啡廳、茶館、酒吧等的詳細介紹及打折信息。另外，Sekai Camera讓每個用戶都能夠為地球上任何一個地方貼上文字或語音標簽，并且在每個標簽后面都會附加上描述當時手機狀態的“指紋”信息，包括GPS坐標、手機與地面的角度、手機方向等，以此作為為其他用戶提供定位信息服務的鍵值。

四、手機增強現實在移動學習中的應用

移動學習是一種在移動設備支持下的能夠在任何時間、任何地點發生的學習。基于手機的增強現實所帶來的虛實結合的學習環境，為移動學習的內容呈現、交互方式及活動過程等方面都提供了新的可能。以下將從基于情境感知的學習、科學探究學習及參與模擬的學習等三個方面探討手機增強現實的移動學習應用。

（一）在基于情境感知的學習中的應用

在人們的知識生產和應用的過程中，情境賦予了知識及知識活動相關的條件、背景和環境等個性化的特征，這些特征是區分、識別不同知識和知識活動的重要因素，更是學習者完全理解知識的關鍵要素。因此，情境已成為了學習者與知識聯系、溝通的橋梁和紐帶。情境感知也稱情境感知計算，是指借助于環境、位置、時間、設備設施、行為活動等情境信息，向學習者提供適合于當前情形（如目標、任務等）的知識或服務，為學習者提供更好的適應性、個性化的學習交互和學習支持。只有通過情境感知，才能保障學習者個性化知識需求的準確性和可靠性。在基于情境感知的學習中，“學習內容由移動學習系統通過感知學習者的學習情境自動推送給學習者，使學習者在情境中進行學習”。[7]手機增強現實的定位信息服務功能，讓學習者在移動中只要將手機對準某一方向或目標物體，就可利用GPS坐標、加速器給出的手機與地面角度，以及指南針確定的攝像頭朝向，通過無線互聯網搜索相關的情境信息，并將返回的情境信息呈現在手機的顯示屏上，以支持學習者進行情境學習。因此，手機增強現實的定位跟蹤技術為情境感知提供了更為完善的技術支持和實現方案，而情境感知則為在真實的問題情境、工作活動中開展情境學習提供了條件。例如，當學習者在戶外旅游時，將具備增強現實功能的手機攝像頭對準某一景物，經過對屏幕內的景物信息進行分析處理后，隨即在屏幕上顯示有關該景物及周邊地區的各種旅游信息，以及提供實用全面的旅游攻略等，讓學習者能在真實的情境中掌握旅游知識。

另外，基于情境感知的學習還可借助增強現實的自然特征識別技術，通過對手機攝像頭拍攝的景物特征進行辨識來獲得與情境相關的信息服務，以支持學習者在移動中開展情境學習。例如，國內正在研究基于增強現實技術的圓明園景觀數字重現方面的應用。該應用開發成功后，游客把手機攝像頭對準圓明園“大水法”遺址，就能夠看到被破壞前的原貌，了解到該建筑的所有信息，包括何年何人主持建造、所用建筑材料、何年因何被入侵者破壞等內容。[8]此類手機增強現實在基于情境感知的學習中的應用，可幫助學生在真實的情境中對相關知識進行學習，有利于學生對知識的記憶和了解。

（二）在科學探究學習中的應用

探究學習是從學科領域或現實社會生活中提出研究問題或任務，然后學習者圍繞這個問題或任務，通過假設、推理、驗證等一系列的過程而最終解決問題或完成任務的一種探索活動。因此，問題是探究的起點，而且探究作為一種類似于科學研究的活動，還要經歷科學研究的一般過程。盡管探究是以問題開始的，但問題的解決并不是探究的全部，需要學習者在知識、技能、情感和態度等各方面都獲得發展和提高。要更準確地理解和把握科學探究，需要我們明確以下幾個方面：[9]首先，科學探究的對象是自然界，是對自然現象或問題的一種調查和研究；其次，科學探究作為一種認知活動，要經歷一定的活動程序或階段；第三，在科學探究中，為了發現和認識自然現象或事物的特征，揭示自然的發展規律，個體要運用一系列的科學方法，包括觀察、比較、分類、測量、交流、預測、假設、實驗等來尋求對于自然問題的答案，獲得對于自然世界的理解。

基于手機的增強現實由于其設備的便攜性，以及提供與真實情境高度相關的信息服務，使其不再僅僅是扮演支持學習活動的臺式機器的便攜版本，而且還可開辟新的移動學習實踐，為學習者提供更多的移動學習體驗。在探究學習過程中，手機增強現實可為學習者呈現一個虛擬物體與真實環境相結合的學習環境，以支持學習者在自然的情境中開展科學探究學習活動。同樣，手機增強現實的定位信息服務功能也可為探究學習活動提供腳手架，以幫助學習者在移動中完成科學探究的任務。例如，2002年開始啟動的英國的環境森林項目，“給學習者提供增強的自然世界，然后讓學生在反復的假設及驗證的過程中，理解生態界的相互依存性與有關概念”。[10]該項目通過在森林中安置了帶有增強現實功能的移動終端設備，人為地創設虛實相融合的學習環境，以幫助學生探究禿林和密林， 考察動植物的棲息環境以及它們之間的相互依存性，進而掌握生態系統的生物分布與生物之間相互依存的知識。另外，可以在 iphone 上運行的游戲“生態蟲子”，通過設計一些虛擬的蟲子，讓學生對生態系統的各種情況進行探索，比如溫度和食物的情況等，以使這些蟲子能在現實世界中生存。它的目標受眾是7到11歲的孩子，主要是為了幫助孩子們進行探索，更好地理解我們的生態系統。[11]

（三）在參與模擬的學習中的應用

參與模擬的學習強調學習者參與學習活動，充分發揮他們學習的主動性、自主性和探索性，讓學習者在參與模擬的過程中體驗到學習帶來的樂趣。參與模擬的學習是符合建構主義學習理論的一種學習方式。在建構主義學習理論中，學生是信息加工的主體，是知識意義的主動建構者，而不是外部刺激的被動接受者和被灌輸的對象。通過為學習者提供參與模擬學習活動的環境以及建構知識的工具，讓他們能在技術的支持下從信息的被動接收者變為積極的知識建構者，以提高他們的高層次思維能力和問題解決能力。

借助手機增強現實技術對學習環境或自然環境進行部分模擬，可為學習者參與模擬學習活動構建虛實融合的移動學習環境，并且讓每個學習者都能參與到這個模擬的學習環境中。在移動增強現實技術支持的參與模擬學習中，每個學習者都擁有一部帶有增強現實功能的手機，通過它將學習者帶入高度交互的、真實與虛擬相融合的移動學習環境，而且每個學習者都需要在移動學習環境中扮演重要角色，比如扮演獅子，成為模擬學習的一部分，使他們在參與模擬的學習活動中能夠看到他們的活動對整個學習過程的影響。運用移動設備開展參與模擬學習的案例并不少見，如Colella 的病毒游戲就是其中之一。在Colella 的游戲中，學習者通過在教室里走動并與其他人面對面地接觸，以此來模擬和觀察病毒在一定人群中的傳播過程，使學習者在參與模擬中獲得有關病毒傳播及病毒控制的知識。具有增強現實功能的手機支持下的參與模擬的學習，能為學習者體驗多種不同角色提供更為豐富、交互性更強的經歷，因此更能調動他們參與學習的積極性，并在反思的過程中建構起他們對知識意義的理解。AR Invaders就是一款讓學習者參與模擬的基于手機增強現實的射擊游戲。在AR Invaders游戲中，無論你身處何處都是真實的戰場，你需要扮演地球的保衛者，在攝像頭捕捉到的真實的建筑物、汽車、行人中，搜索外星飛碟并擊毀它們，以阻止外星人的入侵。AR Invaders游戲通過利用陀螺儀和重力感應來判斷使用者的動作、方向和位置變化，給學習者帶來非常逼真的學習體驗。

五、結束語

由于目前手機的性能還無法與PC機相比，使得基于PC機的增強現實應用還無法完全有效地移植到手機上。雖然可以采用C/S構架分擔部分計算任務，但無線網絡數據傳輸的延時及帶寬的問題都使該構架還無法完全達到實時的處理能力。因此，在未來短時間內基于手機的增強現實也只能實現一些簡單的應用。但是，隨著手機性能的不斷發展和完善，制約手機增強現實技術發展的各種因素必將成為過去。由于手機具有體積小、便攜方便、普及率高等特點，因此可成為開發增強現實應用的理想平臺，同時也為移動學習活動帶來新的可能。鑒于此，本文重點探討了手機增強現實及其在移動學習中的應用，以期引起大家的關注。