移動增強現(xiàn)實教育游戲的開發(fā)——以“快樂尋寶”為例

陳向東 曹楊璐

（華東師范大學(xué) 教育信息技術(shù)學(xué)系 上海 200062）

教育游戲已經(jīng)得到越來越多的關(guān)注。美國新媒體聯(lián)盟（New Media Consortium，NMC）在其發(fā)布的2014年地平線報告中指出[1]，未來2～3內(nèi)，游戲和游戲化學(xué)習(xí)將會廣泛地應(yīng)用于教育教學(xué)。近年來增強現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，移動設(shè)備的功能完善，為教育游戲的發(fā)展提供了新的動力。移動增強現(xiàn)實教育游戲有效地融合了增強現(xiàn)實技術(shù)、移動技術(shù)與教育游戲的優(yōu)勢，大大拓展了教育游戲的應(yīng)用領(lǐng)域。

一 典型移動增強現(xiàn)實教育游戲及其功能模塊

移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)是根據(jù)當前定位系統(tǒng)所測到的位置（GPS）、終端朝向（方向傳感器或陀螺儀）、實景或標記識別以及其他通過傳感設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)，將虛擬信息疊加在真實世界中相應(yīng)的注冊區(qū)域，并顯示在移動終端設(shè)備的屏幕上。所謂的注冊區(qū)域可以理解為存儲在增強現(xiàn)實程序中的真實世界影像，例如一張圖片或者一個標記，程序能夠從攝像頭捕獲的視屏輸入流中比較并識別這些“注冊”了的影像，同時進行相應(yīng)的虛實疊加操作。

1997年，F(xiàn)einer與其他科研人員[2]研制出世界上第一套移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)，命名為“MARS移動手機增強現(xiàn)實系統(tǒng)，主要應(yīng)用于導(dǎo)航技術(shù)。2000年，Tomas等人[3]發(fā)布了AR-Quake游戲，這款游戲是當時非常流行的基于電腦終端的Quake游戲的擴展，使游戲在室內(nèi)和室外都可以進行。隨后的幾年里，基于移動終端的增強現(xiàn)實技術(shù)飛速發(fā)展，2003年 Cheok等人[4]發(fā)布了 Human Pacman（吃豆人），這是一套移動的交互式娛樂系統(tǒng)，由GPS和慣性傳感器實現(xiàn)定位和視覺的感應(yīng)，還配有觸控式的人機交互界面。

增強現(xiàn)實技術(shù)使虛擬信息與實際學(xué)習(xí)環(huán)境相結(jié)合，配合移動終端的使用，可以構(gòu)建出適合學(xué)生學(xué)習(xí)的環(huán)境，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、幫助學(xué)生理解學(xué)習(xí)內(nèi)容[5]。早在十年前，麻省理工學(xué)院的Schrier設(shè)計開發(fā)了“重溫獨立戰(zhàn)爭”移動增強現(xiàn)實教育游戲[6]。游戲選在美國獨立戰(zhàn)爭的發(fā)起地——列克星敦進行，參與者使用帶有GPS功能的PDA進行導(dǎo)航，探訪與列克星敦戰(zhàn)役相關(guān)的列克星敦公共綠地（列克星敦戰(zhàn)役進行地）及其他建筑物。當參與者到達預(yù)設(shè)的目標地點時，PDA會疊加顯示虛擬歷史人物、虛擬文物及視音頻材料。例如，當參與者到達Old Belfry時，PDA將疊加顯示Old Belfry銅鐘的相關(guān)介紹（在英國士兵到達列克星敦時，Old Belfry銅鐘敲響了警報）；當參與者到達列克星敦公共綠地的東北角時，PDA將疊加顯示民兵Nathan Munroe及其對列克星敦戰(zhàn)役的描述。

Ingress是谷歌 2012年發(fā)布的一款增強現(xiàn)實移動游戲[7]。一群歐洲科學(xué)家偶然發(fā)現(xiàn)某種神秘的能量，這一能量的來源和用途無人知曉，但一些研究人員認為它會影響我們的思想，我們必須控制這股能量，否則就會被其奴役。陣營分為兩派，“Enlightened”（啟示軍，綠色陣營）試圖接納這股力量，堅信這是對人類的恩賜，另一派“Resistance”（抵抗軍，藍色陣營）則奮力抵抗并保護我們?nèi)祟愂Ｓ嗟馁Y源和財富。游戲的玩家被稱為特工（Agent），兩個陣營互相角力，爭奪控制真實世界中的地標性建筑或雕塑等據(jù)點。

目前，移動增強現(xiàn)實教育游戲更多地應(yīng)用于科普教育中。“蝶千尋”是一款以蝴蝶種類教學(xué)為主題的教育游戲[8]，它的主旨在于通過使用者在野外與虛擬蝴蝶的互動，來激發(fā)使用者進一步觀察了解蝴蝶的興趣，獲取與蝴蝶相關(guān)的生物知識。“蝶千尋”一般應(yīng)用于室外自然環(huán)境中，使用者可通過游戲應(yīng)用，在手機屏幕上看到各類虛擬蝴蝶疊加在真實環(huán)境中。玩家可以仔細觀察蝴蝶的顏色、形狀、種類特征，并與蝴蝶進行手勢互動。

歸納現(xiàn)有的各類移動增強現(xiàn)實教育游戲，從具體功能實現(xiàn)的角度，一個基本的移動增強現(xiàn)實教育游戲的功能可以歸納為六類：用戶登錄模塊、視頻播放模塊、地圖定位模塊、通信交互模塊、增強現(xiàn)實模塊和回答問題模塊。

用戶登錄模塊：用于進行用戶信息的管理，包括用戶名、密碼、身份的分類與權(quán)限、歷史信息記錄與管理等等。

視頻播放模塊：一般這類游戲總要疊加一些視頻信息，或用于游戲步驟和相關(guān)規(guī)則的說明，或作為游戲過程中的學(xué)習(xí)資源。

地圖定位模塊：用于設(shè)定參與者的位置以及相應(yīng)游戲資源、標記的位置。除了進行基本的定位以外，往往需要提供一些額外的功能，例如輔助參與者查看周邊的事物，確定行動的路線、進行活動的標記等等。

增強現(xiàn)實模塊：通常借助圖像識別、LBS、指南針等傳感器，確定相關(guān)標記和實物。或進行標記對應(yīng)的操作，或調(diào)用對應(yīng)的虛擬信息（例如3D模型、文字、聲音等多媒體信息），將虛擬信息疊加在真實世界中相應(yīng)的注冊區(qū)域。

通信交互模塊：用于參與者之間、參與者與后臺程序之間的通信與交流。

回答問題模塊：作為教育游戲，或多或少有一些與知識學(xué)習(xí)相關(guān)的內(nèi)容。回答問題模塊用于游戲軟件與知識庫系統(tǒng)、用戶之間的交互，例如在游戲過程中要求使用者按照要求做出選擇或者回答問題。

二 案例研究:“快樂尋寶”游戲

移動增強現(xiàn)實游戲開發(fā)的流程與一般的游戲軟件類似，但是需要在不同階段充分考慮移動和增強現(xiàn)實的技術(shù)特點。由于加入增強現(xiàn)實的元素，需要把虛擬物體疊加到真實的世界中，實現(xiàn)虛擬物體與人之間的交互。開發(fā)者可以結(jié)合移動增強現(xiàn)實的特征，根據(jù)教育目標的要求確定增強現(xiàn)實教育游戲的主題、游戲類型（基于場所的或是視覺、基于實物識別還是圖標識別等）以及游戲的基本規(guī)則，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計游戲的整體架構(gòu)和主要功能模塊，選取開發(fā)的平臺、增強現(xiàn)實引擎，合適的開發(fā)語言，完成游戲各項的功能模塊。本節(jié)以一款移動增強現(xiàn)實教育游戲——“快樂尋寶”為例，說明移動增強現(xiàn)實游戲的設(shè)計與開發(fā)過程。

1 案例簡介

“快樂尋寶”是一款基于移動增強現(xiàn)實技術(shù)的教育游戲，多個手持終端的參與者通過尋找任務(wù)、回答問題，交流與協(xié)作，共同完成室外“尋找寶藏”的活動。

該游戲事先由老師（游戲管理者）設(shè)置好相關(guān)的關(guān)卡內(nèi)容，三個參與者根據(jù)游戲任務(wù)的分工共同闖關(guān)，完成游戲。由于游戲的闖關(guān)是根據(jù)回答問題來進行的，每個角色只能解答一種類型的問題，所以三個角色分別對應(yīng)三種類型的問題。本次游戲是按照學(xué)科劃分的問題類型，選擇的內(nèi)容是生物、歷史和地理，對應(yīng)的角色分別是生物學(xué)家、歷史學(xué)家和地理學(xué)家，他們共同根據(jù)自己的知識，判斷與“寶藏”有關(guān)的信息。當然，在后續(xù)的游戲中，可以根據(jù)任務(wù)的不同，改變題目和角色類型。

參與者通過登錄游戲界面，獲得游戲參與資格之后，開始游戲。參與者首先觀看以視頻方式呈現(xiàn)的游戲規(guī)則，然后在游戲指定的地圖上尋找游戲中的任務(wù)。找到目標之后，通過增強現(xiàn)實模塊掃描設(shè)定的任務(wù)標記，掃描時任務(wù)以增強現(xiàn)實的方式呈現(xiàn)出來，通過回答問題，確定找到自己所完成的任務(wù)。對應(yīng)的題目呈現(xiàn)在移動設(shè)備界面上，在規(guī)則內(nèi)完成答題，會顯示游戲的提示信息。三個參與者在匯總各自獲得的提示信息后，通過關(guān)卡，共同完成游戲中“寶藏”的獲取。游戲有一定的時間限制，如果超過了時間點，則游戲失敗，“寶藏”被隱藏，如果在游戲規(guī)定時間之前完成，則按照時間的長短給出不同的“寶藏”。

本系統(tǒng)是一個可擴展的游戲，要求學(xué)生回答的學(xué)科知識、關(guān)卡的長度、“寶藏”的形式、內(nèi)容與地點、任務(wù)設(shè)置的地點都可以由老師自主設(shè)定，根據(jù)不同的年齡、學(xué)段和活動類型，可以設(shè)置不同的內(nèi)容。在本案例實施過程中，則選取了初中相關(guān)學(xué)科的一些內(nèi)容。

2 整體設(shè)計

從使用者的角度，游戲的主要思路如圖1所示：

此游戲的活動需要在有網(wǎng)絡(luò)信號的戶外環(huán)境開展。參與者首先要了解游戲的背景和規(guī)則，除了游戲開始時教師的提示，系統(tǒng)還會通過一段影音介紹游戲的背景和規(guī)則。在活動的過程中，參與者可多次播放。

進入游戲的主要環(huán)節(jié)后，需要尋找游戲設(shè)定的問題所在的位置。該游戲的地圖是基于百度地圖的API設(shè)計的，地圖中標出了要找尋的目標所在地，參與者可以按照地圖中的提示，找到目標的位置，還可以根據(jù)自己的經(jīng)緯度來定位當前自己的位置，方便游戲參與者更快更準地找到目標。

參與者找到設(shè)定的標記之后，可以用移動終端對標記進行掃描，顯示出要回答問題的類別。獲得掃描的信息后，參與者根據(jù)提示判別是不是自己領(lǐng)域的問題（每個參與者限定只能回答自己領(lǐng)域中的問題）。如果是，則進入回答問題的環(huán)節(jié)，如果不是，需要利用通信平臺和其他參與者交流，重新找到自己的問題的目標位置。每一組的參與者需要在平臺上相互交流，以便及時了解隊友的有關(guān)信息，共同協(xié)作完成任務(wù)。

回答問題的環(huán)節(jié)是按照選擇題的形式進行，回答正確則會有部分的“寶藏”位置的提示信息，直至三個參與者都回答正確，根據(jù)每個人得到的信息，進行整合，最終得到一條完整的位置信息，然后協(xié)作尋求“寶藏”。依此類推，可以設(shè)定多重關(guān)卡。最終如果參與者到達藏寶地點尋得“寶藏”，然后帶著“寶藏”依照地圖指示回到起點，根據(jù)完成任務(wù)的時間長短可以獲取相應(yīng)的獎勵，游戲結(jié)束。

3 功能實現(xiàn)

游戲選擇在Android平臺上運行，通過Eclipse平臺開發(fā)，增強現(xiàn)實工具使用Metaio[9]提供的相關(guān)技術(shù)整合，最終完成游戲的開發(fā)。Metaio SDK是可直接用于開發(fā)的一套類庫，因而可以自由地開發(fā)出在移動平臺上運行的增強現(xiàn)實應(yīng)用。

該游戲需要實現(xiàn)的一些核心功能，按上述的歸納，分為6個部分。

（1）用戶登錄。本游戲需要多人共同協(xié)作完成的，每個人參與角色不同，通過分配的用戶名和密碼進入游戲（如圖2所示）。Android使用開源的、與操作系統(tǒng)無關(guān)的SQL數(shù)據(jù)庫，即SQLite，它是一款輕量級數(shù)據(jù)庫，占用的資源非常低。

圖1 游戲主要設(shè)計思路

圖2 系統(tǒng)的登入

圖 3地圖呈現(xiàn)

（2）視頻呈現(xiàn)。本游戲中視頻呈現(xiàn)模塊的應(yīng)用比較簡單，用于游戲介紹和規(guī)則說明。由于Android平臺由Google自己封裝，目前僅支持MP4，3GP和WMV視頻的解析，插入要播放的視頻之前要提前轉(zhuǎn)換成可以供平臺解析的格式。

（3）地圖與定位。“快樂尋寶”中的地圖和定位調(diào)用的是百度地圖的API。由于地圖的服務(wù)接口把平臺和所處的地理位置涉及的數(shù)據(jù)有機地結(jié)合在一起，而底層相對復(fù)雜的地理信息系統(tǒng)被封裝在一起，所以應(yīng)用起來相對方便。用戶通過申請之后，將應(yīng)用程序接口連接到自己開發(fā)的相關(guān)程序中。

在本次游戲中，需要用到簡單的圖層覆蓋，顯示問題的所在。所加的覆蓋物是指所有疊加到地圖上的內(nèi)容，比如標注、圖片、折線、箭頭、多邊形等矢量圖形、定位的坐標以及備注等等，這些均可以稱之為地圖的覆蓋物。這些覆蓋物有自己的地理坐標，有對應(yīng)自己的經(jīng)緯度。所以，當放大或者縮小地圖時，或者拖動地圖時，它們會根據(jù)自己的地理位置相應(yīng)地移動。游戲選擇三個覆蓋物添加到地圖上，首先選擇放置此覆蓋物的經(jīng)緯度，以便定位其相應(yīng)的位置，并且給覆蓋物添加相應(yīng)的觸發(fā)按鈕，并給覆蓋物一定的解釋。如圖3a）所示，事先設(shè)定的覆蓋物會顯示在當前的地圖層面上，不斷地放大地圖，能更精確的定位覆蓋物的位置，結(jié)果如圖 3b），點擊按鈕,放大地圖可以找到預(yù)先設(shè)定的問題所在地，每一個覆蓋物定位到相對具體的位置上，點擊其中一個覆蓋物，則會有相應(yīng)的提示信息出現(xiàn)，然后觸發(fā)解釋文字，如圖3c）所示。

（4）通信與交互。游戲過程中的通信交流基于IP Messenger，它適用于局域網(wǎng)內(nèi)、廣域網(wǎng)之間的實時通信和文檔共享，最大的優(yōu)點是交流通信速度非常快，可以隨時傳送文件和文件夾等。系統(tǒng)設(shè)定幾個用戶的用戶名，同時在線的時候相互可以看見。實現(xiàn)這一通信關(guān)鍵的步驟是建立網(wǎng)絡(luò)用戶列表，通信軟件使用UDP協(xié)議廣播，廣播包內(nèi)容包含用戶名、工作組名、主機名和IP等相關(guān)信息。已經(jīng)啟用此模塊的通信用戶收到廣播包之后，會在自己的用戶列表中添加這個用戶的信息，然后向?qū)Ψ降腎P發(fā)送自己的個人信息，雙方建立連接。

（5）增強現(xiàn)實模塊。Metaio軟件的增強現(xiàn)實功能有好多種：基于標記的增強現(xiàn)實，通過掃描定制的標記識別信息，呈現(xiàn)與注冊區(qū)域?qū)?yīng)的3D模型；基于圖片圖像的增強現(xiàn)實，通過掃描圖像作為標記來呈現(xiàn)3D模型；無需標記，基于紋理、光線等自然特征，但相對難操作，不好捕捉特征。

本游戲主要用基于圖片圖像的標記來完成問題的識別。選擇對應(yīng)的標記圖片，然后在此圖片上疊加一些3D的模型，所選用的標記圖片對應(yīng)的3D模型如圖4所示。不同的標記會有不同的3D模型出現(xiàn)，根據(jù)3D模型的類型和提示信息，可以回答對應(yīng)的問題。如果不是自己領(lǐng)域的問題，則可以通過通信模塊告知其他參與者，提高找到目標問題的效率。

除此之外，與LBS相配合，可以利用基于位置的增強現(xiàn)實技術(shù)，幫助尋找問題的位置，判斷自身位置與問題所在位置的距離，方便參與者尋找路徑。

圖4 基于圖像的增強現(xiàn)實

（6）回答問題模塊。回答問題以選擇題的形式呈現(xiàn)，問題同樣使用SQLite來存儲，每一類問題有很多道，掃描出相關(guān)的問題提示信息之后，進入答題模塊。在本游戲中，每個問題是在數(shù)據(jù)庫中隨機挑選的。本次游戲設(shè)定每個人只能回答10次，在回答的問題中，如果通過6道題，則算是合格，進入提示信息界面，獲得相應(yīng)的提示信息。如果回答問題的個數(shù)沒有超過6個，則沒有獲得提示信息，在后面的游戲過程中，就少了一份提示信息，增加了游戲的難度。

每個模塊功能實現(xiàn)之后，整合各個模塊的功能，把它們連接成一個完整的游戲情景。本系統(tǒng)按照調(diào)用的方式實現(xiàn)整合，每個模塊提供調(diào)用的接口。游戲的參與者通過在移動終端上安裝好游戲apk，即可進入游戲。

三 結(jié)語

移動增強現(xiàn)實教育游戲能夠創(chuàng)造復(fù)雜、模擬真實的環(huán)境，受到外界的干擾相對較少，加上移動設(shè)備的便捷，為戶外開展各式學(xué)習(xí)活動提供了可能。對于學(xué)生而言，這類游戲具有較強的新穎性，通過提供身臨其境的體驗，很容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

本游戲結(jié)合基于位置和基于圖像識別的兩種增強現(xiàn)實技術(shù)，利用Metaio實現(xiàn)了一個可擴展的移動增強現(xiàn)實教育游戲。該游戲具有用戶登錄、視頻播放、地圖定位、通信交互、增強現(xiàn)實和回答問題等模塊。教師可以根據(jù)學(xué)習(xí)目標，自主設(shè)定游戲情節(jié)、游戲區(qū)域、關(guān)卡層數(shù)，通過游戲規(guī)則設(shè)計答題要求。通過初步的應(yīng)用，可以發(fā)現(xiàn)該游戲虛實結(jié)合，實時交互，使學(xué)習(xí)者感受到一定的臨場感和沉浸感，能夠順利完成設(shè)定的學(xué)習(xí)任務(wù)。當然，該游戲存在著諸多不足：3D建模不夠逼真，游戲反應(yīng)速度不快，答題模塊的內(nèi)容還很薄弱，互動性沒有得到充分體現(xiàn)等等，需要在后期制作中進一步的改進。作為一種新興的研究領(lǐng)域，移動增強現(xiàn)實教育游戲可以給教學(xué)提供新的方式，有很好的應(yīng)用前景。

[1] Johnson L, Adams Becker S, Estrada V, et al.NMC horizon report: 2014 higher education edition[R]. Austin, Texas: The New Media Consortium,2014.

[2] Feiner S, MacIntyre B, Hollerer T, et al.A touring machine: Prototyping 3D mobile augmented reality systems for exploring the urban environment[A] Proc. ISWC ’97 (First Int. Symp. onWearable Computers)[C], Cambridge, MA, 1997:74-81.

[3] Thomas B, CloseE B, Donoghue J, et al. AR Quake:An outdoor/indoor augmented reality first person application[A].Proceedings of 4th International Symposium on Wearable Computers[C]. Australia : Cieee Computer Society ,2000: 139-146

[4] Cheok A D.Human Pacman: A Mobile Entertainment System with Ubiquitous Computing and Tangible Interaction over a Wide Outdoor Area[A]. Proc. Mobile HCI 2004 – 6th International Symposium[C], UK :Glasgow, 2004: 209-223.

[5]陳向東,蔣中望. 增強現(xiàn)實教育游戲的應(yīng)用[J].遠程教育雜志.2012,(5):68-73.

[6]Schrier K L.Revolutionizing history education:using augmented reality games to teach histories[D]. Massachusetts Institute of Technology,Cambridge, MA, 2005.

[7]Google發(fā)布在線現(xiàn)實增強移動游戲Ingress[OL].

[8] Google play. 蝶千尋Butterfly [OL].

[9] Metaio官網(wǎng)[OL].