移動增強現(xiàn)實技術融入智慧校園的應用研究

盧曦

摘要：移動增強現(xiàn)實（AR）技術的迅速發(fā)展正在推動教育的改革。移動AR技術為學習者提供了一種交互式、無邊界的移動學習環(huán)境。本文設計并實現(xiàn)了一基于移動AR技術的智慧校園系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括移動客戶端和遠程服務器端。客戶端應用程序使用Android SDK和Wikitude SDK開發(fā)實現(xiàn)。服務器端使用Struts2開發(fā)框架和MySQL數(shù)據(jù)庫開發(fā)實現(xiàn)。本系統(tǒng)的研究既有助于AR技術在非正式學習情境中的應用，又有助于促進校園文化活動的傳播。

關鍵字：移動學習移動增強現(xiàn)實智慧校園

1研究背景

增強現(xiàn)實技術（AR技術）幫助我們將物理世界與虛擬世界無縫地結合起來。與虛擬現(xiàn)實（VR）不同，AR技術將圖像、視頻或其他數(shù)據(jù)疊加到真實世界的實時視圖上，從而為用戶提供了一個真實場景和計算機生成的虛擬場景疊加的復合視圖。隨著智能移動設備的飛速發(fā)展，移動增強現(xiàn)實技術（Mobile Augmented Reality， Mobile AR）開始出現(xiàn)。智能移動設備提供強大的移動特性，可以充分利用環(huán)境的真實性來增加使用者與系統(tǒng)的互動。智能移動設備內置的位置傳感器（如全球定位系統(tǒng)GPS）能夠實時獲取使用者的準確位置和環(huán)境信息，可以幫助應用程序自動、自適應地發(fā)送最更加合適的資源。此外，移動增強現(xiàn)實技術改變了傳統(tǒng)的人機交互方式，使用者可以通過智能手機的內置攝像頭進行信息訪問，而不是在輸入框中輸入關鍵詞。

正因為移動AR技術提供了一種全新的交互模式和信息訪問模式。專注于移動教育的研究人員和開發(fā)人員已經開始探索如何使用移動AR技術為學習者們提供一種新的學習環(huán)境，越來越多的關于移動AR的教學研究和學習軟件已經出現(xiàn)。

本文旨在探討如何將移動AR技術應用在本學院的智慧校園建設中。

2需求分析

校園活動是大學生非正式學習的一種常見形式。目前，最常用的活動宣傳方式是傳統(tǒng)的印刷媒體和現(xiàn)代的網絡媒體。印刷媒體（如海報和小冊子）特點是設計精美很容易引起學生的注意，還可以張貼在校園內的任何地方或者方便地分發(fā);但是印刷媒體的成本很高，當活動結束時，過時的海報和小冊子也會造成資源浪費和環(huán)境污染。互聯(lián)網媒體的特點是成本小沒有資源浪費，網絡傳播廣、速度快，但是過于大量的信息容易使學生產生困惑，信息的針對性不強。本研究設計并實現(xiàn)一個基于AR的智慧校園系統(tǒng)，目的在于幫助在校學生通過智能手機上的移動AR快速地熟悉校園環(huán)境，獲取實時的校園生活學習等方方面面的資訊。本系統(tǒng)既有助于AR技術在非正式學習情境中的應用，又有助于促進校園文化活動的傳播。

3功能設計

智慧校園移動客戶端應用主要由兩個功能模塊組成：移動AR顯示功能模塊和校園活動信息管理功能模塊。

移動AR顯示功能是移動客戶端應用程序中的核心功能。該模塊基于移動端的用戶定位和圖像捕捉識別，將虛擬的校園活動信息和實時圖像疊加顯示在手機屏幕上，用戶可以很方便地獲取到感興趣的校園活動信息，幫助用戶快速地了解校園文化融入校園生活。

校園活動信息管理功能模塊主要包括用戶討論關注感興趣的活動、評價活動等子功能，該模塊主要為大學生們提供了一個良好的互相學習交流的平臺環(huán)境，用戶不僅可以自己在校園內任何地方快速地了解校園動態(tài)，還可以與許多有相同興趣愛好的學生進行交流互動。

4系統(tǒng)實施

4.1系統(tǒng)架構

智慧校園系統(tǒng)由兩部分組成：Android操作系統(tǒng)平臺上的移動客戶端應用程序和遠程數(shù)據(jù)服務器。客戶端和服務器之間通過無線網絡進行連接。用戶從客戶端提交請求后，服務器將接收并響應此請求，并將處理結果返回給客戶機。

移動客戶端應用程序是基于JAVA JDK、Android SDK和Wikitude SDK開發(fā)的Eclipse平臺。Wikitude廣泛應用于各種移動操作系統(tǒng)平臺，為開發(fā)人員輕松創(chuàng)建移動AR環(huán)境或應用程序提供服務。Wikitude SDK 8引入了對象跟蹤和場景識別的功能，相對GPS更加精確。移動AR顯示功能模塊遵循Wikitude的體系結構，采用GPS定位和場景識別相結合的方式實現(xiàn)虛擬視圖與真實校園環(huán)境的多種交互。

遠程數(shù)據(jù)服務器采用Struts2開發(fā)框架，選擇MySQL做數(shù)據(jù)庫管理，通過HTTP協(xié)議和JSON傳輸格式完成客戶機和服務器之間常見的數(shù)據(jù)通信。

4.2功能實現(xiàn)

移動AR顯示功能模塊通過Google Earth在學校構建興趣點（POI）信息。當用戶啟動AR顯示功能后，系統(tǒng)將立即訪問GPS信息，然后根據(jù)用戶的位置加載POI信息。此時，當用戶使用智能手機的內置攝像頭對準目標建筑物（例如圖書館）時，屏幕上將在真實視圖上疊加出現(xiàn)一個關于圖書館基本信息介紹的虛擬視圖。點擊這個虛擬視圖，用戶獲取到更詳細的圖書館活動信息。移動AR顯示功能模塊可以有效地幫助學生在校園快速地展開各類戶外交流和學習。

校園活動信息管理功能模塊主要包括用戶登錄注冊、活動信息列表顯示、關注活動信息、活動評價、活動討論等子功能模塊。通過以上功能，本模塊可以有效地輔助學生管理個人數(shù)據(jù)、保存學生在校園各處的生活學習痕跡。

通過移動AR顯示功能模塊與校園活動信息管理功能模塊的相互協(xié)作，本智慧校園系統(tǒng)為學生提供了更好的用戶體驗。

5反饋與建議

基于移動AR的智慧校園系統(tǒng)激發(fā)了學生探索校園環(huán)境奧秘的興趣，給學生們帶來了一種在戶外學習交流的神奇體驗。

使用者普遍認為本系統(tǒng)的移動AR顯示模塊中采用的基于移動AR技術進行信息訪問的方式比在搜索欄中鍵人關鍵詞更為方便。更重要的是，該模塊通過一個快速、可視化的信息檢索過程使使用者得到及時的幫助和易于理解的圖文信息。對于校園活動信息管理模塊，使用者認為通過這種在線分享和交流校園活動信息的方式有助于融人校園生活，激發(fā)戶外學習的興趣。

從使用者的反饋意見中可知本系統(tǒng)仍存在一定的不足需要改進。首先，部分位置存在WiFi和GPS信號差的問題，不準確的位置信息或無法訪問的互聯(lián)網連接會嚴重影響移動AR顯示功能的實現(xiàn)，從而降低用戶體驗。其次，部分使用者認為現(xiàn)有校園活動信息管理模塊的功能和同類型經常使用的工具軟件相比功能偏少。

6結論

本文基于移動AR技術設計并實現(xiàn)了一個用于校園文化活動展示與交流的智慧校園系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過圖像識別和GPS定位相結合的方式對捕捉到的圖像進行準確定位，通過移動AR技術對校園真實環(huán)境附加了圖文信息（校園活動信息），為當代大學生開展戶外非正式學習提供了環(huán)境。通過使用反饋將會在后續(xù)研究對本系統(tǒng)進一步改進。首先，為了保證用戶體驗的便利性和及時性，在出現(xiàn)WiFi和GPS信號中斷的情況下，應考慮替代接入。其次，基于移動AR的情境學習理論，對校園活動信息管理模塊進行功能擴展。第三，研究實現(xiàn)多用戶實時交互。

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