VR/AR/MR技術在教學中的應用文獻綜述

胥正憲

摘要：傳統教育往往采用粉筆黑板以及使用投影儀等方式，存在著較多弊端，本文探討了一種新的教育方案，將 AR 與 VR 技術應用于教育中?？紤]到處理能力等多種因素，AR 與 VR 技術的發展目前主要借助 PC 機。但是隨著移動終端處理能力的快速發展，如何將 AR 與 VR 技術應用于用戶量龐大的移動終端。本文對VR/AR/MR技術在教學中的應用進行了文獻研究，并做了一些探討。

關鍵詞：增強現實；虛擬現實；教育

隨著技術的發展，增強現實（Augmented Reality簡稱 AR）與虛擬現實（Virtual Reality 簡稱 VR）被越來越多的人好看，它們在最近幾年獲得了較大的發展。在 2015年的一份投資報告中指出 AR 與VR 是未來又一個具有前景的技術[1-2]。目前 HTC、Facebook、Samsung、Apple、Alphabet 等科技公司都展開了相關研究與開發[3-6]。

在教育領域，隨著計算機科學技術的快速發展，傳統的黑板教學漸漸的被豐富多彩的多媒體教學所取代。多媒體教學所帶來的巨大便利，受到了老師和學生的一致好評，但是也逐漸暴露出多媒體演示不夠形象具體、沒有沉浸感、缺乏互動體驗、無法進行自主學習等缺點。而近幾年興起的 AR 與 VR 技術可以有效彌補上述缺點，本課題著力于將 AR 與 VR 技術應用于教育領域，從而使學生獲得更好的學習體驗。

1、核心概念及要素

（1）、VR，Virtual Reality，虛擬現實：是一種通過計算機模擬真實感的圖像，聲音和其他感覺，從而復制出一個真實或者假想的場景，并且讓人覺得身處這個場景之中，還能夠與這個場景發生交互。

VR要素：沉浸感，一種讓人身處虛擬場景內的感覺，依靠遮擋真實場景的光線，提供盡可能大的視角，具有真實感的畫面，三維，立體甚至光場的視覺，環繞聲場和其他感官的刺激實現。

交互性，用戶可以和虛擬場景中的內容發生實時交互，對用戶行為具有真實感的響應，可以有視覺上，力覺上，聽覺上和其他感官上的回饋，依靠傳感器，軟件運算，執行機構等系統實現。

假想性，可以根據設計者的想象設計出各種各樣的虛擬場景，內容來源于現實而高于現實，可以在一定程度上違反物理定律，超現實的虛擬場景，依靠人為想象，軟件設計，特效等途徑實現。

2、AR，Augmented Reality，增強現實：是一種直接或間接地觀察真實場景，但其內容通過計算機生成的組成部分被增強，計算機生成的組成部分包括圖像，聲音，視頻或其他類型的信息。

AR要素：現場感，通過直接（鏡片透視）或間接（攝像頭拍攝，實時播放）觀察真實世界，處于什么現場就顯示什么現場。

增強性，對現場顯示的內容增加額外信息，包括圖像、聲音、視頻或其他信息。

相關性，計算機必須對現場進行認知，增加的內容和現場具有相關性，包括位置相關，內容相關，時間相關等等。

3、MR，Mixed Reality，混合現實：一種將真實場景和虛擬場景非常自然地融合在一起，它們之間可以發生具有真實感地實時交互，讓人們難以區分哪部分是真實的，哪部分是虛擬的。

MR要素：現場感，真實場景和來自現場，通過鏡片透視或攝像頭方式取得，和AR一致。

混合性，真實場景和虛擬場景自然地合在一起，發生真實感地交互，包括遮擋，碰撞等。

逼真性，虛擬場景的顯示效果接近真實場景，不容易辨別。

二、國內外研究動態及水平

目前 AR 與 VR 技術發展正處在方興未艾的階段，很多 AR 與 VR 項目都在積極研究中。例如Google 推出了 VR 解決方案 Cardboard、Microsoft Holo Lens 全息眼鏡由Microsoft 公司于北京時間 2015年1月22 日凌晨與 Window10 同時發布、Apple 收購了 AR 開發解決方案 Metaio 用以發展自己的 AR 技術、Intel 收購了 AR 頭戴式顯示器制造商 Recon、Sony 推出了 Play Station VR 頭盔、Facebook 也推出了自己的 Oculus Rift VR 頭盔、HTC 也于今年推出了自己的 VIVE VR 頭盔、Samsung推出了 Gear VR設備。在國內也有很多廠商也積極研究 AR 與 VR 技術，例如 Tencent 有計劃推出自己的 VR 頭盔。

90年代以前，AR的概念還比較模糊；90年代是AR技術迅速發展的10年。比較有名的研究機構有：美國麻省理工大學的圖像導航外科手術室；哥倫比亞大學的圖形和用戶交互實驗室；日本的混合現實實驗室；德國的Arvika組織；新加坡的混合現實實驗室。此外，用于快速開發的開源軟件工具ARToolkit也由華盛頓大學的圖形實驗室成功開發并維護至今。

原有的研究領域拓展到多個新的領域，如城市規劃、娛樂教育、工業仿真、文化遺產保護等AR系統由簡單的桌面式擴展到戶外可攜帶型、空間體驗型顯示設備也從頭盔顯示器延伸到大型可觸摸式、桌面投射式和便攜式。

我國在AR領域的研究起步較晚，研究機構主要集中在高校的科研單位：北京理工大學；北京航空航天大學；國防大學；浙江大學；上海大學；從國內發表的論文來看，主要集中在系統應用和配準技術上，研究的問題比較單一、涉及面比較窄另外，從專利申請的情況看，全球共有108個，這之中我國僅有北京理工大學的一個。

目前國內AR的研究成果主要有：北京理工大學自主研制了視頻、光學穿透式兩類頭盔顯示器；北京理工大學利用AR技術重建圓明園的實驗也取得了重要進展；上海大學快速制造工程中心與浙江大學合作開發了AR場景光源的實時檢測和真實感繪制框架；此外，在城市規劃、地下管網、地理信息系統等領域也有相關的研究。

在教育領域，目前傳統教材所展現的信息都非常有限，如能結合 AR 與 VR 技術進行相關改進，使之變為應用 AR 與 VR 技術的課本，將會給使用者新的使用體驗，幫助使用者更好的、更全面的了解教材所提供的信息，對更加有效掌握知識非常有幫助。在這方面，國內外有著很多研究，可為我們提供很好的借鑒。

參考文獻

[1]徐德華，張雪艷. 中國 VR 技術發展現狀、應用前景與對策研究[J]. 經營管理

者，2017，（01）：271.

[2]黃賢立，羅冬梅. 基于訊飛語音技術的智能家居控制 APP 設計[J]. 福建電

腦，2016，（08）：112+145.

[3]王陽. 基于 Android 的室內 Wi Fi 定位系統設計與實現[D].南京大學，2016.

[4]張宇. 現實亦虛擬 虛擬亦現實[J]. 機器人產業，2016，（02）：48-54.

[5]王曉雨. 沉浸式虛擬 3D 敦煌莫高窟場景重現技術研究[D].西安工程大學，2016.

[6]王志強. 基于移動增強現實的虛擬機械臂系統研究與實現[D].河北工程大

學，2015.

[7]羅永東，張淑軍. 一種基于 Unity 3D 的移動增強現實自動導覽方法[J]. 計算機與

數字工程，2015，（11）：2024-2028+2051.