淺談擴展現(xiàn)實技術及其在遠程教育的應用

（吉林廣播電視大學吉林省遠程教育技術科技創(chuàng)新中心，吉林 長春 130022）

一、引言

擴展現(xiàn)實（Extended Reality,XR）可概括為虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality,VR）、增強現(xiàn)實（Augmented Reality,AR）及混合現(xiàn)實（Mixed Reality,MR）等一系列技術的總稱，就是通過傳感器為人類實現(xiàn)虛擬世界與現(xiàn)實世界的信息交互融合技術的集合，包括視覺、觸覺、聽覺、嗅覺。擴展現(xiàn)實在經(jīng)濟各個方面發(fā)揮作用并蓬勃快速發(fā)展，有分析[Accenture,The Rapid Growth of Extended Reality.]指出在人機+機器協(xié)作可不斷提高生產(chǎn)力，尤其在醫(yī)療保健和社會服務、制造業(yè)和建筑業(yè)中，可以增加30%。通過擴展現(xiàn)實與人工智能、大數(shù)據(jù)等結合實現(xiàn)數(shù)字孿生，可進行生產(chǎn)過程仿真、實訓仿真、智慧園區(qū)、智慧城市等，實現(xiàn)智慧管理可視化，讓使用者沉浸于虛實融合的平行世界。擴展現(xiàn)實依靠云計算、邊緣計算、深度計算等技術，還可實現(xiàn)運算優(yōu)化、傳輸優(yōu)化、環(huán)境感知。

隨著5G 技術應用與發(fā)展，邊緣云渲染、高質量渲染、高刷新率渲染等不再受基帶瓶頸限制，擴展現(xiàn)實能為使用者帶來更好的移動體驗。教育領域中，擴展現(xiàn)實不僅可以拓寬現(xiàn)實環(huán)境中與教師的交互，提高教學方式的互動化與智能化，還極大增強了知識的可視化、形象化。

《教育信息化2.0 行動計劃》中指出，要適應網(wǎng)絡技術發(fā)展，服務全時域、全空域、全受眾的智能學習，以示范性虛擬仿真實驗教學項目等建設為載體，加強大容量智能教學資源建設，加快建設虛擬工廠等智能學習空間。XR 技術與教育的深度融合，已成為教育變革創(chuàng)新的一大課題。

二、擴展現(xiàn)實技術發(fā)展及特點

1.虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實的發(fā)展及特征

隨著計算機仿真技術的發(fā)展，擴展現(xiàn)實技術中VR、AR、MR 都有自己的發(fā)展進程，為用戶提供不同程度的虛擬與現(xiàn)實環(huán)境的融合體驗。

（1）虛擬現(xiàn)實的發(fā)展及其特征

1935 年，小說家Stanley Weinbaum 在其撰寫的小說《皮格馬利翁的眼鏡(Pygmalion‘s Spectacles)》中描述了一款眼鏡為基礎的VR 眼鏡，其有視覺，觸覺，嗅覺等全方位沉浸式體驗的虛擬現(xiàn)實概念。由于早期人類科技技術限制，虛擬現(xiàn)實經(jīng)歷了其原型機階段、技術積累階段。直到1990 年，虛擬現(xiàn)實技術才真正開始向應用轉型。從2016 年——虛擬現(xiàn)實元年至今，基于數(shù)字技術的虛擬現(xiàn)實設備已集成化，并以結合互聯(lián)網(wǎng)等技術逐步擴展其應用范圍，進入虛擬現(xiàn)實的全面爆發(fā)階段。

現(xiàn)如今，以VIVE（HTC）、Oculus Rift、Gear VR（Sumsung）等主流的HMD（Head-Mounted Display）設備已實現(xiàn)強大的內容交互體驗。而以Cardboard（Google）等基于智能手機的原型設備，只能夠實現(xiàn)3D 眼鏡功能，實現(xiàn)全景、雙目媒體展示等。

以VIVE 為例，其設備定位布局不止在文化（娛樂傳媒）產(chǎn)業(yè)，還在文化（藝術）、教育等產(chǎn)業(yè)有所深入，并已融合會議、協(xié)作等功能。綜合利用數(shù)字圖像處理、聲場聲音處理混合及各類感應設備數(shù)據(jù)處理，在與現(xiàn)實世界隔絕的封閉式設備系統(tǒng)中生成實時交互三維環(huán)境，通過設備取代用戶的現(xiàn)實世界視覺、聽覺感官，以創(chuàng)造沉浸式體驗環(huán)境。因此，其特征為沉浸性、交互性及構想性，虛擬現(xiàn)實技術還稱為靈境技術。因為其完全沉浸封閉，嚴重限制了用戶在現(xiàn)實世界的移動性。

2、增強現(xiàn)實的發(fā)展及其特征

增強現(xiàn)實早期應用以HUD（Head-up Display）平視顯示為主，用作以駕駛員為中心的盲操作、多功能儀表盤光學透視顯示器（Optical See-Throught）系統(tǒng)。隨著感應設備的發(fā)展，VST（Video See-Throught）視頻透視技術逐漸普及在智能設備中。通過成像器件（感光元件）、陀螺儀、重力感應器等對現(xiàn)實世界的圖像、運動（位置及方向）、重力等數(shù)據(jù)的捕捉、識別處理，將虛擬物按照自然規(guī)律（三維注冊）融合實時互動顯示。

3、混合現(xiàn)實的發(fā)展及其特征

混合現(xiàn)實實際產(chǎn)生在虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實的基礎上，它融合了虛擬與現(xiàn)實，能夠保證實時可視化環(huán)境中虛擬及現(xiàn)實中對象共存、互動。虛擬對象完全依照現(xiàn)實世界位置、大小等物理屬性同步，同時進行現(xiàn)實世界中的對象感知，將虛實對象進行注冊實例化及數(shù)據(jù)關聯(lián)?；旌犀F(xiàn)實設備現(xiàn)以Hololens（Microsoft）、Magic Leap One（Magic Leap）為代表，以視覺感知為主。Hololens 其定位在工業(yè)，可實現(xiàn)遠程協(xié)同、實訓指導等。

（1）擴展現(xiàn)實的提出及展望

擴展現(xiàn)實可追溯到60 年代，1961 年Charles Wyckoff 為記錄原子實驗，便開發(fā)出能夠使人類觀看超出常規(guī)視野事物的攝影技術及專利，還將HDR（High-Dynamic Range）圖像處理技術與之結合。之后，Unity 公司明確了涵蓋性術語“擴展現(xiàn)實”，包括虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實。

針對現(xiàn)有技術構成展望，擴展現(xiàn)實技術的實現(xiàn)技術包括感知追蹤、數(shù)據(jù)及處理、輸出系統(tǒng)及技術環(huán)境，如圖1 所示。

圖1 擴展現(xiàn)實技術的實現(xiàn)技術結構圖

三、擴展現(xiàn)實在遠程教育中的應用

1.擴展現(xiàn)實技術在教育領域的應用

擴展現(xiàn)實技術在教育領域，主要集中在虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實兩個方面，并已積累了大量案例，內容則以知識教育、技能培訓等為主，層次目標以小/初/中/K12 及通識為主。應用方式上，一是依靠各自生態(tài)鏈構建的軟硬件系統(tǒng)來構建模塊化內容并實現(xiàn)學習體驗，再就是通過擴展現(xiàn)實通用開發(fā)框架進行開發(fā)內容，以通用操作系統(tǒng)應用程序的形式在HMD、AR 眼鏡或智能設備中執(zhí)行實現(xiàn)交互體驗。通用開發(fā)框架包括Unity XR、UE XR、WebXR 等。

2.擴展現(xiàn)實技術的遠程教育應用場景分析

（1）職業(yè)教育

因為擴展現(xiàn)實技術本身的沉浸性等特點，如機械、建筑工程、室內設計、土木工程、旅游、汽車、數(shù)控技術、藝術設計等方面內容具備良好的交互特征，尤其在大型設備等特種作業(yè)實訓方面體驗明顯。以化工機械為例，學員用戶通過使用遠程教育平臺XR 內容不受地域、時間限制進行交互學習，進行虛擬拆裝、運動仿真等。通過內容程序化設定及對學員操作流程監(jiān)控，可實現(xiàn)程序自動化考核其操作規(guī)范程度。XR 內容還可包括在線故障實操，通過振動形變、聲響及其他特效等實現(xiàn)故障模擬。從而有助于激發(fā)學員學習興趣，通過網(wǎng)絡實時小組合作，還可以實現(xiàn)多人協(xié)作。與此同時，還大大降低培訓機構購置設備的教學成本。

（2）老年繼續(xù)教育

針對老年繼續(xù)教育，因設備如HMD 存在笨重無法長時間佩戴、造價昂貴等問題，擴展現(xiàn)實技術應用更多的應該在于藝術設計、通識知識等方面的傳授。如藝術設計方面，可以通過平臺設計出藝術品后，進行3D 打印或4D 打印，實現(xiàn)虛擬設計的真實物創(chuàng)造。針對與職業(yè)教育相同的專業(yè)內容，可在職業(yè)教育內容基礎上調整，實現(xiàn)相同專業(yè)方向不同教育對象的內容差異化應用。

（3）特殊教育

特殊教育學員在肢體、感官、心理等方面都存在缺陷或障礙，那么通過采用不同感應設備，可以實現(xiàn)個體差異化應用。比如患有孤獨癥譜系障礙 (Autism Spectrum Disorder,ASD)的學員對象，一般其存在交流、互動、想象三方面能力缺失。擴展現(xiàn)實技術的沉浸性可為其治療干預提供內容可控的交流，互動性提供了反饋可測的互動，想象性提供了泛化想象空間。針對語言功能障礙的學員，通過實時在線語音識別文字進行專業(yè)內容學習，并可進行實時啞語手勢識別提高其社會信息交流能力。擴展現(xiàn)實營造的學習資源和學習情境，更易于填補其感知不足輔助認知。在未來，部分生理缺陷群體將能夠通過擴展現(xiàn)實技術彌補真實世界的感知缺陷。

（4）智慧智能學習環(huán)境

智慧學習是學員按需獲取學習內容，個性化開展學習活動，快速構建自己的知識網(wǎng)絡與人際網(wǎng)絡的學習過程。作為涵蓋沉浸式技術的擴展現(xiàn)實技術，遠程教育

平臺可通過其對學員個體各類生理數(shù)據(jù)、環(huán)境感知數(shù)據(jù)的獲取，實現(xiàn)個體交互式學習活動計劃設定；也能夠通過學員學習行為、內容關注度等不同維度監(jiān)測構建學員學習畫像，為學員智能無縫地提供符合需求導向的學習內容。

四、結束語

隨著擴展現(xiàn)實技術的發(fā)展，結合云計算、人工智能、大數(shù)據(jù)等，在教育階段中全覆蓋并會延伸到終身教育，其在遠程教育中的發(fā)展前景也會越來越廣。擴展現(xiàn)實技術的廣泛應用，對于“發(fā)展未來學?！薄ⅰ爸腔壅n堂改革”具有重大意義。遠程教育資源利用最大化、學習行為自主化、教學形式修改化、教學管理自動化等優(yōu)勢，結合擴展現(xiàn)實技術后，勢必會掀起全納教育泛在學習熱潮。