基于手机的增强现实及其移动学习应用
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[摘 要] 增强现实技术能为学习者创设虚实相融合的学习环境，让他们在看到周围真实环境的同时，还能看到计算机产生的虚拟信息。以手机作为增强现实应用的实现平台，由于在移动性、便携性以及人机交互性等方面具有较强的优势，因而更具移动学习的应用前景。文章在论述基于手机的增强现实的结构、关键技术及主要功能特点的基础上，从基于情境感知的学习、科学探究学习及参与模拟的学习等三个方面探讨手机增强现实的移动学习应用。通过研究，能对基于手机的增强现实及其在移动学习中的应用有更深的理解。
[关键词] 手机； 增强现实技术； 移动学习应用
[中图分类号] G434 [文献标志码] A
[作者简介] 程志（1965—），男，广东河源人。副教授，博士，主要从事数字化学习、教师专业发展研究。E-mail：。
一、前 言
增强现实（AR）是将计算机生成的二维或三维的虚拟信息与真实环境中的景象相融合的一种技术，它综合了计算机图形、融合显示、多传感器、图像处理、计算机视觉等多门学科，是在虚拟现实（VR）的基础上发展起来的一个新兴的研究领域。增强现实系统的使用者可以在看到周围真实环境的同时，还能看到计算机产生的增强信息，这种增强信息可以是在真实环境中与真实物体共存的虚拟物体，也可以是与存在的真实物体有关的非几何信息。[1]目前，增强现实技术在医学、娱乐、军事训练、教学培训、工程设计、消费设计等许多领域得到广泛的应用。基于桌面计算机的增强现实系统，由于存在体积庞大笨重、成本高、易损坏等缺陷，在实际使用及操作中常有诸多不便。目前小型的移动设备如智能手机，已经具备了接近普通PC机的运算能力，以及海量的存储能力和高质量显示效果，因此选择手机作为增强现实技术的开发应用平台，已成为新一代增强现实技术的必然趋势。基于手机的增强现实，不仅能够突破基于桌面PC机的增强现实所带来的各种限制，而且在移动性、便携性以及人机交互性等方面具有较强的优势，因而更具移动学习的应用前景。鉴于此，本文试图对基于手机的增强现实及其在移动学习中的应用作一些深入的探讨，以期能对手机增强现实的教育应用有更深的理解。
二、基于手机的增强现实
（一）手机增强现实的结构
增强现实系统不仅可以使用户看到周围的真实环境，还可看到计算机产生的虚拟物体或非几何信息。增强现实系统主要由摄像与处理模块、注册定位模块、融合渲染模块、显示模块等几个关键部分组成（如图1所示）。系统的工作流程大致如下：首先，摄像与处理模块通过图像采集设备获取真实场景，并通过一定的算法降低噪声；第二，注册与定位模块通过硬件或者软件计算出观察者当前的位置和姿态即注册信息；第三，融合渲染模块在获得观察者精确的注册信息后，由计算机图形系统根据注册信息生成虚拟场景或物体，并通过视频信号融合器实现计算机生成的虚拟场景与真实场景融合；最后，通过显示设备输出，使观察者“浸没”在增强后的场景中。
目前常用的增强现实系统的硬件一般主要包括PC机、摄像头、头盔显示器和硬件跟踪设备等。基于此构架的增强现实系统，由于存在体积庞大笨重、成本高、易损坏以及难以维护等缺点，因此对用户的实际使用及操作带来诸多不便。目前，小型移动设备如智能手机、掌上电脑（PDA）等，已经具备了接近普通PC机的运算能力，而且还内置了摄像头、红外通信接口、蓝牙无线接口及GPS定位设备等，因此选择智能手机作为增强现实技术的新载体，将增强现实技术移植到智能手机上，能够使增强现实系统突破以往的体积庞大的限制，在便携性、移动性以及人机交互性等方面具有更大的优势，也因而使增强现实技术能应用于更加广泛的领域。
由于手机的计算能力及图形显示能力相对还比较弱，为了减轻手机端的计算负担，基于手机的增强现实目前大都还采用C/S的系统结构，让手机端与服务器共同承担计算处理任务，将部分计算工作放在服务器端，通过无线互联网将计算结果返回，在手机屏幕上进行增强现实效果的显示（如图2所示）。该系统的工作过程如下：首先，手机通过摄像头捕捉真实场景视频，并通过无线网络传送给服务器；其次，服务器端实现三维跟踪注册，并且根据三维跟踪注册结果，先计算出虚拟模型的渲染参数，再将渲染参数通过无线网络连接传给手机；最后，手机根据渲染参数，进行虚拟场景渲染绘制，接着将虚拟场景叠加到真实场景视频中，并且将虚实融合的增强场景图像显示在手机的屏幕上。
（二）手机增强现实的关键技术
基于手机的增强现实系统应能实时跟踪手机在真实场景中的空间位置和姿态，并根据这些信息计算出虚拟物体在摄像机中的坐标，实现虚拟物体画面与真实场景画面精准匹配。因此，尽管手机增强现实系统的研究需涉及许多关键技术，但让虚实准确结合的跟踪注册技术是最为关键的技术。手机增强现实系统的跟踪注册一般可分为两种：[2]一种是采用跟踪传感器进行注册，简称跟踪器法；一种是采用计算机视觉系统结合特定算法来实时得到，简称视觉法。其中，视觉法或基于视觉的方法又可分为基于标志的方法和基于自然特征的方法。
基于跟踪器的注册方法常采用磁力跟踪、超声跟踪、光学式跟踪、惯性跟踪、机械式跟踪、全球卫星定位系统（GPS）等方法进行跟踪注册。由于不同的跟踪器方法各有利弊，各自适合于不同的应用范围，且容易受到外界的干扰，以至于单一使用某种传感器进行跟踪注册，在精度和使用范围上难于满足实际应用的需要。因此，为了得到更广泛的适应性和更好的性能，许多系统采用跟踪器法与视觉法相结合的复合方法，以有效提高增强现实系统的跟踪性能和注册精度。
基于标志的跟踪注册是通过预先放置标记，然后对获取的图像进行分析，以计算摄像机的位置和姿态。人工标志的作用是向虚拟物体提供绘制信息，因此在很大程度上降低了计算机的计算要求和算法的复杂度，也使人工标志在增强现实系统中得到较为广泛的应用。人工标志若按照形状划分则有三角形、方形、五边形、圆形、同心圆环等，若按照颜色划分则有黑白与彩色两种情况。人工标志的实例如图3所示。不同的人工标志所表达的信息不同，采用的分析识别的方法也不完全一样，因此依据不同的应用场景合理地选取人工标志，能够有效地降低分析难度及提高识别结果的准确性。人工标志的识别和顶点提取本身是两个较为复杂的问题，涉及色彩过滤、图像分割、直线拟合等多种处理方法。[3]此外，采用人工标志的另一个好处是使用者可以通过移动标志的位置实现与虚拟物体进行实时交互。但是，某些场合可能无法使用人工标志，如想在某一被破坏的建筑废墟上呈现虚拟的、曾经的完整建筑景象，就无法在废墟上安放标志物，只能通过无人工标志的方法来实现。
基于自然特征的跟踪技术的基本原理与基于标识的跟踪技术类似，不过前者采用的是对场景目标对象的自然特征进行识别的方法，而不是人工标志。与基于标识的跟踪技术只适合小范围的增强现实应用不同，基于自然特征的跟踪技术由于摆脱了依赖放置在真实场景中的标志物的限制，因此具有更大的增强现实应用范围，而且在光照变化比较大和遮挡情况下比基于标志的跟踪更棒。
三、手机增强现实的主要功能特点
手机增强现实利用计算机产生的附加信息对真实环境的景象进行增强或扩张，并且还可让学习者与这些附加信息进行实时交互，这些附加信息或是虚拟物体，或是非几何信息。由此可见，手机增强现实具有以下主要功能特点。
（一）扩张真实环境
一般认为，增强现实技术是在虚拟现实技术的基础上发展起来的一个研究领域，但二者对浸没感的要求却存在明显的不同。虚拟现实强调使用者完全沉浸在一个由计算机所生成的虚拟空间之中，无法感知到周围的真实世界，而增强现实则致力于将计算机产生的虚拟物体或信息与真实环境融为一体，使其成为真实环境中的一个组成部分，以此来增强使用者对现实世界的理解。Milgram 等人[4]的研究把虚拟环境和现实环境看成是一个连续的统一体（如图4所示），增强现实位于现实环境与虚拟环境同时存在的混合现实部分，所以增强现实也被称为混合现实。因此，增强现实是补充现实而不是替代现实，它为学习者呈现一个虚拟物体与真实环境自然融合的学习环境，让他们可以在看到周围真实环境的同时，还能看到计算机产生的虚拟物体，并且还可以在真实环境中与虚拟物体进行交互。因此，手机增强现实技术创设的虚实结合的学习环境，能使学习者更直观、全面地掌握和理解学习对象。
（二）高度交互性
通过借助于各种传感器或视觉计算，基于手机的增强现实能够在学习者的位置和视线方向发生变化时，由计算机生成的叠加到真实场景中的虚拟物体也能实时地跟着改变。与此同时，学习者还能与虚拟物体进行交互。例如，当用手机摄像头扫描空荡荡的、尚未装潢的办公室时，手机屏幕上会显示出一系列的办公室装潢虚拟元素，学习者可通过与这些虚拟元素的交互来完成各种搭配。在基于手机的增强现实中，现实世界和虚拟世界的完美融合，让人很难注意到现实和虚拟之间的区别，学习者只需用手指点击手机屏幕中的景物，手上的移动设备就会立即把与该景物相关的信息呈现出来。因此，基于手机的增强现实的交互不再是具备明确位置的交互，而是扩展到整个环境，将自己融合于周围的空间与对象之中。由此可见，以手机为终端的增强现实让学习的交互变得更为完美与自然。
（三）定位信息服务
借助于GPS、电子罗盘的定位、定向信息，基于手机的增强现实能根据学习者的空间地理位置的变化，动态地为其提供各种学习信息，甚至这些信息还可通过三维的方式叠加在手机摄像头的图像上。在实际的应用中，只需要将手机的摄像头对准某一方向或景物，就能在手机屏幕上自动显示出有关的详细信息。手机增强现实定位信息服务的工作原理如图5所示，按顺序如下：[5]（1）通过GPS取得纬度、经度和高度等信息，同时通过电子指南针取得面向的方向，并以此确定手机增强现实需要搜索的范围；（2）向无线互联网络发送搜索范围的数据；（3）通过无线互联网络，返回指定搜索范围的相关信息，并将此信息叠加在手机显示屏的画面上。
目前，基于手机增强现实的位置信息服务，越来越多地受到大众的广泛关注。Layar是全球第一款增强现实感的手机浏览器，能够在浏览器上向人们展示周边环境的真实图像。[6]运行Layar后，只要将手机摄像头对准某一位置固定的物体比如建筑物，手机的屏幕上就会出现与画面上物体或位置相关的有用信息，比如建筑物的介绍、建筑物周围的银行、便利店、咖啡厅、茶馆、酒吧等的详细介绍及打折信息。另外，Sekai Camera让每个用户都能够为地球上任何一个地方贴上文字或语音标签，并且在每个标签后面都会附加上描述当时手机状态的“指纹”信息，包括GPS坐标、手机与地面的角度、手机方向等，以此作为为其他用户提供定位信息服务的键值。
四、手机增强现实在移动学习中的应用
移动学习是一种在移动设备支持下的能够在任何时间、任何地点发生的学习。基于手机的增强现实所带来的虚实结合的学习环境，为移动学习的内容呈现、交互方式及活动过程等方面都提供了新的可能。以下将从基于情境感知的学习、科学探究学习及参与模拟的学习等三个方面探讨手机增强现实的移动学习应用。
（一）在基于情境感知的学习中的应用
在人们的知识生产和应用的过程中，情境赋予了知识及知识活动相关的条件、背景和环境等个性化的特征，这些特征是区分、识别不同知识和知识活动的重要因素，更是学习者完全理解知识的关键要素。因此，情境已成为了学习者与知识联系、沟通的桥梁和纽带。情境感知也称情境感知计算，是指借助于环境、位置、时间、设备设施、行为活动等情境信息，向学习者提供适合于当前情形（如目标、任务等）的知识或服务，为学习者提供更好的适应性、个性化的学习交互和学习支持。只有通过情境感知，才能保障学习者个性化知识需求的准确性和可靠性。在基于情境感知的学习中，“学习内容由移动学习系统通过感知学习者的学习情境自动推送给学习者，使学习者在情境中进行学习”。[7]手机增强现实的定位信息服务功能，让学习者在移动中只要将手机对准某一方向或目标物体，就可利用GPS坐标、加速器给出的手机与地面角度，以及指南针确定的摄像头朝向，通过无线互联网搜索相关的情境信息，并将返回的情境信息呈现在手机的显示屏上，以支持学习者进行情境学习。因此，手机增强现实的定位跟踪技术为情境感知提供了更为完善的技术支持和实现方案，而情境感知则为在真实的问题情境、工作活动中开展情境学习提供了条件。例如，当学习者在户外旅游时，将具备增强现实功能的手机摄像头对准某一景物，经过对屏幕内的景物信息进行分析处理后，随即在屏幕上显示有关该景物及周边地区的各种旅游信息，以及提供实用全面的旅游攻略等，让学习者能在真实的情境中掌握旅游知识。
另外，基于情境感知的学习还可借助增强现实的自然特征识别技术，通过对手机摄像头拍摄的景物特征进行辨识来获得与情境相关的信息服务，以支持学习者在移动中开展情境学习。例如，国内正在研究基于增强现实技术的圆明园景观数字重现方面的应用。该应用开发成功后，游客把手机摄像头对准圆明园“大水法”遗址，就能够看到被破坏前的原貌，了解到该建筑的所有信息，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坏等内容。[8]此类手机增强现实在基于情境感知的学习中的应用，可帮助学生在真实的情境中对相关知识进行学习，有利于学生对知识的记忆和了解。
（二）在科学探究学习中的应用
探究学习是从学科领域或现实社会生活中提出研究问题或任务，然后学习者围绕这个问题或任务，通过假设、推理、验证等一系列的过程而最终解决问题或完成任务的一种探索活动。因此，问题是探究的起点，而且探究作为一种类似于科学研究的活动，还要经历科学研究的一般过程。尽管探究是以问题开始的，但问题的解决并不是探究的全部，需要学习者在知识、技能、情感和态度等各方面都获得发展和提高。要更准确地理解和把握科学探究，需要我们明确以下几个方面：[9]首先，科学探究的对象是自然界，是对自然现象或问题的一种调查和研究；其次，科学探究作为一种认知活动，要经历一定的活动程序或阶段；第三，在科学探究中，为了发现和认识自然现象或事物的特征，揭示自然的发展规律，个体要运用一系列的科学方法，包括观察、比较、分类、测量、交流、预测、假设、实验等来寻求对于自然问题的答案，获得对于自然世界的理解。
基于手机的增强现实由于其设备的便携性，以及提供与真实情境高度相关的信息服务，使其不再仅仅是扮演支持学习活动的台式机器的便携版本，而且还可开辟新的移动学习实践，为学习者提供更多的移动学习体验。在探究学习过程中，手机增强现实可为学习者呈现一个虚拟物体与真实环境相结合的学习环境，以支持学习者在自然的情境中开展科学探究学习活动。同样，手机增强现实的定位信息服务功能也可为探究学习活动提供脚手架，以帮助学习者在移动中完成科学探究的任务。例如，2002年开始启动的英国的环境森林项目，“给学习者提供增强的自然世界，然后让学生在反复的假设及验证的过程中，理解生态界的相互依存性与有关概念”。[10]该项目通过在森林中安置了带有增强现实功能的移动终端设备，人为地创设虚实相融合的学习环境，以帮助学生探究秃林和密林， 考察动植物的栖息环境以及它们之间的相互依存性，进而掌握生态系统的生物分布与生物之间相互依存的知识。另外，可以在 iphone 上运行的游戏“生态虫子”，通过设计一些虚拟的虫子，让学生对生态系统的各种情况进行探索，比如温度和食物的情况等，以使这些虫子能在现实世界中生存。它的目标受众是7到11岁的孩子，主要是为了帮助孩子们进行探索，更好地理解我们的生态系统。[11]
（三）在参与模拟的学习中的应用
参与模拟的学习强调学习者参与学习活动，充分发挥他们学习的主动性、自主性和探索性，让学习者在参与模拟的过程中体验到学习带来的乐趣。参与模拟的学习是符合建构主义学习理论的一种学习方式。在建构主义学习理论中，学生是信息加工的主体，是知识意义的主动建构者，而不是外部刺激的被动接受者和被灌输的对象。通过为学习者提供参与模拟学习活动的环境以及建构知识的工具，让他们能在技术的支持下从信息的被动接收者变为积极的知识建构者，以提高他们的高层次思维能力和问题解决能力。
借助手机增强现实技术对学习环境或自然环境进行部分模拟，可为学习者参与模拟学习活动构建虚实融合的移动学习环境，并且让每个学习者都能参与到这个模拟的学习环境中。在移动增强现实技术支持的参与模拟学习中，每个学习者都拥有一部带有增强现实功能的手机，通过它将学习者带入高度交互的、真实与虚拟相融合的移动学习环境，而且每个学习者都需要在移动学习环境中扮演重要角色，比如扮演狮子，成为模拟学习的一部分，使他们在参与模拟的学习活动中能够看到他们的活动对整个学习过程的影响。运用移动设备开展参与模拟学习的案例并不少见，如Colella 的病毒游戏就是其中之一。在Colella 的游戏中，学习者通过在教室里走动并与其他人面对面地接触，以此来模拟和观察病毒在一定人群中的传播过程，使学习者在参与模拟中获得有关病毒传播及病毒控制的知识。具有增强现实功能的手机支持下的参与模拟的学习，能为学习者体验多种不同角色提供更为丰富、交互性更强的经历，因此更能调动他们参与学习的积极性，并在反思的过程中建构起他们对知识意义的理解。AR Invaders就是一款让学习者参与模拟的基于手机增强现实的射击游戏。在AR Invaders游戏中，无论你身处何处都是真实的战场，你需要扮演地球的保卫者，在摄像头捕捉到的真实的建筑物、汽车、行人中，搜索外星飞碟并击毁它们，以阻止外星人的入侵。AR Invaders游戏通过利用陀螺仪和重力感应来判断使用者的动作、方向和位置变化，给学习者带来非常逼真的学习体验。
五、结束语
由于目前手机的性能还无法与PC机相比，使得基于PC机的增强现实应用还无法完全有效地移植到手机上。虽然可以采用C/S构架分担部分计算任务，但无线网络数据传输的延时及带宽的问题都使该构架还无法完全达到实时的处理能力。因此，在未来短时间内基于手机的增强现实也只能实现一些简单的应用。但是，随着手机性能的不断发展和完善，制约手机增强现实技术发展的各种因素必将成为过去。由于手机具有体积小、便携方便、普及率高等特点，因此可成为开发增强现实应用的理想平台，同时也为移动学习活动带来新的可能。鉴于此，本文重点探讨了手机增强现实及其在移动学习中的应用，以期引起大家的关注。