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2017.03.09
作者：王培霖梁奥龄罗柯高巍周志颖
随着科技的进步，增强现实(AR)技术逐渐成为一个在教育行业越来越成熟且具有巨大潜力的新技术，增强现实与教育的结合使得书本中抽象的内容具体化、形象化，打破了传统教育模式的局限，给教育行业发展提供了新的机遇和途径。但消费市场热度和用户接受度仍然不够，其产品的用户体验方面还存在一定问题。该文纵观增强现实的历史发展、现状问题和未来趋势，希望通过增强现出版物的方式，节省更改原始纸质图书的成本，将AR技术更好地应用到教育领域帮助学生学习和理解传统教育难以解释的各种抽象概念，实现以最自然有效的方法让孩子们快乐学习，真正走进校园充分发挥AR技术的附加价值。
关键词：增强现实；混合现实；虚拟现实
中图分类号：G434文献标识码：A
一什么是增强现实
二增强现实的现状
(一)背景概述
一直以来，人们熟知的教育场景都是老师提前安排好教学进度，上课时站在讲台上用书写黑板的方式为学生传授知识，学生的教科书和作业等都是纸质的。虽然这种静态的教学方式长期被人们习惯和接受，但随着科技的进步，人们教育的创新提出了更高的要求，因此研究人员和教育界学者希望可以通过科技改进教师的教学环境和学生的学习过程，使学习更加高效。
2007年Teoh和Neo研究发现受试者认为听演讲者在讲台上讲课是一件十分无聊的事情[4]，2012年Phang等人调查发现，想要学习理工类学科的学生不足60%[5]，因为这类学科难度大学生容易提不起学习兴趣，而受试者认为技术的整合将有助于学习理工类知识。如2010年Chien等人调查发现AR能让学生更有动力地学习[6]。2012年RuthGeer和Trudy-AnnSweeney发现学生非常喜欢这些通过做游戏或者播放动画等方式来学习[7]。
目前在教育领域，特别是可视化抽象概念方面有巨大潜力的技术是增强现实技术，AR最早于1990年提出，它可以让使用者与应用进行实时交互，给用户带来较为自然和真实的体验，因此AR是一个很可能对教育行业产生巨大影响的新技术。
(二)AR在教育领域应用的历史
2002年Billinghurst认为AR可以提高学生之间和师生之间的合作，并且可以使学习效率最大化。通过AR技术，用户还可以从3D视角观看学习内容，这可以帮助学生克服难以观察到真实世界或者理解复杂概念的困难。
2006年Sheldon和Hedley发现在受真实环境限制的课程中学生们可以通过AR更好地理解和体验教学内容，之后各阶段的教育也都开始逐步应用AR技术[15]。2008年Coffin等人在物理学领域使用增强视频、视频会议、物理跟踪道具等技术将那些看不见的如加速度、压力等物理量用覆盖图形顶部的物理道具可视化[16]。2009年Dunleavy,Dede和Mitchell设计了一款名叫“接触外星人”的AR手机游戏，学生通过采访虚拟角色、采集数字信息等方式找出外星人登陆地球的原因。游戏过程中他们可以学到各种知识，具有很高的学生参与度。2011年Serion，Ibáez和Kloos在西班牙马德里的一所中学的视觉艺术课程中研究了AR对学生学习动力的影响，参与者表现出很大的热情和接受度[17]。2012年Xie使用通过温度传感器和压力传感器输入的AR技术让学生用现实世界中的物体仿真和模拟一些科学现象[18]。
类似的案例还有很多，但是国内的AR几乎是从2012年才开始发展，教育领域的应用则更少。不过近几年类似的VR技术(虚拟现实即VirtualReality，以下简称“VR”)在国内发展比较迅速，AR也随之兴起，出现了一些教育方面的新产品。
(三)AR发展现状简述
经过几十年的发展，AR在技术上已经越来越成熟，在一些电影和动漫中，我们可以看到曾是幻想式的科技场景如今因为AR技术的出现变得不再不可能，如名侦探柯南的眼镜可以获取实景信息并帮助人物分析现场情况。电影钢铁侠中，主角头盔投影出来的影像和在实验室中对各种虚幻投影的拉伸旋转等操作，都是AR技术应用的体现。现实生活中，AR技术在医疗、建筑、汽修、教育等领域也都有了一些应用产品，且其数量和种类逐年增长。
全世界众多互联网巨头都已经加入到了AR/VR领域的竞争中，2014年3月，Facebook宣布以20亿美金收购VR技术的领头羊公司Oculus。Facebook创始人扎克伯格这样评价：Oculus将有机会创造新的社交平台，改变人们工作、娱乐和交流的方式。之后苹果、微软、谷歌等国际大公司也都纷纷加入进来。苹果先后收购了Metatio、FaceShift、PrimeSense以及FlybyMedia等多家AR企业，展示了其在AR/VR领域一展宏图的决心。苹果此次推出的新款产品iPhone7Plus首次配备了双摄像头，让设备变得像人的双眼一样，可以获取相机捕获的图像深度等信息(景深)，使计算机视觉中能够提供更强的约束以更精准地捕捉前景背景，捕获深度后的AR三维交互更加准确，用户体验也更上一层楼。
2012年4月谷歌曾推出AR眼镜GoogleGlass，在眼镜上配备摄像头和微处理器，可以增强人们对环境的认知[19]。2014年谷歌的增强现实项目Tango让安卓手机通过摄像头获取环境的景深等信息，并在分析后三维重现周围的环境。2015年1月，微软发布了一款混合现实头戴式显示器HoloLens，通过全息影像为用户提供沉浸式的体验，是可穿戴设备与AR技术的完美结合。
2016年则是AR技术飞速发展的一年，其强大的功能和应用前景让AR成为新一代技术中最被看好的一颗明星。最近几年VR/AR市场正在快速拓展，但是要让AR如同手机电脑一样真正融入人们的生活还有很长的路要走。
三增强现实面临的挑战
(一)AR技术在教育产品的概述
1.4D认知卡
2015年7月18日，由梦想人科技推出的一款具有革命性意义的儿童教育产品“4D认知卡”在北京展览馆4号馆正式亮相，这是国内第一款跟出版社合作的增强现实教育产品[21]。4D认知卡是AR技术应用最简单的一种形式，它的出现可以说是AR技术在幼儿教育上的完美运用。每一张认知卡片对应一个4D动画，利用AR软件对卡片进行扫描，就会出现立体的动画模型，并且可以对模型进行旋转、拉伸等操作，360度全方位地对模型进行学习，让孩子通过一个简单的手持设备体验奇妙的世界。还比如在梦想人科技的主营产品“4D书城”里就有一款观看火箭发射过程的认知卡，通过扫描卡片，设备屏幕上出现火箭模型，起飞后能清楚得看到整个过程中火箭的逐级脱落，在火箭飞向高空时，需要用户抬起手机跟随向上移动追踪火箭模型，整个过程十分真实有趣。
2.AR图书
AR图书可以让书本中的内容“跳”出来，日本的“东京书籍”就有针对教科书开发的AR应用[22]。在学习立体几何时，直接扫描书本就可以看到三维的立体图形，弥补了部分学生因缺乏空间想象能力而难以理解所学内容的弱势。英语和化学等教科书也可以同样的运用AR技术把书中的内容用三维模型呈现出来。在国内，也有了很多针对青少年儿童的图书。对于童话故事类的书本，通过AR技术可以将文字阐述的故事用动画的形式活灵活现地表现出来。
吉林电子音像出版社也带来了自己的“立体派”融媒体系列图书，其中就有以宇宙、恐龙为主题的“太空第一课”和“恐龙时代”等AR图书[23]。AR图书还可以很好地运用在中小学课堂教学领域，可以提供很好的虚拟世界与现实世界相结合的教学体验。而将AR技术用于中小学教材的做法成本较低，因为不需要对现有的中小学教材进行其他的改变。学生只需要运用一台有摄像头的移动设备就可以进行很好的AR体验。
3.AR游戏
通过游戏学习，可以在学习上提升学生的协作、交流、创造和想象能力。通过AR技术可以把游戏变成适合学生使用的学习工具，寓教于乐，把在从前平面的纸板上进行的游戏数字化、立体化。AR游戏可以用于物理、化学、历史、艺术等各类学科的课堂。走出课堂，在户外学生也可以运用AR学习。
2009年Ardito、Buono等人发明了一款叫做“探索”的移动AR游戏，它可以帮助学生探索意大利的名胜古迹，每组为3-5个中学生，一组成员拥有两个手机和一张纸质考古地图，游戏要求学生通过手机中给的线索发现某个考古地点，通过AR技术的学生可以看到这些地方原本可能长成什么样子。2011年，谷歌推出过一款搭载在安卓平台上的手机AR游戏“蝶千寻”(GoogleButterfly)，这是一款基于地理位置的通过摄像头在不同地域捕捉到不同蝴蝶的游戏，所有的蝴蝶都3D的方式呈现在手机屏幕上。该游戏涵盖了中国目前已知的1805只蝴蝶，即使只翻看目录，都可以从游戏中学到不少关于蝴蝶的知识。国内也有过自主独立开发的AR游戏，但迄今为止还没有将它应用到教育上的具体案例。
4.AR建模
利用AR技术可以展示三维立体物体和场景的特点，还可以对高等教育的内容做出贡献，如对医学、电气、机械、天文、地理、农学、建筑等教学场景中一些难以用文字、图片和视频表达，学生不易理解的内容建立三维模型。学生通过对三维模型的旋转和移动，可以形象地了解所学内容的结构原理，打破传统课堂的限制。老师也可以通过AR技术向学生展示一些不易表达的内容。2007年Hedegaard使用基于视觉的3D跟踪技术和交互特征技术，将AR系统用在医学教育领域中的心电图学习上，通过使用病人心脏的3D模型来拓展医学生对心肌疾病的空间想象能力。2014年一个西班牙团队研究了用AR技术建模来教授人类历史学的可能性，参与者们认为效果非常好，他们都能理解和回忆起大部分的历史事件。国内也有对这一方向的探索，2013年中国矿业大学出版社推出名为《采掘机械与液压传动》的教材，这是国内首部采用AR纸数互动移动阅读技术的出版物。2015年北京交通大学出版社也推出了《电力机车制动机》M+BOOK版，读者只需用相应的软件扫描教材中的机车图形，就可以观察电力机车的立体结构图，还可以触摸、拆分、组装各个部件[24]。
(二)现阶段AR产品的潜在问题
1.消费者市场尚未打开且新鲜感持续性不足
上文中提到了AR的诸多应用和好处，然而现实生活中，AR产品似乎并没有流行起来，这是为什么呢？相对于VR而言，AR技术在商品化被民众认知接受的过程中动作更快。2010年前后，索尼、任天堂等公司都曾推出过具备AR属性的掌上游戏机，遗憾的是，AR游戏虽然新鲜劲十足，但对比用户使用VR时完全沉浸式的体验，AR对环境的改变并不彻底。加上掌上游戏机提供的AR游戏偏向小品类型且面向过于小众，以及销售价格较高等因素，AR技术在游戏领域并没有取得全面的突破和用户的认可。
今年7月任天堂推出的AR游戏《PokemonGo》使成千上万的人走上街头，体验了一把捕捉属于自己的小精灵的乐趣。该游戏推出后短短90天内就获得了6亿美元的收入，成为了历史上最快突破这一收入大关的游戏。然而看似前景一片大好的《PokemonGo》似乎还没有达到顶峰就迅速迎来了滑坡。7月高峰期过后这款游戏开始不断流失付费用户，仅仅一个月用户量就从4500万降到了3000万，可见人们对这款游的新鲜感已经迅速消退。时至今日，因为各式各样的问题，包括中国在内的大部分地区还没有开放该款游戏。将AR技术应用到游戏上并不难，真正的难点在于如何将技术与创新、耐玩相结合，得到广大用户的认可，打开AR游戏的市场。
2.AR出版物冲击传统教育观念
3.国内业界发展尚处于起步阶段
其中增强现实硬件公司是产业链中非常重要的一环，因为软件的技术需要基于高要求的硬件才能制造完美的用户体验，但是最近几年才逐步在国内增加，最知名的为百度和联想，其余10多家均为中小型初创公司。AR眼镜是AR硬件产品中在国内较为成熟但还没有量产的一款产品。
AR软件公司是市场中的主要环节，数量最多，约有100多家，可以分为AR底层技术公司和AR应用开发公司，其中的底层技术公司具有开发AR应用开发软件工具的能力，与国外开发软件工具不同的是它们具有中文操作界面、多平台适用等，但在图像识别、跟踪、人机交互和云服务技术等方面尚不够成熟。
中国的AR衍生品公司较多，它们以业务为主生产衍生产品，但由于其中的实体卡片容易被模仿，技术成本低，竞争较为激烈，企业之间容易发生价格战，此外这些实体载体的发行和销售渠道也较少。国内生态级AR公司很少，因为需要可以将AR硬件、软件技术较好结合，并整合各类产业链资源，可以控制国际化产业链。
4.增强现实技术受限
不过国内目前有少量应用可以在一定程度上解决上述三方面问题，如梦想人科技公司研发的“4D书城”APP，其中有百科AR卡、4D故事绘本和一些VR的儿童教育内容，还有出版了上千本包含教辅、教材、童话和成语故事等各类AR电子图书，并将在未来不断推陈出新，满足消费者对产品新鲜感的要求。国内公司中接近生态级增强现实公司标准的公司有：塔普制造、亮风台科技、央数文化，增强现实底层技术公司如梦想人科技公司有一套自己的SDK和AR出版物平台以供用户阅览和出版方制作图书，其开发的梦想编辑器可以运用模板快速直接制作所需的应用，可以满足消费者希望自己制作应用的需求。
5.挑战教育界整体认知方式
现在有些AR技术还不够成熟，尤其是在人机交互接口方面仍然多数局限于手机触屏、电脑鼠标、键盘等输入方式，让老师和学生用起来觉得不够“过瘾”，而且老师想要加入完全属于自己想法的3D模型仍然受到技术上的约束。
当AR全方位进入人们生活的时候，AR技术还可以让人们随时随地按照自己的想法和进度进行学习，事实上，人们甚至都已经不在需要真正意义上去把一门学科学习地很精了，因为AR技术将使得任何需要学习的东西变得无比容易。老师的意义也变得更广泛，不止局限于在课堂上讲课的老师和教授，而是任何领域的技术人员或者专业人士都可以变成老师通过AR技术传授知识。
四增强现实产学研一体化的展望
(一)需求增长
虽然市面上已有些不错的AR教育产品，也在国内外有所推广，但是仍然有很多地方可以改进，尤其对于用户来说，使用最自然最方便最舒适的方式进行教学和学习是每个人都梦寐以求的，而且解放双手是人类科技发展的趋势之一。比如现在多数教育类AR产品还局限于移动端的APP或者投影仪投射3D模型，最终显示出来仍然是在二维平面上，比如现在学生还只能在手机屏幕等二维平面上看到三维模型，还不能在任意空间中自由呈现，未来将使用平台改为全息投影方式可能给用户带来更直观的体验，与VR眼镜等可穿戴设备结合起来也是一种发展方向。
现在多数时候人们还需要使用手指点击屏幕来操作模型，未来手势识别技术成熟后，人们将可以通过直接挥动身体任意部位控制各种虚拟物体。此外,目前的教学还不能实现实时的交互，仍然受到教室等空间范围的限制，未来远程教学将可以提供给老师和学生身临其境之感，极大方便不同地域老师与学生之间的学习互动和沟通交流。
(二)技术革新
虽然AR技术近几年在国内才有较大发展，其他国家技术已经相对成熟，但是还是有很多细节方面可以做得更加完善，比如AR技术需要使用图像处理、渲染及跟踪算法等，虽然已经可以应用至正常的真实环境，但是有时候存在由于光线问题而导致的物体阴影、物体运动在跟踪时仍然存在较大延时或是遮蔽问题、分辨率或是帧数不高时会产生较强烈的抖动及运动模糊等问题，还有较大的优化和改进空间，而程序的鲁棒性、实时性等也同样有待提高。
用户的需求和现阶段技术的边缘也是有冲突的。有些产品即使使用了目前最前沿的AR技术也可能因为达不到用户需求而难以实现商业化，与之相对的有一些新的技术难以找到用武之地而不得不暂时被遗弃，还有一些用户需求只需使用以前的技术就可以实现，无需再投入资金与精力去开发新的技术。如何找到技术与用户需求的契合点也是AR行业需要努力的方向。
梦想人科技初期为国内外200多家公司提供了增强现实行业解决方案，也拥有自己较为完备的SDK软件开发库，但与美国高通公司的Vuforia、德国Metaio等比起来，知名度不够高，功能也存在更多局限。
(三)产业推广
随着技术的发展与成熟，AR可以在未来满足不同用户的定制化需求。如“梦想人”现在的大部分AR产品都是针对青少年儿童的。人机交互界面，图书内容等都是为孩子们量身打造，让他们拥有很好的阅读体验，但是对于成年人来说，这类图书就显得不适合他们使用。所以在未来，针对不同的领域和用户人群，设计AR产品可以像设计衣服一样，根据不同的需求进行不一样的设计[26]。比如对于医疗、汽修、建筑这些行业就可以只针对这类工作的从业者打造最适合他们的简洁明了的操作界面，辅助他们更高效地进行工作。而AR游戏这一类的产品，就可以为了吸引各个年龄阶段的用户打造更为复杂，绚丽的界面，根据不同的需求提供不同的娱乐模式，让所有用户都能有较高的参与度。
将各类AR产品进行标准化从而实现规模化的生产销售是现阶段AR产业正在解决的问题。对AR产品进行标准化是使新技术和新科研成果得到推广应用的基础，是促进技术进步的关键步骤，也是AR产业化的前提条件。随着AR技术的发展，AR产品的社会化程度越来越高，生产规模越来越大，对技术要求也越来越复杂，公司内各部门的分工越来越细，各个公司之间的交流合作也会越来越多，所以必须要制定和使用统一的标准，对行业进行规范和统一，保证产品的生产和行业的发展正常进行。
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