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增强现实技术（AR）是指通过多媒体技术、三维建模技术、实时视频控制技术、多传感器信息融合技术、实时跟踪及注册技术、场景融合技术等多种技术手段，将生成的虚拟信息融合到真实场景之中，使得虚拟增强信息和真实场景信息相互共存、相互补充、相互叠加。 AR 技术的应用特性，为服务智慧校园建设提供了一种新的思路，即利用大量有效数据进行可视化动态建模，并通过模拟改变虚拟校园的相关信息，优化现实校园建设策略，提升校园智慧化水平。 一、AR技术的功能性特征分析 AR 技术与虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术有许多相似的应用领域，如数据模型的可视化、虚拟训练等。由于AR 技术具有能够对真实环境进行增强性显示输出的特性，因此AR 技术具有比VR 技术更加明显的优势，其功能性特征主要表现如下： 01 虚实信息增强性集成 AR 技术将生成的虚拟信息，与多传感器信息融合技术实时跟踪真实场景所在的位置、方向等信息进行融合，之后转化为不能从真实场景中直接获得的辅助信息，对真实世界进行叠加、补充、完善，实现虚实信息的高度增强性集成。 02 实时可视化交互 实时性、可视化交互是AR 技术在应用层面的重要特征。交互技术研究的核心是人机交互，重点是实现真实信息与虚拟信息之间的交互。而AR 技术将实时性与可视化交互进行整合，利用融合信息来增强实时可视化交互特性。 03 高精准三维虚拟定位 高精准三维虚拟定位是AR 技术最为显著的特征，它涉及两个层面的含义：精准定位和三维虚拟。其中，精准定位又称配准精度，它不仅能使虚拟信息与用户的各种感官匹配，还能将虚拟物体与周围的真实场景进行全方位精确对应；三维虚拟是指利用计算机完成真实世界的三维建模，生成虚拟物体，并确定虚拟物体相对于真实场景坐标系统的位置和方向。 二、AR 技术应用于智慧校园建设的可行性 01 深度优化智慧校园智能环境 AR 技术的发展，使得智慧校园的环境建设能实现物理校园和虚拟校园的有机融合；特别是将实时视频控制、多传感器信息融合这两项技术应用于智慧校园建设，可以有效地多角度优化、呈现完整的校园环境。 这是因为，不论是物理环境还是虚拟环境，其基本前提都是对实景图像、视频的实时获取，涉及多维度信息；加之在智慧校园的智能环境中存在着大量的智能感知器，如视音频传感、温湿度感应、车辆识别、能耗监控、行为预警等，因此在智慧校园智能环境建设中应用这两项技术，全方位地对来自多个传感器的信息进行多层级的检测、处理、结合和估计，可以获得更丰富、更精确、更可靠的有用信息，从而指导智慧校园智能环境的深度优化。 02 抽象内容可视化、形象化，提升教学、科研质量 大量实证研究结果表明，教学、科研与AR 技术的深度整合，能够有效提升教学质量和科研水平；基于AR 技术的可视化、形象化呈现，能够加强对抽象事物的显性认知。因此可以推断，模型建立的质量好坏将直接影响整个虚拟现实环境质量的好坏。 在AR 技术中，三维建模技术和显示技术能够促进智慧校园建设中抽象内容的可视化和形象化，并结合人们的视觉特性进行优化设计，通过图形图像、三维模型等形式增强人们对现实情景的视觉感知能力。故而，AR 技术可以成为智慧校园建设中提升教学、科研质量的重要保障。 03 促进智慧应用和服务的情境性、沉浸性 在智慧校园建设中，智慧应用和服务主要包括两个层面的含义：①以大数据为特征的一体化综合信息应用平台；②以人为本、以用户为中心，从生活、学习的外部环境到教学内部需求，所有的应用服务实施都应均衡用户的需求。 其中，师生的情境性直接关系到一体化综合信息应用平台的生存周期，沉浸性则关系到用户中心的深入程度。从AR 技术的视角来看，就是要求在智慧校园的建设过程中，通过智慧应用和服务，能够实现虚拟信息和真实环境的无缝融合，以提升用户的存在感，增强用户的直觉性，最终使情境性、沉浸性得到加强。 04 强化校园的智慧性体验程度 智慧性体验是在智能环境、智慧应用和服务的基础之上，对环境和应用服务在理念层面的进一步升华，它表现出来的是用户对信息素养和信息文化的深层感受，以及与智慧校园各因素之间互动、互促的程度。 因此，为了增强AR 的体验感，不仅需要多传感器信息融合技术的信息融合、实时跟踪及注册技术的精准定位、三维建模技术的一致性效果优化，还应实现用户与真实场景中虚拟信息之间的自然交互，并在理解各种交互指令的基础上，给予相应的反馈。 三、AR 技术应用于智慧校园建设的模型分析 本研究结合AR 技术的功能性特征和技术可行性分析，以深化智能环境、提升智慧应用服务的沉浸性和体验感知、可视化促进教学科研为目的，构建出AR 技术应用于智慧校园建设的模型，如图1 所示。
在AR 技术应用于智慧校园建设的模型中，各要素组合为一个循环过程，同时利用多媒体技术、多传感器信息融合技术和各类应用系统，将智慧校园中的真实信息予以记录并传递给AR系统。 基于此，同时参照Azuma在1997 年对AR 概念的理解，以及现有文献中对AR 系统结构的描述，本研究设计了AR 整合智慧校园建设内容的技术流程，如图2 所示。
该技术流程运行的最终目的，是形成虚实融合、交互应用的虚拟智慧校园，实现智能环境的深度优化、抽象内容辅助教学科研的形象化和可视化、智慧应用的情境化，并获得智慧体验的真实沉浸感。在智慧校园的整个建设过程中，AR 技术的融合始终贯穿其中。本研究结合AR 技术应用于智慧校园建设的模型，拟从以下角度分析AR 技术的具体应用： 01 智能环境 改善智能环境所需应用的AR 技术主要包括以下两种： ①实时视频控制技术——利用高端智能摄像机（即所谓的AR 摄像机），从不同的角度、方位拍摄视频素材；同时，结合摄像机的位置与朝向（即摄像机的姿态），加上方位角、距离、位置等标注信息，来改善用户体验、增强交互能力。 实时视频控制技术应用于智慧校园建设，主要是将现实智慧校园的实时视频与摄像机姿态、数字化标签等增强信息结合起来，使用户看到实时视频画面的同时，能够获得更多类型的全方位信息。 ②多传感器信息融合技术——主要表现为图像融合技术，它能够综合多源图像信息，经过提取与综合分析，获得对真实场景更为全面、准确的图像描述，使融合后的图像更符合人的视觉特性，以利于进一步的分析、理解等。 多传感器信息融合技术应用于智慧校园建设，主要表现在像素层融合和特征层融合两个方面——前者是直接对真实校园原始图像中的每个像素点进行信息综合处理，是一种在基础数据层面进行的信息融合；后者则主要针对真实校园图像的主要特征信息（如边缘、形状、纹理等）进行信息综合处理，为生成虚拟校园提供参考；两者均可为增强现实虚拟校园提供更多的信息，最终共同形成对多维度智慧校园环境的理解。 02 智慧教学、科研 为有效提升教学质量和科研水平，本研究构建了基于AR 技术的智慧教学、科研建设模型，主要涉及三维建模技术和显示技术两个方面的应用，如图3 所示。
三维建模技术是根据研究对象的三维空间信息构造其立体模型，利用相关建模软件或编程语言生成该模型的图形显示，并对其进行各种操作和处理。基于图像的计算机三维建模可直接采用图像来实现复杂环境的模型创建，而利用全景技术和图像的插值及视图变换技术可在普通计算机上实现复杂场景的实时显示，但一般来说观察点有限，且交互体验感不佳。 基于几何模型的计算机三维建模是通过对物体的几何信息进行处理，涉及几何信息的数据结构以及构建、操纵数据结构的算法建模，其优点是可以随意改变观察点和观察方向，能获得真实感较强的交互体验。但是，该技术对计算机硬件的要求较高，在交互过程中需要生成庞大的数据量，难以做到实时更新。 显示技术是指一种实现虚拟信息与真实场景融合后显示虚实图像的技术。AR 系统中的显示器可分为头盔显示器（采用视频透视显示、光学透视显示等技术）和非头盔显示器（采用投影式显示、普通显示器显示等技术），不同显示技术在系统延迟、真实场景的分辨率和失真等方面都有不同的表现。 在实际应用中，显示设备的选用主要依据运用的环境和任务而定：头盔显示器受环境约束较小，价格适中，沉浸感较好；非头盔显示器性能稳定，寿命较长，而且免除了使用者佩戴头盔所造成的不适与疲劳感。 基于以上分析，本研究建议： ①在构建虚拟校园时，应优先考虑使用三维建模技术中的图像插值及视图变换技术，即通过采集多个观察点的图像数据，计算两个相邻图像的对应点；采用插值或视图变换的方法，求出对应于其它点的图像，实现多点漫游； ②在显示技术方面，建议采用基于普通显示器的AR 实现，因为相较于其它显示技术（如视频透视显示、光学透视显示和投影式显示等技术），基于普通显示器的AR 实现成本虽然较低，但同样能够实现智慧教学、智慧科研的增强现实——它将摄像机摄取的真实世界图像输入到计算机中，与计算机图形系统产生的虚拟景象进行合成，并将最终的增强场景图片输出到屏幕显示器。 03 智慧应用 影响智慧应用深入程度的最直接因素是智慧虚拟校园设计的情境性和沉浸性特征。从AR的角度来理解，深入的智慧应用就是要达到虚拟场景信息与真实环境的精确匹配，而实时跟踪及注册技术是其实现的关键：一方面，利用多方位传感器，依据传感信号推算位置、跟踪方向；另一方面，通过处理摄像机采集的真实图像、分析摄像机的外部数据，跟踪真实场景中摄像机的位置和方向。 基于智慧校园的建设现状，本研究建议采用基于视觉的跟踪技术，原因在于该技术原理简单、易实现、误差范围较小、跟踪范围较广。具体的智慧应用实现过程可大致描述为： 首先，在真实校园环境中放置或找出一些形状规则的参照物；然后，使用摄像机采集真实图像，通过识别这些参照物来确定基准点和空间坐标系等相关参数；最后，将真实环境和虚拟环境进行完美匹配。这样设计的智慧应用，必然会提升情境性和沉浸性。 04 智慧体验 智慧体验主要表现在对增强现实虚拟校园的真实感受，以及与智能环境的互动。为了获得实时的真实体验，不仅需要准确跟踪、定位虚实场景，对相关辅助参数（如阴影、光照等）进行真实渲染，还需考虑与融合环境的自然互动，并对相关指令做出实时反馈——这就需要运用AR 渲染技术、场景融合技术和人机交互技术，以从真正意义上提升智慧校园的深度体验感。 基于AR 技术虚拟智慧校园的真实体验，首先必须对虚拟校园环境模型进行真实渲染：一方面，可以运用实时渲染技术，对包括位置、法向、颜色、纹理坐标、顶点的权重等在内的图形数据进行实时计算和输出；另一方面，可以引入虚拟植入渲染引擎，将这些实时计算和输出的数据，结合虚拟的光源、透视效果以及实时绘制的3D 虚拟物体，予以实时渲染并加载到视频信号之中。 此外，在人机交互技术的AR 实现中，目前大多被应用于基于动作识别的交互、基于触觉识别的交互和基于语音识别的交互，且已在很多领域拥有相当丰富的实例参考，故此技术同样也可用于增强虚拟校园的真实体验感。 四、AR 技术应用于智慧校园建设的参考案例 由北京师范大学蔡苏团队研发的“基于AR 的凸透镜成像实验”“地理导航与文化导览一体化服务系统”，分别从智慧教学、智能环境两个角度，呈现了AR 技术在智慧校园建设中的具体应用。无论是在技术的选取与应用层面，还是在研究过程的设计层面，这两个参考案例都可为AR 技术应用于智慧校园建设提供重要参考。 目前，AR 技术应用于智慧校园建设尚处于初级阶段，应用范围十分有限——主要集中在视觉层面的智慧呈现，至于听觉等层面的技术整合及其具体的实践还有待后续的进一步研究。 （作者：国桂环、曾睿、万力勇等，湖北民族学院、中南民族大学；来源：《现代教育技术》。本文有删减。） 声 明 本微信转载文章出于非商业性的教育和科研目的，并不意味着赞同其观点或证实其内容的真实性。如转载稿涉及版权等问题，请立即联系我们，我们会予以更改或删除相关文章，保证您的权利。 |
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