虚拟仿真实验中增强现实技术的研究

袁博 张胜男

摘要：AR，VR技术是一种改变下一代人机交互模式的新技术，能够促进教育相关产品研发，提高学生的学习效果，促进教育信息化发展。现如今，作为虚拟现实和增强现实技术的载体，移动设备正处于的全面推广的阶段，在不久的将来，大家能够基于虚拟现实和增强现实技术，借助不同的移动设备，以不同的感官视野看到另一个全新的世界。同时，随着科学技术的发展，虚拟现实和增强现实技术也在不断完善，其应用的硬件设备价格也会随之下降。凭借自身在教学应用中具有的优势和潜力，教育工作者会逐渐青睐于虚拟现实和增强现实技术构建的教学环境，使得其在教育领域大放光彩。

关键词：虚拟仿真实验;虚拟现实技术;增强现实技术;教育应用

如今，越来越多的教育工作者习惯于在教育教学过程运用新技术来辅助教学活动的开展，虚拟现实（VirtualReality，VR）技术、增强现实（AugmentedReality，AR）技术在教育领域中的应用越来越广泛。在这样的背景下，本文采用一个特殊视角，试图把虚拟现实及其相关技术与传统的教育环境融合起来，形成一种新型的互动性的虚拟学习环境。

1相关技术简介

1.1虚拟现实技术

1.1.1概念及特征

VR指通过计算机技术模拟现实或者想象世界中实体的存在，构设出一种虚拟环境。参与者可以在构设的环境中发生沉浸性的交互行为，是一种多源信息融合的交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真[1]。在虚拟现实技术构设的虚拟环境中，用户能受到视觉、听觉等感官上多方位的刺激，加强其沉浸感的体验，以满足广大消费者追求真实感官体验的心理需求。

1.1.2发展历程

在1968年，世界上出现了第一个能够呈现虚拟图像的头戴显示器，该显示器由IvanSutherlan成功研发，在设计中采用了计算机图形驱动，并能够实时跟踪头部运动轨迹。1977年，美国麻省理工学院创建了科罗拉多州阿斯彭市的虚拟仿真系统。1989年，由JaronLanier提出的“虚拟现实”这一定义首次正式以计算机专业术语被界定。截至2015年，三星等大型科技集团纷纷加入虚拟现实相关行业，研发虚拟现实相关设备产品，国内也出现众多虚拟现实相关产业公司。

1.1.3存在的问题

尽管虚拟现实已经被研究了半个多世纪，但关于使用这种技术至今仍然存在一些问题。有一些产品长期使用可能会引起一些与健康相关的如眩晕、迷失方向或失去平衡等副作用。这些问题都是由于头部运动时受头显高延迟、低图像显示率和高像素持久性的影响而产生。像素密度是VR目前发展的另一个挑战，VR要达到与人类视觉相当的水平，还有很长的路要走。

1.2增强现实技术

1.2.1概念及特点

AR是一种实时计算摄影机影像位置及角度并加上相应图像、视频、3D模型的技术[2]。在体验者所能观察和感受的真实世界里嵌入由计算机生成的虚拟信息是AR想要实现的最终目的。增强现实的主要特征表现为能够在真实环境中结合虚拟事物，实现两者在同一环境下共存;使虚拟和真实两个世界同时存在，保持同步，使用者能够在现实世界中直观地体验虚拟的空间事物;在三维空间中可以准确添加定位虚拟物体，获得新的视觉感官体验。

1.2.2发展历程

“增强现实”明确定位为一个技术概念最早是在1992年，由TomCaudell提出，当时他将AR描述为在真实环境中叠加电脑呈现的材料所表现的场景[3]。近些年来，计算机技术发展迅猛，随之硬件设备的价格也受到影响而逐渐下降，在此基础上，基于增强现实技术的系统研究也得到了推进[1]。

1.2.3存在的问题

就像对于使用VR存在担忧一样，对于AR也存在着同样的问题。其中，最关键的一点的是，除了现有相关技术方面的挑战，消费者使用AR产品时可能还存在着泄露个人隐私风险的困扰。产生这一问题主要是因为目前AR设备已变得非常强大，具有实时分析环境的功能，还具有实时人脸识别算法，能够进行实时人脸识别，这很容易侵犯个人隐私，造成信息泄露。

2虚拟融合环境中的教育应用

2.1虛拟现实技术在教育中的应用

2.1.1虚拟远程教育

远程教育是网络技术与环境支持开展的教育，主要采用互联网等传播媒体的教学模式。在构建虚拟现实系统时，会设计智能虚拟的引导者角色，以引导学生更好地体验虚拟教学环境。学生可以在以网络信息和多媒体功能为基础的虚拟环境中，充分调动自己的自主学习能力，足不出户便可享有丰富的学习资源[2]。

2.1.2虚拟实验环境

虚拟现实实验是指基于虚拟现实环境所呈现的接近真实的实验。在虚拟实验室中，实验仪器、操作设备和实验试剂等都是虚拟的，学生可以根据实验要求利用VR实时生成所需设备进行实验。这样一来，就减少了学校实验经费支出方面的压力，能够解决学校实验方面存在的设备不足、场地受限、经费缺乏等普遍问题。虚拟实验室提供丰富生动的教学资源和3D实验教学环境，能够实现实验的操作演示，使用灵活，操作简单，可以呈现最精确的实验数据和真实的实验现象。

2.2增强现实技术在教育中的应用

AR教育就其根本性质来说，只不过是因为在教育的基础上附加了AR作为技术支撑，就使得原本的基础教育产生了新的特性，同时也会衍生出新的教学方式供教师使用[3]。

2.2.1AR阅读

AR读物主要是在纸质书本页面中借助图像识别技术来叠加一些虚拟图像信息，使读者产生更直观新颖的感官体验。一般情况下，通过图书相关APP扫描可实现书中平面化的内容跳出显示为立体图像，使图书内容更加形象直观。将AR阅读应用在中小学立体几何教学中，让同学在课堂上通过直接扫描书本观看立体三维图形，可以解决那些空间想象能力较弱的学生在知识理解方面存在的难题。

2.2.2教学演示

在教学活动开展中教师最惯用的教学形式之一就是教学演示。在传统教学活动开展过程中，教师通常采用的是基于平面的多媒体教学演示，学生的体验感不强烈。但在教学活动展开过程中基于AR技术的教学演示，教师和学生接触更多的是在真实的教学场景环境中叠加进去一些虚拟的三维立体模型或者虚拟动画效果。

3虚拟融合环境中教育应用的优势及不足

传统教育中，往往存在受教育者无法参与到课堂中、无法和教师进行互动的困难，VR，AR技术和教育的结合则很好地解决了这个难题。将新技术应用于具体的教学环境中，可以实现学生在课堂中与知识的自然交互，还可以在一定程度上提升学生的体验感，进而推动学生在教师安排的课堂探究环节中能自觉主动的进行学习。另一方面，基于VR，AR技术的情景化虚拟教学学习环境，能够为学生提供声音、动画等多样的数字化媒体教学内容，能够使学生能够对学习产生兴趣。对于基于虚拟现实和增强现实技术的系列教育產品，普通教育者追求的并不是技术方面炫酷的体验，而是学生学习水平和教学效果实实在在的改善和提高。但是目前，AR，VR产业尚处于起步阶段，还存在应用不足、技术储备不足、数据库建设不足等问题，使得其在教育领域中的实际应用还存在着一些弊端。在实际课堂教学中，并不是所有的知识内容的教授都可以应用新技术，而且，有些教师对于新技术的学习运用持抵触心理，新技术的教学优势很难在课堂中完全发挥出来[4]。

4结语

采用前沿的增强现实技术手段，结合高校多学科、多专业对增强现实虚拟仿真实验教学资源的需求，探索建设基于增强现实技术的虚拟仿真实验教学资源建设体系，研究构建多元化的虚拟仿真实验教学资源建设体系，为师生开创一种接近现实、互动性强、丰富多样的学习方式提供解决方案。

参考文献：

[1]蔡宝，朱文华，顾鸿良，刘赛.基于虚拟现实的工程实践教育探究[J].高教学刊，2021，03：84-87+91.

[2]李建，张杰.基于VR的虚拟仿真实验教学项目设计与探索——以“景观视觉空间分析虚拟仿真实验教学项目”为例[J].中国教育信息化，2021，22：42-48.

[3]陈颖博，张文兰，陈思睿.基于增强现实的场馆学习效果分析——以“AR盒子”虚拟仿真学习环境为例[J].现代远程教育研究，2020，3205：104-112.

[4]丘馥祯，杨上影，甘有洪.国内虚拟现实研究现状与趋势——基于CiteSpace的可视化分析[J].南宁师范大学学报（自然科学版），2020，3704：164-170.

作者简介：姓名 ：袁博，出生年月：1990年5月，性别：男，民族：汉族，籍贯：辽宁省沈阳市，单位：个人，身份证号码210104199005225219，学位：硕士，研究方向： 虚拟现实，平面视觉设计。