《AR技术在高校实验室建设中的应用》
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摘 要：目前,增强现实（AR）技术作为一种热门的数字化现实增强概念,已经发展得越来越成熟,在会展、设计、销售、教育等多个领域已经有了一定的应用,AR技术以其独特的互动性、视觉的创新性等特点,更容易激发学生的探究精神,培养创新能力.本文首先通过阐述AR技术的应用特点,从高校实验室建设发展的角度,提出构建基于AR技术的实验室的必要性,从实验室建设需求入手,探讨基于AR技术的实验室建设设计理念,进而探究该技术在实验室建设未来发展中的应用.
关键词：增强现实（AR）;实验室建设;虚拟化技术的发展
中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）06-0047-02
1 AR发展概述及高校实验室建设现状
在计算机仿真技术的不断发展下,随着机器学习,神经网络等技术的不断成熟,尤其是Pytorch等开源框架技术的催生下,计算机仿真技术也从最开始的计算机模拟,发展到了虚拟现实（VR）,在到增强现实（AR）,其中也出现过MR等概念,但总体来说,拉近了数字化世界和现实世界的融合.在教育领域,增强现实（AR）技术可以将知识与概念形象化、具体化的展现出来,交互性及趣味性强,将虚拟的环境与真实的教学环境结合起来,促进知识的迁移.在这样的技术背景下,让很多创新的想法得以培育和实施.而高校的实验室则是培育和引导创新型人才的摇篮,因此,增强现实（AR）技术在高校实验室建设中有着广泛的发展前景.
高校实验室的建设发展阶段与计算机仿真技术的发展阶段类似,甚至于可以说是科学技术的推动生产力发展的具象化的体现.高校实验室建设也经历了多个发展阶段,最开始的高校实验室我们称之为手工模拟实验室,通过手工和道具来模拟真实的业务流程,然后发展到计算机仿真实验室,通过计算机和计算机软件来模拟具体的数字化后的业务流程,随着技术的进步和实验教学发展的需要,教育部提出了《关于开展2015年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》（教高司函〔2015〕24號）要求,推动了国家级虚拟仿真实验教学中心的建设,各高校积极参与,涌现出了100所国家级实验教学示范中心,涵盖了多个学科的实验教学各层面,这个阶段的虚拟仿真主要以虚拟现实（VR）技术为主.VR技术模拟一个虚拟的世界,创造出真实的体验感,即体验者所看到的场景和人物、听到的声音、触碰到的东西都是模拟出来的,只是把人的意识代入一个虚拟的世界中[1].主要强调通过沉浸式的方式尽可能的将真实业务环境融入到实验教学之中,让学生能最大程度的学习真实的业务环境,而非将真实的业务环境抽象成具体的实现环节,从而使学生通过身临其境的学习来充分引导其创新能力.
从高校的实验室建设发展阶段来看,从具有各自功能的独立的实体化实验室,到计算机模式教学实验室,再到虚拟仿真为概念的融合的多功能实验室,实验室建设的发展经历了多个阶段,无不体现了融合和创新这一概念在实验室建设中的发展,而以更强调融合性与交互性的增强现实理念设计的实验室将是高校实验室建设与发展的下一个阶段.
2 增强现实与虚拟现实的相关性
沉浸式的仿真交互式技术主要包含虚拟现实（VR）和增强现实（AR）两个不同概念的主流分支.国家2015年起推动的虚拟仿真实验教学中心主要以虚拟现实技术（VR）为主,虚拟现实（VR）主要强调的是通过多媒体视觉呈现等手段,创造出真实的体验效果,即人的思想意识代入一个虚拟的世界中[2],将现实世界的环境和物体在虚拟化的计算机世界中呈现出来,其特点是让学生可以获得一种全身心投入到仿真出来的虚拟环境的感觉之中,其内涵是让学生完全沉浸于现实世界在虚拟世界中的投射中,与现实世界隔离,从而得到更好的获取知识的体验,抛开其视觉呈现的技术实现而言,三维建模并赋予虚拟化的交互流程是呈现该技术的重点.
增强现实（AR）技术的理念与虚拟现实（VR）的理念不同,增强现实（AR）不是学生与真实世界隔离开来,而是利用附加的图形或文字信息,对周围真实世界的场景动态地进行增强.在学生的眼里,真实物体和虚拟物体是共存的,是互相增强或者互为补充的,且更具有真实感,强调虚拟与现实的融合,将虚拟化的优势应用到现实世界中,并对现实世界进行增强,弥补了虚拟现实技术中模拟出来的学习环境与真实场景的体验感不一致等缺陷.
总体来说,增强现实与虚拟现实的体验侧重点不同,对于高校实验教学而言,完全的沉浸式教学体验终归要回到现实的教育之中,而基于虚拟现实技术的实验教学课程的仿真程度完全依赖于显示的分辨率以及建模的真实度和计算机的处理能力,脱离虚拟仿真教学后,学生存在较难的回到现实教学中的可能性,更强调现实与虚拟融合,虚拟为现实服务的增强现实技术则不一样,能让学生在真实的环境中体验到虚拟素材带来生动、形象、直观,如电波、磁场、原子等那些抽象或肉眼不可见的内容.提高学生的学习兴趣,活跃学生课堂参与程度.随着5G等计算机通讯技术以及高性能并行计算、深度学习算法等框架的不断完善,增强现实将会是高校实验教学发展的趋势.
3 基于增强现实技术实验室建设的建设方案
从实验室建设的需求来看,一个完整的虚拟仿真实验室（虚拟现实技术的）主要包括模拟环境、感知、自然交互和传感设备、仿真应用软件等方面.模拟环境是通过三维建模由计算机生成实时的动态的三维空间的虚拟世界[3].感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知.除计算机图形技术所生成的视觉感知外,还有听觉、触觉、力觉、运动等感知,也称为多感知.自然交互是指人的头部转动,眼睛、手势、或其他人体行为动作,能由计算机来处理的参与者的动作相适应的数据,并作出实时响应和反馈.传感设备是指三维交互设备,其中,仿真应用软件是其中最为关键的部分,在前面提到的硬件条件的基础上,根据真实业务流程而设计的开放式交互过程模拟,VR用户会完全感觉处于一个虚拟现实环境中,VR的分辨率越高,虚拟现实给人的感觉越真实.总体而言,对于某个学科,学科的建设需求直接决定了一个VR实验室的总体布局.基本的结构框架如图1所示.
虚拟现实实验室就目前而言,已经较为成熟,所有的课程和模拟环境都是通过计算机建模而实现的,相对来说实现的难度并不大.目前已经有较为成熟的整体方案[4].
而对于增强现实（AR）实验室,更强调现实的增强,主要目的是对于现有的实验室的提升,将已经建设好的或已有的实验室（模拟实验室）进行增强,通过图像识别和语音识别框架对现有实验设备进行扩展,提升学生获取知识的途径和学习兴趣[5].增强现实实验室更注重于实验教学软环境的建设,在真实的业务场景和相关业务道具,用于展示增强现实信息的各类显示终端以及配套的AR软件,AR软件同样是其中最关键部分.基本的增强现实实验室基本的结构框架如图2所示.
4 基于AR技术的实验室设计理念
AR是一种将真实世界和虚拟世界无缝融合的新概念,在保护已有专业实验室的投入的情况下,提升专业实验室的利用率和学习转化效率,能把原本在虚拟世界中很难体验到的实体信息（视觉信息,声音,味道,触觉等）,呈现后再融合,将虚拟的信息应用到现有的实验室之中,被人类感官所感知,运用包含了多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器融合、实时跟踪及注册、场景融合等新技术与新手段,提供了在一般情况下,不同于人类可以感知的信息.不仅展现了原有实验室的信息,而且将虚拟的信息同时显示出来.从而达到超越现实的感官体验.
如果说基于VR技术的实验室能更好的帮助学生学习和理解真实的业务场景,降低在实训实习过程中的危险性、提升学习兴趣和创新能力,那AR技术的实验室则能更好的帮助学生回归现实,并将所学融会贯通与真实的业务环境中,消除虚拟环境和真实环境带来的认知差距.同时降低建设成本.
AR实验室设计的重点是完全是参照真实的业务场景设计的,如银行的业务大厅、物流的仓储、海关的报税,审计的实施场地等等,进入真实的场景后,通过移动终端、智能玻璃、智能显示屏等方式,了解和学习真实场景中遇到的问题.可以在现有的专业实验室中实现人机交互,AR软件的设计是实验室建设或改建中重要的环节,是现实与虚拟化融合的关键,识别现实物体并在现实中投射信息,通过软件反馈到屏幕之中所具有的交互性是AR技术实验室的灵魂,例如,对于物流立体仿真实验室而言,实验室环境中充分模拟了现实物流的各个环节,如分拣环节、配送环节等,学生通过现有的屏幕或智能终端扫描识别现实场景中的物体和设备,将在屏幕或智能终端中通过AR软件模拟仿真后再叠加,形成综合的教学信息,实时叠加到同一个画面空间中,给学生超越感官的体验,从而加深学习的效果.
5 结语
虽然基于VR技术的实验室目前仍然处于高速发展期,主要原因得益于VR设备和软件较为成熟.受限于视觉呈现方式的局限性以及技术上的不足,是阻碍AR技术应用于实验室建设的最大瓶颈,实验教学工作者不具备AR尖端技术的研发实力,而研发能力强的科技公司对实验教学的需求又缺乏深入的了解,导致供需的不匹配[6]等原因都导致了目前AR实验室的普及率低,但从实验室发展前景以及教学效果来看,基于AR技术的实验室更强调于虚拟与现实的融合,强调现实的主体地位,更易于通过手机终端等方式的呈现,也更容易激发学生的学习和创新动力,随着图像、语音识别深度学习框架的识别准确度的不断提升、AR软件的成熟,AR实验室将逐步进入高校的实验教学体系之中.
参考文献
[1] 赵明明.中国VR技术的发展现状、应用前景与对策探究[J].视听,2018（1）：209-210.
[2] 周丹.中国VR技术发展现状、应用前景与对策研究[J].电脑知识与技术,2018,14（20）：254-256.
[3] 赵婉彤.浅谈VR技术在教学方面的应用设想[J].信息系统工程,2017（9）：168.
[4] 王玮,董健,门少杰,等.基于VR的传输设备工程设计系统的研究[J].山东通信技术,2019（1）：29-32.
[5] 史永永.科技发展对高校化工实验室建设的影响[J].化工管理,2018（25）：14-16.
[6] 陆文利,王淳,赵春芝.增强现实（AR）技术在高校基礎实验教学中的应用[J].实验室科学,2018（2）：164-166.
总结：这篇文章为适合不知如何写实验室建设方面的大学专业大学硕士和本科毕业论文以及关于大学论文开题报告范文和相关职称论文写作参考文献资料.
大学引用文献:
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