移动增强现实技术融入智慧校园的应用研究

卢曦

摘要：移动增强现实（AR）技术的迅速发展正在推动教育的改革。移动AR技术为学习者提供了一种交互式、无边界的移动学习环境。本文设计并实现了一基于移动AR技术的智慧校园系统。本系统包括移动客户端和远程服务器端。客户端应用程序使用Android SDK和Wikitude SDK开发实现。服务器端使用Struts2开发框架和MySQL数据库开发实现。本系统的研究既有助于AR技术在非正式学习情境中的应用，又有助于促进校园文化活动的传播。

关键字：移动学习移动增强现实智慧校园

1研究背景

增强现实技术（AR技术）帮助我们将物理世界与虚拟世界无缝地结合起来。与虚拟现实（VR）不同，AR技术将图像、视频或其他数据叠加到真实世界的实时视图上，从而为用户提供了一个真实场景和计算机生成的虚拟场景叠加的复合视图。随着智能移动设备的飞速发展，移动增强现实技术（Mobile Augmented Reality， Mobile AR）开始出现。智能移动设备提供强大的移动特性，可以充分利用环境的真实性来增加使用者与系统的互动。智能移动设备内置的位置传感器（如全球定位系统GPS）能够实时获取使用者的准确位置和环境信息，可以帮助应用程序自动、自适应地发送最更加合适的资源。此外，移动增强现实技术改变了传统的人机交互方式，使用者可以通过智能手机的内置摄像头进行信息访问，而不是在输入框中输入关键词。

正因为移动AR技术提供了一种全新的交互模式和信息访问模式。专注于移动教育的研究人员和开发人员已经开始探索如何使用移动AR技术为学习者们提供一种新的学习环境，越来越多的关于移动AR的教学研究和学习软件已经出现。

本文旨在探讨如何将移动AR技术应用在本学院的智慧校园建设中。

2需求分析

校园活动是大学生非正式学习的一种常见形式。目前，最常用的活动宣传方式是传统的印刷媒体和现代的网络媒体。印刷媒体（如海报和小册子）特点是设计精美很容易引起学生的注意，还可以张贴在校园内的任何地方或者方便地分发;但是印刷媒体的成本很高，当活动结束时，过时的海报和小册子也会造成资源浪费和环境污染。互联网媒体的特点是成本小没有资源浪费，网络传播广、速度快，但是过于大量的信息容易使学生产生困惑，信息的针对性不强。本研究设计并实现一个基于AR的智慧校园系统，目的在于帮助在校学生通过智能手机上的移动AR快速地熟悉校园环境，获取实时的校园生活学习等方方面面的资讯。本系统既有助于AR技术在非正式学习情境中的应用，又有助于促进校园文化活动的传播。

3功能设计

智慧校园移动客户端应用主要由两个功能模块组成：移动AR显示功能模块和校园活动信息管理功能模块。

移动AR显示功能是移动客户端应用程序中的核心功能。该模块基于移动端的用户定位和图像捕捉识别，将虚拟的校园活动信息和实时图像叠加显示在手机屏幕上，用户可以很方便地获取到感兴趣的校园活动信息，帮助用户快速地了解校园文化融入校园生活。

校园活动信息管理功能模块主要包括用户讨论关注感兴趣的活动、评价活动等子功能，该模块主要为大学生们提供了一个良好的互相学习交流的平台环境，用户不仅可以自己在校园内任何地方快速地了解校园动态，还可以与许多有相同兴趣爱好的学生进行交流互动。

4系统实施

4.1系统架构

智慧校园系统由两部分组成：Android操作系统平台上的移动客户端应用程序和远程数据服务器。客户端和服务器之间通过无线网络进行连接。用户从客户端提交请求后，服务器将接收并响应此请求，并将处理结果返回给客户机。

移动客户端应用程序是基于JAVA JDK、Android SDK和Wikitude SDK开发的Eclipse平台。Wikitude广泛应用于各种移动操作系统平台，为开发人员轻松创建移动AR环境或应用程序提供服务。Wikitude SDK 8引入了对象跟踪和场景识别的功能，相对GPS更加精确。移动AR显示功能模块遵循Wikitude的体系结构，采用GPS定位和场景识别相结合的方式实现虚拟视图与真实校园环境的多种交互。

远程数据服务器采用Struts2开发框架，选择MySQL做数据库管理，通过HTTP协议和JSON传输格式完成客户机和服务器之间常见的数据通信。

4.2功能实现

移动AR显示功能模块通过Google Earth在学校构建兴趣点（POI）信息。当用户启动AR显示功能后，系统将立即访问GPS信息，然后根据用户的位置加载POI信息。此时，当用户使用智能手机的内置摄像头对准目标建筑物（例如圖书馆）时，屏幕上将在真实视图上叠加出现一个关于图书馆基本信息介绍的虚拟视图。点击这个虚拟视图，用户获取到更详细的图书馆活动信息。移动AR显示功能模块可以有效地帮助学生在校园快速地展开各类户外交流和学习。

校园活动信息管理功能模块主要包括用户登录注册、活动信息列表显示、关注活动信息、活动评价、活动讨论等子功能模块。通过以上功能，本模块可以有效地辅助学生管理个人数据、保存学生在校园各处的生活学习痕迹。

通过移动AR显示功能模块与校园活动信息管理功能模块的相互协作，本智慧校园系统为学生提供了更好的用户体验。

5反馈与建议

基于移动AR的智慧校园系统激发了学生探索校园环境奥秘的兴趣，给学生们带来了一种在户外学习交流的神奇体验。

使用者普遍认为本系统的移动AR显示模块中采用的基于移动AR技术进行信息访问的方式比在搜索栏中键人关键词更为方便。更重要的是，该模块通过一个快速、可视化的信息检索过程使使用者得到及时的帮助和易于理解的图文信息。对于校园活动信息管理模块，使用者认为通过这种在线分享和交流校园活动信息的方式有助于融人校园生活，激发户外学习的兴趣。

从使用者的反馈意见中可知本系统仍存在一定的不足需要改进。首先，部分位置存在WiFi和GPS信号差的问题，不准确的位置信息或无法访问的互联网连接会严重影响移动AR显示功能的实现，从而降低用户体验。其次，部分使用者认为现有校园活动信息管理模块的功能和同类型经常使用的工具软件相比功能偏少。

6结论

本文基于移动AR技术设计并实现了一个用于校园文化活动展示与交流的智慧校园系统。该系统通过图像识别和GPS定位相结合的方式对捕捉到的图像进行准确定位，通过移动AR技术对校园真实环境附加了图文信息（校园活动信息），为当代大学生开展户外非正式学习提供了环境。通过使用反馈将会在后续研究对本系统进一步改进。首先，为了保证用户体验的便利性和及时性，在出现WiFi和GPS信号中断的情况下，应考虑替代接入。其次，基于移动AR的情境学习理论，对校园活动信息管理模块进行功能扩展。第三，研究实现多用户实时交互。

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