ARSC：增强现实的学生卡——用于教育领域的增强现实解决方案外文翻译资料

本科生毕业设计（论文）外文资料译文

（ 2022届）

信息科学与技术学院教务科

外文资料译文规范说明

一、外文资料译文：

ARSC：增强现实的学生卡

——用于教育领域的增强现实解决方案

关键词：增强现实，混合现实，计算机辅助学习，光学跟踪

摘 要

增强现实 (AR) 是通过在实际场景中添加缺少的信息来添加虚拟对象的技术。由于资源不足是AR可以解决的问题，所以本文介绍了作为AR在教育领域的应用而引入的AR技术的利用情况，并进行了说明。ARSC使用单个静态标记组合在一张卡上分配不同的对象，并将跟踪过程最小化交给计算机应用程序。ARSC旨在为教育领域提供有用的低成本解决方案。ARSC可以以3D格式显示任何课程，帮助学生视觉化不同的学习对象、与理论交互，并以全新的、有效和交互的方式处理信息。ARSC可在离线、在线和游戏应用程序中使用7个标记，其中4个标记用作操纵杆游戏控制器。本文的新颖之处之一是，对ARTag标记集进行了实验测试，根据效率进行分类。这些测试的结果被用于选择ARSC最有效的标记，并且可用于进一步的研究。 本文档的实验工作还介绍了创建AR应用程序标记的约束条件。由于需要在联机应用程序和离线应用程序中工作，因此如本文所述，工具包和库已合并。ARSC由平均年龄在10~17岁的男女学生进行检查，得到了很高的评价。

1. 绪论

增强现实 (AR) 是在现实生活中添加虚幻物体的技术 (The EDUCAUSE Learning Initiative)。AR的应用和研究是由计算机图形学教父Ivan Sutherland (Sutherland, 1965) 在45年前的一个梦想引发的。由于需要结合不同的技术和功能来开发此类应用程序，AR的许多问题和要点仍在研究之中。以达到预期的目标，AR的工作过程可以分为以下步骤 (Azuma, 1997)：

• 图像分割
• 特征提取
• 标记检测
• 相机方向
• 渲染
• 扩增

每个AR应用都必须做出两个主要决定。一个是关于显示类型的决定，另一个是关于追踪系统技术的决定 (Diggins, 2005; Joele et al., 2005; Vallino, 1998)。对于拟议的应用，我们决定使用空间显示和光学跟踪系统。

谈论AR会引发一些对技术优势和缺点的讨论。AR的优势可以分为两部分：AR应用的优势和AR创建阶段的优势。使用AR应用允许模拟、可视化、添加信息和与虚拟物体的互动，而不需要完全沉浸在虚拟生活中 (Diggins, 2005）。AR的创建过程比虚拟现实 (VR) 的成本低；这被认为是AR最重要的优势之一。到目前为止，所有的AR缺点都是技术上的一些弱点，包括跟踪时间、注册错误和渲染质量。

用最少的工具来提高学生的可视化能力是我们创建ARSC的动机。根据调查的结果，ARSC通过提高可视化能力使学生更好地理解 (将在第8章简要提及)。此外，ARSC还通过真实场景的三维物体增强来支持寓教于乐的学习技术，并且可以连接到额外的外包寓教于乐的课程材料。更多的受访者认为使用ARSC使学习更加有趣和有效。使用ARSC为学习工具增加了一种实用的、互动的和创造性的方式，这也是现在非常需要的 (Zhou, Duh, amp; Billinghurst, 2008)，以提高学生的创造力和实践能力。

本文的组织结构如下。第2章展示了以前的工作，增强现实技术的领域和该技术最常见的类别。第3章简要讨论了ARSC系统的硬件、软件和卡的设计。第4章展示了ARSC解决方案是如何工作的；从系统初始化到系统关闭。第5章详细描述了ARSC方案。第6章显示了实验结果。第7章显示了本文的结论。第8章展示了未来的工作。

1. 相关工作

根据2009年新兴技术的炒作周期 (图1) ，它显示2009年是混合和虚拟现实的一年。增强现实技术以“5-10年”的采用状态向高峰阶段迈出了良好的步伐，在2007年出现了一年之后，该技术又重新出现了。由于混合和虚拟现实技术被用于全息显示器、头戴式显示器和眼球追踪，许多技术激发出来。2009年，虚拟现实技术以稳定的状态出现，公众虚拟世界的普及率增加。

在过去的十年里，许多应用和研究已经发表。AR的相关工作可以分为两种分类 (Awad和Dziadosz)：

首先，按其服务的领域，主要可分为以下几类：

• 游戏应用
• 营销和广告
• 电影拍摄
• 教育
• 导航
• 医学
• 军事

第二，按每个领域发表的研究论文的数量。图2显示了在过去十年中，根据国际混合和增强现实研讨会[ISMAR]的论文研究类别进行的分类，以及每个研究领域的论文数量。

关于在教育领域使用AR技术可以实现的好处，AR在教育应用方面取得了很大的进展。最受欢迎的增强型应用激发了我们的工作，并且已经被研究过。BBC制作的AR-Jam图书 (Hornecker和 Duuml;nser, 2008)，它为7岁以下的儿童开发了两本结合了物理页面和桌面互动（屏幕、鼠标）的增强型故事书。Put a Spell，这是一种使用AR作为iPhone应用程序让儿童学习拼写的方法，In-Place Augmented Reality 3D Sketching of Mechanical Systems (Bergig, 2009)，这是一篇ISMAR09的研究论文，手绘草图被用作创建AR机械实验的一种自然方式，用户可以绘制实验草图并观看3D模拟实验。使用增强现实技术向地理系本科生教授地球与太阳的关系 (Shelton和Hedley, 2002)，这是一项关于在教育中使用AR应用的评估研究，它使用ARToolkit应用来帮助地理系本科生了解地球与太阳的关系。最后，The MagicBook (Billinghurst等人, 2001)，是一种基于视觉的跟踪方法，用于在真实的书页上叠加虚拟模型，创造一个增强现实（AR）场景。其他系统也被用于学习和恐惧症的治疗，如装甲运兵车炮塔的AR维护 (Henderson和Feiner, 2009)，以及用于治疗心理障碍的AR系统：应用于蟑螂恐惧症 (Juan等人, 2004)。

1. 设计

ARSC系统设计可分为硬件结构、软件设计和卡片设计。

• 1. 硬件结构

由于我们需要创建一个低成本的应用程序，我们使用了一台机器和一个普通的网络摄像机，如下[表1]。

该系统结构分为两部分，在线和离线。关于离线使用，ARSC可以与ARSC的一个三种离线学校解决方案，即：最大离线解决方案，中等离线解决方案和最小离线解决方案。在每个解决方案中 学生/教师可以使用ARSC，将ARSC卡输入到摄像头上，从而提供3D格式的主体外观。格式。表2显示了学校ARSC应用包的特点。不同应用之间的差异在下面的场景部分有简要描述

关于在线部分，ARSC可以用一台电脑、网络摄像头和互联网接入来使用。ARSC的在线部分不需要特定的 硬件安装或结构，因为用户可以通过互联网访问的Flash ARSC应用程序来使用ARSC。

图3显示了最大解决方案的硬件架构。在ARSC的最大解决方案中，教室里包含一台机器 每个学生一台机器，一个教师机器，和服务器。服务器提供课程反馈、实时测试修正和课程中断选项。学生可以选择中断。图4显示了ARSC的中等解决方案，它与最大解决方案的不同之处在于 如表2所示，没有服务器，这将以牺牲一些功能为代价使成本最小化。图5显示了ARSC 最低方案。在这个解决方案层面，每个学校班级有一台电脑、投影仪和ARS地毯 (增强现实学生地毯) 。(图5)

• 1. 软件

ARSC应用被分为两部分：离线应用和在线应用。在应用程序的每个部分，都使用了一组用于摄像机检测、跟踪、三维物体加载和渲染的库和工具包。

• • 1. 选择的离线工具包

由于我们所面临的障碍和实验工作，ARTag工具包被认为是离线情况下的最佳选择。该应用程序是使用ARTag工具包 (Cawood amp; Fiala, 2008a, p. 328; ARTAG)、OpenGL和C 编程语言开发的。选择ARTag是为了修复破损的侧面，并在不同的环境参数下进行高分辨率跟踪。

• • 1. 选择的在线工具包

对于在线应用程序，使用了FLARToolkit、FLARManager和PaperVision与AS3.0 (动作脚本3.0)一起使用。使用这些工具箱的目的是为了将其导出为.SWF，从而允许通过互联网发布。FLARManger的标记添加和移除功能被用于创建ARSC操纵杆控制器。

在设计ARSC时，我们面临着许多挑战，如下：

• 离线和在线障碍物。
• 标识物检测错误。
• 照明误差。
• 最大检测距离。
• 追踪速度和准确性。
  1. ARSC卡的设计

ARSC卡的设计实施阶段主要分为两个阶段，首先是卡的设计，其次是标记的选择和创建。

• • 1. 卡片设计

下表[表3]显示了最初的卡片设计，以及由于实验测试、结果和显示修改原因而实现的最终结果设计。

• • 1. 标记的选择和创建

ARSC已经使用三个增强现实库ARTag、FLARToolkit和FLARManger进行开发，正如在软件部分提到的（包含相机跟踪和增强头文件）。一些使用的库是使用一套保留的标记，其他的库则为标记的创建提供规则/约束。表4显示了工具包和所使用的标记的类型。

因此，在标记开发阶段，工作被分为两个阶段。首先是选择标记，其次是创建标记。

• • • 1. 标记的选择

这是在保留的标记中选择最佳的阶段。这个阶段与ARTag部分一起使用，从2048个保留的标记中选择，边界可以是黑底或白底.选择阶段有以下几个阶段。

• • • • 1. 第1阶段

第1阶段。关于我们对日间教育环境的研究，我们已经取消了黑底白字的标记。这一决定使选择集最小化为1024个标记。

• • • • 1. 第二阶段。

禁忌标记已经被忽视了。这些标记有23个值是不合法的 (Cawood amp; Fiala, 2008b, pp.147-148)。这些标记的表现不够好，没有被纳入库中，留给我

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