旨在开发教育应用程序的增强现实框架的比较分析
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2021-02-18 00:07
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火星译客

摘要

本文旨在分析现有可能允许使用增强现实资源开发教育解决方案的框架,重点关注支持能够移动应用程序的概念,设计和应用的工具。为了进行本项研究,我们发现并研究了市面上几种有助于在移动设备中使用增强现实技术的开发环境。本文中选取了其中11个平台进行了分析并将结果展现在本文当中。本文对这些方案进行了测试和比较, 并在对比列表中列出了他们的主要特点,以及他们对教育应用程序的开发所具有的潜在资源。所有这些都有利于简化应用程序的开发,从而帮助教育者在课堂上引入增强现实技术。

关键词

增强现实,教育应用软件,软件开发包,移动设备,寓教于乐,虚拟现实

1. 引言

随着信息技术和通信技术在教育领域的应用日益广泛,传统的课堂环境正在发生变化,这就需要对教育中的计算范式进行思考。基于这一观点,目前正在进行几项研究,旨在介绍可用于改进教与学经验的新方法。其中的一项目标是将增强现实技术引入教学应用,为用户提供一种大规模的教育对象可视化、可互动和实验的服务。

如 Nincarean 等人(2013年) ,Wu 等人(2013年) ,Zydney & Warner (2016年) ,Jooste,Rautenbach & Coetzee (2016年)所提出的。

通过增强现实与其功能可见性,扩大用户和教育内容的沟通渠道是可能的,并引发更大的学习机会。增强现实提供的其它好处在于使用户融入到更高的水平,在于将3D虚拟物品的可视化应用到现实物品中,在于依照比例以及通过不同的角度和透视看到现实中无法感知的现象。这些特征帮助用户同化抽象和复杂的概念,有利于他们对一个特定教育学科的理解。

随着增强现实引进教育情景中,以及其教学法可能性得到验证,教育工作者寻找新策略来提高用户的学习经验。有了这个理念,尼卡伦(Nincarean)和艾尔(al.)(2013)补充说,通过与诸如移动设备等其它技术结合,把这些移动科技的典型特征融入增强现实的资源中,功效可能会加强。这些典型特征包括可携带、社交互动、连通性、上下文敏感性和个人特征。这两位作者说,这个方面促进产生了一个新的概念——移动增强现实(简称MAR)。

利用增强现实资源在移动设备上进行教育应用,这带来了选择一个开发框架的需求,这个开发框架需要满足项目要求的条件和资源。由于有大量的工具可以用来制作增强现实软件,也为了给用户提供信息,让他们知道每个平台提供哪些增强现实特征用于移动设备上开发教育解决方案,那么对这些软件进行比较分析也是可行的。

通过这种方式,本文的目的是提供11个框架的比较分析,这些框架提供了开发增强现实资源的能力。它还旨在通过展示其在移动设备教育应用程序开发中的优势和劣势来证明该平台的主要特征及其教育用途的潜力。

2.增强现实

增强现实包括虚拟资源与现实世界物理元素的综合,其中计算机生成的图形组件与用户体验中的真实环境元素都呈现在用户的技术设备中。正如米尔格拉姆&岸野(1994)所建立的,作为增强现实的实用性定义,可以说这是指通过虚拟对象(计算机图形)来“增强”其他真实环境的任何情况。

通过对比虚拟现实和增强现实的主要特征,能够更好地了解这个领域,这一方面可以证明这两个研究领域之间的根本区别。虚拟现实能够使用户体验到由计算机生成和开发的三维虚拟环境。然而,增强现实旨在将虚拟环境的元素与现实世界的元素相结合。东(1997)指出,在虚拟现实中,用户沉浸在合成环境中,可以看到他周围的现实世界。另一方面,在增强现实中,用户实际上可以看到现实世界,但是看到的是跟虚拟对象重叠或组合的状态。

Milgram&Kishino(1994)在图1中提出并讨论了这种二分法,其中作者演示了一个称为“虚拟连续”的轨迹,引用了对象类的混合,这代表了混合现实的概念。在这个概念中,真实环境在规范的一端,而虚拟环境在另一端。这表明了在一个独特的展览中展示真实和虚拟物体的必要性,这样的展示可以使任何位于混合现实两端之间的环境可视化。

根据Milgram&Kishino的定义(1994),增强现实可能被认为是合成环境和真实环境之间的中间地带,在这种环境中,AR补充了虚拟现实,而不是完全取代它,这给用户一种虚拟和真实物体在同一空间中共存的感觉。Azuma(1997)认为,可参考的AR计算系统应具有三个基本特征:a)将虚拟元素与真实环境相结合;b)交互并实时完成其过程;c)在三维空间中构想。

关于增强现实资源的应用,相关人员正在进行多个研究项目,并且已经有几个计算解决方案在许多领域为社会谋利。其中包括娱乐、营销和广告、旅游(Chung、Han和Joun,2015)、汽车(Rameau等人,2016)、医疗保健(Jamali等人,2015)、培训和教育(Kysela和Storkova,2015)、(Majid、Mohammed和SulaiMan,2015)和(Ak^Ayir、Ak^Ayir、Pekta§,&Ocak,2016)等领域,以及其他领域(O'Shea和EllioTT,2016),所有这些都集中在内容和互交式解决方案的开发上,使它们能够为用户提供愉快和丰富的体验。

如报告所述,在许多不同的领域中,有很多应用程序使用增强现实资源,这其中的一些应用程序倾向于强调 教育领域的应用程序。考虑到本文的重点,下一节将介绍一些利用此类资源加强学习和教学过程的调查,同时还将展示该地区的背景,以及探索教育的有利潜力。

2.1.教育中的增强现实

为了改进教学和学习过程,专家们提出了许多使用增强现实的建议。同样,这些资源与教育领域中的新兴技术也在不断地相结合,例如移动设备。为了开展这项研究,对一些工作进行了分析,以便利用所获得的知识制定增强现实开发框架评估的相关标准。

Kaufmann提出的研究(2006)旨在结合开发构建三维环境的意图,解决虚拟现实技术和增强现实技术的集成问题,这旨在帮助学生学习与几何相关的科目,具体地说是学习动态三维几何和空间能力等主题的课程。作者认为,使用增强现实资源的主要优势在于学生现在可以让三维物体可视化。而到目前为止,这些物体都是通过传统的方法(如笔和纸)计算和绘制的。对教授和学生进行的三次评估结果表明,增强现实环境易于使用,学习时间短,能够鼓励学生正确探索几何学。

研究人员Irawtietal等人在他们的论文(2008)中提出了一个三维教育环境,为不成熟的牛顿物理定律提供了一个基于经验的学习平台。他们根据物理学科设计了一个应用程序,用它来模拟三维环境中的多米诺效应。作者认为,用户使用这个应用程序后,可以通过在虚拟现实和虚拟现实环境中交互、体验不同类型的多米诺效应来学习物理。这个程序为用户提供了一种操作模拟的简单方法,显示了选定对象未来可能的运行轨迹。作者认为,基于这些轨迹,它们有可能帮助用户理解和比较每个选定配置的结果。

在蔡、王、蒋的研究中(2014),他们报告说,在化学教学中,学生很难理解微观世界,这是因为他们的想象力不成熟,这影响了他们对微观结构的理解,因此,这个问题在他们最初的学习化学阶段是一个很大的障碍。为了提高这些学生的学习体验,作者开发了一套基于增强现实的学习工具,使他们能够使用增强现实标记来控制、组合和与微粒三维模型交互。将这些工具应用于我国某中学的实践中,取得了积极的效果,因为它们在计算机辅助学习中起到了显著的辅助作用,对低绩效学生的影响大于对其他学生的影响。除此之外,学生在使用该软件的学习体验时,表现出积极的态度,这与他们对软件的评价呈正相关。

本节介绍了一些在增强现实技术的支持下,正在开发的以教育为重点的研究,展示了该领域能够为用户带来的好处和优势。在这些新兴技术中存在的有关教育潜力方面,正如技术方面一样,都介绍了该领域的专业知识,目的是为评价这些工具开发中使用的框架提供必要的基础。

2.2. 增强现实框架

用于开发AR应用程序的工具,被称作软件开发工具包(SDK),简单来说就是框架,为用户提供了一个可以在其中创建功能的编码环境,这些功能将把具有增强现实功能和资源的软件应用程序组合起来。由Amin & Govilkar (2015)可知,这些增强现实软件开发工具包促进了AR应用程序中许多分支的应用,比如:AR识别、AR追踪和AR内容呈现。

由于该领域处于上升阶段,并且不断在当前的研究中出现,所以现在市场上有几种AR框架可以使用。也有类似的成果试图对现有的主要AR平台进行对比,如Amin & Govilkar (2015), Jooste, Rautenbach & Coetzee(2016)和一个在线比较表的协同构建(Social Compare, 2017)。然而,所有这些研究要么对增强现实提出了一般性的展望,要么侧重于满足各自目标的工具。简而言之,所有这些都偏离了这次调查的目标,即呈现和分析可能应用于在移动设备中教育建设应用的框架。

目前有几个工具可以用来执行涉及到开发使用AR资源的应用程序的任务。基于这一点,会议设法提出提供这些资源的工具所要求的主要特性,从而以组成比较表的平台选择为基础,并为实现比较测试提供帮助。在下一节中,它将介绍为执行测试而采用的方法学程序以及为完成这项研究而采取的进一步步骤。

3.方法

本研究采用的研究设计采用比较法,旨在考察当前用于开发具有增强现实资源的教育应用程序的工具之间的主要属性和存在的差异。

3.1分析工具

本文选取了AR查看器和浏览器中的11个框架进行对比分析。选择这些框架的标准是基于对AR现状的调查和分析,旨在突出在AR相关研究和项目中声誉较好的框架,这些框架的重点是开发教育解决方案。

对于框架的选择,一些评估标准已经建立起来,目的是为实施教育应用提供持续不断的更新,体现在学术研究上的可视性并且提供的现代资源。在最后一部分列出来的特点,被中断或停止的的工具,在最近几年没有更新的工具。

3.2.进行分析和测试

为了能够统一分析所选框架及其各自网页管理平台,对比较图表中的每个评估功能进行了特定测试,从而验证该工具是否已经提供了资源。

此外,由于这项研究的目的之一是展示一些平台,这些平台可以促进教育领域中增强现实的应用程序的开发,为了执行测试和评估结果,所有测试都参考了Unity 3D平台的SDK(软件开发工具包)。Unity允许用户将源代码移植到移动设备平台,例如安卓,苹果和Windows 手机上,从而可以对增强现实的结构进行更全面的调查研究。

在执行测试期间,与开发AR教育应用相关的评估标准会收到自己的评分。因此,评估会从以下九个方面进行:文本识别、图像识别、三维对象识别、多目标识别,地理定位跟踪、无标记跟踪、在线目标识别、离线目标识别和增强现实编辑平台。

在评估完成之前,为了创建一个图表,从而能够比较文中提到的框架,已有要求通过它们对每个评估标准可能出现的术语回答进行判断,包括“是”和“否”两种答案。对于所有给出“否”回答的标准,正在进行评估的现有平台是不得分的。 然而,至于那些“是”的标准,他们的得分就增加1分。最后评估的参数(由增强现实编辑平台给出),由于该参数与教育应用程序的开发相关性更大,所以其每个认定为“是”的框架得分会增加一倍,即2分。

4. 结果分析

为了更好地理解本文所做的评估和所获得的结果,我们将对结果的介绍和讨论分为五个阶段。第一阶段,描述和论证了AR开发框架选择分析的功能;第二阶段,提出了选择组成比较分析的框架;第三阶段提出了比较表格、分类和验证标准;第四个阶段展示了每个框架中可用的多媒体资源;最后一个阶段对结果进行了广泛的讨论,强调了在我们的比较中似乎最繁荣的框架,并展示了它们的主要属性。最后,在最后一阶段,对结果进行了广泛的讨论,突出了在我们的比较中似乎最成功的框架,并显示了它们的主要特点。

4.1 分析资源和特点

本文作者通过对该领域期刊出版物和技术报告的调查,选择了一些与利用增强现实资源开发教育应用相关的特点进行研究。因此,表1中的评估标准适用于作者调查中发现的所有方面,一般认为这些方面在框架中互有关联,这对为具有AR特性的应用程序提供开发工具非常重要。

为了做出精确的评估,展示每个框架中发现的主要属性并进行比较,我们建立了三个不同类别的评估标准,分别称为“一般信息”、“标记识别和跟踪”和“附加功能”。每种分类都根据它的小组标准定义了子类别,并与之进行比较。这些是:

•文本识别:分析框架是否具备识别单词和(或)一组单词的能力。

•图像识别:在此标准中,所选框架遵从其平面图像识别能力的基准。

•三维物体识别:研究了以圆柱、圆锥和一般真实三维物体为标记物进行跟踪的开发平台。

•多目标识别:分析了同时跟踪多个目标的框架。

•地理位置识别:进行测试以验证哪些工具支持地理位置目标。

•无标记识别:对选定的开发平台进行评估,以确定它们是否支持使用不需要标记的其他增强现实技术。

•在线目标识别:为了证明只凭借实时状态下的互联网环境中哪个平台能够跟踪可用目标,我们进行测试。

•离线目标识别:该框架在测定有无资源时通过离线方式识别目标,无需连接到互联网。

•增强现实(AR)编辑平台:这个子类别旨在评价选定的框架作品,这些作品提供了一个可随时使用的基于网络的平台,允许创作

管理标记,以及建立和编辑扩增实境资源。

在表1所示的比较中,提到了另外三个标准。 提出这些测试纯粹是为了提供信息,目的是让用户对整个测试过程中使用的框架、版本、扩展和可用平台有更多的了解,甚至有可能重现本文中的测试。

4.2. 分析框架和平台

为了揭示增强现实的本质功能及其在教育中的应用,本文选取了十一种工具进行分析和测试。 其中,都允许开发 AR 资源。 以这种方式,为了编制一个比较表,并为讨论以教育为重点的实施应用程序的现有特点奠定基础,对以下框架进行了分析:

* ARToolKit: 目前被认为是使用 AR 资源开发应用程序的最常用框架之一,因为它是一个开放源码工具,不断更新,提供一系列功能,并允许向其他平台出口。 Artoolkit 能够跟踪平面、地理位置和多个目标(ARToolKit,2017)。

Augment: 该框架包括一个 AR 3D查看器,它由移动设备应用和基于网络的平台组成,其用户可以注册他们的个人标记,并且与3D模型和其他虚拟元素联系起来。Augment 提供平面标记追踪,追踪通过云端存储来实现 (Augment, 2017)。

Aurasma: Aurasma归类于AR 3D查看器,可以提供其自身的移动应用和基于网络的平台,由此可以让用户借助图表内容、动画、视频、音频和3D内容,以新的交互机会,改变物体、图像和位置。该系统可以追踪二维平面和地理位置目标,而且追踪也可以通过云端储存实现的。(Aurasma, 2017)。

BlippAR:它是一个增强现实3D查看器,提供自己的智能手机应用程序和基于网络的平台,以便用户可以注册他们的标记并将它们与许多可视化和交互式资产相链接。 BlippAR允许用户云跟踪平面目标。它还实例化了一个带有人工智能和深度学习算法的计算机视觉模块,通过使其最终学会识别用户的不同操作来增加应用程序的能力(BlippAR,2017)。

• CraftAR: 另一个 AR 3D 浏览器,CraftAR 提供了他们的移动应用程序和一个基于 web 的平台,这样用户可以轻松地管理和注册他们自己的标记,将它们与虚拟内容相关联,例如3D 模型、图像、音频、视频等。 它还有一个由许多平台支持的 SDK,这使得用户可以使用 CraftAR 资源开发他们的应用程序。 它能够在云中跟踪平面图像(CraftAR,2017)。

•EasyAR: 作为基于 AR 的应用程序的开发框架,EasyAR 有一个基于网络的平台,用户可以通过这个平台注册他们的项目,并获得测试和发布他们的应用程序所需的许可证。 它提供多平面目标跟踪(EasyAR,2017)。

• Kudan: 它被归类为使用 AR 资源开发应用程序的框架。 Kudan 提供了一个 SDK,除了支持论坛之外,它还提供了大量的文档和实用示例,可以将数据导出到许多其他平台。 它允许使用 SLAM (Kudan,2017)进行无标记跟踪。

•LayAR:它包含增强现实浏览器。LayAR提供移动应用程序端和一个基于网络的管理平台,用户可以在其中创建和编辑平面和地理定位目标,并将它们与信息性虚拟内容(如文本,URL,音频和视频)相关联(LayAR,2017)。

• PixLive: 被归类为 AR 3D 浏览器,PixLive 提供了一个智能手机应用程序和一个基于网络的平台,用户可以通过这个平台创建自己的平面和 / 或定位目标。 他们还可以将它们与数字资源联系起来,例如3D 模型、图像、音频、视频等(PixLive,2017)。

• Vuforia: 也被列为开发 AR 应用程序最常用的框架之一,除了为几个开发平台提供 SDK 之外,Vuforia 还提供了一个基于网络的环境,用户可以在其中创建和管理自己的标记,并获得测试和发布应用程序所需的许可证。 它还能够跟踪平面,地理位置和多个目标,文本和3 d 对象,这可以通过云或本地存储在用户的设备。 Vuforia 甚至可以通过两种技术实现无标记跟踪: 扩展跟踪和智能地形(Vuforia,2017)。

• Wikitude: 包含一个 AR 3D 查看器,为用户提供一个移动应用程序和一个基于网络的管理平台,通过这个平台,用户可以创建他们的标记,并将它们与3D 模型和其他虚拟元素联系起来。 它还提供了许多开发平台上可用的 SDK,使用 Wikitude 的资源实现应用程序。 该框架能够跟踪平面标记、多目标、3D 对象、地理定位标记,甚至利用无标记技术 SLAM (Wikitude,2017)。

一旦其他解决办法(共计72个平台)得到核实,而且由于没有考虑到本文件作者认为相关和要求的标准,因此在完成表1所示的比较计划时,本节所述工具只占所分析平台总数的一小部分。 在下一节中,将介绍上述表格,并将根据在一个评价类别中观察到的结果进行讨论。

4.3.增强现实工具的比较分析

先前揭开的功能,与本文作者在框架中发现的有关部分相近,该框架打算提供必要资源,以促进开发在教育中利用增强现实元素的应用。为了展示第4.2节中提出的11个分析平台之间的差异,建立了一个比较图表(表1),其中建立了三个一般类别和十一个更细化的子类别。这有利于调查可能影响用户体验和AR功能发展的不同方面,这些将在以下部分加以描述。

4.3.1.总体信息

“总体信息”类别建议公开分析框架的通用评估标准。这些包括每种工具资源可用的许可类型、存在哪些平台和扩展,以及用于执行测试的支持材料和示例的可用性。

通过这种方式,可以观察到除了ARToolKit(开源)和EasyAR(免费)之外的所有平台都可以在专有许可下使用它们的功能。然而,讨论这方面很重要,因为即使是专有工具和对其服务的收费,所有框架都允许用户访问和执行一些测试,但是一些更高级的功能要么限于高级帐户,要么可用于短期试用期。

我们还观察到每个框架支持和/或提供插件或扩展的操作系统和操作平台。基于此,有可能证明所有框架都为移动设备提供了一些解决方案,如安卓设备,蓝莓设备和苹果设备,这是本文的重点所在。并且,我们观察到这些工具用于智能眼镜平台的便携性,例如微软的Hololens眼镜,而ARToolKit,PixLive,Vuforia和Wikitude,则为这种可能性提供了工具。除此之外,Unity 包的可用性是另一个有趣方面,它允许用户利用框架的组件在广泛使用的Unity平台中开发自己的应用程序,在Unity平台上,用户可以将自己的程序导出到各种设备和平台。

此类别所显示的另一个重要事实是,所有框架都提供了实现和使用其功能所需遵循的教程和示例,这是本文作者认为相关的属性。因为它允许初次开发或者零经验的用户开发应用程序来获得帮助,并在这些教程或平台的论坛中找到问题的答案。

4.3.2 目标跟踪类型

本节由我们的比较分析中最相关的类别之一组成:目标跟踪类型。在选择开发AR应用程序的框架时,应该谨慎地观察这个框架,一旦它试图表现出对每个平台的跟踪功能。通过分析,可以观察检测到六种不同类型的追踪,它们都与教育应用程序的构建息息相关,这些在4.1节已经进行了说明,并将在这章也有所讨论。

从这个意义上讲,可以注意到与文本追踪相关的子类别,比如一个词或者一组词的识别,是完全由Vuforia平台 完成的。该功能重点作为对儿童教育游戏有用的资源,也可以作为一个视觉输入机制,一般可以用于字典和辞典。Vuforia 提供了超过十万字的英语常用词汇列表,可以纳入用户开发的应用程序之中 (Vuforia, 2017)。

在现行测试中分析的另一个方面是框架追踪二维图像作为标记的能力。因为这是追踪目标最传统的方式,所以该功能如期存在于所有受分析的11个框架中。值得一提的是,Vuforia, CraftAR 和 Wikitude 允许用户注册标记,然后对已注册的目标进行等级评定,给用户反馈图像的可恢复性,这样他们就可以用更高等级的标识来替换。

考虑到追踪功能,另一种潜在可能是追踪圆柱体,圆锥体等其他三维目标。一旦通过实现识别三维实物的可能性,并且在增强现实技术中强化透视的作用来放大追踪格式,就有可能朝着这个趋势发展。谈到此属性时,只有两个框架能够提供此类功能,即Wuforia和Wikitude。Easyar在其官方页面中提到,下一个版本(2.0)中将包含此资源。

AR现实开发工具的一个特性是跟踪多个目标,这一特性使用户设备中的应用程序可以一次对多个目标进行跟踪。因此,除了能够跟踪一系列目标之外,用户还能够在设备屏幕上同时对多个虚拟对象进行可视化操作,甚至使一个目标与另一个目标互补或交互。在这方面,Artoolkit, Easyar, Kudan, Vuforiahe和Wikitude平台都支持多目标跟踪。

根据本研究的范围,提出了允许在移动设备中开发和使用应用程序的框架,作者旨在研究和展示一些平台,这些平台在用户设备定位的基础上显示虚拟元素。这种功能经常出现在增强现实游戏中,例如Ingress(2013年11月15日发布)(2017年)和Pokemon Go(2016年7月6日发布)(2017)。在游戏中,通过移动装置的GPS(全球定位系统)信号,用户需要移动到确定位置,以便能够使可视化该地理位置相关的虚拟元素。允许AR元素与地理位置结合的平台有:Artoolkit,Aurasma, Easyar, Layar, Pixlive, Vuforia和Wikitude.

增强现实平台的另一个特点是其无标记跟踪能力。当用户认为没有必要将设备指向某个目标时,这个属性就变得很重要,因此只要将设备指向期望融合集成虚拟设备的空闲空间就足够了。为了增强用户对软件所提议的沉浸感体验,这使得元素能够组成它当前所在的场景:不需要太多的人工元素,例如标记。具备此功能的两个平台是Kudan和Wikitude,它们都使用算法来解决同步定位和映射问题。Vuforia是具备该一功能的另一工具:通过统一其扩展跟踪技术和智能地形技术,它还能够为用户提供无标记跟踪。EasyAR在其官方网页中提到,它将在下一个版本(2.0)中支持这种跟踪。

在本节中讨论的几种方法和它们的属性都包含与“目标跟踪类型”相关的特征。这种跟踪类别是为了对现有跟踪能力的本质进行评估。不管是最传统的跟踪方法,如平面图像和多指标,还是最先进的和当代的跟踪方法,如定位和无标记跟踪,都要进行评估。在下一节中,针对正在探究的增强现实应用,将探索与该应用每一工具的管理平台相关的功能。

4.3.3.附加功能

“附加功能”类别提供了本文作者认为在用户选择要使用的AR开发平台时具有决定性意义的信息。用户可以选择要使用的AR开发平台。它公开了将帮助非专业用户使用增强现实工具实现积极最终结果的资源,例如目标的创建及其与虚拟元素(如图像、音频、视频和3D模型)的关联。在这个意义上,AR平台提供了被调查和验证跟踪目标的可能性,分为两类:在线和离线识别。由于这两种资源都被认为对用户的选择很重要,因此通过这个部门,我们设法突出显示为我们提供这两种跟踪服务的平台。

在在线目标识别方面,提供该功能的平台有: Augment, Aurasma, BlippAR, CraftAR, LayAR, PixLive, Vuforia and Wikitude。剩下的工具,如ARToolKit、EasyAR和Kudan,只允许离线目标跟踪,这要求开发人员通过代码将目标插入应用程序,将目标图像存储在用户的设备中除了上述平台外,augmented、CraftAR、Vuforia和Wikitude也具备离线跟踪功能,这使得后四个平台成为唯一同时支持在线和离线跟踪的平台,这大大增强了框架对不同用户需求的适应性。EasyAR在其官方网页上宣布,它将在下一个版本(2.0)中支持这两种跟踪方法。

不需要连网就能追踪目标既有好处也有坏处。一方面它有一个很大的优势在于它可以直接标记存储设备,因为它不仅加快了追踪速度,也允许用户追踪目标并使虚拟元素可视化,即使该用户的互联网连接失败或根本不存在,也不会影响他增强现实体验。另一方面,将标记直接引入源代码不仅使应用程序的开发变得复杂,而且还增加了应用程序的维度,即,附加到应用程序上的标记越多,需要下载并存储在用户设备上的数据就越多。对于存储在网上的目标识别也提出了一个值得考虑的问题,也就是必须将设备连接到互联网,才能做到跟踪任何标记并加载与其相关的AR虚拟元素。

附加功能类别中列出的最后一个标准包括分析在基于网络平台中能够创建和编辑标记,以及增强现实资源的框架。也就是说,指出哪些工具允许用户注册和管理他的标记,一旦注册,这些标记就可以作为目标在项目中使用。根据这一标准,我们还观察了这一允许用户在同一平台上编辑和生成AR元素的框架,从而允许开发人员在一个独特的独立平台上完成整个过程。

最后一条标准的存在是合理的,因为本文旨在为那些缺乏开发应用程序经验的用户,尤其是想要在课堂中加入一些创新元素的教育者提供可借鉴的框架。有了这种资源,应用程序的快速开发和课件的快速制作成为可能。以下七种分析AR平台可以提供此功能:Augment, Aurasma, BlippAR, CraftAR, LayAR, PixLive和Wikitude。现有软件中,ARToolKit, EasyAR和Kudan也使用标记,但用户不能在平台上创建标记。标记只能直接储存在软件的源代码中,这使得新开发人员和缺乏系统开发知识的人不能完成创建。Vuforia也不能满足这一要求,不过它的标记既可以储存在源代码中,也可以寄存在网站上,不管是用于开发人员程序包下载,还是用于云追踪数据。

针对这个问题,EasyAR在其官网上宣布他们将在下一个版本2.0中提供这种资源,而ARToolKit则提供训练软件,用户可以在上面学习目标追踪算法知识。不过这个软件既不是自动化的,也不实用,因为它要求用户全程参与培训,然后手动将编码插入到他编写的应用程序中。

本节讨论的“附加功能”旨在呈现相关信息,以帮助AR开发者选定框架,该框架应满足用户的所有期望,并以尽可能最好的方式为用户提供服务来构建教育应用程序。

针对呈现“AR编辑平台”特性的工具,分析了七大平台提供给用户的多媒体资源和其他虚拟元素。这个问题将在下一节中讨论。

4.4多媒体资源

基于上一节所演示的属性,特别是在表1中,有必要对增强现实框架进行讨论,该框架使用户能够直接在其基于web的平台上创建和编辑三维模型和其他增强现实模型。因此,本节旨在介绍每个增强现实框架所提供的多媒体资源,以提供增强现实的编辑平台,展示可用的虚拟元素及其支持的格式,

以及与开发教育应用相关的任何其他特征。在每个框架中找到的主要属性列在表2中。

通过表2中显示的知识,比较图表中展示的信息以及可用资源的分析,可以为最终用户提供广泛的专业知识,使他能够选择最佳工具集了解他的项目要求和资源需求。所有这些旨在实现我们使用增强现实来帮助开发教育应用的意图。

4.5. 结果讨论

通过对移动应用开发中可利用的AR资产的特性和虚拟元素进行比较分析,可以对本文所分析的工具建立一些一般性的观点。我们制作了一个图形表示(图1)以更有意义的方式展示结果。这个图表展示了本文分析的所有增强现实平台,并给出了每一工具的量化得分,并显示了它们在分析的标准中所达到的比例。

考虑到对比图和图1中所显示的数值,我们可以证明,在普遍研究中的增强现实框架与其他平台相比得分较低,处于较低的评级区间。这是ArtoolKit(得分4分)、EasyAR(得分3分)和Kudan(得分4分)的情况,通过前面的数据可以看出,这三个框架都是为有系统开发经验的开发人员设计的(因为它们都是sdk)。这方面使它们与其他分析框架相比更加复杂,一旦本调查强调用户可以使用不一定开发过软件的框架,就会得出较差的分数。这使得创建教育应用程序更容易也更迅速。

另外两个得分较低的框架是augmented和BlippAR,它们的得分都是4分。究其原因,是因为它们都只提供了一个跟踪目标的选项:平面图像,这严重影响了它们的最终排名。另一方面,enhance和BlippAR都可以让用户在线跟踪目标,并在基于web的平台上创建和编辑AR元素,这确实可以对用户的选择产生积极的影响。

仍处于中级排名区的增强现实平台有Aurasma、CraftAR、LayAR和PixLive,这些平台的评分都为5分。从表格一中可以发现,这些平台都能通过云追踪平面图像,CraftAR平台还能在线下追踪目标。Aurasma、LayAR和PixLive还允许创建和使用地理标记,使用设备上的全球定位系统识别目标。此外,这四种平台都给用户提供了一个网络平台,来创建和编辑他们的增强现实元素。

从表格一中可以看出,评分最高的框架是Vuforia和Wikitude,得分分别为8分和9分。我们可能注意到,他们的资源指的是目标跟踪类型,这是区别这两个平台和其他平台的一个不同之处,因为,二者允许识别平面图像,三维目标,地理标记,多目标和无标追踪,以及线上和线下目标追踪。两个平台之间只存在一个不同之处,即Vuforia平台能够识别和解读文本目标,而Wikitude平台只提供了用于创建和编辑增强现实元素的网络平台,这个特点让Wikitude平台更符合定量排名的条件。

本节讨论的目的在于,更好地对比本文分析的所有增强现实框架之间存在的不同,揭露其主要属性,并展示其存在的优缺点。本节讨论旨在突出每种工具在发展教育应用方面存在的可能性。另外,通过图表一中所的对比,可以看出本文作者渴望提供必要信息,这样用户就能选择一个最适合的平台,满足他们在增强现实资源和机能方面提出的要求。

5.结论

随着信息技术和通信在各种应用领域的不断发展,形成了新的规范,以协助教学和学习过程。AR技术也正在以这种方式融合,有望通过虚拟资源和更大的交互性,为教育技术的发展以及向学生提供的课件的发展做出贡献,除此之外,移动技术的应用使该技术大规模传播成为可能。

本文总结了一个框架的比较分析,该框架可用于开发具有AR技术资源的应用程序,提供了共十一个经测试和比较的平台,这些平台的选择是基于它为移动设备开发应用程序的能力。 它们的主要属性以及虚拟资源和扩增资源显露出来,这些资源可能有助于实现现代的、有吸引力的和沉浸式的教育应用程序。 通过这一分析,我们可以看出 Wikitude 和 Vuforia 平台符合最多的选定要求,为建立以教育为重点的 AR 应用程序提供了大量的多媒体资源。

在工具分析中,与这个研究当前主题相关的另一个发现与缺乏计算解决方案领域经验的专业人员在试图构建用于教育目的的软件时所面临的最终困难有关。这些包括所有像教育工作者和在任何领域的研究者进行远程计算。这些不断的出现,对于那些致力于为教室建立创新的解决方案的人来说是一种不幸。然而,在这篇文章呈现的整合的信息的基础上,我们可以断言,增强现实开发工具提供了增强现实技术编辑平台,也许可以简化甚至使教育软件的高层次开发过程成为可能,即,它可能会简化创建软件的操作,而不需要实现算法所需的知识。这一旦成为现实,这些平台不需要要求创造者为算法编写代码,只需让他增加增强现实资源,比如视觉媒体和三维模型来建立一个网络管理平台。这些工具包括Augment, Aurasma, BlippAR, CraftAR, LayAR, PixLive and Wikitude.

对未来的展望,本文打算继续研究增强现实框架和功能,揭示新技术及其在教育领域构建应用程序的可能用途。另一个调查将在未来研究中进行的研究包括这些框架在分析和识别目标时展示。

感谢

这项研究得到了巴西国家科学技术发展委员会(CNPq)的支持,该委员会是一个致力于科学发展的政府组织。

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