移动增强现实教育游戏的开发——以“快乐寻宝”为例

陈向东 曹杨璐

（华东师范大学 教育信息技术学系 上海 200062）

教育游戏已经得到越来越多的关注。美国新媒体联盟（New Media Consortium，NMC）在其发布的2014年地平线报告中指出[1]，未来2～3内，游戏和游戏化学习将会广泛地应用于教育教学。近年来增强现实技术的不断发展，移动设备的功能完善，为教育游戏的发展提供了新的动力。移动增强现实教育游戏有效地融合了增强现实技术、移动技术与教育游戏的优势，大大拓展了教育游戏的应用领域。

一 典型移动增强现实教育游戏及其功能模块

移动增强现实系统是根据当前定位系统所测到的位置（GPS）、终端朝向（方向传感器或陀螺仪）、实景或标记识别以及其他通过传感设备获得的数据，将虚拟信息叠加在真实世界中相应的注册区域，并显示在移动终端设备的屏幕上。所谓的注册区域可以理解为存储在增强现实程序中的真实世界影像，例如一张图片或者一个标记，程序能够从摄像头捕获的视屏输入流中比较并识别这些“注册”了的影像，同时进行相应的虚实叠加操作。

1997年，Feiner与其他科研人员[2]研制出世界上第一套移动增强现实系统，命名为“MARS移动手机增强现实系统，主要应用于导航技术。2000年，Tomas等人[3]发布了AR-Quake游戏，这款游戏是当时非常流行的基于电脑终端的Quake游戏的扩展，使游戏在室内和室外都可以进行。随后的几年里，基于移动终端的增强现实技术飞速发展，2003年 Cheok等人[4]发布了 Human Pacman（吃豆人），这是一套移动的交互式娱乐系统，由GPS和惯性传感器实现定位和视觉的感应，还配有触控式的人机交互界面。

增强现实技术使虚拟信息与实际学习环境相结合，配合移动终端的使用，可以构建出适合学生学习的环境，从而激发学生的学习兴趣、帮助学生理解学习内容[5]。早在十年前，麻省理工学院的Schrier设计开发了“重温独立战争”移动增强现实教育游戏[6]。游戏选在美国独立战争的发起地——列克星敦进行，参与者使用带有GPS功能的PDA进行导航，探访与列克星敦战役相关的列克星敦公共绿地（列克星敦战役进行地）及其他建筑物。当参与者到达预设的目标地点时，PDA会叠加显示虚拟历史人物、虚拟文物及视音频材料。例如，当参与者到达Old Belfry时，PDA将叠加显示Old Belfry铜钟的相关介绍（在英国士兵到达列克星敦时，Old Belfry铜钟敲响了警报）；当参与者到达列克星敦公共绿地的东北角时，PDA将叠加显示民兵Nathan Munroe及其对列克星敦战役的描述。

Ingress是谷歌 2012年发布的一款增强现实移动游戏[7]。一群欧洲科学家偶然发现某种神秘的能量，这一能量的来源和用途无人知晓，但一些研究人员认为它会影响我们的思想，我们必须控制这股能量，否则就会被其奴役。阵营分为两派，“Enlightened”（启示军，绿色阵营）试图接纳这股力量，坚信这是对人类的恩赐，另一派“Resistance”（抵抗军，蓝色阵营）则奋力抵抗并保护我们人类剩余的资源和财富。游戏的玩家被称为特工（Agent），两个阵营互相角力，争夺控制真实世界中的地标性建筑或雕塑等据点。

目前，移动增强现实教育游戏更多地应用于科普教育中。“蝶千寻”是一款以蝴蝶种类教学为主题的教育游戏[8]，它的主旨在于通过使用者在野外与虚拟蝴蝶的互动，来激发使用者进一步观察了解蝴蝶的兴趣，获取与蝴蝶相关的生物知识。“蝶千寻”一般应用于室外自然环境中，使用者可通过游戏应用，在手机屏幕上看到各类虚拟蝴蝶叠加在真实环境中。玩家可以仔细观察蝴蝶的颜色、形状、种类特征，并与蝴蝶进行手势互动。

归纳现有的各类移动增强现实教育游戏，从具体功能实现的角度，一个基本的移动增强现实教育游戏的功能可以归纳为六类：用户登录模块、视频播放模块、地图定位模块、通信交互模块、增强现实模块和回答问题模块。

用户登录模块：用于进行用户信息的管理，包括用户名、密码、身份的分类与权限、历史信息记录与管理等等。

视频播放模块：一般这类游戏总要叠加一些视频信息，或用于游戏步骤和相关规则的说明，或作为游戏过程中的学习资源。

地图定位模块：用于设定参与者的位置以及相应游戏资源、标记的位置。除了进行基本的定位以外，往往需要提供一些额外的功能，例如辅助参与者查看周边的事物，确定行动的路线、进行活动的标记等等。

增强现实模块：通常借助图像识别、LBS、指南针等传感器，确定相关标记和实物。或进行标记对应的操作，或调用对应的虚拟信息（例如3D模型、文字、声音等多媒体信息），将虚拟信息叠加在真实世界中相应的注册区域。

通信交互模块：用于参与者之间、参与者与后台程序之间的通信与交流。

回答问题模块：作为教育游戏，或多或少有一些与知识学习相关的内容。回答问题模块用于游戏软件与知识库系统、用户之间的交互，例如在游戏过程中要求使用者按照要求做出选择或者回答问题。

二 案例研究:“快乐寻宝”游戏

移动增强现实游戏开发的流程与一般的游戏软件类似，但是需要在不同阶段充分考虑移动和增强现实的技术特点。由于加入增强现实的元素，需要把虚拟物体叠加到真实的世界中，实现虚拟物体与人之间的交互。开发者可以结合移动增强现实的特征，根据教育目标的要求确定增强现实教育游戏的主题、游戏类型（基于场所的或是视觉、基于实物识别还是图标识别等）以及游戏的基本规则，并在此基础上设计游戏的整体架构和主要功能模块，选取开发的平台、增强现实引擎，合适的开发语言，完成游戏各项的功能模块。本节以一款移动增强现实教育游戏——“快乐寻宝”为例，说明移动增强现实游戏的设计与开发过程。

1 案例简介

“快乐寻宝”是一款基于移动增强现实技术的教育游戏，多个手持终端的参与者通过寻找任务、回答问题，交流与协作，共同完成室外“寻找宝藏”的活动。

该游戏事先由老师（游戏管理者）设置好相关的关卡内容，三个参与者根据游戏任务的分工共同闯关，完成游戏。由于游戏的闯关是根据回答问题来进行的，每个角色只能解答一种类型的问题，所以三个角色分别对应三种类型的问题。本次游戏是按照学科划分的问题类型，选择的内容是生物、历史和地理，对应的角色分别是生物学家、历史学家和地理学家，他们共同根据自己的知识，判断与“宝藏”有关的信息。当然，在后续的游戏中，可以根据任务的不同，改变题目和角色类型。

参与者通过登录游戏界面，获得游戏参与资格之后，开始游戏。参与者首先观看以视频方式呈现的游戏规则，然后在游戏指定的地图上寻找游戏中的任务。找到目标之后，通过增强现实模块扫描设定的任务标记，扫描时任务以增强现实的方式呈现出来，通过回答问题，确定找到自己所完成的任务。对应的题目呈现在移动设备界面上，在规则内完成答题，会显示游戏的提示信息。三个参与者在汇总各自获得的提示信息后，通过关卡，共同完成游戏中“宝藏”的获取。游戏有一定的时间限制，如果超过了时间点，则游戏失败，“宝藏”被隐藏，如果在游戏规定时间之前完成，则按照时间的长短给出不同的“宝藏”。

本系统是一个可扩展的游戏，要求学生回答的学科知识、关卡的长度、“宝藏”的形式、内容与地点、任务设置的地点都可以由老师自主设定，根据不同的年龄、学段和活动类型，可以设置不同的内容。在本案例实施过程中，则选取了初中相关学科的一些内容。

2 整体设计

从使用者的角度，游戏的主要思路如图1所示：

此游戏的活动需要在有网络信号的户外环境开展。参与者首先要了解游戏的背景和规则，除了游戏开始时教师的提示，系统还会通过一段影音介绍游戏的背景和规则。在活动的过程中，参与者可多次播放。

进入游戏的主要环节后，需要寻找游戏设定的问题所在的位置。该游戏的地图是基于百度地图的API设计的，地图中标出了要找寻的目标所在地，参与者可以按照地图中的提示，找到目标的位置，还可以根据自己的经纬度来定位当前自己的位置，方便游戏参与者更快更准地找到目标。

参与者找到设定的标记之后，可以用移动终端对标记进行扫描，显示出要回答问题的类别。获得扫描的信息后，参与者根据提示判别是不是自己领域的问题（每个参与者限定只能回答自己领域中的问题）。如果是，则进入回答问题的环节，如果不是，需要利用通信平台和其他参与者交流，重新找到自己的问题的目标位置。每一组的参与者需要在平台上相互交流，以便及时了解队友的有关信息，共同协作完成任务。

回答问题的环节是按照选择题的形式进行，回答正确则会有部分的“宝藏”位置的提示信息，直至三个参与者都回答正确，根据每个人得到的信息，进行整合，最终得到一条完整的位置信息，然后协作寻求“宝藏”。依此类推，可以设定多重关卡。最终如果参与者到达藏宝地点寻得“宝藏”，然后带着“宝藏”依照地图指示回到起点，根据完成任务的时间长短可以获取相应的奖励，游戏结束。

3 功能实现

游戏选择在Android平台上运行，通过Eclipse平台开发，增强现实工具使用Metaio[9]提供的相关技术整合，最终完成游戏的开发。Metaio SDK是可直接用于开发的一套类库，因而可以自由地开发出在移动平台上运行的增强现实应用。

该游戏需要实现的一些核心功能，按上述的归纳，分为6个部分。

（1）用户登录。本游戏需要多人共同协作完成的，每个人参与角色不同，通过分配的用户名和密码进入游戏（如图2所示）。Android使用开源的、与操作系统无关的SQL数据库，即SQLite，它是一款轻量级数据库，占用的资源非常低。

图1 游戏主要设计思路

图2 系统的登入

图 3地图呈现

（2）视频呈现。本游戏中视频呈现模块的应用比较简单，用于游戏介绍和规则说明。由于Android平台由Google自己封装，目前仅支持MP4，3GP和WMV视频的解析，插入要播放的视频之前要提前转换成可以供平台解析的格式。

（3）地图与定位。“快乐寻宝”中的地图和定位调用的是百度地图的API。由于地图的服务接口把平台和所处的地理位置涉及的数据有机地结合在一起，而底层相对复杂的地理信息系统被封装在一起，所以应用起来相对方便。用户通过申请之后，将应用程序接口连接到自己开发的相关程序中。

在本次游戏中，需要用到简单的图层覆盖，显示问题的所在。所加的覆盖物是指所有叠加到地图上的内容，比如标注、图片、折线、箭头、多边形等矢量图形、定位的坐标以及备注等等，这些均可以称之为地图的覆盖物。这些覆盖物有自己的地理坐标，有对应自己的经纬度。所以，当放大或者缩小地图时，或者拖动地图时，它们会根据自己的地理位置相应地移动。游戏选择三个覆盖物添加到地图上，首先选择放置此覆盖物的经纬度，以便定位其相应的位置，并且给覆盖物添加相应的触发按钮，并给覆盖物一定的解释。如图3a）所示，事先设定的覆盖物会显示在当前的地图层面上，不断地放大地图，能更精确的定位覆盖物的位置，结果如图 3b），点击按钮,放大地图可以找到预先设定的问题所在地，每一个覆盖物定位到相对具体的位置上，点击其中一个覆盖物，则会有相应的提示信息出现，然后触发解释文字，如图3c）所示。

（4）通信与交互。游戏过程中的通信交流基于IP Messenger，它适用于局域网内、广域网之间的实时通信和文档共享，最大的优点是交流通信速度非常快，可以随时传送文件和文件夹等。系统设定几个用户的用户名，同时在线的时候相互可以看见。实现这一通信关键的步骤是建立网络用户列表，通信软件使用UDP协议广播，广播包内容包含用户名、工作组名、主机名和IP等相关信息。已经启用此模块的通信用户收到广播包之后，会在自己的用户列表中添加这个用户的信息，然后向对方的IP发送自己的个人信息，双方建立连接。

（5）增强现实模块。Metaio软件的增强现实功能有好多种：基于标记的增强现实，通过扫描定制的标记识别信息，呈现与注册区域对应的3D模型；基于图片图像的增强现实，通过扫描图像作为标记来呈现3D模型；无需标记，基于纹理、光线等自然特征，但相对难操作，不好捕捉特征。

本游戏主要用基于图片图像的标记来完成问题的识别。选择对应的标记图片，然后在此图片上叠加一些3D的模型，所选用的标记图片对应的3D模型如图4所示。不同的标记会有不同的3D模型出现，根据3D模型的类型和提示信息，可以回答对应的问题。如果不是自己领域的问题，则可以通过通信模块告知其他参与者，提高找到目标问题的效率。

除此之外，与LBS相配合，可以利用基于位置的增强现实技术，帮助寻找问题的位置，判断自身位置与问题所在位置的距离，方便参与者寻找路径。

图4 基于图像的增强现实

（6）回答问题模块。回答问题以选择题的形式呈现，问题同样使用SQLite来存储，每一类问题有很多道，扫描出相关的问题提示信息之后，进入答题模块。在本游戏中，每个问题是在数据库中随机挑选的。本次游戏设定每个人只能回答10次，在回答的问题中，如果通过6道题，则算是合格，进入提示信息界面，获得相应的提示信息。如果回答问题的个数没有超过6个，则没有获得提示信息，在后面的游戏过程中，就少了一份提示信息，增加了游戏的难度。

每个模块功能实现之后，整合各个模块的功能，把它们连接成一个完整的游戏情景。本系统按照调用的方式实现整合，每个模块提供调用的接口。游戏的参与者通过在移动终端上安装好游戏apk，即可进入游戏。

三 结语

移动增强现实教育游戏能够创造复杂、模拟真实的环境，受到外界的干扰相对较少，加上移动设备的便捷，为户外开展各式学习活动提供了可能。对于学生而言，这类游戏具有较强的新颖性，通过提供身临其境的体验，很容易激发学生的学习热情。

本游戏结合基于位置和基于图像识别的两种增强现实技术，利用Metaio实现了一个可扩展的移动增强现实教育游戏。该游戏具有用户登录、视频播放、地图定位、通信交互、增强现实和回答问题等模块。教师可以根据学习目标，自主设定游戏情节、游戏区域、关卡层数，通过游戏规则设计答题要求。通过初步的应用，可以发现该游戏虚实结合，实时交互，使学习者感受到一定的临场感和沉浸感，能够顺利完成设定的学习任务。当然，该游戏存在着诸多不足：3D建模不够逼真，游戏反应速度不快，答题模块的内容还很薄弱，互动性没有得到充分体现等等，需要在后期制作中进一步的改进。作为一种新兴的研究领域，移动增强现实教育游戏可以给教学提供新的方式，有很好的应用前景。

[1] Johnson L, Adams Becker S, Estrada V, et al.NMC horizon report: 2014 higher education edition[R]. Austin, Texas: The New Media Consortium,2014.

[2] Feiner S, MacIntyre B, Hollerer T, et al.A touring machine: Prototyping 3D mobile augmented reality systems for exploring the urban environment[A] Proc. ISWC ’97 (First Int. Symp. onWearable Computers)[C], Cambridge, MA, 1997:74-81.

[3] Thomas B, CloseE B, Donoghue J, et al. AR Quake:An outdoor/indoor augmented reality first person application[A].Proceedings of 4th International Symposium on Wearable Computers[C]. Australia : Cieee Computer Society ,2000: 139-146

[4] Cheok A D.Human Pacman: A Mobile Entertainment System with Ubiquitous Computing and Tangible Interaction over a Wide Outdoor Area[A]. Proc. Mobile HCI 2004 – 6th International Symposium[C], UK :Glasgow, 2004: 209-223.

[5]陈向东,蒋中望. 增强现实教育游戏的应用[J].远程教育杂志.2012,(5):68-73.

[6]Schrier K L.Revolutionizing history education:using augmented reality games to teach histories[D]. Massachusetts Institute of Technology,Cambridge, MA, 2005.

[7]Google发布在线现实增强移动游戏Ingress[OL].

[8] Google play. 蝶千寻Butterfly [OL].

[9] Metaio官网[OL].