陳陽+王濤+劉琳琳

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及在工業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality，又稱AR）是指將計(jì)算機(jī)虛擬出的場(chǎng)景或圖像通過相關(guān)技術(shù)疊加到真實(shí)存在的世界上并進(jìn)行互動(dòng)的技術(shù)。AR技術(shù)目前在全球仍是一片開發(fā)不夠全面的領(lǐng)域，它是隨著VR技術(shù)的興起并對(duì)VR技術(shù)進(jìn)行技術(shù)補(bǔ)充加強(qiáng)的一門新興技術(shù)。具有虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互、三維注冊(cè)的特點(diǎn)，AR技術(shù)包含了多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)視頻顯示和控制多傳感器融合，實(shí)時(shí)跟蹤及注冊(cè)，場(chǎng)景融合等新技術(shù)，因此，相對(duì)來說對(duì)相關(guān)人員的技術(shù)要求和知識(shí)掌握全面化都有較高的要求。

在AR技術(shù)發(fā)展的支持下，AR技術(shù)融入工業(yè)領(lǐng)域可以方便的仿真和評(píng)審設(shè)計(jì)效果，無論是簡(jiǎn)單的頭盔式現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)還是復(fù)雜的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)都可以提供一個(gè)沉浸、交互、完全立體的計(jì)算機(jī)仿真工作環(huán)境，從而使受眾有身臨其境的感覺。通過AR技術(shù)，在制造出物理模型之前，可以隨時(shí)評(píng)審、感知和修改未來的產(chǎn)品，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用，大大的彌補(bǔ)了虛擬現(xiàn)實(shí)的不足，AR技術(shù)通過計(jì)算機(jī)生成圖像實(shí)時(shí)疊加到物理環(huán)境上，產(chǎn)生一種虛擬的真實(shí)效果，虛擬現(xiàn)實(shí)讓用戶完全沉浸于計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中，增強(qiáng)了虛擬圖像與真實(shí)環(huán)境的無縫融合，從而在設(shè)計(jì)定型前可以仿真、分析、評(píng)審產(chǎn)品模型。相比較于現(xiàn)有的工業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)，由增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶來的改善主要在3個(gè)方面。首先，在早期的創(chuàng)意階段，應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)交互的、立體可視的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型。其次，虛擬數(shù)字樣機(jī)讓用戶可以交互、協(xié)同的評(píng)審、分析和測(cè)試產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型。最后，在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境下可以進(jìn)行物理樣機(jī)和數(shù)據(jù)模型的虛擬裝配。

當(dāng)現(xiàn)有的CAX軟件并不能充分地表達(dá)創(chuàng)意，尤其在設(shè)計(jì)復(fù)雜產(chǎn)品時(shí)，受限制的主要原因在于圖形化用戶界面（Graphical User Interfces.CUIs）和間接的輸入工具，如鼠標(biāo)和鍵盤，虛擬空間設(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)合了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和可觸摸的用戶界面（Tangble User Interfaces.TUIs），可以幫助用戶直觀、交互的創(chuàng)建和修改產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，虛擬空間設(shè)計(jì)的研究開始于20世紀(jì)90年代早期，大約在10年前，開發(fā)出了一些用于科研目的的虛擬建模工具，如概念虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)，交互工作臺(tái)系統(tǒng)，三維浸入式虛擬雕刻系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)運(yùn)用了多模式的輸入工具和動(dòng)作識(shí)別工具實(shí)現(xiàn)在浸入的虛擬顯示環(huán)境下建模。

隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，逐步又開發(fā)出來一些基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的虛擬建模系統(tǒng)，F(xiàn)iorenho等人開發(fā)了空間設(shè)計(jì)系統(tǒng)Spacedesign，可以實(shí)現(xiàn)在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的自由曲線設(shè)計(jì)，并開發(fā)出來一套系統(tǒng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的創(chuàng)建和修改。在現(xiàn)有的工業(yè)設(shè)計(jì)過程中通常在不同的階段都要使用材料、性能等要求不同物理模型，如油泥模型、不同材料的快速模型，與真實(shí)產(chǎn)品材料廂房的快速材料等，為了減小材料原型在時(shí)間和空間上的不足，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)大大地應(yīng)用其中。

目前在國(guó)內(nèi)，只有少數(shù)的高校和科研機(jī)構(gòu)在進(jìn)行增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究，包括像電子科技大學(xué)移動(dòng)計(jì)算研究中心、北京理工大學(xué)光電信息技術(shù)與顏色工程研究所、浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等。

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在富媒體產(chǎn)品說明書開發(fā)

將AR技術(shù)與視頻、動(dòng)畫等技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品說明書中，在原有的說明書內(nèi)容的基礎(chǔ)上為其添加了多種媒體資源，包含圖片、音、視頻、交互體驗(yàn)等內(nèi)容，具有較強(qiáng)的代入感和用戶體驗(yàn)，將一本傳統(tǒng)說明書附以多樣的表現(xiàn)形式，使讀者享受到別樣的互動(dòng)式閱讀體驗(yàn)，較傳統(tǒng)說明書更具有發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

本文探索將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在包裝印刷設(shè)備產(chǎn)品說明書當(dāng)中，通過專業(yè)的游戲開發(fā)引擎Unity和Vuforia SDK進(jìn)行Android端的App開發(fā)，用Indesign軟件對(duì)說明書紙質(zhì)部分的設(shè)計(jì)，然后將兩者整合測(cè)試，最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求，使原本普通的說明書呈現(xiàn)出更加豐富的展示效果，讓讀者通過3D模型、富媒體資源和交互體驗(yàn)更加全面的了解產(chǎn)品信息，而不只是局限于文字和圖片信息。

1.開發(fā)工具介紹

Unity游戲開發(fā)引擎

本次設(shè)計(jì)使用到了Unity軟件。Unity是由丹麥Unity公司開發(fā)的一款專業(yè)的游戲開發(fā)引擎，其中包括整合的編輯器、跨平臺(tái)發(fā)布、地形編輯、音頻、GUI、著色器、腳本等一些特性。對(duì)于一個(gè)完整的Unity 3D程式，需要有若干個(gè)場(chǎng)景組合而成，其中包括眾多的模型，而模型的行為則是由腳本控制。Unity支持的腳本包括有JavaScript、C#和Boo。本項(xiàng)目通過攝像頭來觀看場(chǎng)景中的內(nèi)容。

Vuforia SDK

目前可供使用的AR開發(fā)工具比較多，如Vuforia、Wikitude、EasyAR等。此次設(shè)計(jì)所使用的是Qualcomm公司針對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用所推出的Vuforia軟件開發(fā)工具包。其原理是利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)實(shí)時(shí)識(shí)別和捕捉二維平面圖像或是三維物體，借由相機(jī)取景器放置虛擬模型，同時(shí)調(diào)整物體在鏡頭前的位置坐標(biāo)。該平臺(tái)提供本地識(shí)別和云識(shí)別兩種識(shí)別方式，本項(xiàng)目所使用的是云識(shí)別。在使用時(shí)，需要先將識(shí)別圖上傳到Vufotia官方網(wǎng)站中，經(jīng)過云處理之后下載到本地電腦，再導(dǎo)入到Unity中進(jìn)行使用。

安卓開發(fā)環(huán)境

Unity是一款可以進(jìn)行多平臺(tái)發(fā)布的開發(fā)軟件，包括PC、MAC、IOS、安卓等?，F(xiàn)如今智能機(jī)得以廣泛的普及，移動(dòng)設(shè)備已經(jīng)是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊徊糠?，雖然國(guó)內(nèi)ios用戶近年來不斷上升，考慮到ios開發(fā)環(huán)境相比安卓較為復(fù)雜，因此，選擇了安卓系統(tǒng)的SDK。在設(shè)計(jì)開始之前，需要進(jìn)行安卓開發(fā)環(huán)境部署，具體步驟如下：

①搜索與自己電腦系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的JDK版本，下載并進(jìn)行安裝。

②為之前安裝的JDK設(shè)置變量環(huán)境。

③下載安裝Eclipse和Android SDK。

④將兩者用ADT插件進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

這樣，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Android開發(fā)環(huán)境就算部署完畢，可以在Unity中使用Android系統(tǒng)發(fā)布功能，也就是可以生成一個(gè)能夠在使用安卓系統(tǒng)的移動(dòng)設(shè)備上運(yùn)行的APK文件。

2.三維模型的設(shè)計(jì)

機(jī)械模型相比于人物、角色、動(dòng)物、建筑等模型具有更高的精度要求，在制作的時(shí)候力求能夠還原較為真實(shí)的機(jī)械尺寸，因?yàn)檎鎸?shí)的模切機(jī)的各部分零件需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的尺寸大小來設(shè)計(jì)，用Solidworks制作的模切機(jī)的模切部分模型，導(dǎo)入到3DMAX中。由于導(dǎo)入的模型只是一個(gè)白板模型，因此還需要使用該軟件進(jìn)行模型渲染。

3DMAX是一款專業(yè)的模型動(dòng)畫制作軟件，由Autodesk公司專門為設(shè)計(jì)者開發(fā)的3D Studio升級(jí)版本。該軟件提高了使用工具的高效性，同時(shí)加速了性能優(yōu)化和工作流程，為廣大的用戶提供便利，因此可以算是全世界較為廣泛使用的3D建模。

一個(gè)普通的模型，對(duì)于用戶來說，動(dòng)手體驗(yàn)比單純的觀看欣賞更具有吸引力。模型增加了一些常用的操作功能，使它能夠旋轉(zhuǎn)、放大、縮小、模型脫卡等。在Unity中，對(duì)模型的控制操作指令都是靠腳本實(shí)現(xiàn)的，支持的腳本包括有JavaScript、C#和Boo。這3種語言都是在基于Mono的.Net平臺(tái)上運(yùn)行的，使用.Net類庫為XML、數(shù)據(jù)庫、正則表達(dá)式等問題提供了很好的解決方案。

Unity當(dāng)中的模型縮放是通過縮放系數(shù)實(shí)現(xiàn)的，在腳本中，只需要?jiǎng)討B(tài)修改縮放比例，就能達(dá)到所要的縮放效果?？梢哉f放大、縮小是一個(gè)模型必不可少的基本操作功能。在這里，以一個(gè)模切機(jī)模切部分的機(jī)械模型為例，包含較多的零件，因此需要對(duì)其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)觀察。需要用到的是雙指點(diǎn)控識(shí)別這一觸控方式。當(dāng)載入的模型脫卡顯示后，若想對(duì)其進(jìn)行縮放，以便清晰地觀察內(nèi)部或細(xì)小零件時(shí)，通過雙指（即兩點(diǎn)）在屏幕上張開、收縮來實(shí)現(xiàn)這一功能。模型的脫卡顯示指的是當(dāng)攝像頭離開識(shí)別圖時(shí)，模型仍然可以出現(xiàn)在屏幕中間的方式。對(duì)于一個(gè)具有交互功能的App，在我們對(duì)其中的對(duì)象進(jìn)行控制操作時(shí)，最好能夠使模型對(duì)象保持在一個(gè)固定的位置，這樣模型的縮放和旋轉(zhuǎn)都可以在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的位置進(jìn)行，不會(huì)隨著識(shí)別圖位置的變化跑到屏幕的邊緣甚至消失，使操作更加舒適。

3.UGUI界面設(shè)計(jì)

UGUI是Unity公司開發(fā)的新一代可視化游戲開發(fā)工具，相比于傳統(tǒng)的UI系統(tǒng)具有更加靈活、高速、便捷的開發(fā)優(yōu)勢(shì)。使基于Unity的UI界面開發(fā)趨于統(tǒng)一與標(biāo)準(zhǔn)化。UGUI在吸收第三方插件的優(yōu)秀編程思想上，整合Unity引擎內(nèi)部強(qiáng)大的技術(shù)體系，使UGUI成為了非常優(yōu)秀的UI開發(fā)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)。

①與Unity引擎無縫緊密結(jié)合；

②更加強(qiáng)大與易用的屏幕自適應(yīng)能力；

③更加簡(jiǎn)單的深度處理機(jī)制；

④完全自動(dòng)化的圖集打包功能；

⑤全新強(qiáng)大的布局系統(tǒng)，簡(jiǎn)單易用的UI控件，強(qiáng)大與易用的事件處理系統(tǒng)。

在整合了GUI系統(tǒng)的部分功能后，UGUI的系統(tǒng)菜單中總共包含11個(gè)控件，可以簡(jiǎn)單分為：EventSystem、Canvas畫布、Panel、Text、Button、Image等7個(gè)部分，當(dāng)然也可以將其自由組合成功能強(qiáng)大的復(fù)合控件使用。本次設(shè)計(jì)中使用到的控件包括Canvas畫布、EventSystem、Text、Button、Image和Slider高級(jí)控件。用戶界面是一款軟件的門面，界面設(shè)計(jì)的好壞直接決定了這款產(chǎn)品的品味、檔次。好的UI設(shè)計(jì)在帶給用戶極致視覺體驗(yàn)的同時(shí)，也能讓軟件的操作變得便捷、舒適。在功能實(shí)現(xiàn)上，這里采用了大量的Button控件。在模型的四周新建了4個(gè)子物體Cube，將其材質(zhì)設(shè)置為金屬，同時(shí)添加大紅底色、金屬邊緣的貼圖。字體依舊選擇白色，使文字看起來稍顯醒目。再進(jìn)行模型的脫卡顯示，來完成整個(gè)模型的設(shè)計(jì)。除了之前的一些交互功能外，還增加了設(shè)計(jì)。對(duì)模型部件的內(nèi)容展示，通過貼圖對(duì)模切部分的相關(guān)構(gòu)成加以說明。

由于是立體顯示，在制作貼圖時(shí)每個(gè)部件需要制作正反兩面，這樣當(dāng)模型旋轉(zhuǎn)時(shí)兩面都可以看到相同的文字內(nèi)容。至于顯示剖面的原理則是借由腳本控制攝像機(jī)的鏡頭，以縱切面進(jìn)行顯示。在模型的脫卡顯示界面，為了便于操作，將原本可以控制的3條軸設(shè)置為兩條，即只沿X、Y軸方向旋轉(zhuǎn)；并把控制旋轉(zhuǎn)角度的Slider控件改為4個(gè)Button按鈕，分別為上、下、左、右，為其制作貼圖讓它看起來類似普通手游的按鍵。最后加入進(jìn)行背景音樂和所需視頻文件的添加，增加應(yīng)用的交互性和趣味性。

4.頁面內(nèi)容設(shè)計(jì)

說明書側(cè)重于AR交互設(shè)計(jì)的應(yīng)用，紙張的大小為A4紙，設(shè)計(jì)正反兩面內(nèi)容。因?yàn)樵陧撁嬷胁迦肓瞬簧倌Ｇ袡C(jī)的圖片，因此選用兩張淺色簡(jiǎn)約圖作為底色背景，這樣能夠凸顯主次，不至于影響模切機(jī)產(chǎn)品的顯示效果。背面則是以其中一款產(chǎn)品為例，詳細(xì)的介紹了該產(chǎn)品的性能特點(diǎn)及功能參數(shù)，同時(shí)添加了二維碼，使受眾通過掃描二維碼播放機(jī)器的實(shí)拍視頻，方便查看這類模切機(jī)產(chǎn)品的運(yùn)行過程。故而整個(gè)富媒體內(nèi)容主要都在第二面體現(xiàn)。

5.產(chǎn)品整合與調(diào)試

當(dāng)兩部分內(nèi)容都設(shè)計(jì)制作完成后，需要進(jìn)行整合調(diào)試，也就是將兩部分內(nèi)容合并到一起，本質(zhì)是通過一張識(shí)別圖來完成。將紙質(zhì)說明書中的模切機(jī)圖片上傳到Vuforia官方網(wǎng)站中，Vuforia可以為普通用戶提供1000張以下的識(shí)別圖免費(fèi)制作，之后就可以將制作好的識(shí)別圖下載導(dǎo)入到Unity中，將原來的識(shí)別圖更換掉，同時(shí)在部分源碼中進(jìn)行更改設(shè)定就可以正式使用。這樣，當(dāng)需要從打印好的紙質(zhì)說明書上了解更多相關(guān)的富媒體內(nèi)容時(shí)，就可以在移動(dòng)設(shè)備上打開AR應(yīng)用，將攝像頭對(duì)準(zhǔn)上邊的圖片，一個(gè)制作好的模切部分模型便在屏幕中間顯示出來。

說明書中增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用也可以算作一種富媒體的表現(xiàn)，隨著AR技術(shù)的逐步成熟、制作成本的慢慢降低，不久的將來在傳統(tǒng)紙質(zhì)媒體上會(huì)有更多、更精美的AR應(yīng)用出現(xiàn)，甚至在工業(yè)制造方面也將會(huì)掀起一股AR潮流。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的其他應(yīng)用

以富士通公司為例，為了改善工廠設(shè)備維修維護(hù)工作人員的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，該公司已經(jīng)將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于自身的設(shè)備點(diǎn)檢中。采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)之前，工作人員通常要在點(diǎn)檢單上手動(dòng)記錄溫度、壓力等信息，然后再將信息錄入電腦。如今，工作人員可以在現(xiàn)場(chǎng)用觸摸屏錄入信息，創(chuàng)建電子表格并共享最近的信息。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以快速顯示作業(yè)手冊(cè)數(shù)據(jù)，故障歷史中的庫存水平。利用富士通AR技術(shù)提供的文本輸入功能，現(xiàn)場(chǎng)工作人員可以使用它來快速共享信息。當(dāng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)檢的時(shí)候，無論多小的細(xì)節(jié)，都可以記錄下來。通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，我們可以輕松判斷哪些設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，同時(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)分析，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)防性的設(shè)備維護(hù)。通過采用AR技術(shù)，即使是能力一般、經(jīng)驗(yàn)不足的“菜鳥”，也可以準(zhǔn)確地完成各種各樣的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)作業(yè)，有助于技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的傳承。

據(jù)報(bào)道，波音公司生產(chǎn)線上的工人們已開始大規(guī)模使用具有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的谷歌眼鏡來完成飛機(jī)線束的組裝。眾所周知，客機(jī)機(jī)身內(nèi)部的線束錯(cuò)綜復(fù)雜，以往工人們需要拿著飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)指令手冊(cè)或參照PDF圖才能一步步完成線束的組裝和連接，工作流程冗雜繁瑣，往往容易出錯(cuò)。而開始使用谷歌眼鏡后，谷歌眼鏡可投射出各個(gè)細(xì)節(jié)部分的組裝方式來協(xié)助工作。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，用上谷歌眼鏡后，波音工人組裝線束的錯(cuò)誤率降低了50%，時(shí)間縮短了25%。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展前景

AR市場(chǎng)目前還處在技術(shù)驅(qū)動(dòng)的階段，并且會(huì)經(jīng)歷一段較長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)紅利期。未來1～3年，將有更多廠商進(jìn)入AR市場(chǎng)，隨著底層技術(shù)的成熟，硬件設(shè)備的完善，AR技術(shù)將應(yīng)用到更多場(chǎng)景中，行業(yè)應(yīng)用解決方案也將會(huì)日益豐富，正如計(jì)算機(jī)的發(fā)展路徑。計(jì)算機(jī)發(fā)展路徑是從軍事、工業(yè)、商務(wù)辦公，最后才到消費(fèi)者市場(chǎng)。20世紀(jì)70年代，計(jì)算機(jī)開始從軍事進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，出現(xiàn)了IBM這樣的巨頭，同樣AR技術(shù)也應(yīng)抓住熱潮，在工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行發(fā)展，最后在轉(zhuǎn)向消費(fèi)者市場(chǎng)和智能娛樂市場(chǎng)。從工業(yè)1.0到工業(yè)3.0，人類經(jīng)歷了從機(jī)械化到自動(dòng)化，隨著技術(shù)的進(jìn)步，制造業(yè)的升級(jí)以及AR技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，包括更高層次的互聯(lián)性、更智能的設(shè)備和機(jī)器與設(shè)備之間的通信，我們終將迎來工業(yè)4.0的來臨。而AR技術(shù)的發(fā)展便是一個(gè)良好的契機(jī)，通過對(duì)現(xiàn)實(shí)進(jìn)行畫面疊加增強(qiáng)的方式，AR帶來了一種編輯這個(gè)世界的可能，我們可以用雙眼看到全新的通過增強(qiáng)后的世界。

可以預(yù)計(jì)，在未來10年內(nèi)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)會(huì)離我們?cè)絹碓浇?，并逐步走進(jìn)我們的生活。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)留給我們很大的想象空間和很多應(yīng)用方式、應(yīng)用場(chǎng)景。其發(fā)揮出來的作用也許在現(xiàn)在還表現(xiàn)的不那么明顯，但隨著我們的深入挖掘，也許改變的不再僅僅是輔助優(yōu)化企業(yè)的制造過程，而是顛覆商業(yè)模式、打造智能產(chǎn)品、創(chuàng)造新的產(chǎn)業(yè)生態(tài)等一系列翻天覆地的變化。