劉溢溥， 李 蒙

（公安部第一研究所， 北京 100048）

0 引言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）技術(shù)可以將虛擬的影像疊加到現(xiàn)實(shí)場景中，并能支持用戶與其進(jìn)行交互。隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)研究理論和工程技術(shù)的不斷發(fā)展， 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)療、軍事、工業(yè)維修、娛樂、展覽和教育等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 特別是在工業(yè)領(lǐng)域，眾多制造企業(yè)已經(jīng)使用或嘗試將AR 技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)、銷售和服務(wù)等[1]。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢可以很好體現(xiàn)在安檢設(shè)備的展示上。 現(xiàn)有的產(chǎn)品數(shù)據(jù)囿于2D 的頁面和顯示屏上，現(xiàn)實(shí)世界卻是3D 狀態(tài)的。 AR 技術(shù)針對這一脫節(jié)提供了一種新的解決方案[2]。 無需將產(chǎn)品制造出來，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將數(shù)字設(shè)計(jì)表達(dá)為物理現(xiàn)實(shí)， 讓用戶能夠以3D 的形式體驗(yàn)產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的平面媒體展示相比較，通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和設(shè)備，客戶可以體驗(yàn)到三維模型的立體感。 此外，用戶可以在未來安檢設(shè)備的擺放場地實(shí)際感受設(shè)備和環(huán)境的融合效果。 這種新的體驗(yàn)方法將會(huì)給企業(yè)在產(chǎn)品推介過程中帶來更強(qiáng)的競爭優(yōu)勢[3]。

對于企業(yè)來說， 希望能夠選擇一條快速高效和展示效果好的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)路線來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的展示。 這一過程主要是完成對硬件和軟件的綜合選擇。 本文將以實(shí)現(xiàn)基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的安檢設(shè)備展示為目標(biāo)， 介紹實(shí)現(xiàn)其完成的研發(fā)過程和最終展示效果。

1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟硬件平臺的選擇

1.1 軟件平臺的選擇

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)涉及到的軟件平臺包含三維建模軟件和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平臺。 三維建模軟件可選擇項(xiàng)包括Creo、Solid-Works 和UG。在產(chǎn)品建模方面三款軟件差異不大，現(xiàn)有產(chǎn)品均為Creo 建模， 所以以下產(chǎn)品展示所用的模型均為Creo 中建立。 軟件平臺的選擇主要討論實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的開發(fā)環(huán)境。

為了完成增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用， 需要提供一個(gè)開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境。 現(xiàn)有環(huán)境或開發(fā)工具有很多。

目前 較 為 流 行 的 包 括ARToolKit、Vuforia、Metaio 等，國內(nèi)的開發(fā)工具包括EasyAR， 百度DuMixAR 和幻視AR等[4]。 以產(chǎn)品展示為目標(biāo)的企業(yè)對開發(fā)環(huán)境的要求包括：①對現(xiàn)有三維模型兼容；②應(yīng)用廣泛，開發(fā)難度小；③產(chǎn)品展示的效果好。

基于以上三項(xiàng)選擇標(biāo)準(zhǔn)，確定了Vuforia 為開發(fā)軟件平臺。Vuforia 是世界上使用最廣泛的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件平臺，擁有超過25 萬注冊開發(fā)者，已發(fā)布超過2 萬5 千個(gè)Vuforia 應(yīng)用。Vuforia 被PTC 公司收購后被納入到了PTC 平臺體系，與Creo 軟件兼容性好。 特別是PTC 公司提供了Vuforia Studio 專門用于設(shè)計(jì)和發(fā)布AR 內(nèi)容。 采用可視化操作界面，可以直接在交互界面進(jìn)行操作，降低了編程開發(fā)的難度。同時(shí)，Creo 模型中曲面細(xì)節(jié)和配色方案可以得到很好的體現(xiàn)。

1.2 硬件平臺的選擇

AR 顯示的硬件平臺是主要指顯示設(shè)備。用戶將通過顯示設(shè)備觀看和體驗(yàn)安檢設(shè)備。 對于使用的顯示設(shè)備的要求包括：

（1） 顯示效果好，立體感強(qiáng)。

（2） 體積重量小，易于攜帶。

（3） 價(jià)格合理，能提供設(shè)備技術(shù)支持。

AR 顯示設(shè)備按照形成圖像的位置可以分為頭戴式、手持式和空間式三種[5]。 頭戴式顯示設(shè)備，也稱作近眼顯示設(shè)備。通常固定在人體的頭部，通過特殊的光學(xué)組件使虛擬影像和現(xiàn)實(shí)影像疊加后顯示在顯示器上， 來實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的效果。手持式現(xiàn)實(shí)設(shè)備借用手持式移動(dòng)終端（如手機(jī)和平板電腦）的顯示屏作為AR 圖像的顯示設(shè)備。 手持式顯示設(shè)備在使用過程中需要占用使用者的一只手，給使用者的操作與控制帶來不便。 空間式現(xiàn)實(shí)設(shè)備通過大型顯示屏和攝像機(jī)使用戶可以直接參與到三維空間中的AR 交互中。 空間現(xiàn)實(shí)設(shè)備由于體積龐大，只能應(yīng)用于固定顯示領(lǐng)域。

對比三種硬件平臺，從顯示效果上來看，頭戴式和空間式立體感最強(qiáng)；從便攜性上來看，頭戴式和手持式重量輕，易于攜帶；從價(jià)格上來看，手持式價(jià)格最低，頭戴式居中。 基于以上三點(diǎn)，頭戴式顯示設(shè)備是最合適的。 考慮到AR 設(shè)備需要帶到客戶處予以現(xiàn)場展示，頭戴式兼有立體顯示效果好和便攜性的優(yōu)點(diǎn)。

目前市場上的頭戴式設(shè)備有數(shù)十種， 能夠?qū)崿F(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的設(shè)備主要有Hololens2、Meta2 和愛普生Moverio BT-300 等。目前技術(shù)最為成熟的是微軟開發(fā)的HoloLens2，它為該系列的第二代產(chǎn)品， 由微軟公司開發(fā)和提供相應(yīng)技術(shù)服務(wù)。

HoloLens2 眼鏡具有無線纜、低延時(shí)和可多種交互方式等優(yōu)點(diǎn)[6]。HoloLens2 的是視場角為一代的二倍，單眼達(dá)到了2K 的分辨率， 顯示區(qū)域的比例也從16：9 調(diào)整到了4：3，縱向的視野大幅提升[7]。這些特點(diǎn)都大幅提升了產(chǎn)品展示的效果。圖1 為HoloLens2 的產(chǎn)品佩戴效果圖[8]。頭戴的方式和在顯示效果上的優(yōu)勢使HoloLens2 成為了被選擇的硬件實(shí)現(xiàn)平臺。

圖1 HoloLens2 的產(chǎn)品佩戴效果圖

2 產(chǎn)品展示增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的開發(fā)過程

2.1 開發(fā)過程的基本流程

產(chǎn)品展示的開發(fā)流程主要包括模型處理、動(dòng)畫制作，AR 項(xiàng)目設(shè)計(jì)與發(fā)布，使用HoloLens2 眼鏡進(jìn)行效果檢驗(yàn)等。 具體開發(fā)流程如圖2 所示。

圖2 開發(fā)過程的基本流程圖

2.2 三維模型的處理

安檢設(shè)備的三維模型是整個(gè)開發(fā)過程的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在Creo 軟件中完成產(chǎn)品的三維建模和配色。 圖3 為完成配色后的安檢設(shè)備三維模型。

圖3 配色完成后的安檢設(shè)備三維模型

安檢設(shè)備的模型零部件數(shù)量多， 外形復(fù)雜且整體的曲面數(shù)量多。為了增強(qiáng)顯示的真實(shí)性，模型采用了接近實(shí)物顏色的配色方案。原始模型數(shù)據(jù)量太大，需要將模型保存成PVZ 格式，PVZ 格式是一種輕量化的模型存儲(chǔ)方式，主要用于表達(dá)模型的外形。 改變格式后模型整體的數(shù)據(jù)量從227MB 降到74MB。

2.3 動(dòng)畫過程制作

為了能夠從多個(gè)角度展示安檢設(shè)備， 特別是在展示的過程中需要拆解部分組件， 產(chǎn)品的展示過程需要制作成一組動(dòng)畫的形式。 將上文中保存的PVZ 格式文件導(dǎo)入到Illustrate 軟件中， 根據(jù)產(chǎn)品展示需求完成動(dòng)畫過程的制作。 制作好的動(dòng)畫模型同樣保存為PVZ 格式，供之后的AR 項(xiàng)目使用。

圖4 產(chǎn)品展示的動(dòng)畫制作

2.4 在Vuforia Studio 中建立AR 項(xiàng)目

設(shè)計(jì)者在Vuforia Studio 中完成AR 內(nèi)容的設(shè)計(jì)和發(fā)布。 Vuforia Studio 界面主要可以分為顯示界面和功能界面。顯示界面中可以放置模型和各種功能組件，類似于一個(gè)三維擺放環(huán)境。 功能界面主要包含項(xiàng)目信息和各個(gè)功能組件?？梢栽诠δ芙缑娌榭错?xiàng)目信息，也可以通過直接拖拽的方式添加按鈕和儀表等。 將做好的動(dòng)畫模型導(dǎo)入AR 項(xiàng)目中，開始進(jìn)行設(shè)計(jì)。在項(xiàng)目中，需要設(shè)定設(shè)備的放置參考點(diǎn)， 這個(gè)參考點(diǎn)將作為將來眼鏡中模型的擺放位置。在項(xiàng)目中添加一個(gè)控制按鈕，這個(gè)按鈕可以作為展示視頻動(dòng)畫的開關(guān)。 在項(xiàng)目設(shè)置完成后， 可以通過Vuforia Studio 提供的預(yù)覽功能模擬測試動(dòng)畫和控制按鈕的功能。

2.5 AR 項(xiàng)目的發(fā)布和下載

在 Vuforia Studio中完成的AR 項(xiàng)目需要上傳到PTC 公司提供的服務(wù)器中。在HoloLens2眼鏡中下載Vuforia View 程序。 HoloLens2 連接網(wǎng)絡(luò)后，通過訪問PTC 服務(wù)器將AR 項(xiàng)目下載到本地。觀察者就可以通過佩戴HoloLens2體驗(yàn)安檢設(shè)備的展示過程。

圖5 AR 項(xiàng)目中模型的設(shè)置

3 展示效果

HoloLens2 眼鏡提供了佩戴者視角下的視野共享功能，該功能可以通過其他顯示設(shè)備將HoloLens2 眼鏡佩戴者視野中的影像同步顯示出來。圖6 為HoloLens2 眼鏡佩戴者視野中安檢設(shè)備的展示效果。 從影像中可以看出，設(shè)備的顯示效果十分接近真實(shí)設(shè)備，觀察者也可以通過走動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)從不同角度觀察設(shè)備，并通過走近模型來觀察設(shè)備的細(xì)節(jié)。 這種方式與觀看真實(shí)設(shè)備的體驗(yàn)十分類似。

圖6 HoloLens2 眼鏡中不同視角的觀看效果

4 總結(jié)

安檢設(shè)備的制造商希望能夠以快速高效和更佳的視覺效果來向客戶展示新產(chǎn)品。 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一項(xiàng)很好的選擇。在PTC 公司系列軟件平臺下，設(shè)計(jì)人員可以快速實(shí)現(xiàn)基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的展示過程。整個(gè)開發(fā)過程耗時(shí)短，難度低。 通過HoloLens2 眼鏡，佩戴者可以體驗(yàn)到很好的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)展示效果。