馬紅芝

摘要：增強現(xiàn)實技術(shù)是計算機視覺領(lǐng)域研究的熱點，通過虛擬信息與真實環(huán)境的融合，以自然的人機交互方式，增強用戶的體驗。本文闡述了增強現(xiàn)實的應用現(xiàn)狀，分析了其實現(xiàn)條件，闡明了基于Unity3D進行AR開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：Unity3D;增強現(xiàn)實;虛實交互

引言

增強現(xiàn)實，也就是近幾年來興起的AR技術(shù)，簡單來說是指將計算機智能產(chǎn)生的虛擬物體與現(xiàn)實場景進行疊加的技術(shù)。該技術(shù)可以讓用戶通過人機交互的形式沉浸在計算機所搭建的虛擬場景中，享受感官的真實體驗。AR技術(shù)的興起和使用不僅僅向用戶展示了一些接觸不到的真實世界，還將虛擬的信息加入進來，現(xiàn)實與虛擬通過計算機語言的方式進行科學結(jié)合，實現(xiàn)互補和疊加的效果。該項技術(shù)已經(jīng)成為了現(xiàn)代新型科學研究的一項熱點。

信息時代的到來，手機等移動設備大范圍普及的背景下，AR技術(shù)在移動終端上的使用具有巨大的潛在發(fā)展價值，各行各業(yè)的投機巨頭都把目光聚集到這一產(chǎn)業(yè)發(fā)展中。自2009年蘋果公司首次在智能手機的設計中加入AR技術(shù)起，Google公司也相繼推動了AR研發(fā)。

紙質(zhì)和固有的多媒體形式，顯著的缺陷是缺乏互動性。例如，現(xiàn)在紙質(zhì)刊物上通常只能看到商品及報價信息等，而有了AR技術(shù)之后，借助相應的APP則可以使用諸如3D試穿等功能。AR技術(shù)投入使用之后，還可以解決查找信息步驟繁瑣的問題。能夠讓用戶在操作簡單的情況下，直接獲取到眼前物品的具體信息，甚至還能與書中的角色、人物等進行交流互動。

目前，AR技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展前景是較為廣闊的，產(chǎn)業(yè)化進程也在加快，但相關(guān)的移動業(yè)務要更進一步，還需要克服許多技術(shù)上的難題。

本文將從增強現(xiàn)實技術(shù)的應用出發(fā)，分析其框架和具體應用形式，并對該項技術(shù)的應用前景進行展望。

1.AR技術(shù)的應用

根據(jù)筆者前文的說明，增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)可以將虛擬構(gòu)建的場景與現(xiàn)實背景實時結(jié)合起來，具有十分廣闊的應用前景。當前，AR的應用領(lǐng)域已擴展到工業(yè)制造、醫(yī)療、教育、軍事、旅游、影視娛樂等多個領(lǐng)域。

1.1醫(yī)療行業(yè)AR技術(shù)

增強現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)療系統(tǒng)已有較為成熟的應用。醫(yī)生在進行難度較大的手術(shù)的時候，可以將增強現(xiàn)實技術(shù)作為輔助技術(shù)來應用，利用AR技術(shù)生成的圖像可以作為外科醫(yī)生手術(shù)的指引。

在進行診斷等前期工作的時候，利用外部傳感器——電腦CT斷層掃描、核磁共振機器成像等方式，將病人體內(nèi)的肉眼不可見的構(gòu)造通過3D影像進行顯示，從而給醫(yī)生診斷提供科學依據(jù)。

與此同時，AR手術(shù)輔助系統(tǒng)能夠把成像的歷史數(shù)據(jù)與病人實際的情況結(jié)合、比較，并反饋出實時的結(jié)果，相當于在外科手術(shù)進行的時候給醫(yī)生安裝了透視眼鏡，由于有了這些設備，醫(yī)生能夠通過病人實時的情況變化快速置頂合理的治療、手術(shù)方案，減小手術(shù)進行的風險。目前該類醫(yī)療輔助系統(tǒng)在創(chuàng)傷型小型外科手術(shù)中應用最為廣泛。

AR技術(shù)在新冠肺炎的診治中，也發(fā)揮了重要作用。例如，昆明某醫(yī)院在診治新冠肺炎病例時，運用AR/5G互聯(lián)網(wǎng)三維數(shù)字新冠病毒遠程會診系統(tǒng)，兩地專家佩戴AR眼鏡，實時溝通協(xié)作，實現(xiàn)了遠程會診。

1.2軍事方面的AR技術(shù)

隨著科技的發(fā)展，軍隊的技術(shù)應用也在與時俱進。軍隊通常會利用增強現(xiàn)實技術(shù)來作為軍事演習、訓練等活動的輔助，甚至進行實戰(zhàn)場景的模擬。

例如，在新興的武器要投入使用之前，軍隊的士兵會通過AR系統(tǒng)來進行新興武器的模擬使用，了解該武器的使用方式和注意事項?？梢源蟠蠼档驮谖淦髡酵度胧褂弥笫褂貌划斣斐傻膿p失乃至人員傷亡。

1.3商業(yè)方面的AR技術(shù)

信息時代，AR技術(shù)投入商用已經(jīng)不再稀奇，在一些商業(yè)場合中，可以通過使用AR技術(shù)讓客戶獲得更加沉浸式的體驗。例如，企業(yè)在進行商業(yè)廣告宣傳時，傳統(tǒng)形式的廣告宣傳只是零交互的多媒體形式，例如圖片展示等，不能保證用戶在觀看過程中的體驗感。一旦使用增強現(xiàn)實技術(shù)，能夠讓用戶親身體驗到產(chǎn)品的功能性，甚至與實物相差無幾，用戶能夠獲得比肉眼觀看廣告更多的產(chǎn)品信息，從而對產(chǎn)品有更全面的了解，增強宣傳效果。

1.4旅游方面的AR技術(shù)

借助AR技術(shù)的虛擬場景（或物體）與現(xiàn)實環(huán)境融合，可以給游客營造“在場感”。運用AR技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)，游客可以與景區(qū)實時互動，更方便的獲取游覽信息，更人性化的安排游程。目前，AR旅游最常見的是導覽、導航、導游、導購等應用場景。

2.增強現(xiàn)實技術(shù)的實現(xiàn)條件

增強現(xiàn)實的實現(xiàn)，應當滿足硬件及軟件兩方面的要求。就前者而言，需要利用計算機、顯示器、傳感器以及網(wǎng)絡的設置，并需要有相應的感應物體，該物體要求是現(xiàn)實存在的真實物體，以便設備傳感器能夠及時捕捉到物體的實時位置。隨后根據(jù)客戶對AR實現(xiàn)效果的要求，如清晰程度和真實程度，選擇實現(xiàn)該技術(shù)的設備——移動終端或PC端，其中移動終端不僅包括手機，還包括平板電腦、AR眼鏡以及集成式GPS等。我們可以通過多種渠道和方式實現(xiàn)AR技術(shù)，但最為普遍的就是手機作為載體的實現(xiàn)方式。作為現(xiàn)代人最熟悉也最普及的移動設備，手機的普及度和接受度都是最高的。

對于軟件方面的要求，一般需要專業(yè)的3D渲染引擎和增強現(xiàn)實開發(fā)工具包。市面上比較成熟的有Unreal Engine、Cry Engine和Unity3D。其中使用較為廣泛、適合開發(fā)移動端應用程序的是Unity3D平臺。Unity是一項集成多平臺使用的綜合性能的游戲開發(fā)工具，能夠讓游戲玩家輕松構(gòu)建3D視頻游戲，實現(xiàn)建筑可視化以及3D動畫，屬于互動型實用工具。因其功能強大，易于上手，支持跨平臺開發(fā)，Unity受到了廣大開發(fā)者的青睞。Unity公司提供了用戶共享服務，通過社區(qū)的建立，使Unity3D用戶能夠跨區(qū)域交流。此外，Unity還提供免費的開發(fā)方案和教程等，非常適合剛接觸的工作者。綜上所述，筆者認為Unity3D作為開發(fā)工具，是進行AR技術(shù)開發(fā)的首選。

3.基于Unity3D的AR關(guān)鍵技術(shù)

AR技術(shù)，其本質(zhì)就是將虛擬的影音、圖像、3D形象等通過硬件軟件結(jié)合的技術(shù)處理，與真實世界存在的物體相結(jié)合，進行融合疊加，向用戶展現(xiàn)疊加之后的效果，將虛擬世界搬進現(xiàn)實。在進行虛實結(jié)合展現(xiàn)的過程中，AR技術(shù)的關(guān)鍵是將構(gòu)建出來的虛擬形象與現(xiàn)實相同步。其原理如下圖所示：

3.1獲取攝像頭圖像

借助終端設備上的攝像頭獲取識別對象的圖像，通過所識別物體的真實圖像，記錄對象的特征和關(guān)鍵點，將這些特征與系統(tǒng)中存在的識別圖進行一對一匹配，并達到虛實結(jié)合的效果。想要實現(xiàn)這一功能，可以使用Vuforia SDK。這是一款由美國高通公司針對AR技術(shù)移動終端的軟件開發(fā)應用而研究的工具包，支持對物體的本地儲存識別和網(wǎng)絡云識別兩種物體識別方式。該工具包是通過對終端設備攝像頭的調(diào)用，應用視覺技術(shù)對可識別物體進行實時識別和捕捉，從而控制虛擬物體的位置與識別物體的位置達到一致。

3.2圖像檢測和匹配

圖一中Marker所指的是識別圖，對于計算機來說，其本質(zhì)是二維矩陣形式，該方式經(jīng)常被使用于影像識別技術(shù)之中。計算機通過內(nèi)部設置的算法，對圖像進行識別后，讀取二維矩陣的構(gòu)成信息。通常的運作流程是，計算機對捕捉到的識別圖進行儲存，然后進行數(shù)據(jù)計算，再讀取攝像頭影像的虛擬物體的坐標，并通過圖像處理技術(shù)在現(xiàn)實物體的坐標處進行虛擬物體的成像。最終使二者達到融合的效果。

針對不同特征的識別圖，應當使用指定的AR技術(shù)，其對應關(guān)系已經(jīng)在國內(nèi)外得到了較多的研究成果。

3.3實現(xiàn)虛實相結(jié)合

在進行完以上兩個步驟之后，計算機中已經(jīng)生成并儲存了虛擬物體的三維坐標，緊接著需要進行最關(guān)鍵的部分——虛實結(jié)合。這個部分的具體操作一般分為三個模塊進行，三維注冊，物體形態(tài)位置以及光照條紋調(diào)節(jié)。只有控制三者的數(shù)據(jù)達到協(xié)調(diào)統(tǒng)一，設備所呈現(xiàn)的虛擬影像才更加真實化。當所構(gòu)建的虛擬場景面臨失真的情況時，三維注冊會對虛擬、現(xiàn)實的物體進行重新實時跟蹤，確定位置并根據(jù)變化調(diào)整設備設定值，從而具備自動糾錯的功能。

虛實相結(jié)合的操作有時也會受到環(huán)境因素的干擾，例如外接光照的變化，可能會影響成像的效果。因此一般對于設備開發(fā)商來說，會在穩(wěn)定的室內(nèi)環(huán)境中對設備進行功能測試，性能達到穩(wěn)定值之后再進行室外實驗。

3.4三維模型渲染

AR系統(tǒng)需要具備十分強大的成像功能，因而三維模型渲染是非常重要的部分。Unity3D的渲染系統(tǒng)非常強大，具有高度優(yōu)化的圖像渲染管道，和實時高效的物理引擎，可實現(xiàn)逼真的效果和豐富的交互。在Unity里導入事先處理好的素材，創(chuàng)建場景并在其中設置好ARCamera，在Scene面板中調(diào)整好標識物和模型的位置。通過虛擬相機將虛擬物體和真實場景疊加起來，并根據(jù)需要適當?shù)剡M行調(diào)整，然后編寫功能代碼，反復測試和改進，最后發(fā)布成應用程序。

4.結(jié)束語

一般認為，增強現(xiàn)實技術(shù)是一項在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基礎上發(fā)展起來的技術(shù)，它將虛擬成像與真實場景進行結(jié)合，兩種場景形成一種互利互補的關(guān)系，最終增強用戶的體驗。

開發(fā)者可以利用Unity3D強大的渲染和交互功能，方便快捷的操作，進行快速高效的AR開發(fā)。相信在信息時代的大背景之下，尤其是5G時代的到來，增強現(xiàn)實技術(shù)的應用領(lǐng)域?qū)鼮閺V闊，形式將會更為多樣。

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課題信息：永州市2016年度指導性科技計劃項目《基于Unity3D的增強現(xiàn)實交互App開發(fā)》（永科發(fā)[2016]27號）。