宋燕燕，曹效業，周 靈

(中國傳媒大學南廣學院，江蘇南京 211172)

移動增強現實技術在互動展示中的應用研究

宋燕燕，曹效業，周 靈

(中國傳媒大學南廣學院，江蘇南京 211172)

隨著智能手機等移動設備及相關技術的飛速發展，增強現實技術在移動平臺得到了廣泛應用。智能手機等移動設備體積小、重量輕、可隨身攜帶，為增強現實技術的發展奠定了基礎，將虛擬的信息融入現實世界，使用戶可以在移動終端感知到計算機生成的虛擬模型。研究增強現實技術在互動展示中的一些應用，設計基于移動增強現實技術的產品互動展示系統。在分析增強現實關鍵技術的基礎上，闡述系統工作流程設計和功能設計，對基于設計的技術方案進行實例研究，實現跟蹤定位、交互展示等功能。選擇Android平臺移動終端進行發布，增強現實系統程序最終以互動3D展示的形式呈現。最終利用移動平臺構建了能實時采集現場真實信息并與虛擬圖像進行融合的完整體系。增強現實技術以各種形式應用于互動展示中，降低了展示成本，增加了展示的趣味性。

增強現實;互動展示;移動平臺;跟蹤定位

0 引言

增強現實(Augmented Reality，AR)也稱為混合現實，是指利用計算機技術，將虛擬物體實時地疊加到一個真實畫面或空間，形成具有實時交互的三維圖像畫面，給用戶帶來更真實的體驗與感受［1-2］。增強現實由于其在真實環境和虛擬環境中起到了一個連續體的作用，其相關的應用提供了一個新的人機交互方式。在世界范圍內，增強現實技術受到了越來越多研究者的關注，國內也有學者開始將這項技術應用到各種展示過程中［3-4］。增強現實技術擴展了產品展示方法，通過計算機立體化、生動化、全方位地呈現，從而營造更具真實感的交互情境，構建更有效的展示環境，同時可以降低產品展示成本，增強產品展示效果。

隨著計算機軟硬件技術的迅猛發展，移動終端設備功能的集成化為開發移動增強現實系統奠定了基礎，利用移動平臺實時采集現場真實信息并與虛擬圖像進行融合，使得產品三維動態展示更加友好和智能。

基于以上所述，文中設計了基于移動增強現實技術的產品展示系統，通過虛擬圖形渲染、實景采集跟蹤定位、圖形注冊、顯示等技術實現了產品的實時三維虛擬展示。該研究對增強現實技術在產品展示領域中的應用具有實際參考價值。

1 增強現實關鍵技術

增強現實技術以虛擬現實技術為基礎，但兩者有所區別。虛擬現實是指完全由計算機對現實世界進行模擬，形成虛擬空間，用戶通過自然交互設備獲得具有沉浸感的體驗;而增強現實則是強調計算機生成的信息與實景相融合，計算機生成的信息可以極大地擴充真實場景的信息量，從而給人們的生產生活帶來便利［5］。

實現增強現實功能的完整框架一般有四個部分(見圖1)，分別是:虛擬圖形渲染模塊、實景采集跟蹤模塊、計算機圖形注冊模塊和顯示模塊。

產品互動展示涉及的關鍵技術有:跟蹤及定位、圖形注冊、顯示等。

1.1 跟蹤及定位

增強現實技術應用于產品展示的技術優勢之一在于實時交互性。為了實現良好的交互，系統需要進行定位，以確定使用者的觀察點和計算機生成的虛擬對象在三維空間中的準確位置［6］。

1.2 圖形注冊

開發者需要借助增強現實的跟蹤作用，實時檢測觀察者的位置、視角，從而重建坐標系。目前主流的基于計算機視覺的圖形注冊方法主要有兩種:一是基于平面標識的，二是基于立體標識的［7-8］。其中，基于平面標識物的注冊系統，是將特殊標識添加到背景環境中，利用計算機視覺技術進行識別，并找到標識與攝像機、屏幕的位置關系，從而準確地進行三維定位。該方法雖然簡單、計算速度快，但存在識別死角。此次開發采用基于立體標識的方法，其中涉及到攝像機坐標系、標識物坐標系、屏幕坐標系的空間轉換等。

1.3 顯 示

互動展示系統的開發需針對人類視覺進行設計，以圖形圖像為主要輸出媒介。增強現實系統所采用的顯示技術主要可以通過透視式頭盔顯示器、手持式顯示器、普通顯示器等來實現［9］。此次開發將通過移動終端攝像頭采集的真實環境影像與計算機生成的虛擬場景影像進行合成，然后在移動終端顯示器上進行輸出，并進行實時交互。

2 系統總體設計

該項目開發基于Windows平臺，主要是考慮到目前Windows系統的普及性，并能夠為學習者提供友好的、更具趣味性的程序享受。選擇Android平臺移動終端為系統發布平臺，增強現實系統程序最終以互動3D展示的形式呈現。通過增強現實的圖像識別技術在移動終端同時顯示攝像頭拍攝的真實影像和通過計算機生成的虛擬三維影像，并提供實時交互，使欣賞者從被動接收信息變成主動獲取信息［10-11］。

1) 該項目使用的黑水角閥在開車3個月后即出現閥體被穿孔現象，由于氣化爐及洗滌塔底部排出的黑水中含有大量固體顆粒，裝置運行中，固體質量分數較高的黑水在高速流動中對黑水角閥閥芯閥座形成沖刷腐蝕造成破壞。通過初步分析，黑水流動狀態為阻塞流，由于閥后壓力遠小于閥前的飽和蒸汽壓，閥后存在嚴重氣蝕現象。介質在閥腔拐點和出口縮徑處流速極高，黑水中的硬質懸浮固體顆粒對閥腔造成嚴重的沖蝕破壞。出口法蘭與管道筒體連接處內壁厚度不均勻，而該結構在鑄造時很容易引起厚度突變，容易產生砂眼和裂紋等缺陷，在該惡劣的工況下，閥體容易出現穿孔。

2.1 流程設計

系統總體設計遵循科學研究的一般步驟，在需求分析階段進行系統的功能需求分析和可行性分析，在概要設計階段明確軟件的總體目標，軟件的體系結構，功能模塊的設計以及界面的概要設計。在詳細設計階段進行系統的實現，完成程序的主體，包括環境配置、數據準備、界面實現和功能實現等，并通過驗證與測試來完善程序。設計流程圖如圖2所示。

2.2 功能設計

該系統針對產品進行交互展示。主要組成部分的功能包括:產品進入歡迎場景(GUI應用)，根據需要進入識別場景或者其他場景，實現等候音樂的播放，實現基本的識別追蹤功能，實現模型的放大、縮小、旋轉，實現點擊出現產品簡介，實現截圖功能，實現多媒體的播放功能，等等。

2.3 界面設計

該系統可以實現界面上的跳轉，打開應用后會進入載入界面，提示有關應用使用信息，并等待場景選擇界面的加載。場景選擇界面里，用戶可以選擇進入增強現實識別界面或者簡介界面。增強現實識別界面和簡介界面有相應的返回功能。界面關系如圖3所示。

3 系統開發實踐

基于增強現實技術的產品互動展示系統的開發過程為:首先進行跟蹤定位，制作立體圖形，識別圖形，將圖形注冊為標識等;其次進行視音頻資源開發整合，包括建立三維模型，綁定識別物與模型，制作GUI界面等;最后，設置交互，實現虛擬信息與真實景象的匹配與結合，并在Android移動平臺上完成發布［12-13］。

3.1 跟蹤定位

3.2 資源整合

在三維建模工具中建立需要用到的模型，由于移動終端處理大型程序能力的限制，注意要對模型進行優化，比如減少模型面數和貼圖文件大小，從而減少模型文件大?。?4］。模型導出為FBX格式的文件，將模型放入場景中，調整位置使其放在ImageTarget預制物的上面，要保證模型大小比ImageTarget小。由于需要放多個識別的預制物，所以每一個預制物體的名字需要區分。

所有音頻和視頻素材在其他編輯軟件中進行剪輯，如在Premiere中完成視頻素材的剪輯，在Audition中完成音頻素材的剪輯，并完成相應格式的轉換。

該系統中的GUI界面包括載入頁面、場景跳轉頁面和識別頁面等。主要通過OnGUI函數來實現界面的布局，設置圖像材質，繪制按鈕等。

3.3 設置交互

在增強現實編輯環境中導入標識、導入模型、設置觸發動作，并實現產品模型的縮放、旋轉、視頻播放、顯示簡介、截圖等功能。如按下按鈕實現模型的放大，部分代碼如下所示:

if(GUI.Button(new Rect(50，Screen.height-120，70，70)，""，mIcon1))

{float oldScale=mMacTransform.localScale.x;

floatnewScale=oldScale*1.5f;

mMacTransform.localScale=new Vector3(newScale，newScale，newScale);}//如果按下該按鈕模型變為原來Scale的1.5倍大小

通過調用系統的Application.CaptureScreenshot()函數實現截圖功能。

3.4 運行結果

該應用程序發布于Android平臺，由于三維的計算需要較高配置的手機。首先粗略地進行實驗識別，可以看出系統實現了預定功能。能夠進行場景的跳轉，模型的識別跟蹤，放大縮小旋轉和截圖功能。

對結果影響最大的是照明程度和識別距離，分別對六個面和頂點在兩組光照和兩組距離下進行比較實驗。結果如表1所示。運行測試結果如圖5所示。

4 結束語

文中從產品展示的角度討論了增強現實技術的原理及其在產品互動展示中的應用，進行了移動增強現實關鍵技術的探討，利用立體物作為識別對象實現了產品互動展示系統，給用戶帶來身臨其境的沉浸式體驗，使產品展示更加生動化，更具趣味性。將增強現實技術與實際相結合有利于增強現實技術的普及，也有利于這一技術今后的發展，具有一定的現實意義。增強現實技術正在改變著人類傳統的生活方式，結合增強現實場景、三維數據與現實世界創建的增強現實應用將會給用戶帶來前所未有的體驗。

基于增強現實技術的應用也存在瓶頸，比如實景融合方面的瑕疵，雖然是實時渲染，但是在燈光的渲染上需要消耗過多機器性能;還有識別上的不夠精確;在云識別方面，由于網絡速度限制，可能會對識別造成影響等。但是隨著科技的發展，這些問題最終都會得到解決。

［1］ 鄒優嘉.移動設備增強現實技術與書本交互的應用［J］.計算機技術與發展，2013，23(8):227-229.

［2］ 賴蘋華.基于移動增強現實技術的災害和事故救援系統設計［J］.軟件工程師，2014，17(10):57-58.

［3］ 郭昌達.增強現實三維配準技術方法研究［D］.鄭州:解放軍信息工程大學，2013.

［4］ 程 志，金義富.基于手機的增強現實及其移動學習應用［J］.電化教育研究，2013，34(2):66-70.

［5］ 司占軍，李文霞，顧 翀.增強現實在印刷品中的應用研究［J］.包裝工程，2014，35(19):125-129.

［6］ Ceravolo P，Anisetti M，Damiani E.Augmented reality technologies systems and applications［J］.Multimedia Tools and Applications，2011，51:341-370.

［7］ 冉 洋，朱 飛，陳 康.虛擬現實及增強現實技術在工業設計中的應用［J］.激光雜志，2010，31(1):4-6.

［8］ 常 勇，薛立明，姜淑芳.智能手機增強現實關鍵技術研究［J］.計算機工程與應用，2011，47(15):69-71.

［9］ Wikipedia.Augmented reality［EB/OL］.2012.http://en. wikipedia.org/wiki/Augmented_reality.

［10］孫 源，陳 靖.智能手機的移動增強現實技術研究［J］.計算機科學，2012，39(6A):493-498.

［11］李 然，隋 毅，孫仁誠，等.手持設備增強現實開發平臺研究及應用［J］.計算機仿真，2010，27(1):253-256.

［12］Billinghurst M，Hakkarainen M，Woodward C.Augmented assembly using a mobile phone［C］//Proc of IEEE international symposium on mixed and augmented reality.Cambridge，UK: IEEE，2008:167-168.

［13］Chen W C，Xiong Y G，Gao J，et al.Efficient extraction of robust image features on mobile devices［C］//Proc of IEEE/ ACM international symposium on mixed and augmented reality.［s.l.］:IEEE，2007.

［14］李東旭，江 澄，劉海峰.體感技術驅動下的圖書館應用平臺架構創新與體驗革命［J］.大學圖書館學報，2012(5):12 -17.

Research on Application of Mobile AR Technology in Product Interaction Exhibition

SONG Yan-yan，CAO Xiao-ye，ZHOU Ling
(Nanguang College of Communication University of China，Nanjing 211172，China)

With the rapid development of smart phones and other mobile devices and related technology，augmented reality technology is widely used in the mobile platform.Intelligent mobile phone and other mobile devices，with their small volume，light weight and portability，laid an important foundation for the development of augmented reality.Put the virtual information into the real world，users can sense the virtual model of computer generated in the mobile terminal.To study some applications of augmented reality technology in product exhibition，a product interactive exhibition system is designed based on mobile AR technique.On the basis of the principle of the AR key technology，the design of the system work flow and function is described，and the technical scheme based on design is studied，and the function of tracking and interactive display is realized.Selecting the Android platform mobile terminals，augmented reality system program eventually is displayed in the form of interactive 3D display.The system uses mobile platform to complete real-time collection of real information in disaster areas and fuses real and virtual images.AR technology could be applied in product exhibition in various forms.It does reduce the cost of product exhibition and increase the exhibition of interest.

AR;interactive exhibition;mobile platform;tracking

TP39

A

1673-629X(2016)09-0083-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.09.019

2015-12-14< class="emphasis_bold">修回日期:2

2016-04-06< class="emphasis_bold">網絡出版時間:

時間:2016-08-23

江蘇省高校自然科學研究面上項目(15KJD520007);江蘇高校哲學社會科學研究項目(2015SJD324)

宋燕燕(1978-)，女，碩士，講師，研究方向為計算機應用。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160823.1359.056.html