基于增強現實技術包裝印刷設備富媒體說明書　制作

陳陽+王濤+劉琳琳

增強現實技術及在工業發展中的應用

增強現實技術（Augmented Reality，又稱AR）是指將計算機虛擬出的場景或圖像通過相關技術疊加到真實存在的世界上并進行互動的技術。AR技術目前在全球仍是一片開發不夠全面的領域，它是隨著VR技術的興起并對VR技術進行技術補充加強的一門新興技術。具有虛實結合、實時交互、三維注冊的特點，AR技術包含了多媒體、三維建模、實時視頻顯示和控制多傳感器融合，實時跟蹤及注冊，場景融合等新技術，因此，相對來說對相關人員的技術要求和知識掌握全面化都有較高的要求。

在AR技術發展的支持下，AR技術融入工業領域可以方便的仿真和評審設計效果，無論是簡單的頭盔式現實系統還是復雜的沉浸式虛擬現實系統都可以提供一個沉浸、交互、完全立體的計算機仿真工作環境，從而使受眾有身臨其境的感覺。通過AR技術，在制造出物理模型之前，可以隨時評審、感知和修改未來的產品，隨著虛擬現實技術在工業上的應用，大大的彌補了虛擬現實的不足，AR技術通過計算機生成圖像實時疊加到物理環境上，產生一種虛擬的真實效果，虛擬現實讓用戶完全沉浸于計算機生成的虛擬環境中，增強了虛擬圖像與真實環境的無縫融合，從而在設計定型前可以仿真、分析、評審產品模型。相比較于現有的工業設計技術，由增強現實技術帶來的改善主要在3個方面。首先，在早期的創意階段，應用增強現實技術可以實現交互的、立體可視的產品數據模型。其次，虛擬數字樣機讓用戶可以交互、協同的評審、分析和測試產品數據模型。最后，在增強現實環境下可以進行物理樣機和數據模型的虛擬裝配。

當現有的CAX軟件并不能充分地表達創意，尤其在設計復雜產品時，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，如鼠標和鍵盤，虛擬空間設計技術結合了增強現實技術和可觸摸的用戶界面（Tangble User Interfaces.TUIs），可以幫助用戶直觀、交互的創建和修改產品數據模型，虛擬空間設計的研究開始于20世紀90年代早期，大約在10年前，開發出了一些用于科研目的的虛擬建模工具，如概念虛擬設計系統，交互工作臺系統，三維浸入式虛擬雕刻系統等，這些系統運用了多模式的輸入工具和動作識別工具實現在浸入的虛擬顯示環境下建模。

隨著增強現實技術的發展，逐步又開發出來一些基于增強現實的虛擬建模系統，Fiorenho等人開發了空間設計系統Spacedesign，可以實現在增強現實環境下的自由曲線設計，并開發出來一套系統用于增強現實環境下的創建和修改。在現有的工業設計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，與真實產品材料廂房的快速材料等，為了減小材料原型在時間和空間上的不足，增強現實技術已經大大地應用其中。

目前在國內，只有少數的高校和科研機構在進行增強現實技術的研究，包括像電子科技大學移動計算研究中心、北京理工大學光電信息技術與顏色工程研究所、浙江大學計算機輔助設計與圖形學國家重點實驗室等。

基于增強現實技術在富媒體產品說明書開發

將AR技術與視頻、動畫等技術相結合，應用于工業產品說明書中，在原有的說明書內容的基礎上為其添加了多種媒體資源，包含圖片、音、視頻、交互體驗等內容，具有較強的代入感和用戶體驗，將一本傳統說明書附以多樣的表現形式，使讀者享受到別樣的互動式閱讀體驗，較傳統說明書更具有發展優勢。

本文探索將增強現實技術應用在包裝印刷設備產品說明書當中，通過專業的游戲開發引擎Unity和Vuforia SDK進行Android端的App開發，用Indesign軟件對說明書紙質部分的設計，然后將兩者整合測試，最終達到設計要求，使原本普通的說明書呈現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更加全面的了解產品信息，而不只是局限于文字和圖片信息。

1.開發工具介紹

Unity游戲開發引擎

本次設計使用到了Unity軟件。Unity是由丹麥Unity公司開發的一款專業的游戲開發引擎，其中包括整合的編輯器、跨平臺發布、地形編輯、音頻、GUI、著色器、腳本等一些特性。對于一個完整的Unity 3D程式，需要有若干個場景組合而成，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。本項目通過攝像頭來觀看場景中的內容。

Vuforia SDK

目前可供使用的AR開發工具比較多，如Vuforia、Wikitude、EasyAR等。此次設計所使用的是Qualcomm公司針對增強現實應用所推出的Vuforia軟件開發工具包。其原理是利用計算機視覺技術實時識別和捕捉二維平面圖像或是三維物體，借由相機取景器放置虛擬模型，同時調整物體在鏡頭前的位置坐標。該平臺提供本地識別和云識別兩種識別方式，本項目所使用的是云識別。在使用時，需要先將識別圖上傳到Vufotia官方網站中，經過云處理之后下載到本地電腦，再導入到Unity中進行使用。

安卓開發環境

Unity是一款可以進行多平臺發布的開發軟件，包括PC、MAC、IOS、安卓等。現如今智能機得以廣泛的普及，移動設備已經是人們日常生活中必不可少的一部分，雖然國內ios用戶近年來不斷上升，考慮到ios開發環境相比安卓較為復雜，因此，選擇了安卓系統的SDK。在設計開始之前，需要進行安卓開發環境部署，具體步驟如下：

①搜索與自己電腦系統相對應的JDK版本，下載并進行安裝。

②為之前安裝的JDK設置變量環境。

③下載安裝Eclipse和Android SDK。

④將兩者用ADT插件進行關聯。

這樣，一個標準的Android開發環境就算部署完畢，可以在Unity中使用Android系統發布功能，也就是可以生成一個能夠在使用安卓系統的移動設備上運行的APK文件。

2.三維模型的設計

機械模型相比于人物、角色、動物、建筑等模型具有更高的精度要求，在制作的時候力求能夠還原較為真實的機械尺寸，因為真實的模切機的各部分零件需要根據標準的尺寸大小來設計，用Solidworks制作的模切機的模切部分模型，導入到3DMAX中。由于導入的模型只是一個白板模型，因此還需要使用該軟件進行模型渲染。

3DMAX是一款專業的模型動畫制作軟件，由Autodesk公司專門為設計者開發的3D Studio升級版本。該軟件提高了使用工具的高效性，同時加速了性能優化和工作流程，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。

一個普通的模型，對于用戶來說，動手體驗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、放大、縮小、模型脫卡等。在Unity中，對模型的控制操作指令都是靠腳本實現的，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平臺上運行的，使用.Net類庫為XML、數據庫、正則表達式等問題提供了很好的解決方案。

Unity當中的模型縮放是通過縮放系數實現的，在腳本中，只需要動態修改縮放比例，就能達到所要的縮放效果。可以說放大、縮小是一個模型必不可少的基本操作功能。在這里，以一個模切機模切部分的機械模型為例，包含較多的零件，因此需要對其內部的結構進行詳細觀察。需要用到的是雙指點控識別這一觸控方式。當載入的模型脫卡顯示后，若想對其進行縮放，以便清晰地觀察內部或細小零件時，通過雙指（即兩點）在屏幕上張開、收縮來實現這一功能。模型的脫卡顯示指的是當攝像頭離開識別圖時，模型仍然可以出現在屏幕中間的方式。對于一個具有交互功能的App，在我們對其中的對象進行控制操作時，最好能夠使模型對象保持在一個固定的位置，這樣模型的縮放和旋轉都可以在一個相對穩定的位置進行，不會隨著識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界面設計

UGUI是Unity公司開發的新一代可視化游戲開發工具，相比于傳統的UI系統具有更加靈活、高速、便捷的開發優勢。使基于Unity的UI界面開發趨于統一與標準化。UGUI在吸收第三方插件的優秀編程思想上，整合Unity引擎內部強大的技術體系，使UGUI成為了非常優秀的UI開發技術與標準。

①與Unity引擎無縫緊密結合；

②更加強大與易用的屏幕自適應能力；

③更加簡單的深度處理機制；

④完全自動化的圖集打包功能；

⑤全新強大的布局系統，簡單易用的UI控件，強大與易用的事件處理系統。

在整合了GUI系統的部分功能后，UGUI的系統菜單中總共包含11個控件，可以簡單分為：EventSystem、Canvas畫布、Panel、Text、Button、Image等7個部分，當然也可以將其自由組合成功能強大的復合控件使用。本次設計中使用到的控件包括Canvas畫布、EventSystem、Text、Button、Image和Slider高級控件。用戶界面是一款軟件的門面，界面設計的好壞直接決定了這款產品的品味、檔次。好的UI設計在帶給用戶極致視覺體驗的同時，也能讓軟件的操作變得便捷、舒適。在功能實現上，這里采用了大量的Button控件。在模型的四周新建了4個子物體Cube，將其材質設置為金屬，同時添加大紅底色、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。再進行模型的脫卡顯示，來完成整個模型的設計。除了之前的一些交互功能外，還增加了設計。對模型部件的內容展示，通過貼圖對模切部分的相關構成加以說明。

由于是立體顯示，在制作貼圖時每個部件需要制作正反兩面，這樣當模型旋轉時兩面都可以看到相同的文字內容。至于顯示剖面的原理則是借由腳本控制攝像機的鏡頭，以縱切面進行顯示。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條軸設置為兩條，即只沿X、Y軸方向旋轉；并把控制旋轉角度的Slider控件改為4個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。最后加入進行背景音樂和所需視頻文件的添加，增加應用的交互性和趣味性。

4.頁面內容設計

說明書側重于AR交互設計的應用，紙張的大小為A4紙，設計正反兩面內容。因為在頁面中插入了不少模切機的圖片，因此選用兩張淺色簡約圖作為底色背景，這樣能夠凸顯主次，不至于影響模切機產品的顯示效果。背面則是以其中一款產品為例，詳細的介紹了該產品的性能特點及功能參數，同時添加了二維碼，使受眾通過掃描二維碼播放機器的實拍視頻，方便查看這類模切機產品的運行過程。故而整個富媒體內容主要都在第二面體現。

5.產品整合與調試

當兩部分內容都設計制作完成后，需要進行整合調試，也就是將兩部分內容合并到一起，本質是通過一張識別圖來完成。將紙質說明書中的模切機圖片上傳到Vuforia官方網站中，Vuforia可以為普通用戶提供1000張以下的識別圖免費制作，之后就可以將制作好的識別圖下載導入到Unity中，將原來的識別圖更換掉，同時在部分源碼中進行更改設定就可以正式使用。這樣，當需要從打印好的紙質說明書上了解更多相關的富媒體內容時，就可以在移動設備上打開AR應用，將攝像頭對準上邊的圖片，一個制作好的模切部分模型便在屏幕中間顯示出來。

說明書中增強現實技術的應用也可以算作一種富媒體的表現，隨著AR技術的逐步成熟、制作成本的慢慢降低，不久的將來在傳統紙質媒體上會有更多、更精美的AR應用出現，甚至在工業制造方面也將會掀起一股AR潮流。

增強現實技術在工業領域的其他應用

以富士通公司為例，為了改善工廠設備維修維護工作人員的現場作業環境，該公司已經將增強現實技術應用于自身的設備點檢中。采用增強現實之前，工作人員通常要在點檢單上手動記錄溫度、壓力等信息，然后再將信息錄入電腦。如今，工作人員可以在現場用觸摸屏錄入信息，創建電子表格并共享最近的信息。增強現實可以快速顯示作業手冊數據，故障歷史中的庫存水平。利用富士通AR技術提供的文本輸入功能，現場工作人員可以使用它來快速共享信息。當進行現場點檢的時候，無論多小的細節，都可以記錄下來。通過增強現實技術，我們可以輕松判斷哪些設備運轉正常，同時結合數據分析，可以實現預防性的設備維護。通過采用AR技術，即使是能力一般、經驗不足的“菜鳥”，也可以準確地完成各種各樣的現場維護作業，有助于技術經驗的傳承。

據報道，波音公司生產線上的工人們已開始大規模使用具有增強現實技術的谷歌眼鏡來完成飛機線束的組裝。眾所周知，客機機身內部的線束錯綜復雜，以往工人們需要拿著飛機內部結構指令手冊或參照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。而開始使用谷歌眼鏡后，谷歌眼鏡可投射出各個細節部分的組裝方式來協助工作。數據統計，用上谷歌眼鏡后，波音工人組裝線束的錯誤率降低了50%，時間縮短了25%。

增強現實技術在工業領域的發展前景

AR市場目前還處在技術驅動的階段，并且會經歷一段較長時間的技術紅利期。未來1～3年，將有更多廠商進入AR市場，隨著底層技術的成熟，硬件設備的完善，AR技術將應用到更多場景中，行業應用解決方案也將會日益豐富，正如計算機的發展路徑。計算機發展路徑是從軍事、工業、商務辦公，最后才到消費者市場。20世紀70年代，計算機開始從軍事進入工業領域，出現了IBM這樣的巨頭，同樣AR技術也應抓住熱潮，在工業領域進行發展，最后在轉向消費者市場和智能娛樂市場。從工業1.0到工業3.0，人類經歷了從機械化到自動化，隨著技術的進步，制造業的升級以及AR技術在工業領域的應用，包括更高層次的互聯性、更智能的設備和機器與設備之間的通信，我們終將迎來工業4.0的來臨。而AR技術的發展便是一個良好的契機，通過對現實進行畫面疊加增強的方式，AR帶來了一種編輯這個世界的可能，我們可以用雙眼看到全新的通過增強后的世界。

可以預計，在未來10年內，增強現實技術會離我們越來越近，并逐步走進我們的生活。增強現實技術留給我們很大的想象空間和很多應用方式、應用場景。其發揮出來的作用也許在現在還表現的不那么明顯，但隨著我們的深入挖掘，也許改變的不再僅僅是輔助優化企業的制造過程，而是顛覆商業模式、打造智能產品、創造新的產業生態等一系列翻天覆地的變化。