基于移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)品互動(dòng)展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋燕燕秦軍

（中國(guó)傳媒大學(xué)南廣學(xué)院南京211172）

基于移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)品互動(dòng)展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋燕燕秦軍

（中國(guó)傳媒大學(xué)南廣學(xué)院南京211172）

通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)跟蹤定位、圖形注冊(cè)、顯示等關(guān)鍵技術(shù)的研究，提出一種基于移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)品互動(dòng)展示方法并進(jìn)行設(shè)計(jì)。闡述了系統(tǒng)工作流程設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)，對(duì)基于設(shè)計(jì)的技術(shù)方案進(jìn)行實(shí)例研究，實(shí)現(xiàn)跟蹤定位、交互展示等功能。選擇Android平臺(tái)移動(dòng)終端進(jìn)行發(fā)布，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)程序最終以互動(dòng)3D展示的形式呈現(xiàn)。利用移動(dòng)平臺(tái)構(gòu)建了能實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)信息并與虛擬圖像進(jìn)行融合的完整體系。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)以各種形式應(yīng)用于互動(dòng)展示中，降低了展示成本，增加了展示的趣味性。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；互動(dòng)展示；移動(dòng)平臺(tái)；跟蹤定位；圖形注冊(cè)

Class NumberTP391

1 概述

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）也稱為混合現(xiàn)實(shí)，是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，將虛擬的物體實(shí)時(shí)地疊加到一個(gè)真實(shí)畫面或空間，形成具有實(shí)時(shí)交互的三維圖像畫面，給用戶帶來(lái)更真實(shí)的體驗(yàn)與感受［1～2］。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)由于其在真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境中起到了一個(gè)連續(xù)體的作用，其相關(guān)的應(yīng)用提供了一個(gè)新的人機(jī)交互方式。在世界范圍內(nèi)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)正在受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的開(kāi)發(fā)者利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作出了能夠改變?nèi)藗兩畹脑O(shè)備以及應(yīng)用程序［3～4］。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在日常生活的應(yīng)用場(chǎng)景中存在著巨大的潛力，將來(lái)會(huì)有更多的利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的產(chǎn)品出現(xiàn)在我們的生活中。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)擴(kuò)展了產(chǎn)品展示方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)立體化、生動(dòng)化、全方位地呈現(xiàn)，從而營(yíng)造更具真實(shí)感的交互情境，構(gòu)建更有效的展示環(huán)境，同時(shí)可以降低產(chǎn)品展示成本，增強(qiáng)產(chǎn)品展示的效果。

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展，移動(dòng)終端設(shè)備功能的集成化為開(kāi)發(fā)移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，利用移動(dòng)平臺(tái)實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)圖像并與虛擬對(duì)象進(jìn)行融合，使得產(chǎn)品三維動(dòng)態(tài)展示更加友好和智能。本設(shè)計(jì)利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)解決產(chǎn)品互動(dòng)展示領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題，拓展了產(chǎn)品展示的新思路，通過(guò)虛擬圖形渲染、實(shí)景采集跟蹤定位、圖形注冊(cè)、顯示等技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的實(shí)時(shí)三維虛擬展示。該研究對(duì)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在產(chǎn)品展示領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了實(shí)際參考價(jià)值。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，但兩者有所區(qū)別。虛擬現(xiàn)實(shí)是指完全由計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行模擬，形成虛擬空間，用戶通過(guò)自然交互設(shè)備獲得具沉浸感的體驗(yàn)；而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)則是強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)生成的信息與實(shí)景相融合，計(jì)算機(jī)生成的信息可以極大程度上擴(kuò)充真實(shí)場(chǎng)景的信息量，從而為人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)便利［5］。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能的實(shí)現(xiàn)，完整框架一般有四個(gè)部分，分別是：虛擬圖形渲染模塊，實(shí)景采集跟蹤模塊，計(jì)算機(jī)圖形注冊(cè)模塊和顯示模塊。如圖1所示。

圖1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能框架

產(chǎn)品互動(dòng)展示涉及的關(guān)鍵技術(shù)有：實(shí)時(shí)跟蹤定位、圖形注冊(cè)、顯示等。

2.1 實(shí)時(shí)跟蹤

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品展示的技術(shù)優(yōu)勢(shì)之一在于實(shí)時(shí)交互性。為了實(shí)現(xiàn)良好的交互，系統(tǒng)需要進(jìn)行定位，以確定使用者的觀察點(diǎn)和計(jì)算機(jī)生成的虛擬對(duì)象在三維空間中的準(zhǔn)確位置［6］。跟蹤技術(shù)是決定增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤采集真實(shí)場(chǎng)景圖像中虛擬物體的目標(biāo)位置或區(qū)域是第一任務(wù)，由此可以定位攝像機(jī)相對(duì)于真實(shí)場(chǎng)景的位置，所以說(shuō)跟蹤性能的好壞對(duì)于整個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是非常重要的。跟蹤傳感器技術(shù)主要包括磁場(chǎng)跟蹤、聲學(xué)跟蹤、光學(xué)跟蹤以及慣性跟蹤。本文利用特征點(diǎn)檢測(cè)的方法和實(shí)現(xiàn)原理，把攝像頭采集到的圖像，使用FAST算法計(jì)算出其有可能的特征角點(diǎn)，再通過(guò)檢測(cè)子特征的快速提取，得到特征點(diǎn)，建立一種相機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，最后將3D虛擬物體與現(xiàn)實(shí)世界的圖像進(jìn)行疊加合成顯示。

2.2 圖形注冊(cè)

開(kāi)發(fā)者需要借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的跟蹤作用，實(shí)時(shí)檢測(cè)觀察者的位置、視角，從而重建坐標(biāo)系。目前主流的基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的圖形注冊(cè)方法主要有兩種：一是基于平面標(biāo)識(shí)的，二是基于立體標(biāo)識(shí)［7～8］。其中，基于平面標(biāo)識(shí)物的注冊(cè)系統(tǒng)，是將特殊標(biāo)識(shí)添加到背景環(huán)境中，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行識(shí)別，并找到標(biāo)識(shí)與攝像機(jī)、屏幕的位置關(guān)系，從而準(zhǔn)確地進(jìn)行三維定位。該方法雖然算法簡(jiǎn)單、計(jì)算速度快，但存在識(shí)別死角。本次開(kāi)發(fā)采用基于立體標(biāo)識(shí)的方法，其中涉及到攝像機(jī)坐標(biāo)系、標(biāo)識(shí)物坐標(biāo)系、屏幕坐標(biāo)系的空間轉(zhuǎn)換等。

2.3 顯示

互動(dòng)展示系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需針對(duì)人類視覺(jué)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以圖形圖像作為主要輸出媒介。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所采用的顯示技術(shù)主要可以通過(guò)透視式頭盔顯示器、手持式顯示器、普通顯示器等來(lái)實(shí)現(xiàn)［9］。本次開(kāi)發(fā)將通過(guò)移動(dòng)終端攝像頭攝得的真實(shí)環(huán)境影像與計(jì)算機(jī)生成的虛擬場(chǎng)景影像進(jìn)行合成，然后在移動(dòng)終端顯示器上進(jìn)行輸出，并產(chǎn)生實(shí)時(shí)交互。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)基于Windows平臺(tái)，主要是考慮到目前Windows系統(tǒng)的普及性，并能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)者提供友好的、更具趣味性的程序享受。選擇Android平臺(tái)移動(dòng)終端進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)布平臺(tái)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)程序最終以互動(dòng)3D展示的形式呈現(xiàn)。通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的圖像識(shí)別技術(shù)在移動(dòng)終端同時(shí)顯示攝像頭拍攝的真實(shí)影像和通過(guò)計(jì)算機(jī)生產(chǎn)的虛擬三維影像，并提供實(shí)時(shí)交互，使欣賞者從被動(dòng)接收信息變成主動(dòng)獲取信息［10～11］。

3.1 流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)遵循科學(xué)研究的一般步驟，在需求分析階段進(jìn)行系統(tǒng)的功能需求分析和可行性分析，在概要設(shè)計(jì)階段明確系統(tǒng)的總體目標(biāo)，系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，功能模塊的設(shè)計(jì)以及界面的概要設(shè)計(jì)。詳細(xì)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，完成程序的主體，包括環(huán)境配置、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、界面實(shí)現(xiàn)和功能實(shí)現(xiàn)等，并通過(guò)驗(yàn)證與測(cè)試來(lái)完善系統(tǒng)。設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

3.2 功能設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)針對(duì)全球著名玩具廠商樂(lè)高（Lego）公司產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了“Lego AR”的產(chǎn)品互動(dòng)展示系統(tǒng)，突破傳統(tǒng)的購(gòu)物方法，通過(guò)使用智能手機(jī)掃掃描產(chǎn)品外包裝就可以在顯示屏上實(shí)時(shí)的看到該產(chǎn)品的3D展示以及產(chǎn)品介紹、產(chǎn)品圖片和視頻等信息，從而使消費(fèi)者更全面直觀的購(gòu)買到自己心儀的產(chǎn)品。功能模塊設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖2 設(shè)計(jì)流程圖

圖3 功能模塊圖

3.3 界面設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)界面上的跳轉(zhuǎn)，打開(kāi)應(yīng)用后會(huì)進(jìn)入載入界面，提示有關(guān)應(yīng)用使用信息，并等待場(chǎng)景選擇界面的加載。采用藍(lán)色扁平化的極簡(jiǎn)風(fēng)格設(shè)計(jì)，主菜單欄包括產(chǎn)品簡(jiǎn)介、包裝信息、視頻播放、精彩照片和返回主頁(yè)等功能。界面右上方的功能按鍵分別是屏幕截圖、音樂(lè)開(kāi)關(guān)和退出程序。界面左上方能看到LOGO，中間區(qū)域則是手機(jī)攝像頭所拍攝到的實(shí)景畫面，當(dāng)攝像頭拍攝到產(chǎn)品包裝盒上的畫面時(shí)將會(huì)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤識(shí)別。產(chǎn)品的3D增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)識(shí)別界面和其他界面有相應(yīng)的返回功能。

4 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)踐

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的產(chǎn)品互動(dòng)展示系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程包括：首先進(jìn)行跟蹤定位，制作立體圖形，識(shí)別圖形，將圖形注冊(cè)為標(biāo)識(shí)等；其次進(jìn)行視音頻資源開(kāi)發(fā)整合，包括建立三維模型，綁定識(shí)別物與模型，制作GUI界面等；最后，利用Unity3D引擎設(shè)置交互，實(shí)現(xiàn)虛擬信息與真實(shí)景象的匹配與結(jié)合，并在Android移動(dòng)平臺(tái)上完成發(fā)布［12～13］。

4.1 跟蹤定位

本實(shí)例選取的Vuforia開(kāi)發(fā)包能使用計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)計(jì)算攝像機(jī)和標(biāo)識(shí)之間的相對(duì)位置，從而實(shí)現(xiàn)將3D虛擬對(duì)象疊加到識(shí)別物上。一共提供四種識(shí)別物類型供選擇，包括Single image，Cuboid，Cylinder，3D Object，本系統(tǒng)中采用Single image作為識(shí)別物，如圖4所示。

圖4 識(shí)別物類型

4.2 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(dòng)終端處理大型程序能力的限制，注意要對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，比如減少模型面數(shù)和貼圖文件大小，從而減少模型文件大小［14］。模型導(dǎo)出為FBX格式的文件，將模型放入場(chǎng)景中，調(diào)整位置使其放在ImageTarget預(yù)制物的上面，要保證模型大小比Image-Target小，由于需要放多個(gè)識(shí)別的預(yù)制物，所以每一個(gè)預(yù)制物體的名字需要區(qū)分。

所有音頻和視頻素材在其他編輯軟件中進(jìn)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(yīng)格式的轉(zhuǎn)換。

本系統(tǒng)中的GUI界面包括載入頁(yè)面、場(chǎng)景跳轉(zhuǎn)頁(yè)面和識(shí)別頁(yè)面等。主要通過(guò)OnGUI函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)界面的布局，設(shè)置圖像材質(zhì)，繪制按鈕等。

4.3 設(shè)置交互

在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)編輯環(huán)境中導(dǎo)入標(biāo)識(shí)、導(dǎo)入模型、設(shè)置觸發(fā)動(dòng)作，主要使用C#語(yǔ)言和UGUI插件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，包括場(chǎng)景的加載切換，攝像頭的實(shí)時(shí)跟蹤對(duì)焦，模型的觸控旋轉(zhuǎn)和放大縮小，音樂(lè)的播放，畫面截屏以及UI界面設(shè)計(jì)等功能。

如通過(guò)手指的滑動(dòng)在屏幕上實(shí)現(xiàn)3D模型的放大縮小以及旋轉(zhuǎn)的效果。其主要邏輯思想為：首先定義縮放和滑動(dòng)系數(shù)值，然后判斷若檢測(cè)到1個(gè)手指的滑動(dòng)觸摸，則對(duì)模型進(jìn)行x軸上的旋轉(zhuǎn)；若檢測(cè)到大于1個(gè)手指的滑動(dòng)觸摸，則對(duì)模型進(jìn)行大小的縮放功能。部分代碼如下：

if（Input.touchCount>1）//觸摸數(shù)量為多點(diǎn)觸摸

if（Input.GetTouch（0）.phase==TouchPhase.Moved||Input.GetTouch（1）.phase==TouchPhase.Moved）//前兩只手指為觸摸類型

Vector2 tempPosition1=Input.GetTouch（0）.position；

Vector2 tempPosition2=Input.GetTouch（1）.position；

if（isEnlage（oldPosition1，oldPosition2，tempPosition1，tempPosition2））//計(jì)算出當(dāng)前兩點(diǎn)的位置

if（distance>3）

distance-=0.5f；//放大系數(shù)限制

else

if（distance<23）

distance+=0.5f；//縮小系數(shù)限制

如通過(guò)調(diào)用系統(tǒng)的

Application.CaptureScreenshot（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)截圖功能。

4.4 運(yùn)行結(jié)果

本應(yīng)用程序是發(fā)布于Android平臺(tái)，由于三維的計(jì)算需要較高配置的手機(jī)。首先粗略的試驗(yàn)識(shí)別，可以看出系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)定功能，能夠進(jìn)行場(chǎng)景的跳轉(zhuǎn)，模型的識(shí)別跟蹤，放大縮小旋轉(zhuǎn)和截圖功能。

對(duì)結(jié)果影響最大的是照明程度和識(shí)別距離，分別對(duì)多組識(shí)別圖在兩組光照和兩組距離下進(jìn)行比較試驗(yàn)。結(jié)果表明光照良好的情況下，遠(yuǎn)距離和近距離都能得到較好的識(shí)別效果。

圖5 運(yùn)行測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文從產(chǎn)品展示的角度討論了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)及其在產(chǎn)品互動(dòng)展示中的應(yīng)用，重點(diǎn)對(duì)實(shí)時(shí)跟蹤定位技術(shù)進(jìn)行了原理分析，并選擇玩具這一類型實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品互動(dòng)展示系統(tǒng)，給用戶帶來(lái)身臨其境的沉浸式體驗(yàn)，使產(chǎn)品展示更加生動(dòng)化，更具趣味性。將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與實(shí)際相結(jié)合制作出觸手可及的應(yīng)用，這有利于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的普及，也有利于這一技術(shù)今后的發(fā)展，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)正在改變著人類傳統(tǒng)的生活方式，結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景、三維數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)世界創(chuàng)建的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用帶來(lái)前所未有的體驗(yàn)。

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用也存在瓶頸，比如實(shí)景融合方面的瑕疵，雖然是實(shí)時(shí)渲染，但是在燈光的渲染上需要消耗過(guò)多機(jī)器性能；還有識(shí)別上的不夠精確；在云識(shí)別方面，由于網(wǎng)絡(luò)速度限制，會(huì)對(duì)識(shí)別造成影響等。但是相信隨著科技的發(fā)展，這些問(wèn)題最終會(huì)得到完美的解決。

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［12］Billinghurst M，Hakkarainen M，Woodward C.Augmented assembly using a mobile phone［C］//IEEE International Symposium on Mixed and Augmented Reality（ISMAR 2008）.Cambridge，UK，Sep 2008：167-168.

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［14］李東旭，江澄，劉海峰.體感技術(shù)驅(qū)動(dòng)下的圖書館應(yīng)用平臺(tái)架構(gòu)創(chuàng)新與體驗(yàn)革命［J］.大學(xué)圖書館學(xué)報(bào)，2012，30（5）：14-19.

LI Dongxu，JIANG Cheng，LIU Haifeng.The Somatosensory Technology-Driven Library Application Platform：Infrastructure Innovation and Experience Revolution［J］. Journal of Academic Libraries，2012，30（5）：14-19.

Product Interactive Exhibition System Design Based on Mobile AR

SONG YanyanQIN Jun
（Nanguang College，Communication University of China，Nanjing211172）

A product interactive display method based on mobile augmented reality was proposed.The key technologies such as real-time tracking，graphical registration and display were researched.The design of the system work flow and function was described，and the design of the technical scheme was studied，and the function of tracking and interactive display was realized.Select the Android platform mobile terminals，Augmented reality system program eventually was displayed in the form of interactive 3D display.The system used 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 did reduce the cost of product exhibition，and increase the exhibition of interest.

AR，interactive exhibition，mobile platform，tracking，graphical registration

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.06.042

2016年12月8日，

2017年1月29日

江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目（編號(hào)：15KJD520007，14KJD520011）；江蘇省高校哲學(xué)社會(huì)科學(xué)研究項(xiàng)目（編號(hào)：2015SJD324）資助。

宋燕燕，女，碩士，講師，研究方向：多媒體技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。秦軍，女，教授，研究方向：多媒體技術(shù)。