戶外運動移動端取代器——便攜AR設備的應用研究

孫雪潔 許露露

增強現(xiàn)實技術（Augmented Reality，簡稱AR）是一種研究虛擬世界與現(xiàn)實世界信息結合的新技術。繼虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality，簡稱VR）得到大眾普遍認知后，近幾年，AR技術在數(shù)字研究領域受到的關注度逐年攀升。AR技術主攻的現(xiàn)實世界互動功能，在醫(yī)療領域率先獲得了充分的關注和應用，在軍事、工業(yè)維修、旅游、游戲等領域開始嶄露頭角。該技術的發(fā)展?jié)摿薮螅纱钶dGPS、通訊等多種輔助技術，這就給戶外取代移動設備提供了強有力的保障。

一、AR設備發(fā)展現(xiàn)狀

微軟、蘋果、谷歌相繼加入AR開發(fā)戰(zhàn)局，導致該領域開發(fā)者熱情空前高漲，致力于給受眾提供極具享受力的沉浸式AR體驗。但是在技術成熟度上AR落后VR多年，還未真正引起電子消費的新一波熱潮。增強現(xiàn)實技術正在改變著我們觀察世界的方式，目前市場上應用AR的設備分為以下三類。

（一）AR軟件和小程序

智能手機的普及是AR技術向系統(tǒng)軟件、各類小程序開發(fā)的有力保障，對人工智能的依賴引導技術融合。手機操作系統(tǒng)分為iOS和Android兩種，面向受眾的不同，開發(fā)商制作了不同的應用系統(tǒng)。如蘋果的iOS版ARKit工具開發(fā)的JigSpace，作為一種學習工具輔助學生們探索物體的內(nèi)部構造。利用移動設備將3D模型投射到平面上，可以把抽象的概念和物體一步步拆分，讓學生有最直觀的感受，深層次上改變了教學方式。

由于AR技術發(fā)展不完善，AR軟件不能與移動設備完全融合。例如谷歌的良心產(chǎn)品Google Arts & Culture，2018年底新上線的Pocket Gallery版塊推出了AR虛擬博物館，只有搭載了ARkit（iOS）或AR Core（安卓）的機型才能使用。

AR游戲的前景空前廣闊，經(jīng)濟轉化率將不負眾望。游戲作為高壓生活中的一種釋放方式，開發(fā)者早已將矛頭瞄準AR市場。成功案例如Niantic Lab出品的Ingress與Pokemon GO。單是手游《口袋妖怪GO》推出第一年下載量就達到7.5億次。AR技術能帶來的現(xiàn)實體驗感比手游、端游更有吸引力，科幻、動漫領域都已對AR游戲的未來框架進行構畫，日漫的《刀劍神域》勾畫的增強現(xiàn)實世界，是當代人十分羨慕的技術時代。

除了軟件應用平臺外，小程序其實是目前AR技術與受眾接觸最親密的方式，社交軟件、地圖軟件、購物軟件都相繼開發(fā)了輔助程序。在營銷界，現(xiàn)實增強技術已成為橫跨實體店與電商平臺之間的產(chǎn)品“導購員”，哈根達斯的AR互動廣告又一次刷新了廣告營銷的認知“吃我一記冰淇淋球、快來蹦個冰淇淋迪、吃個冰淇淋都是愛你的形狀”三個關卡，帶來一場冰淇淋世界的夢幻體驗。騰訊、阿里巴巴、百度等拓展AR程序，意圖帶來“隨時隨地，通過AR發(fā)現(xiàn)身邊的每一個小驚喜”的體驗。

（二）移動AR硬件

具體指專用的智能手機、平板電腦AR硬件和軟件，如谷歌Google Tango手機。AR技術強依賴于承載它的硬件，所以AR技術就是選擇硬件平臺。移動AR硬件解決了手機上使用AR的難題，融入單目SLAM、同時定位等技術可以提高用戶體驗。蘋果先發(fā)布ARKit隨后Google也針對安卓系統(tǒng)推出ARCore。兩者相比，硬件平臺使用最廣泛、用戶最容易接受的是ARKit。

技術成本的要求，部分高端手機才搭載AR硬件，因此，AR硬件使用規(guī)模遠落后于AR軟件平臺。不過，該領域的市場發(fā)展空間還很大。

（三）佩戴設備：智能眼鏡、輔助設備

智能可穿戴技術初級階段是對日常穿戴進行智能化設計、開發(fā)出可以穿戴的設備的總稱，如眼鏡、手套、手表、手環(huán)、服飾及鞋帽等。一類是需要PC機或大型設備配合使用，另一類是獨立移動設備，最常見的便是智能眼鏡。

AR眼鏡配置內(nèi)置處理器、電池、WiFi、藍牙、GPS等組件，除了AR軟件，受眾日常接觸最多的種類應是影視AR眼鏡，理論上這項技術的極限絕不在此。豐富的附帶功能要求更高的技術，目前的電池續(xù)航、無線連接、顯現(xiàn)、外形都限制了它的大規(guī)模普及。市面上比較成熟的有Microsoft HoloLens、Magic Leap One，不過價格都較為昂貴。

有機遇更要有準備，各大運營商在APP生態(tài)系統(tǒng)、設備效率上發(fā)起進攻。華為有一款新專利曝光，將智能手表放入眼鏡架后，即可變身為AR眼鏡。若重量、電池技術、運行速度無法突破，未來十年，獨立AR智能眼鏡將無法取代智能手機。

二、技術發(fā)展帶來的運動新需求

（一）運動趨勢：戶外運動與便捷室內(nèi)運動

在物質匱乏的時代，戶外運動作為一種謀生手段而誕生，隨著生活水平的提高，運動主要成為了解壓放松的娛樂方式。運動場景的發(fā)展經(jīng)歷了四個階段：大型戶外運動、戶外運動與小型室內(nèi)運動、戶外運動室內(nèi)化（體育館、健身房）、大型戶外運動與運動設備家庭化。從發(fā)展趨勢可是看出，現(xiàn)代人傾向于親近自然的戶外運動與獨立便捷的室內(nèi)運動。都是喜愛的運動方式卻對應著不同的心理訴求，戶外運動不太在乎距離、價格、耗費的精力、麻煩程度，在乎的是過程中能得到的精神享受。室內(nèi)運動則與之相反，要充分考慮時間成本、效益，最好與自己的生活環(huán)境完美結合，不受時間地點的限制。當然這只是社會的大趨勢，不能排除運動愛好者的個性化運動方式。

（二）增強現(xiàn)實技術助力運動變革

增強現(xiàn)實技術在這種新需求的情況下能發(fā)揮何種作用？關于室內(nèi)，很多人體驗過VR設備中的虛擬世界，意想不到的場景與真實的感受，雖然各種運動體驗可在虛擬現(xiàn)實技術下實現(xiàn)，但有致命的缺點：虛擬視覺。VR是虛擬中的真實，而AR是真實中的虛擬，長時間的體驗中，后者帶著受眾的安全感、真實感與舒適感非前者所比。而且AR設備的出現(xiàn)，會減少現(xiàn)代人對智能手機的依賴。關于戶外，攀巖、登山、騎行甚至是極限運動，都離不了智能設備。但出行攜帶太多設備極為不便，就算是僅智能手機也會因使用而分心，雖然方便卻增加了戶外運動的危險性。在AR設備上搭載智能手機常用功能，加上該技術本質的增強現(xiàn)實的智能系統(tǒng)，必會給運動者變革性的體驗。

三、設備取代的技術支持

（一）跟蹤定位算法

如今移動端的AR跟蹤定位算法是一個新的研究方向，基于先前跟蹤定位算法的總體框架，攻克該技術只是時間的問題。該算法要保證視覺的穩(wěn)定性與準確性，精準的GPS系統(tǒng)對此大有助益，中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)累計發(fā)射31顆衛(wèi)星，到2020年能提供的導航服務將精確到具體車道，位置精確到厘米。目前有研究成果的智能手機AR跟蹤定位工作，需要借助硬件設備。用傾角儀以及加速計來實現(xiàn)智能手機的絕對姿態(tài)跟蹤定位， 并且可以借助藍牙接口對手機進行測量數(shù)據(jù)信息的及時發(fā)送。

（二）場景識別

戶外運動時的場景變換速度快，若將全部大環(huán)境的三維地圖都實現(xiàn)全景顯現(xiàn)，系統(tǒng)的運轉速率很難跟上，極易發(fā)生卡頓現(xiàn)象。各種設備都無法模擬肉眼的識別能力，延遲卡頓會影響用戶體驗，取代的可能性降低。面對環(huán)境的復雜性，圖像檢索技術以及目標識別這兩種技術必不可少，將三維降低為一維。用GPS初步識別圖像中的物體，與數(shù)據(jù)庫比對，達到識別的目的，再將虛擬信息投射至眼前。

AR設備受視場的限制，制作時要盡量做到高幀率、低延遲、大視場角。讓用戶體驗到沉浸感，AR世界必須與現(xiàn)實世界無縫融合。一旦視野受限，仿佛在用望遠鏡看世界，不適感油然而生，也就談不上沉浸感了。場景增強和變更也是服務器要實現(xiàn)的，運用AI人工智能增加新增場景的真實度。

（三）數(shù)據(jù)通信和傳輸

如今通訊的便捷造成了不可逆的技術依賴，數(shù)據(jù)間的無線傳輸還是通信，需要WiFi、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡、GSM、GPRS完成。但是無線信號的覆蓋率不能達到百分之百，用戶要根據(jù)所處環(huán)境選擇適當?shù)臄?shù)據(jù)傳輸方式，當前4G網(wǎng)絡覆蓋廣、傳輸速度快，因WiFi對使用范圍有要求，所以4G是受眾選擇最多的方式。另外，即將進入市場的5G技術必會加快數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎头€(wěn)定性。獨立的移動端設備不能只配備一種無線網(wǎng)絡通信方式，要盡量保證不受地域、天氣的影響。

（四）電池續(xù)航

戶外運動擔心的基本問題之一是設備的待機時長，這與電池技術密切相關，同時，電池續(xù)航能力也是評判設備好壞的重要標準。另外，高節(jié)奏的生活還要求電池快充。比較成熟的有鋰電池、氫燃料電池等，由于在安全性、可靠性、能量密度、循環(huán)壽命等多方面性能優(yōu)勢明顯，固態(tài)電池被行業(yè)內(nèi)認為是較為理想的下一代電池技術體系。

四、AR技術在戶外運動應用的前景展望

增強現(xiàn)實技術在戶外運動應用方面，以多功能移動端的形式出現(xiàn)才能占據(jù)市場。數(shù)字技術的發(fā)達，當代人已離不開GPS、上網(wǎng)、通訊、人工智能等功能，電子產(chǎn)品也要小巧輕便。因此，從性價比、便捷程度上智能手機的地位無法撼動。但是從AR技術的發(fā)展速度與自身優(yōu)勢來看，未來能取代智能手機的言論也非天方夜譚。目前場景模擬已經(jīng)初步實現(xiàn)，宜家的AR軟件IKEA Place（Apple ARKit平臺），通過移動設備將產(chǎn)品放置在任意場景，消費者可以感受“真實”的效果。《刀劍神域》中有一幕是AR設備根據(jù)現(xiàn)實環(huán)境構造出跑步機運動的場景，使用者未使用任何手持設備，根據(jù)喜好更換環(huán)境、音樂等。這也勾畫了人工智能與AR配合的未來藍圖。那么使用場景在戶外時，AR設備會根據(jù)用戶的思維模式，自動提供各種信息，并對危險進行預判，最終解放了使用智能手機的雙手。

不能忽略的是，AR技術在推動游戲變革方面會大有助力。研發(fā)人員和游戲愛好者們都幻想過未來AR游戲的世界，但從運動量上看，可以作為戶外運動的一種形式，因為整個世界都能成為游戲場地。目前接觸的手游、端游都是屏幕內(nèi)的固定世界，如果不考慮技術和成本，AR游戲可將現(xiàn)實世界變?yōu)橛螒驊?zhàn)場。射擊游戲、拳擊游戲等，游戲NPC會從生活環(huán)境中出現(xiàn)，玩家本身成為游戲角色，徹底從屏幕里解脫。如此，游戲中會涉及搏斗、追逐、攀爬等各種運動，所以危險性大大增加，一旦大規(guī)模的AR游戲研發(fā)成功，必須要與政府協(xié)商制定相應的法律，否則后果不堪設想。

五、結語

現(xiàn)實增強技術發(fā)展后期，會是大型服務器與微型AR設備的結合。由于受技術、成本的限制，AR設備得不到大規(guī)模普及，停留在軟件階段。雖然前景廣闊，但未來還有很長的路要走。（作者單位：安徽財經(jīng)大學文學院）

項目基金：本文系安徽財經(jīng)大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃資助，國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目，項目編號：201810378246。