基于增強現實的膳食營養搭配平臺設計及應用

李澤琳 王血融 孫炳辰 尚憲剛 劉克

摘 要大眾對飲食健康和膳食營養搭配日益重視。為克服營養知識不全面、缺乏科學指導等膳食搭配問題，基于增強現實的膳食營養搭配APP采用增強現實技術和膳食營養計算搭配相結合，把膳食營養搭配計算方式嵌入開發平臺。利用平臺采集的身體基本健康信息，交互性、可視化的搭配方式更加便捷和準確。軟件平臺將面向普通和患病人群，為營養均衡提供實時、科學的依據。

關鍵詞增強現實;膳食搭配;營養均衡

1 系統構建

1.1 需求分析

目前，居民的食物需求得到了極大滿足，營養狀況得到進一步改善，但膳食結構仍然不盡合理。心臟病、糖尿病、肥胖癥等“富貴病”隨著生活質量的提高隨之而來，膽固醇血癥及其相關的心血管疾病也有著較高的死亡率和致殘率。國際知名營養學家坎貝爾教授十分明確的觀點就是：以動物性食物為主的膳食會導致慢性疾病的發生（如肥胖、冠心病、腫瘤、骨質疏松等）;以植物性食物為主的膳食最有利于健康，也最能有效地預防和控制慢性疾病。近些年來的實驗室研究以及臨床研究資料一致表明，所有的膳食成分，包括脂質、蛋白質、碳水化合物、膳食纖維和微量元素，其質和量對血漿脂蛋白均有影響[1]。 由于計算方式復雜且需要一定的營養知識，在現實生活中少有人計算膳食營養的合理搭配比例。但對于患有相關疾病的患者，他們在飲食方面有著合理搭配計算的需求。缺少專業知識、計算困難的問題亟待解決。近年來，虛擬現實技術和增強現實技術飛速發展，可應用在生活的方方面面。本平臺將探討增強現實技術與營養膳食搭配相結合的應用。

1.2 研究現狀

營養膳食搭配一直是研究的重點，也有研究表明，營養膳食對身體健康有一定的影響，我國的膳食寶塔也早就建立，包括對糖尿病人的飲食研究都已經取得不少成果。但也僅有一些網站進行營養膳食的搭配的宣傳并給出部分已搭配好的菜譜，無法給用戶進行自由選擇的機會，也不能針對用戶的個體性差異給予正確的指導。

據Digi-Capital的報告顯示，2015年，投資者對虛擬現實和現實增強領域的投資總額接近7億美元。增強現實的技術的發展在全世界得到廣泛的關注和歡迎。在我國，多媒體、三維建模、場景融合等新技術與新手段疊加到現實世界不斷得到應用和技術挖掘。國內生產方式和生活等領域也因此逐步出現改變。由于AR技術，北京理工大學王涌天課題組研究的基于增強現實的圓明園景觀數字重建技術將部分圓明園遺址作了很好的還原，真實感得以增強，游客可在圓明園廢墟前看到重建后的皇家園林。華中科技大學的蔣欽云提出的三維注冊方法，提高注冊精度。此外，中國增強現實核心技術產業聯盟（China Augmented Reality Core Technology Industry Alliance，簡稱CARA）宣布正式成立，同時首屆高峰論壇在杭州舉行。國內的增強現實的發展如火如荼。

由于增強現實技術獨有的特點，在知識表達和傳播中比單純文字和語言更具有優勢，也出現了部分平臺將營養膳食搭配與增強現實技術相結合。例如，騰訊公司開發出的“虛擬餐桌”，徐建紅等開發的基于虛擬標識虛擬營養信息。但將增強現實與每日餐飲的攝入量、營養搭配等結合研究較少，這與目前用戶的需求還有一段較大差距。

1.3 平臺營養理論

想要健康長壽其中一個主要的方面就是要保證營養的攝入要全面且合理。可以說，決定人類生命衰老程度和健康是飲食習慣和生活習慣[2]。人類必須通過食物來攝取身體必需的營養，而每種食物所含的營養成分又不同。如果飲食攝入不夠合理，便容易導致疾病。糖類、蛋白質、脂肪、維生素和礦物質是人體所需要的五種重要的營養素，在飲食攝取中要保持一定攝入量。在膳食營養搭配中還要注意食物的酸堿搭配，使符合人體內的中性環境。膳食營養搭配中的粗細糧搭配、葷素搭配也是不可少的。蔬果中的鉀鈣、鈉、鎂等的堿性食物與糧、豆、肉等酸性食物的比例攝入，維持有機體酸堿平衡，也就是人們所提倡的“葷素混食”的說法[3]。而針對糖尿病等患病人群，他們的營養需求與普通人群不同，需要做到少攝入糖類，多補充膳食纖維，從而達到控制血糖水平的目的。

以糖尿病患者為例，在飲食方面他們不僅要控制主食還需要控制副食，更需要一些細化的飲食指導。營養成分計算法、食物交換份法和手測量法等多種方法的準確應用就顯得尤為重要[4]。本平臺根據《中國食物成分表》和各標準公式，通過公式計算人一天中所消耗的熱量并與他的勞動量相結合，再根據用戶的自身的肥胖度等計算出一餐所需的熱量，并將患病人群的計算公式進行單獨設計編寫。并注意每日攝入三大產能營養素蛋白質、脂肪、碳水化合物的含量限制，分別為10%-15%，20%-30%和55%-65%。再根據《中國居民平衡膳食寶塔》，考慮三餐分配合理，食物多樣谷類為主等問題，同時考慮患病人群營養攝入方面的特殊要求，在平臺設計中增加了油、鹽、酒等的用量限制，進行個體化評估，給出合理的膳食搭配推薦。

1.4 平臺增強現實技術

增強現實技術是虛擬現實的延伸，是將虛擬信息疊加到現實場景中的技術，它能實現現實環境與虛擬信息的無縫結合，將虛擬的信息疊加到現實的生活中，使人有身臨其境的感覺，增強了互動性[5]。增強現實效果的實現需要三維模型，菜品、蔬菜等實物的數據采集是模型重建的基礎。三維模型的點面數是影響最直接的因素，首先由于模型在程序運行過程中CPU需要對加載物體進行不斷運算，如果不能對圖像采集獲得的高精度三維模型進行優化，使用時就會受到極大的限制。其次，模型的體積將會影響互聯網環境下的加載速度。菜品與蔬菜三維建模要突破的技術難關就是在不影響顯示精度的前提下得到最大限度的優化的三維建模結果。所以，此方面主要研究三維模型精度、貼圖表現力和張力與視覺呈現之間的關系，進而據此確定模型優化目標，提出模型優化方法，實現菜品、蔬菜等實物的三維建模，達到精度、體量與性能之間最佳匹配。

擬采用基于特征圖像的注冊方法，主要研究特征圖像采集與制作、圖像特征提取和特征模板匹配等關鍵問題，實現高精度的三維模型注冊。

2 模塊設計

2.1 軟件流程設計

當前手機客戶端的廣泛應用推動著各類APP程序的建立，本平臺也可在手機端應用，方便廣大用戶隨時隨地的進行營養膳食搭配。通過手機端的攝像頭掃描蔬菜單品，利用增強現實技術進行菜品確認。因此，根據用戶的飲食需求以及營養膳食搭配的要求設計了手機客戶端主要有以下的四個功能模塊組成（1）用戶基本信息采集模塊：用戶自主輸入自己的相關信息（性別、年齡、身高、今日勞動強度、體重等）。（2）蔬菜單品獲取模塊：通過移動設備攝像頭掃描當前菜品數據（蔬菜名稱、菜譜、所含能量、食用禁忌等），移動設備出現蔬菜單品的AR模型，用戶進行菜品選擇。（3）數據分析處理模塊：對獲取的用戶基本信息以及膳食要求進行分析和計算。（4）數據顯示模塊：經過計算和膳食搭配后，在移動設備客戶端上顯示最終的營養膳食搭配推薦。

2.2 登錄界面設計

在開發的APP中，用戶登錄界面如圖4所示，用戶輸入自己的年齡、性別、身高、體重等基本信息，以使軟件獲取用戶的基本信息，判斷用戶的體能消耗以及是否為慢性病患者，給出合理的建議。

2.3 掃苗界面及顯示設計

在掃描頁面中，根據圖5所示，用戶掃描錄入的蔬菜單品出現3D模型，以使用戶確認是否為自己想要的菜品;根據圖6所示，系統根據用戶選擇的蔬菜單品為用戶推薦食譜，用戶再進行第二次掃描，反復至搭配完畢。在選擇過程中本平臺還會注意食物相克問題，對相克食物出現警示。為方便快捷，根據圖7所示用戶也可直接選擇已搭配好的推薦食譜。

3 展望總結

我們著手開發的膳食營樣搭配平臺，可以形成移動端的APP，使用戶不受時間空間的限制，隨時隨地進行使用，擴大了用戶的使用范圍。在未來，本平臺還可以跟外賣產業相結合。如用戶不能自己進行烹飪，在本平臺中完成膳食營養計算搭配后，可以直接匹配出合適的外賣配送商家選擇想要的菜品。這更使得產業擴大，同時也更加符合現在上班族飲食多以外賣為主的特點，使用戶年齡面廣，增加了用戶范圍，有較好的發展前景。同時，隨著增強現實技術的不斷發展，會有更好的有關應用面世。

本平臺的普及能夠指導社會大部分人群進行合理的膳食搭配，可提高國民健康水平，具有研發推廣的價值和意義。

參考文獻

[1]朱珠，飲食需要酸堿搭配.健康人生，2005.

[2]王玉璋，中國居民營養膳食手冊，山東美術出版社，2010.

[3]秦惠基.飲食講酸堿營養要均衡[M].人民軍醫出版社.2006：1-357.

[4]楊天需.糖尿病飲食指導不僅要合格，更要細化.醫師在線，2019，9（17）：36-37.

[5]梁慶文.虛擬現實和增強現實技術在汽車產品工藝規劃及性能預評估的應用實踐.裝備制造技術，2019（2）：167-173.

[6]方玉，龔麗青.餐桌奇跡，電子工業出版社，2016.

[7]周一海.糖尿病患者飲食莫要進入七大誤區，2019.