基于Unity3D的增強現實技術研究

馬紅芝

摘要：增強現實技術是計算機視覺領域研究的熱點，通過虛擬信息與真實環境的融合，以自然的人機交互方式，增強用戶的體驗。本文闡述了增強現實的應用現狀，分析了其實現條件，闡明了基于Unity3D進行AR開發的關鍵技術。

關鍵詞：Unity3D;增強現實;虛實交互

引言

增強現實，也就是近幾年來興起的AR技術，簡單來說是指將計算機智能產生的虛擬物體與現實場景進行疊加的技術。該技術可以讓用戶通過人機交互的形式沉浸在計算機所搭建的虛擬場景中，享受感官的真實體驗。AR技術的興起和使用不僅僅向用戶展示了一些接觸不到的真實世界，還將虛擬的信息加入進來，現實與虛擬通過計算機語言的方式進行科學結合，實現互補和疊加的效果。該項技術已經成為了現代新型科學研究的一項熱點。

信息時代的到來，手機等移動設備大范圍普及的背景下，AR技術在移動終端上的使用具有巨大的潛在發展價值，各行各業的投機巨頭都把目光聚集到這一產業發展中。自2009年蘋果公司首次在智能手機的設計中加入AR技術起，Google公司也相繼推動了AR研發。

紙質和固有的多媒體形式，顯著的缺陷是缺乏互動性。例如，現在紙質刊物上通常只能看到商品及報價信息等，而有了AR技術之后，借助相應的APP則可以使用諸如3D試穿等功能。AR技術投入使用之后，還可以解決查找信息步驟繁瑣的問題。能夠讓用戶在操作簡單的情況下，直接獲取到眼前物品的具體信息，甚至還能與書中的角色、人物等進行交流互動。

目前，AR技術在國內的發展前景是較為廣闊的，產業化進程也在加快，但相關的移動業務要更進一步，還需要克服許多技術上的難題。

本文將從增強現實技術的應用出發，分析其框架和具體應用形式，并對該項技術的應用前景進行展望。

1.AR技術的應用

根據筆者前文的說明，增強現實（AR）技術可以將虛擬構建的場景與現實背景實時結合起來，具有十分廣闊的應用前景。當前，AR的應用領域已擴展到工業制造、醫療、教育、軍事、旅游、影視娛樂等多個領域。

1.1醫療行業AR技術

增強現實技術在醫療系統已有較為成熟的應用。醫生在進行難度較大的手術的時候，可以將增強現實技術作為輔助技術來應用，利用AR技術生成的圖像可以作為外科醫生手術的指引。

在進行診斷等前期工作的時候，利用外部傳感器——電腦CT斷層掃描、核磁共振機器成像等方式，將病人體內的肉眼不可見的構造通過3D影像進行顯示，從而給醫生診斷提供科學依據。

與此同時，AR手術輔助系統能夠把成像的歷史數據與病人實際的情況結合、比較，并反饋出實時的結果，相當于在外科手術進行的時候給醫生安裝了透視眼鏡，由于有了這些設備，醫生能夠通過病人實時的情況變化快速置頂合理的治療、手術方案，減小手術進行的風險。目前該類醫療輔助系統在創傷型小型外科手術中應用最為廣泛。

AR技術在新冠肺炎的診治中，也發揮了重要作用。例如，昆明某醫院在診治新冠肺炎病例時，運用AR/5G互聯網三維數字新冠病毒遠程會診系統，兩地專家佩戴AR眼鏡，實時溝通協作，實現了遠程會診。

1.2軍事方面的AR技術

隨著科技的發展，軍隊的技術應用也在與時俱進。軍隊通常會利用增強現實技術來作為軍事演習、訓練等活動的輔助，甚至進行實戰場景的模擬。

例如，在新興的武器要投入使用之前，軍隊的士兵會通過AR系統來進行新興武器的模擬使用，了解該武器的使用方式和注意事項。可以大大降低在武器正式投入使用之后使用不當造成的損失乃至人員傷亡。

1.3商業方面的AR技術

信息時代，AR技術投入商用已經不再稀奇，在一些商業場合中，可以通過使用AR技術讓客戶獲得更加沉浸式的體驗。例如，企業在進行商業廣告宣傳時，傳統形式的廣告宣傳只是零交互的多媒體形式，例如圖片展示等，不能保證用戶在觀看過程中的體驗感。一旦使用增強現實技術，能夠讓用戶親身體驗到產品的功能性，甚至與實物相差無幾，用戶能夠獲得比肉眼觀看廣告更多的產品信息，從而對產品有更全面的了解，增強宣傳效果。

1.4旅游方面的AR技術

借助AR技術的虛擬場景（或物體）與現實環境融合，可以給游客營造“在場感”。運用AR技術和移動互聯網，游客可以與景區實時互動，更方便的獲取游覽信息，更人性化的安排游程。目前，AR旅游最常見的是導覽、導航、導游、導購等應用場景。

2.增強現實技術的實現條件

增強現實的實現，應當滿足硬件及軟件兩方面的要求。就前者而言，需要利用計算機、顯示器、傳感器以及網絡的設置，并需要有相應的感應物體，該物體要求是現實存在的真實物體，以便設備傳感器能夠及時捕捉到物體的實時位置。隨后根據客戶對AR實現效果的要求，如清晰程度和真實程度，選擇實現該技術的設備——移動終端或PC端，其中移動終端不僅包括手機，還包括平板電腦、AR眼鏡以及集成式GPS等。我們可以通過多種渠道和方式實現AR技術，但最為普遍的就是手機作為載體的實現方式。作為現代人最熟悉也最普及的移動設備，手機的普及度和接受度都是最高的。

對于軟件方面的要求，一般需要專業的3D渲染引擎和增強現實開發工具包。市面上比較成熟的有Unreal Engine、Cry Engine和Unity3D。其中使用較為廣泛、適合開發移動端應用程序的是Unity3D平臺。Unity是一項集成多平臺使用的綜合性能的游戲開發工具，能夠讓游戲玩家輕松構建3D視頻游戲，實現建筑可視化以及3D動畫，屬于互動型實用工具。因其功能強大，易于上手，支持跨平臺開發，Unity受到了廣大開發者的青睞。Unity公司提供了用戶共享服務，通過社區的建立，使Unity3D用戶能夠跨區域交流。此外，Unity還提供免費的開發方案和教程等，非常適合剛接觸的工作者。綜上所述，筆者認為Unity3D作為開發工具，是進行AR技術開發的首選。

3.基于Unity3D的AR關鍵技術

AR技術，其本質就是將虛擬的影音、圖像、3D形象等通過硬件軟件結合的技術處理，與真實世界存在的物體相結合，進行融合疊加，向用戶展現疊加之后的效果，將虛擬世界搬進現實。在進行虛實結合展現的過程中，AR技術的關鍵是將構建出來的虛擬形象與現實相同步。其原理如下圖所示：

3.1獲取攝像頭圖像

借助終端設備上的攝像頭獲取識別對象的圖像，通過所識別物體的真實圖像，記錄對象的特征和關鍵點，將這些特征與系統中存在的識別圖進行一對一匹配，并達到虛實結合的效果。想要實現這一功能，可以使用Vuforia SDK。這是一款由美國高通公司針對AR技術移動終端的軟件開發應用而研究的工具包，支持對物體的本地儲存識別和網絡云識別兩種物體識別方式。該工具包是通過對終端設備攝像頭的調用，應用視覺技術對可識別物體進行實時識別和捕捉，從而控制虛擬物體的位置與識別物體的位置達到一致。

3.2圖像檢測和匹配

圖一中Marker所指的是識別圖，對于計算機來說，其本質是二維矩陣形式，該方式經常被使用于影像識別技術之中。計算機通過內部設置的算法，對圖像進行識別后，讀取二維矩陣的構成信息。通常的運作流程是，計算機對捕捉到的識別圖進行儲存，然后進行數據計算，再讀取攝像頭影像的虛擬物體的坐標，并通過圖像處理技術在現實物體的坐標處進行虛擬物體的成像。最終使二者達到融合的效果。

針對不同特征的識別圖，應當使用指定的AR技術，其對應關系已經在國內外得到了較多的研究成果。

3.3實現虛實相結合

在進行完以上兩個步驟之后，計算機中已經生成并儲存了虛擬物體的三維坐標，緊接著需要進行最關鍵的部分——虛實結合。這個部分的具體操作一般分為三個模塊進行，三維注冊，物體形態位置以及光照條紋調節。只有控制三者的數據達到協調統一，設備所呈現的虛擬影像才更加真實化。當所構建的虛擬場景面臨失真的情況時，三維注冊會對虛擬、現實的物體進行重新實時跟蹤，確定位置并根據變化調整設備設定值，從而具備自動糾錯的功能。

虛實相結合的操作有時也會受到環境因素的干擾，例如外接光照的變化，可能會影響成像的效果。因此一般對于設備開發商來說，會在穩定的室內環境中對設備進行功能測試，性能達到穩定值之后再進行室外實驗。

3.4三維模型渲染

AR系統需要具備十分強大的成像功能，因而三維模型渲染是非常重要的部分。Unity3D的渲染系統非常強大，具有高度優化的圖像渲染管道，和實時高效的物理引擎，可實現逼真的效果和豐富的交互。在Unity里導入事先處理好的素材，創建場景并在其中設置好ARCamera，在Scene面板中調整好標識物和模型的位置。通過虛擬相機將虛擬物體和真實場景疊加起來，并根據需要適當地進行調整，然后編寫功能代碼，反復測試和改進，最后發布成應用程序。

4.結束語

一般認為，增強現實技術是一項在虛擬現實技術的基礎上發展起來的技術，它將虛擬成像與真實場景進行結合，兩種場景形成一種互利互補的關系，最終增強用戶的體驗。

開發者可以利用Unity3D強大的渲染和交互功能，方便快捷的操作，進行快速高效的AR開發。相信在信息時代的大背景之下，尤其是5G時代的到來，增強現實技術的應用領域將會更為廣闊，形式將會更為多樣。

參考文獻：

[1]梁磊，李英杰，趙新偉，等.基于Unity3D移動增強現實技術的景觀智慧旅游導覽探討[J].計算機產品與流通，2020（5）：2.

[2]李金玲，趙志強.基于Unity3D移動增強現實技術的景觀智慧旅游導覽研究[J].軟件導刊.教育技術，2017，16（1）：3.

[3]張煦暉.基于Unity3d的增強現實技術（AR）的應用與研究[J].大科技，2019（27）：215-216.

[4]李東陽，程曉榮.一種基于unity3D的增強現實方案[J].中國科技信息，2018（13）：55-56.

[5]Michel Artiles尹天樂.基于Unity3D的安徽師范大學增強現實瀏覽器[D].安徽師范大學，2018.

[6]高文銘.基于Unity3D的虛擬校史館的研究與開發[J].科技資訊，2020（35）：41-43.

[7]顧嘉偉，張艷鵬，曹大元，等.基于Unity3D與AR技術的虛擬實驗系統設計與仿真[J].2014.

課題信息：永州市2016年度指導性科技計劃項目《基于Unity3D的增強現實交互App開發》（永科發[2016]27號）。