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摘要：將增強現實技術引入空間展示的輔助設計之中，使得真實的空間與虛擬現實技術相結合，這樣更有利于設計師在設計展示空間以及展品時更加直觀的感受陳列效果。在增強現實輔助設計應用的研究與實現中，使用ARkit的增強現實開發包作為工具進行掃描物體，同時利用unity3d實現對展示模型的實例化，完成將虛擬物體與現實場景的無縫融合，達到提前預覽展示空間效果的目的。通過深入討論和對比增強現實技術在設計方案中的多種應用問題，為展示設計中的研究提供了輔助設計作用。
關鍵詞：輔助設計；增強現實技術；空間展示；app
1引言
由于計算機應用的大量普及以及科學技術的不斷發展，人們開始在眾多領域不斷追求更高的視覺沖擊，外部世界的視覺構造已經不能滿足人們的需求，因此設計師們開始關注虛擬的時空。在傳統的空間展示中，展品的陳列和展廳環境布局會受到設計風格以及空間內部結構等多種因素的影響。為了使展示空間的色調、結構以及展品的陳設布局更加靈活化，我們將增強現實技術引入其中，使得真實的空間與虛擬現實技術相結合，這樣更有利于設計師在設計展示空間以及展品時更加直觀的感受陳列效果[1]。本系統基于ARkit實現對環境平面的識別，利用unity3d實現展示模型的實例化，完成將虛擬對象與現實場景的無縫融合，達到預先預覽展示空間效果的目的。
2設計策略
大致可以把應用的設計開發焦點集中在觀者、環境和技術三大類中，并對每一類所需要包含的內容進行精準分析，提出符合需求的視覺以及技術方面的表現方案，從而方便設計師們針對不同的受眾和環境快速解決設計問題。室內空間展示的主題類型繁多，很多展示設計因其空間時間上的限制不能將其主題特點完美展現，參觀者的定位以及個性化的需求往往影響著整個設計周期，因此圍繞觀者、環境和技術三個主要因素制定研究理論框架。
2.1統一化的框架和個性化的分支
作為一款應用于空間展示設計的應用，它面向的是大眾，因此根據大眾的使用偏好應當具有簡潔的界面、簡單方便的交互方式以及豐富的內容查看區域。根據目前使用較多的智能移動便攜終端的特點，將使用手勢觸摸控制作為主要的交互方式，同時由于當前4G網絡的快速加載，將使用云端來存儲相關信息，這樣可以減輕應用的數據量對手機帶來的負擔。不同類型的展示面對的受眾也有所不同，而且由于文化背景的差異，可將受眾分為多個層次，并且層次之間的跨度較大，很難利用同一個框架將其概括，因此利用統一的理論很難滿足各類不同層次的受眾，因此需要在主導框架的基礎上圍繞一個合適的規則進行分支化的設計，從而使最終的應用更具有廣泛性。
2.2符合觀眾心理的設計預制
在初始的系統中，系統中中會預制多種類型的信息，信息與信息的組合出現是隨機的，通過這種隨機的過程逐漸捕捉到觀眾具有較多高峰時刻的信息組合，高峰時刻的判斷可以通過觀眾在某個信息組合所停留的時間。隨著數據量的不斷增大，最為合適的信息組合也越來越清晰。在這個過程中逐漸增加類似信息組合的數量，一方面可以更好的提升參觀者的游覽體驗，另一方面也逐漸為后續系統信息內容的調整積累更多的數據依據。另外認知負荷理論最早由認知心理學家約翰•斯威勒提出，其基礎是個體認知結構與外界環境之間的交互作用[3]。人們在接收到外界信息后，需要對其進行理解處理，這個過程需要大腦進行思考，每一次思考都會為身體增加一定的負荷，進而產生一定的疲勞感。
2.3特殊環境的快速營造
虛擬物體與真實物體的區別主要是由燈光以及燈光的顏色決定的，因此需要在系統中添加自動調節光照強度和色調的工具，能夠實現快速改變虛擬物體的反光特性。增強現實技術是將虛擬和現實進行疊加，而疊加的方式可以進行任意的選取，但在設計的過程中也會遵循一些規則來提升觀眾的沉浸感和趣味性，例如可以為雕塑、畫作等添加新的元素，使得真實元素與虛擬元素更加吻合。
3系統設計
該應用是由6個部分組成，其中包括：對真實世界物體的圖像采集、圖像的識別跟蹤系統、三維注冊技術、虛擬融合部分、智能終端的顯示和人機交互部分。以上6個核心的技術部分構成了該應用的主干框架。對于各類展示展覽而言，展品是最重要的組成部分，因此圖像采集部分的開發為整個app的實現奠定了基礎，可以利用圖像采集部分獲得展品的相關數字化信息。考慮到設計師對應用的便捷需求，所采用的主要工作方式就是利用便攜式移動終端的攝像或拍照功能作為主要媒介手段，進行圖像采集工作；在圖像采集的過程中，由于不同物體采集環境的差異，而導致初步采集的數字信息存在失真，因此后續系統將利用相關的圖像跟蹤識別算法對失真的信息進行重新識別和處理；完成對真實物體的信息采集和重新處理建模后，以三維注冊技術作為手段通過分析物體與真實空間的比例計算出空間上的尺度，然后通過虛實融合平臺將真實空間物體的數字信息進行精準傳遞，使虛擬物體與其他真實空間環境相融合時顯示出真實的比例大?。蛔罱K將所有畫面信息顯示在智能移動終端的顯示屏上，為用戶展示增強現實的特殊效果。隨著技術的快速發展，智能化的便攜式移動終端已經擁有了較為強大的硬件配置可以獨立處理相關應用程序，這就免去了以計算機作為服務端提供處理工作。通過上圖的展示可以清楚的得知智能移動終端上的AR系統的一系列功能，若是為每一個環節都賦予一定的智能化處理方式，就可以大大提升整個系統的運行歲讀，因此在提高每個環節智能化功能的同時，還應當考慮到網絡帶寬。針對這個問題，提出了兩種的解決方式，一種是在有條件的情況下，盡可能在展覽空間配置網絡系統保證網絡帶寬速度；另一種則是通過特殊的編碼解碼方式將數據上傳服務端，將數據處理的過程交給服務端去完成，移動設備只負責顯示的功能。
3.1圖像采集部分
該部分要完成的任務是利用設備對展品的外形數據進行采集，主要的獲取原理就是，利用設備攝像頭獲得物體在真實空間中的圖像，并運用系統中的模擬光學元件計算圖像中的相關物理參數，并將這些物理參數編碼后以模擬信號的方式，存儲在帶有記憶功能的元器件上[7]。在數據傳遞到服務端或者終端設備上后，通過解碼功能將模擬信號中所帶有的物理量信息還原，并保存在服務端或者終端設備。對待圖像中的光強，通過是利用像素點的灰度值來表示的，因此計算機或者終端處理器則利用圖像中每個像素點的灰度值，對整個圖像的信息進行光強分析，最終將展品形象虛擬呈現在顯示設備上。
3.2識別跟蹤部分
在部分展覽中，展品并不是一成不變的靜態物體，針對動態并具有形態變化的展品，需要采取特殊的技術將其完整化采集后3D成像，因此識別跟蹤技術就是實現這一目的的最佳方式。參考近些年有關此部分的研究資料發現：由于外部空間環境的不同，對物體信息的采集方式存在一定的差異，較為常用并能滿足大部分環境的方式就是利用能夠捕捉識別物體動態變化的外部傳感器以及相應的開發程序。
3.3三維注冊部分
位姿態估計部分的目的是尋找真實物體的三維數據信息與采集到用于虛擬建模的平面圖像信息之間的對應轉換函數。由于是攝像機等設備所采集到的都是平面圖像，因此就需要尋找合適的函數轉換體系，有效的將平面數據信號與空間數據信號進行互換。通過對該部分相互技術的研究可以獲得兩種解決方法，一種是利用攝像機的定位精確的分析出攝像機的坐標信息，使其進行自定義三維注冊；另一種是不用對攝像機的內外參數進行標定，而是為物體建立單獨坐標體系，進行統一的全局方式變換，這種方法可以有效的降低處理器的計算復雜度，提高三維注冊的效率，但是較之第一種方法，成像質量有所降低。
3.4虛實融合部分
虛實融合部分是增強現實的最后一個環節，其主要目的是使虛擬三維模型更加貼合真實空間，在這個部分可以觀察出整個AR系統的構建質量，在這個部分的調試過程中，可能會出現虛擬物體渲染不夠逼真或者比例不合適等情況，導致這些問題的主要原因是：處理器對虛擬物體的分析處理轉換速度較低；坐標信息的不精確，使虛擬空間中的物體只能在注冊表面進行展示，缺乏對真實空間中尺度比例的精確轉換計算。另外光線會對真實世界的空間環境產生一定的影響，而虛擬空間中物體的光源是通過計算機模擬真實環境的，當真實環境中的光源發生一定改變時，虛實融合的結果就會存在銜接上的差異。對待這種問題的解決方法可以采取對虛擬物體光源參數的適時調節，從而到達更好的虛實融合效果。
3.5終端顯示部分
終端顯示部分是整個應用的實現環節，主要目的是使用戶獲得多感官的體驗。人的感官主要借助視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等與真實空間中的各種信息形成一定的對應關系，因此對應用中相對應的部分進行豐富增強，使得人們可以在空間中獲得更多的信息。根據相關研究資料表明，人們通過眼睛從空間中獲得的信息占總體信息量的大部分，因此顯示環節成為增強人體感官的主要方式。
3.6人機交互部分
本應用中，人機交互環節可以通過人機交互的方式將虛擬物體與真實空間重合，基于增強現實的人機交互方式拓展了曾經的人機交互方式界限，不再僅僅是光標的移動和點擊，取而代之的是更加個性化的交互方式，使人和虛擬物體之間產生互動，例如手勢、觸摸等。另外由于各種應用技術的不斷發展促使了各類智能化硬件設備的產生，這也不斷豐富了交互技術，例如智能移動設備的觸控技術、谷歌眼鏡的滑動觸控技術等，為人機交互技術提供了載體。因此在增強現實應用的開發過程中，可以充分利通這些新興硬件設備的優勢為用戶提供更加多元化的人機交互方式，使用戶可以享受到一種身臨其境之感。
4視覺功能的實現
制作三維模型是實現增強現實效果的前提，為了使計算機制作的三維模型更加逼真，則需要對真實物體的外部信息進行精確化的采集。這里我們采用auto推出的autodesk123d，只需要對真實物體進行多角度的拍攝，就可以生成三維模型并導入Unity3d中。
4.1旋轉交互功能
在Unity3D中所創建的虛擬模型的角度是固定不變的，但在實際展示過程中需要根據實際情況對虛擬模型的角度進行調整。利用transform組件就可以實現旋轉功能，由于測試使用的設備以觸摸式智能移動終端為主，因此這里就使用一個觸摸點的左右滑動完成虛擬模型旋轉的交互。
4.2標志物信息跟蹤交互功能
在系統中需要創建一個或者多個標志物來定位虛擬模型出現的位置，所以在選擇標志物時通常使用對比度較大、圖像內容色彩豐富的標志物來獲取特征點。通過使用ARkit實現對平面物體的識別，并將模型放置于指定的位置附近，通過AR相機識別標志物實現虛擬現實的疊加。
4.3對象動畫初始化交互功能
在播放動畫的過程中需要注意動畫開始播放的時間以及播放結束后的狀態，通過函數進行控制，使得虛擬模型出現在視野中時才開始播放動畫，并將動畫的最后一個動作與第一個動作進行鏈接，使動畫可以在觀眾的視野中進行循環播放。
5系統整合與
該應用主要是面向iOS系統，為了使程序能夠穩定的移動終端運行，將系統整合創建成為基于iOS平臺的可執行文件。在U-nity3D中，將針對展品收集到的所有模型、模型動畫腳本以及影音素材進行打包整理并傳入云端，對關鍵的交互技術腳本進行多次調試，并完成界面的整體設計。將整個應用系統中的全部文件進行徹底的收集整合，以確保在最終應用后能夠流暢運行，并且沒有資源丟失的情況發生。
參考文獻：
[1]薛立明.增強現實技術在移動終端中的應用研究[D].山東師范大學，2010.
[2]李可歆.手持設備上基于增強現實的虛實交互技術的研究與應用[D].青島大學,2010.
[3]張良君.室內環境與氣氛的創造.世界建筑導報，2009.12.
[4]陳靖，土涌天，閏達遠.增強現實系統及其應用[J].計算機工程與應用，2001.15:72-76.
[5]楊小亮.增強現實技術在新媒體展示設計中的應用研究[J].藝術教育，2015,08:54-58.
[6]戚鵬，辛獻杰，郭艷，等.基于增強現實技術的工業設計虛擬展示平臺的建設研究[J].科技展望,2015,20:160.
[7]劉越，王涌天，閏達遠.增強現實系統顯示技術研究[J].第三屆全國數字成像技術及相關材料發展與應用學術研討會論文摘要集[C].2004:21-2
作者:劉珊杉 單位:南京藝術學院