增強現實輔助設計在虛擬互動中的應用研究

胡曉琛　鄧冰

[摘要]AR雖然是由虛擬現實技術發展而來的，但是在概念、特征和硬件設備需求方面都與VF《虛擬現實技術》有著相當大的差異。AR的關鍵技術在于將現實與虛擬、實時互動、三維注冊等一一對應。AR的發展符合當今的時代潮流。能夠輔助虛擬互動應用的設計和研發，大大地激發了設計師的靈感，豐富了設計作品。

[關鍵詞]增強現實；虛擬互動；輔助設計；三維注冊

增強現實（Augmented Reality，下文簡稱AR），作為先進的三維交互技術，誕生于19世紀60年代，當移動互聯網時代的智能手機平臺iOS和Android系統出現后，針對AR技術的研究和應用出現了突破性的進展。曾經出現在科幻電影中的情節可能真實地被還原到現實生活中，人們可以在空氣中通過手勢對智能設備發出指令。

一、增強現實技術

（一）發展趨勢

未來的一個時期內社會發展的特征主要由技術發展趨勢所決定。美國巴特爾研究所的研究報告中列舉了10項最具有戰略意義的技術趨勢，其中增強現實技術名列第10位。全球知名的咨詢公司Gartner在分析行業數據的基礎上指出：增強現實技術將在未來五年內進入商用市場，成為主流科技產品的普遍功能。

Gartner公司從1995年起就繪制技術成熟度曲線圖用來描繪創新技術所經歷的過熱期待期、幻覺破滅期和回歸現實的過程。通過這種方式分析并指出了這些技術采用的最佳時間和地點，從而獲得最大化價值和技術影響力。技術成熟度曲線大致可以分為五個階段“技術萌芽階段（Technology Trigger）、期望峰值階段（Peak of Jnflated Expectations）、泡沫化谷底階段（Trough of Disillusionment）、穩步攀升階段（Slope of Enlightenment）、實際生產高峰階段（Plateau of productivity）（見圖1-1 Gartner曲線）。

（二）虛擬現實與增強現實

隨著二維交互限制被三維交互打破，人機交互的方式提供了一種自然而直觀的交互行為方式，主要的實現技術包括虛擬現實技術（Virtual Reality，簡稱VR）和增強現實技術（AR）。增強現實和虛擬現實同樣具有“虛擬-真實連續性”的特征，就是把虛擬環境與真實環境分別作為兩端，處于兩端中間的區域則被稱為“混合實境（Mixed ReaIity）”，靠近真實環境一端的是增強現實，靠近虛擬環境一端的是虛擬現實（圖1-2混合實境）。簡而言之，混合現實是一種新型的可視化環境，融合了現實世界和虛擬世界兩個部分，允許真實存在的物理對象與虛擬的數字對象同時存在并且實時互動。

與增強現實相比較，虛擬現實創造的是一個全新的虛擬世界，而增強現實則通過將真實環境與虛擬環境相結合把人們拉回到真實世界的互動中來，同時在真實世界上輔以虛擬的數字信息，進行數據信息或可視化信息的增強和擴展。AR可以使真實環境與虛擬現實結合，它是以假設性和互動性為基本特征的人機交互系統的高級形態。而VR更專注于沉浸式的特征，促使用戶在三維構建的虛擬空間中活動。由于此特征上的差異，從而導致了增強現實與虛擬現實所使用的硬件設備也有所不同：VR采用的頭盔顯示器具有浸沒式的特點（圖1-3），而AR采用的頭盔顯示器具有透視式的特點（圖1-4視頻透視顯示器）。

（三）系統要求

增強現實系統主要由廣電現實技術、交互技術、計算機圖形技術和可視化技術等創造出一個或數個在現實中并不存在的虛擬對象，并通過三維注冊技術將虛擬對象精確地放置在現實環境中，使用戶產生一種虛擬與現實融合的感覺，從而無法區分物體是真實還是虛擬的屬性。因此增強現實系統可以“將現實帶入虛擬，讓虛擬增強現實”。虛擬互動系統中的增強現實功能具有兩方面的要求：其一，功能性要求，既包括視頻捕捉、實物跟蹤、虛擬信息、信息現實等；其二，非功能要求，包括可移動性、系統平臺需求、用戶需求、設備需求和環境需求等。

從軟件和硬件角度入手，能滿足上述具體功能的設備主要包括：硬件設備，如攝像頭、傳感器、控制設備、顯示器和存儲傳輸設備。其中最關鍵的設備是顯示設備，比如能夠使用戶直接透過顯示屏（或透明鏡片）看到真實世界的影像，同時又能提供將虛擬影像投射到顯示屏（或透明鏡片）上的裝置，從而使用戶看到由電腦合成好的虛實結合的影像（圖1-5）。

一套AR系統包括了計算機輔助系統、視頻輸入輸出轉換系統、人機交互系統、動態捕捉系統、視頻現實系統和傳感系統。這套系統除了符合高質量要求的硬件外，還需要一套與之配合的成熟的軟件。只有當軟件與硬件系統同時達到要求，并且在實際設計、應用過程中具有豐富的經驗，才能設計并產出一套符合用戶完美需求的系統。

二、核心技術

虛擬互動系統中的增強現實技術主要包括三方面的核心技術：顯示成像技術、跟蹤定位注冊技術、交互技術。

（一）顯示成像技術

增強現實系統中使用的顯示器可以分為頭盔式顯示器和非頭盔式顯示器。后者包括了DRT平面LCD顯示器，投影式顯示器（Projection Displays）和手持式顯示器（Hand-held Displays）。下面將以目前最新的谷歌眼鏡（Google Glass）作為案例來說明頭盔顯示器的工作原理，并通過iOS應用軟件來探討手持式顯示器。

1.谷歌眼鏡

特工佩戴著特制的隱形眼鏡走入大街，就能夠實時掃描并識別人的臉部信息，從而迅速的從人群中發現目標，獲取機密（圖2-1）。這是在電影《碟中諜4》里面出現的科幻鏡頭，科學家稱這樣的設備真實應用將出現在一二十年后。目前谷歌發布的GoogleGlass（谷歌眼鏡）已經初步實現了這項功能。谷歌眼鏡于2012年4月發布，是一款可穿戴式智能眼鏡，其提供了增強現實技術服務。它集成智能手機、GPS、相機于一身，用戶可以通過它擴展眼前的實時信息數據，包括眨眨眼拍照上傳、處理文字信息、查詢天氣路況等，同時支持藍牙功能和智能手機同步（圖2-2）。谷歌眼鏡代表了未來科技的發展方向，實現了人與機器、現實與虛擬、互聯網與人際間交流方式的革新。它的工作原理具有以下特征：endprint

（1）空間計算

全球知名軟件公司Occipital的研究數據表明，相機已經成為采集信息使用率最高的傳感器之一，目前受到計算機圖形算法和移動智能設備硬件的限制，增強現實技術的潛力還遠沒有發揮出來。

（2）互動游戲

Kinect是2010年1月4日時微軟推出的體感捕捉設備。它成功的將多余的外置設備去除，以全新的方式將體感互動融入到游戲生活中，廣泛的進入商用市場。這款設備不僅能識別玩家的身體動作，同時可以辨識語音，成功地使用戶的身體成為游戲的控制器（圖2-3）。

（3）人腦感知

人腦感知技術與增強現實的結合可以使設備更好的理解用戶的行為，比如通過智能方式感知人類的腦電波，從而使用意識控制信息的顯示或者根據心情給予生活的建議。這些想法已經不再是酷炫的科學幻想，例如InteraXon（圖2-4）就推出了一款通過腦電波來控制窗簾及燈光的“腦電波感應式頭帶”。

（4）交互提升

運用增強現實技術設計內容和動畫，能夠有效地降低交互過程中的障礙，從而更好地提升自然的交互過程。

2.iOS應用程序

從iPhone、iPad不斷更新的iOS系統中，我們可以看到很多新的應用程序。其中一些正在運用增強現實技術為人們的生活、工作提供便利，而AR技術的應用正在朝著“隱形”方向發展?？纱┐髟O備的技術發展使我們不再局限于使用4英寸顯示器去觀察生活，也不用時時刻刻關注手機，而是讓設備關注我們。例如：在實體桌子上向一個虛擬籃球筐里投擲虛擬的籃球（圖2-5）。Find Your Car在你把車停好之后，使用手機給停車位置加上標簽，當你想開車回家的時候，就能夠借助Find Your Car快速找到自己的車子（圖2-6）。

（二）定位（跟蹤、注冊）技術

目前從增強現實和移動位置服務結合的發展趨勢來看，越來越多的餐館服務、旅游服務、天氣服務等最大的特征就是在屏幕上提供和可見實景相關的信息，并通過獲取數據庫中的地圖信息向用戶提供更大距離范圍的相關信息。注冊的主要目的是使虛擬物體與標識物能夠按照設計意圖在真實場景中準確顯示，同時具有相同的位置信息和狀態。目前，定位技術包括全球衛星定位系統GPS、視頻監測、光學系統、超聲波、磁場、機械裝置等。

AR系統通過大量標定測量值來生成精確定位，包括：攝像機參數、視域參數、對象定位及變形參數、傳感器偏移參數等。采用的技術包括：攝像機標定、手動AR標定及開發自有的標定繪制器。衡量定位技術的標準主要是：精確性、實時性和操作范圍。通常需要的精確度越高，容易導致錯誤的源就越多。但是隨著計算機視覺圖像算法和硬件設備的改善，攝像頭的信息采集精確度將越來越高，逐漸成為最終要的AR系統傳感器和輸入設備，這不僅是AR技術的發展趨勢，也是整個計算機產業的發展趨勢。

（三）交互技術

人機交互指人與計算機之間的對話語言或行為方式，從而完成信息的交換過程。它包含了計算機圖形圖像學、心理學、人工智能等跨學科的技術。隨著傳感器、力反饋等硬件設備的發展，科學家對于人類個體差異、體感認知的研究不斷發展，人機交互成為了信息產業競爭的關鍵技術，其設計理念也實現了向“以用戶為中心”的轉變。在人機交互中的用戶界面（User Interface，簡稱U1）是人機間信息交換和傳遞是否成功的重要端口，一個用戶界面設計的優劣直接影響到人機交互的效果。交互設計的過程包括：“用戶研究”、“設計分析”、“原型制作”、“查證評估”四個步驟（圖2-7），關鍵技術包括：頭盔式顯示器、光學透視式顯示器、定位系統和移動計算。

1.用戶界面的演變過程（圖2-8）

2.以用戶為中心

以用戶為中心是指設計必須是滿足用戶需求的、可行的，能夠產生商業價值的設計。交互設計之父Alan Cooper提出的以目標為導向的設計，提倡將用戶的需求放到第一位。而增強現實技術在虛擬互動中的運用，則可以滿足用戶的特殊體驗要求。用戶作為最終的使用者，決定了界面設計的功能與形態，用戶在使用過程中的滿意度直接決定了交互界面設計的成功與否。

三、虛擬互動設計中的應用

增強現實輔助設計順應了時代的發展潮流，能夠豐富數字時代設計作品的展現方式，并為交互設計帶來新的活力。它把‘用戶體驗”的概念導入到交互設計中，融合了虛擬互動應用的特點和“感官交互”、“行為交互”和“反思交互”設計方法。以用戶需求為前提進行技術選擇及內容制作，盡可能達到人、機器和環境的自然交互。

1）感官交互：圖像、聲音等計算機生成的數字信息通過人的視覺、聽覺、味覺、觸覺等感官層面的感受變化進行互動，產生實時的圖像或聲音信息的互動交流。

2）行為交互：增強現實中實現的虛擬物體與人在行為上進行互動。但是無論交互實現的多么完美，由于缺少了圖像中物體重量、軟硬、速度等多角度的感官體驗，給人的感覺仍然是“虛擬”的圖像。

3）反思交互：通過人的思想直接控制現實世界中展示物的變化，通過增強現實技術實現對人在交互行為過程中精神反思層面信息的捕捉。采用最新的腦機接口（Brain-Computer Interface，簡稱BCI）技術可以達到用人的意念控制真實物體移動的效果。

比如來自美國的一個三人團隊在四周時間內開發了一款名叫Ikea Now的免費應用（圖3-1），通過AR讓買家具的過程變得更加直觀。用戶用智能手機打開這款軟件時，攝像頭就會打開，并呈現現實的畫面，在APP里選擇一款家具，這個家具的圖像就會插入到現實場景中。

（一）界面設計

在增強現實的界面設計中，真實世界將按照設計意圖作為背景圖層疊加虛擬物體出現，設計人員不僅可以看到顯示窗口中的全部元素，同時還要確保所有的元素都放置在準確的位置上。除了能夠整合圖形軟件中計算機生成的信息和設計作品時的真實圖像，系統還允許設計人員添加注釋、評論和誤差等信息。

增強現實系統采用的是基于任務的多通道用戶界面模型設計方法，通過整合多個通道的信息來源，使用自然的方式完成界面的操作。系統的層次框架為：交互任務整合器和場景管理器兩大部分。交互任務整合器負責將多個通道輸入的信息進行轉換，形成特定的交互任務。交互設備則包括了鼠標、攝像頭和語音設備等，交互設備需要根據具體的交互需求來增加或減少。場景管理器，負責管理場景中的虛擬物體，通過分析交互任務整合器發來的指令，修改場景中虛擬物體的屬性，進行相應的計算機算法和語義的反饋。場景管理器負責生成圖像和語音信息，并分別交給顯示器和語音設備進行處理。

（二）情感設計

隨著增強現實技術的不斷發展，許多設計奧秘逐步被揭開。正如英國的增強現實設計師James Alliban所說，“人們依靠各種信息被準確無誤的添加從而做出決策。”“情感設計”的理念正在當代“以用戶為中心”的交互設計中被廣泛應用。蘋果公司＼前副總裁Don Norman博士在《Emotional Design：Why We love（or Hate）Everyday Things》中倡導設計從實用性到美學的轉變，“一個好的有凝聚力的產品開發，應該看上去美觀，用起來舒心”，這就是在交互設計中被廣泛應用到的情感設計的最好總結。endprint