利用Unity3D在Android平臺開發移動AR應用的研究

張艷

摘要：隨著近幾年移動智能設備的飛速發展，集成強大的定位系統、陀螺儀、重力加速度等傳感器等模塊的智能手機已經成為當前實現AR技術的理想載體與平臺。與傳統AR技術利用專業的視覺設備方式不同，利用多傳感器并基于手機微處理器分析的Android平臺AR應用系統，具有開發成本低、便攜性強、集成度高等優勢。通過相關“大數據分析”及時的虛擬信息與真實環境信息的融合，該系統將提供用戶更高的體驗與強大的實用性。

關鍵詞：移動增強現實技術；三維建模；傳感器；Android

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）52-0055-02

一、前言

隨著近年移動智能設備的普及，巨大的利潤空間促使各大科技公司紛紛針對微控制器軟硬件進行大力研發。移動智能設備處理器從單核心逐步走向如今的十六核心，同時CPU主頻提高到2.5GHz，強大的運算功能與便攜性提供了移動智能設備無與倫比的用戶體驗與用戶期望。攝像頭的高速發展，將20萬像素提高到如今5500萬像素，許多移動智能設備擁有不遜色于數碼相機的攝像級別。

二、移動增強現實的關鍵技術分析

1.三維建模與三維注冊。三維建模是利用計算機軟件制作三維模型的物體多邊形，然后在其他視頻設備上進行顯示，顯示的物體有現實世界的實體、集成3D軟件虛擬構建的物體。一般模型有三種：第一種是美工使用三維軟件建模；第二種是通過掃描儀進行實際測量建模；第三種是利用圖像或視頻來進行從簡模到高模的不斷完善。目前常用的建模軟件有3dsMax、Maya等，它們共同的特點是使用基本的幾何形狀，通過修改器進行變形、扭曲、鏤空等一系列操作生成復雜的幾何場景。[1]

三維注冊技術指的是通過對目標物體進行計算從而使其數字化，采用智能設備的攝像頭和拍攝到的目標物體所處的相對位置進行識別，投影矩陣通過計算獲取，這些獲得的投影矩陣可將各種虛擬信息實例化，實時地傳遞到圖像平面顯示所要求的正確位置上，并得到合成的最終的圖像，其注冊的精準度好壞與注冊的穩定性直接決定AR系統的成功與否。

基于安卓、iOS系統的智能手持設備（手機、平板電腦等）均已安裝了多種傳感設備，其中陀螺儀可得到設備的實時朝向；重力感應器可得到設備的傾斜角的三維向量；設備上的GPS讓用戶獲得其所在的地理位置信息；攝像頭讓用戶捕捉面前的現實影像，獲取了這些信息，并通過一系列程序的邏輯處理便就能進行三維注冊，更加好的是為了減輕開發者的重復勞動，當前的智能手機操作系統封裝處理了投影矩陣，通過接口函數，開發者便能輕松地獲取投影矩陣，而開發人員自身只要將相關的坐標轉換成程序所需的坐標。[2]

2.顯示載體。在智能設備軟硬件的迅速發展下，AR的顯示設備也在不斷地更新換代，從最初的龐大笨重的頭盔顯示機器，到現在的眼鏡、智能設備、平板電腦等等，目前AR的顯示設備包括了專業的顯示頭盔（HUD抬頭顯示器）、桌面顯示設備、視網膜顯示設備、手持型智能設備、投影顯示設備。[3]

3.網絡與傳輸。對于一些AR應用軟件，主要依靠網絡信號傳輸與遠程服務器數據傳輸來維持有效聯絡。遠程服務器既能儲存大量的數據信息，還能在服務器上進行數據處理，使反饋給用戶的信息更加準確、全面。

三、當前智能設備傳感器測試與分析

1.GPS全球定位系統。GPS是Global Positioning System的簡稱，是當前使用最廣泛的開放民用的定位系統。GPS誕生于1958年的美國軍方項目，并在1964年投入使用，到20世紀70年代，美國三軍聯合研制了新一代的衛星實時定位系統，這便是GPS。GPS系統當時的主要任務是為陸海空提供實時、全天候和全球性的導航服務，并同時運用于情報搜集、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的。

2.重力感應器。重力感應器，又稱重力加速度傳感器，是能夠測量加速度的一種傳感設備，它的主要組成部件為質量塊、彈性元件、阻尼器、敏感元件以及適調電路等部分組成。根據傳感器敏感元件的不同，常見的加速度傳感器有電容式、電感式、應變式、壓阻式、壓電式等。傳感器在其加速過程中，通過測量質量塊所受的慣性力，并利用牛頓第二定律獲取加速度值。

3.電子羅盤。電子羅盤，即數字指南針，它利用地磁場來定北極，從而獲取方向。電子羅盤可利用其內置的磁阻傳感器來檢測磁場的方向。方向向前的x方向的磁阻傳感器、方向向左的y方向的磁阻傳感器、方向向下的z方向的磁阻傳感器可以用來檢測地磁場在該方向的矢量值。

四、Android平臺應用開發與Unity3D建模分析

本系統基于Android5.1版本，數據服務來自于百度，數據交換采用json格式，本地化數據采用xml，擴展性腳本語言采用Lua，渲染API采用OpenGL ES。[4]

1.系統功能描述。本應用是一種基于傳感器式的AR增強現實系統。它可以實現用戶導航，也可以為用戶實現地圖定位。如果當設備與地面沒有平行，用戶可以自主調節導航半徑，來獲取在用戶所需的范圍內的導航信息。在UI界面上會顯示該用戶自定范圍內的所有導航相關的信息點。

2.導航功能模塊。首先經緯度和海拔是通過Android設備上安裝的GPS系統取得，將這些經緯度信息作為參數，從云端服務器接口調用用戶所需的數據服務，實現用戶對當前所定范圍內實時導航數據的獲取；其次則通過Android電子羅盤傳感器獲得用戶當前的方向信息，依賴所獲得的方向信息，軟件根據從服務器上下載的數據，通過算法過濾符合當前設備方向的周邊環境數據，最終在0penGL的三維坐標系中把繪制的附近數據與攝像頭的視頻圖像進行疊加處理，達到虛擬數據和實時視頻信息互相結合的功能。[5]

3.地圖定位模塊。地圖定位SDK使用的是Google Maps Android API V2開發包。與上一版本v1進行對比，v2在對申請密鑰的操作上進行了些許改動，它的應用只能運行在安裝Android 2.2（API Level 8）以及以上版本的設備上，目前Google官方已停止申請V1版本，因此本應用在地圖定位SDK上選用v2版本的開發包。

五、結語

本文利用增強現實技術來設計實現導航功能、定位功能，功能的實現基于傳感器式移動增強現實系統（基于Android平臺），有效地將用戶導航和地圖定位結合在一起。本系統的數據源由維基百科所提供，設備朝向由電子羅盤獲得，設備的傾仰角由重力加速度傳感器獲得，設備的經緯度以及海拔數據通過GPS來獲取，使用智能設備多傳感器的特點，最后根據用戶所處的位置信息從云端服務器接口獲取相關的數據，通過計算疊加到設備攝像頭端，從而達到虛擬對象和現實實時的結合，增進了用戶的使用體驗，具有一定的研究和實用價值。

參考文獻：

[1]Mykletun E，Narasimha M，Tsudik G.Auyhentication and integrity in outsourced databases[J].ACM Transactions on storage，2006，2（2）：107-138.

[2]Juels A，Kaliski B s.Pors：proofs 0f retrievability for large files[c]//Pmceedings of the 2007 ACM Conference 0n Computer and CommunicationsSecurity.New York：ACM，2007：584-597.

[3] Wang Cong，Wang Qian，Ren Kui.Towards secure and Dependable Storage Services in Cloud Computing[J].IEEE Transactions on Service computing，2012，5（2）：220-230.

[4]Rivest R.The MD5 Message-Digest Algoritllm[s].RFc 1321.MITI且bomtory for Computer science aIld RSA DATA Security.Inc，ApriI 1992.

[5]葛錦環，李際軍.一種基于MD5值的數字圖像加密新算法[J].計算機應用與軟件，20l0，27（6）：35-38.