增強現實技術在安檢設備展示上的應用研究

劉溢溥， 李 蒙

（公安部第一研究所， 北京 100048）

0 引言

增強現實（Augmented Reality，AR）技術可以將虛擬的影像疊加到現實場景中，并能支持用戶與其進行交互。隨著增強現實研究理論和工程技術的不斷發展， 增強現實技術在醫療、軍事、工業維修、娛樂、展覽和教育等眾多領域得到了廣泛應用。 特別是在工業領域，眾多制造企業已經使用或嘗試將AR 技術應用于設計、銷售和服務等[1]。

增強現實技術的優勢可以很好體現在安檢設備的展示上。 現有的產品數據囿于2D 的頁面和顯示屏上，現實世界卻是3D 狀態的。 AR 技術針對這一脫節提供了一種新的解決方案[2]。 無需將產品制造出來，增強現實技術將數字設計表達為物理現實， 讓用戶能夠以3D 的形式體驗產品。與傳統的平面媒體展示相比較，通過增強現實技術和設備，客戶可以體驗到三維模型的立體感。 此外，用戶可以在未來安檢設備的擺放場地實際感受設備和環境的融合效果。 這種新的體驗方法將會給企業在產品推介過程中帶來更強的競爭優勢[3]。

對于企業來說， 希望能夠選擇一條快速高效和展示效果好的增強現實技術路線來實現產品的展示。 這一過程主要是完成對硬件和軟件的綜合選擇。 本文將以實現基于增強現實技術的安檢設備展示為目標， 介紹實現其完成的研發過程和最終展示效果。

1 增強現實軟硬件平臺的選擇

1.1 軟件平臺的選擇

增強現實涉及到的軟件平臺包含三維建模軟件和增強現實平臺。 三維建模軟件可選擇項包括Creo、Solid-Works 和UG。在產品建模方面三款軟件差異不大，現有產品均為Creo 建模， 所以以下產品展示所用的模型均為Creo 中建立。 軟件平臺的選擇主要討論實現增強現實的開發環境。

為了完成增強現實的應用， 需要提供一個開發和運行環境。 現有環境或開發工具有很多。

目前 較 為 流 行 的 包 括ARToolKit、Vuforia、Metaio 等，國內的開發工具包括EasyAR， 百度DuMixAR 和幻視AR等[4]。 以產品展示為目標的企業對開發環境的要求包括：①對現有三維模型兼容；②應用廣泛，開發難度小；③產品展示的效果好。

基于以上三項選擇標準，確定了Vuforia 為開發軟件平臺。Vuforia 是世界上使用最廣泛的增強現實軟件平臺，擁有超過25 萬注冊開發者，已發布超過2 萬5 千個Vuforia 應用。Vuforia 被PTC 公司收購后被納入到了PTC 平臺體系，與Creo 軟件兼容性好。 特別是PTC 公司提供了Vuforia Studio 專門用于設計和發布AR 內容。 采用可視化操作界面，可以直接在交互界面進行操作，降低了編程開發的難度。同時，Creo 模型中曲面細節和配色方案可以得到很好的體現。

1.2 硬件平臺的選擇

AR 顯示的硬件平臺是主要指顯示設備。用戶將通過顯示設備觀看和體驗安檢設備。 對于使用的顯示設備的要求包括：

（1） 顯示效果好，立體感強。

（2） 體積重量小，易于攜帶。

（3） 價格合理，能提供設備技術支持。

AR 顯示設備按照形成圖像的位置可以分為頭戴式、手持式和空間式三種[5]。 頭戴式顯示設備，也稱作近眼顯示設備。通常固定在人體的頭部，通過特殊的光學組件使虛擬影像和現實影像疊加后顯示在顯示器上， 來實現增強現實的效果。手持式現實設備借用手持式移動終端（如手機和平板電腦）的顯示屏作為AR 圖像的顯示設備。 手持式顯示設備在使用過程中需要占用使用者的一只手，給使用者的操作與控制帶來不便。 空間式現實設備通過大型顯示屏和攝像機使用戶可以直接參與到三維空間中的AR 交互中。 空間現實設備由于體積龐大，只能應用于固定顯示領域。

對比三種硬件平臺，從顯示效果上來看，頭戴式和空間式立體感最強；從便攜性上來看，頭戴式和手持式重量輕，易于攜帶；從價格上來看，手持式價格最低，頭戴式居中。 基于以上三點，頭戴式顯示設備是最合適的。 考慮到AR 設備需要帶到客戶處予以現場展示，頭戴式兼有立體顯示效果好和便攜性的優點。

目前市場上的頭戴式設備有數十種， 能夠實現增強現實的設備主要有Hololens2、Meta2 和愛普生Moverio BT-300 等。目前技術最為成熟的是微軟開發的HoloLens2，它為該系列的第二代產品， 由微軟公司開發和提供相應技術服務。

HoloLens2 眼鏡具有無線纜、低延時和可多種交互方式等優點[6]。HoloLens2 的是視場角為一代的二倍，單眼達到了2K 的分辨率， 顯示區域的比例也從16：9 調整到了4：3，縱向的視野大幅提升[7]。這些特點都大幅提升了產品展示的效果。圖1 為HoloLens2 的產品佩戴效果圖[8]。頭戴的方式和在顯示效果上的優勢使HoloLens2 成為了被選擇的硬件實現平臺。

圖1 HoloLens2 的產品佩戴效果圖

2 產品展示增強現實的開發過程

2.1 開發過程的基本流程

產品展示的開發流程主要包括模型處理、動畫制作，AR 項目設計與發布，使用HoloLens2 眼鏡進行效果檢驗等。 具體開發流程如圖2 所示。

圖2 開發過程的基本流程圖

2.2 三維模型的處理

安檢設備的三維模型是整個開發過程的數據基礎，在Creo 軟件中完成產品的三維建模和配色。 圖3 為完成配色后的安檢設備三維模型。

圖3 配色完成后的安檢設備三維模型

安檢設備的模型零部件數量多， 外形復雜且整體的曲面數量多。為了增強顯示的真實性，模型采用了接近實物顏色的配色方案。原始模型數據量太大，需要將模型保存成PVZ 格式，PVZ 格式是一種輕量化的模型存儲方式，主要用于表達模型的外形。 改變格式后模型整體的數據量從227MB 降到74MB。

2.3 動畫過程制作

為了能夠從多個角度展示安檢設備， 特別是在展示的過程中需要拆解部分組件， 產品的展示過程需要制作成一組動畫的形式。 將上文中保存的PVZ 格式文件導入到Illustrate 軟件中， 根據產品展示需求完成動畫過程的制作。 制作好的動畫模型同樣保存為PVZ 格式，供之后的AR 項目使用。

圖4 產品展示的動畫制作

2.4 在Vuforia Studio 中建立AR 項目

設計者在Vuforia Studio 中完成AR 內容的設計和發布。 Vuforia Studio 界面主要可以分為顯示界面和功能界面。顯示界面中可以放置模型和各種功能組件，類似于一個三維擺放環境。 功能界面主要包含項目信息和各個功能組件。可以在功能界面查看項目信息，也可以通過直接拖拽的方式添加按鈕和儀表等。 將做好的動畫模型導入AR 項目中，開始進行設計。在項目中，需要設定設備的放置參考點， 這個參考點將作為將來眼鏡中模型的擺放位置。在項目中添加一個控制按鈕，這個按鈕可以作為展示視頻動畫的開關。 在項目設置完成后， 可以通過Vuforia Studio 提供的預覽功能模擬測試動畫和控制按鈕的功能。

2.5 AR 項目的發布和下載

在 Vuforia Studio中完成的AR 項目需要上傳到PTC 公司提供的服務器中。在HoloLens2眼鏡中下載Vuforia View 程序。 HoloLens2 連接網絡后，通過訪問PTC 服務器將AR 項目下載到本地。觀察者就可以通過佩戴HoloLens2體驗安檢設備的展示過程。

圖5 AR 項目中模型的設置

3 展示效果

HoloLens2 眼鏡提供了佩戴者視角下的視野共享功能，該功能可以通過其他顯示設備將HoloLens2 眼鏡佩戴者視野中的影像同步顯示出來。圖6 為HoloLens2 眼鏡佩戴者視野中安檢設備的展示效果。 從影像中可以看出，設備的顯示效果十分接近真實設備，觀察者也可以通過走動，來實現從不同角度觀察設備，并通過走近模型來觀察設備的細節。 這種方式與觀看真實設備的體驗十分類似。

圖6 HoloLens2 眼鏡中不同視角的觀看效果

4 總結

安檢設備的制造商希望能夠以快速高效和更佳的視覺效果來向客戶展示新產品。 增強現實技術是一項很好的選擇。在PTC 公司系列軟件平臺下，設計人員可以快速實現基于增強現實的展示過程。整個開發過程耗時短，難度低。 通過HoloLens2 眼鏡，佩戴者可以體驗到很好的增強現實展示效果。