基于Vuforia的AR數字產品設計與研究

摘要：增強現實技術簡稱AR技術，具有“虛實結合”的特點，它通過移動終端設備獲取的現實世界的圖像信息，呈現由計算機構建的三維模型內容，從而實現了將真實世界的真實結構和虛擬世界的技術信息無縫銜接，因此用AR技術來呈現數字產品是一種創新的技術表現形式。通過基于Vuforia的移動端開發增強現實AR技術，不僅可實現AR技術具有的虛擬世界與現實世界的融通交互作用，同時運用移動端設備具有輕量級、便攜性、易操作等特點，將AR技術開發運用在移動端設備，給用戶帶來更便捷的沉浸式體驗，對數字產品的宣傳、推廣具有十分積極的意義。

關鍵詞：計算機應用；AR技術；Vuforia；移動端；數字產品

一、前言

在過去，傳統的產品展示主要依賴靜幀圖片、視頻以及實物等方式。然而，此類傳統展示手段往往受限于物理空間和時間等因素，展示與宣傳效果有限，難以讓用戶獲得全面的感官認知與體驗。

伴隨計算機科學技術的持續進步，以虛擬現實為引領的新一輪產業革命正給人們的生產與生活方式帶來深刻變革，在教學仿真、訓練測試、電競游戲、數字展示、旅游觀光、娛樂互動等眾多領域，虛擬現實技術均得到了廣泛應用。它通過構建虛擬環境，生成可替代真實感覺的感官信息流，營造出一個身臨其境的虛擬場景，進而突破了物理空間與時間等多方面的限制。

增強現實技術，也稱為AR技術（Augmented Reality），其工作原理是將真實世界信息和虛擬世界信息無縫集成，把現實世界的一定時間、空間范圍內很難體驗到的實體信息通過科學技術，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應用到真實世界，被人類感官所感知，從而達到超越現實的感官體驗[1]。如此一來，虛擬現實不再局限于虛擬世界，而是將虛擬信息融入真實世界，從而被人類感官所獲取，進而達成超越現實的感官體驗。當前AR技術的創新與應用正處于新興技術革命的前沿，發展前景極為廣闊。

增強現實技術的發展促進了出版業新的生態，尤其在學術出版領域，增強現實技術有利于科研成果的生動再現，使讀者獲得多方位的閱讀體驗[2]。目前，數字產品展示已嘗試引入虛擬現實技術，但因受專業技術設備使用門檻的制約，尚未實現廣泛應用。將數字產品展示與虛擬現實技術相結合，運用AR技術來呈現數字產品屬于一種創新形式。當前受制于技術的專業性，AR技術在數字產品展示領域仍未得到廣泛應用，尚處于初步推廣和探索完善的階段。如何更有效地利用AR技術實現數字產品展示，是AR技術持續發展的關鍵方向。

AR技術具備虛實結合的特性，它實現了真實世界信息與虛擬世界信息的無縫連接，運用AR技術呈現數字產品是一種創新表現形式。在數字產品展示區域的建設中，合理融入AR技術，不但能夠生動重現數字產品及其相關事跡，為使用者帶來真實、豐富的視覺體驗和深刻記憶，增強使用者的沉浸式體驗。同時，AR技術作為虛擬現實的一項技術，能夠突破物理、時間等多方面的限制，更有利于滿足公眾了解、學習數字產品的需求。

本課題研究借助移動設備增強現實開發工具Vuforia來實現AR數字產品展示設計，所開發的設計成果可應用于移動設備，其輕量級、便攜、易操作的特點，有助于更好地實現學習、了解AR數字產品的普及應用。

二、設計開發總體方案

（一）設計開發概述

本課題所提出的基于Vuforia的AR數字產品設計理念，旨在借助移動設備增強現實開發工具Vuforia，設計并開發能夠在移動終端設備上運行的AR技術軟件平臺。此軟件平臺能夠利用移動終端設備的攝像機功能對商品實體實施圖像識別，進而展示出該商品的三維模型以及虛擬漫游環境，同時還具備較為豐富的人機交互功能，成功實現了數字產品的三維展示以及數字展廳的第一人稱視角虛擬漫游功能。

（二）設計開發流程

本課題整體的設計開發流程如圖1所示，主要分為Vuforia圖像識別、模型制作和功能搭建、應用共三部分。

第一部分“Vuforia圖像識別”和“模型、貼圖制作”是整個流程的基礎，在制作流程中并行開展。第二部分“功能搭建”是實現構建數字產品的三維模型以及開發相應的互動功能，使數字產品的展示更加生動和豐富。第三部分“應用階段”是將前面兩個階段的成果整合起來，將應用功能在移動端設備上呈現給用戶，讓用戶能夠通過便捷的操作來體驗數字產品的展示和虛擬漫游功能。這三個部分相互配合，共同構成了一個完整的設計開發流程，為實現高質量的AR數字產品展示提供了有力的支持。

1.Vuforia圖像識別和模型制作

Vuforia是一款全新的移動平臺的增強現實應用系統開發工具，提供了一整套增強現實功能組件，使非計算機專業的開發人員也能輕松創建、編寫、發布增強現實體驗系統[3]。在Vuforia圖像識別制作板塊中，將需要識別的產品圖形信息通過平臺運算生成Vuforia的虛擬AR攝像機可識別的圖像資源包UnityPackage，該資源包會在后續的“功能搭建”模塊中導入Unity 3D引擎進行AR平臺功能的搭建、使用。

在模型、貼圖制作板塊里，AR功能中所呈現的商品三維模型、虛擬漫游場景等，是利用3dsmax、Maya等三維制作軟件來數字建模。貼圖制作部分則運用了軟件Marmoset Toolbag的貼圖烘焙和軟件Substance Painter的貼圖繪制。其中，模型的材質貼圖是通過PBR渲染技術來制作。將PBR貼圖導入Unity 3D引擎中進行AR功能平臺搭建，再添加到對應模型材質球的各類貼圖模塊。PBR渲染技術屬于一種基于物理規律模擬的渲染技術，它能夠最大限度地模擬光線的物理規律和照射效果，進而最大限度地還原現實光照對物品的影響。PBR貼圖的種類主要包括Base Color漫反射貼圖（也稱作固有色貼圖）、Metallic金屬度貼圖（用于控制金屬質感特性）、Mixed AO光影貼圖（預設明暗關系）、Normal法線貼圖（用于呈現物品凹凸紋理等細節）、Roughness粗糙圖貼圖（用于控制物品表面的光澤度，效果類似于傳統的高光貼圖）、Height高度貼圖等，借助多種貼圖來展現三維物品的真實感和細節表現。

2.功能搭建

將前述“Vuforia圖像識別制作”模塊完成導出的UnityPackage資源包，以及模型、貼圖制作板塊完成的三維模型、貼圖資源包等，一起導入Unity3D引擎中進行AR功能平臺的搭建。Unity 3D是由Unity Technologies公司開發的能夠實現場景可視化以及三維動態模型等互動的游戲開發工具，開發者能通過Unity 3D輕松開發出一款視覺交互類的應用[4]，其采用C#語言，能在Windows、Linux和 Mac OS等操作系統下開發，并能將游戲發布到各種主流的平臺上。同時，Unity 3D支持各種插件，可以降低開發難度[5]。在Unity 3D制作環節中將AR識別圖像UnityPackage資源包導入Vuforia的虛擬AR攝像機，然后分別與需呈現三維模型、場景的數字產品進行一一匹配和對應。三維模型、虛擬場景的人機交互功能是使用編程語言C#來編寫運行腳本。Unity采用事件函數驅動機制，Unity的腳本是由一些事先聲明好的事件函數組成，每一個Unity腳本都會被綁定到一個GameObject（游戲對象）上，當這個GameObject在程序運行中被激活時，事件函數運行，當這個GameObject被銷毀時，相應的腳本也隨之銷毀[3]。

數字產品展廳的第一人稱虛擬漫游功能同樣利用C#腳本語言編寫的陀螺儀功能代碼來實現。交互功能主要圍繞商品信息介紹、漫游觸發功能、三維動畫展示等方面展開。最后，將Unity 3D引擎構建的A圖形圖像識別、三維模型場景互動、第一人稱虛擬漫游等功能合并，導出生成可運行于移動終端平臺的APK軟件包。

3.安裝使用

在移動終端的安裝使用時，需將“功能搭建”模塊中Unity 3D引擎生成的APK軟件包導入移動終端平臺進行安裝，然后通過開啟移動終端的攝像機來啟用AR功能，當攝像機視野捕獲指定圖片時，屏幕將呈現與圖片對應的可交互三維模型效果。

4.測試

在安卓操作系統的移動端設備上安裝好APK軟件包，安裝后打開應用，并設置移動設備的攝像機權限，在設備屏幕顯示攝像機視野的時候，將攝像機對準識別圖。當屏幕上顯示模型的時候，對該模型進行縮放、旋轉、點擊等操作，當切換至第一人稱漫游功能時候，可手持移動端設備向左右上下各方向轉動，屏幕的第一人稱視野也將跟隨設備移動。

三、關鍵技術

（一）圖像識別技術

AR技術具備“虛實結合”的特點，它能夠借助終端設備獲取現實世界產品的圖像信息，進而呈現由計算機構建的三維模型和場景內容，以此實現將真實世界的真實結構與虛擬世界的技術信息無縫銜接[6]。在本課題中，通過基于Vuforia開發來達成移動設備對與數字產品相關的真實圖片的識別，從而調用出與該產品圖片內容相對應的可交互三維模型、三維圖片、視頻等其他信息。

（二）PBR渲染技術

PBR渲染技術屬于一種基于物理規律模擬的渲染技術，它能夠最大限度地模擬光線的物理規律和照射效果，從而最大限度地還原現實光照對物品的影響。在AR功能平臺的制作過程中，為了盡可能完美地呈現物品的視覺真實度，采用了多種PBR貼圖，包括Base Color漫反射貼圖、Metallic金屬度貼圖、Mixed AO光影貼圖、Normal法線貼圖、Roughness粗糙圖貼圖、Height高度貼圖等[7]。貼圖的種類越多，物品所呈現的細節就越豐富，也會更接近真實視覺效果。漫反射貼圖Base Color用于表現模型的固有色、圖案等。金屬度貼圖Metallic用于表現模型的金屬質感，通過黑白來控制質感效果，顏色越傾向于白色，金屬質感越明顯，反之則質感越差。光影貼圖Mixed AO需要通過在Marmoset Toolbag烘焙獲得，用于增強模型的明暗變化，在某些光照效果不理想的情況下，依然可以最大限度地保留模型的視覺立體感。法線貼圖Normal用于表現模型的細節紋理，可實現在低面數情況下呈現較為真實的凹凸細節，該貼圖需要通過在Marmoset Toolbag烘焙獲得。粗糙圖貼圖Roughness表現的是模型表面的光滑程度，與金屬度貼圖Metallic不同的是，粗糙圖貼圖Roughness側重對亮部高光的控制，而金屬度貼圖Metallic則側重對高光反射效果的控制，兩者互補可最大限度體現模型表面的質感。高度貼圖Height的作用類似于法線貼圖Normal，但更加優化了凹凸的細節表現。例如，增加了模型表面凹凸因受光照影響所產生的細節陰影，能使模型的凹凸紋理表現更加豐富。

（三）AR交互功能

通過移動終端設備的攝像頭功能進行圖像識別，調用出已完成開發的可交互三維模型、三維圖片、視頻等其他數據信息，使用者可以通過在移動設備屏幕上滑動手指來對三維模型進行放大縮小、旋轉等操作，部分腳本代碼展示如下：

using System.Collections;

using System.Collections.Generic;

using UnityEngine;

public class ARRotate ： MonoBehaviour

{

private void Update（）

{

//沒有觸摸

if （Input.touchCount lt;= 0）

{

return;

}

//單點觸摸， 水平上下旋轉

if （Input.touchCount == 1）

{

Touch touch = Input.GetTouch（0）;

Vector2 deltaPos = touch.deltaPosition;

//繞著Y軸旋轉

transform.Rotate（Vector3.down * deltaPos.x， Space.Self）;

}

}

}

第一人稱虛擬漫游功能模塊關鍵實現環節在移動設備的陀螺儀功能，該功能可實現屏幕的第一人稱視野變化與手持移動設備的轉動角度、速度一致。

四、結語

AR技術具有“虛實結合”的特性，它達成了真實世界信息與虛擬世界信息的“無縫”銜接。運用AR技術來呈現數字化產品屬于一種創新的表現形式。在數字產品展示領域，合理地融入AR技術[8]，不但能夠全方位地展現產品內容，給予參觀者真實且豐富的參觀體驗以及深刻的記憶，還能提升參觀者的參觀體驗。本設計借助移動設備增強現實開發工具Vuforia來實現AR數字產品的展示理念，是對AR技術在數字產品展示方面的一次應用實踐。所開發的設計成果能夠應用于移動設備，其輕量級、便攜、易操作的特點，很好地融合了AR技術與便攜應用等特點。隨著AR技術的不斷發展和完善，相信它在數字產品展示領域將會發揮更加重要的作用，為人們帶來更加優質的體驗和服務。

參考文獻

[1]王雪麗.增強現實技術應用現狀及其關鍵技術探討[J].洛陽師范學院學報[J]，2018，37（05）：36-37.

[2]董文杰，華寧，張濤.基于Vuforia平臺的化學期刊AR應用程序——AR Chemistry的設計開發[J].計算機與應用化學，2019，36（06）：680-684.

[3]郭曉敏，申閆春.基于Unity/Vuforia的AR導覽系統研究[J].計算機仿真，2019（08）：165-169.

[4]李雪艷，戴路.基于Vuforia的增強現實交互應用的設計[J].洛陽師范學院學報，2020（11）：33-36.

[5]李婷婷，王相海.基于AR-VR混合技術的博物館展覽互動應用研究[J].計算機工程與應用[J]，2017，53（22）：185-189.

[6]呂云，王海泉，孫偉.虛擬現實——理論、技術、開發與應用[M].北京：清華大學出版社，2019.

[7]易盛.虛擬現實：沉浸于VR夢境[M].北京：清華大學出版社，2019.

[8]保羅·米利.虛擬現實VR和增強現實AR從內容應用到設計[M].北京：人民郵電出版社，2019.

基金項目：汕頭職業技術學院校級科研項目“基于Vuforia的AR數字產品設計與研究”成果（項目編號：SZK2024Y02）

作者單位：汕頭職業技術學院

■ 責任編輯：張津平 尚丹