增强现实辅助设计在虚拟互动中的应用研究

胡晓琛　邓冰

[摘要]AR虽然是由虚拟现实技术发展而来的，但是在概念、特征和硬件设备需求方面都与VF《虚拟现实技术》有着相当大的差异。AR的关键技术在于将现实与虚拟、实时互动、三维注册等一一对应。AR的发展符合当今的时代潮流。能够辅助虚拟互动应用的设计和研发，大大地激发了设计师的灵感，丰富了设计作品。

[关键词]增强现实；虚拟互动；辅助设计；三维注册

增强现实（Augmented Reality，下文简称AR），作为先进的三维交互技术，诞生于19世纪60年代，当移动互联网时代的智能手机平台iOS和Android系统出现后，针对AR技术的研究和应用出现了突破性的进展。曾经出现在科幻电影中的情节可能真实地被还原到现实生活中，人们可以在空气中通过手势对智能设备发出指令。

一、增强现实技术

（一）发展趋势

未来的一个时期内社会发展的特征主要由技术发展趋势所决定。美国巴特尔研究所的研究报告中列举了10项最具有战略意义的技术趋势，其中增强现实技术名列第10位。全球知名的咨询公司Gartner在分析行业数据的基础上指出：增强现实技术将在未来五年内进入商用市场，成为主流科技产品的普遍功能。

Gartner公司从1995年起就绘制技术成熟度曲线图用来描绘创新技术所经历的过热期待期、幻觉破灭期和回归现实的过程。通过这种方式分析并指出了这些技术采用的最佳时间和地点，从而获得最大化价值和技术影响力。技术成熟度曲线大致可以分为五个阶段“技术萌芽阶段（Technology Trigger）、期望峰值阶段（Peak of Jnflated Expectations）、泡沫化谷底阶段（Trough of Disillusionment）、稳步攀升阶段（Slope of Enlightenment）、实际生产高峰阶段（Plateau of productivity）（见图1-1 Gartner曲线）。

（二）虚拟现实与增强现实

随着二维交互限制被三维交互打破，人机交互的方式提供了一种自然而直观的交互行为方式，主要的实现技术包括虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）和增强现实技术（AR）。增强现实和虚拟现实同样具有“虚拟-真实连续性”的特征，就是把虚拟环境与真实环境分别作为两端，处于两端中间的区域则被称为“混合实境（Mixed ReaIity）”，靠近真实环境一端的是增强现实，靠近虚拟环境一端的是虚拟现实（图1-2混合实境）。简而言之，混合现实是一种新型的可视化环境，融合了现实世界和虚拟世界两个部分，允许真实存在的物理对象与虚拟的数字对象同时存在并且实时互动。

与增强现实相比较，虚拟现实创造的是一个全新的虚拟世界，而增强现实则通过将真实环境与虚拟环境相结合把人们拉回到真实世界的互动中来，同时在真实世界上辅以虚拟的数字信息，进行数据信息或可视化信息的增强和扩展。AR可以使真实环境与虚拟现实结合，它是以假设性和互动性为基本特征的人机交互系统的高级形态。而VR更专注于沉浸式的特征，促使用户在三维构建的虚拟空间中活动。由于此特征上的差异，从而导致了增强现实与虚拟现实所使用的硬件设备也有所不同：VR采用的头盔显示器具有浸没式的特点（图1-3），而AR采用的头盔显示器具有透视式的特点（图1-4视频透视显示器）。

（三）系统要求

增强现实系统主要由广电现实技术、交互技术、计算机图形技术和可视化技术等创造出一个或数个在现实中并不存在的虚拟对象，并通过三维注册技术将虚拟对象精确地放置在现实环境中，使用户产生一种虚拟与现实融合的感觉，从而无法区分物体是真实还是虚拟的属性。因此增强现实系统可以“将现实带入虚拟，让虚拟增强现实”。虚拟互动系统中的增强现实功能具有两方面的要求：其一，功能性要求，既包括视频捕捉、实物跟踪、虚拟信息、信息现实等；其二，非功能要求，包括可移动性、系统平台需求、用户需求、设备需求和环境需求等。

从软件和硬件角度入手，能满足上述具体功能的设备主要包括：硬件设备，如摄像头、传感器、控制设备、显示器和存储传输设备。其中最关键的设备是显示设备，比如能够使用户直接透过显示屏（或透明镜片）看到真实世界的影像，同时又能提供将虚拟影像投射到显示屏（或透明镜片）上的装置，从而使用户看到由电脑合成好的虚实结合的影像（图1-5）。

一套AR系统包括了计算机辅助系统、视频输入输出转换系统、人机交互系统、动态捕捉系统、视频现实系统和传感系统。这套系统除了符合高质量要求的硬件外，还需要一套与之配合的成熟的软件。只有当软件与硬件系统同时达到要求，并且在实际设计、应用过程中具有丰富的经验，才能设计并产出一套符合用户完美需求的系统。

二、核心技术

虚拟互动系统中的增强现实技术主要包括三方面的核心技术：显示成像技术、跟踪定位注册技术、交互技术。

（一）显示成像技术

增强现实系统中使用的显示器可以分为头盔式显示器和非头盔式显示器。后者包括了DRT平面LCD显示器，投影式显示器（Projection Displays）和手持式显示器（Hand-held Displays）。下面将以目前最新的谷歌眼镜（Google Glass）作为案例来说明头盔显示器的工作原理，并通过iOS应用软件来探讨手持式显示器。

1.谷歌眼镜

特工佩戴着特制的隐形眼镜走入大街，就能够实时扫描并识别人的脸部信息，从而迅速的从人群中发现目标，获取机密（图2-1）。这是在电影《碟中谍4》里面出现的科幻镜头，科学家称这样的设备真实应用将出现在一二十年后。目前谷歌发布的GoogleGlass（谷歌眼镜）已经初步实现了这项功能。谷歌眼镜于2012年4月发布，是一款可穿戴式智能眼镜，其提供了增强现实技术服务。它集成智能手机、GPS、相机于一身，用户可以通过它扩展眼前的实时信息数据，包括眨眨眼拍照上传、处理文字信息、查询天气路况等，同时支持蓝牙功能和智能手机同步（图2-2）。谷歌眼镜代表了未来科技的发展方向，实现了人与机器、现实与虚拟、互联网与人际间交流方式的革新。它的工作原理具有以下特征：endprint

（1）空间计算

全球知名软件公司Occipital的研究数据表明，相机已经成为采集信息使用率最高的传感器之一，目前受到计算机图形算法和移动智能设备硬件的限制，增强现实技术的潜力还远没有发挥出来。

（2）互动游戏

Kinect是2010年1月4日时微软推出的体感捕捉设备。它成功的将多余的外置设备去除，以全新的方式将体感互动融入到游戏生活中，广泛的进入商用市场。这款设备不仅能识别玩家的身体动作，同时可以辨识语音，成功地使用户的身体成为游戏的控制器（图2-3）。

（3）人脑感知

人脑感知技术与增强现实的结合可以使设备更好的理解用户的行为，比如通过智能方式感知人类的脑电波，从而使用意识控制信息的显示或者根据心情给予生活的建议。这些想法已经不再是酷炫的科学幻想，例如InteraXon（图2-4）就推出了一款通过脑电波来控制窗帘及灯光的“脑电波感应式头带”。

（4）交互提升

运用增强现实技术设计内容和动画，能够有效地降低交互过程中的障碍，从而更好地提升自然的交互过程。

2.iOS应用程序

从iPhone、iPad不断更新的iOS系统中，我们可以看到很多新的应用程序。其中一些正在运用增强现实技术为人们的生活、工作提供便利，而AR技术的应用正在朝着“隐形”方向发展。可穿戴设备的技术发展使我们不再局限于使用4英寸显示器去观察生活，也不用时时刻刻关注手机，而是让设备关注我们。例如：在实体桌子上向一个虚拟篮球筐里投掷虚拟的篮球（图2-5）。Find Your Car在你把车停好之后，使用手机给停车位置加上标签，当你想开车回家的时候，就能够借助Find Your Car快速找到自己的车子（图2-6）。

（二）定位（跟踪、注册）技术

目前从增强现实和移动位置服务结合的发展趋势来看，越来越多的餐馆服务、旅游服务、天气服务等最大的特征就是在屏幕上提供和可见实景相关的信息，并通过获取数据库中的地图信息向用户提供更大距离范围的相关信息。注册的主要目的是使虚拟物体与标识物能够按照设计意图在真实场景中准确显示，同时具有相同的位置信息和状态。目前，定位技术包括全球卫星定位系统GPS、视频监测、光学系统、超声波、磁场、机械装置等。

AR系统通过大量标定测量值来生成精确定位，包括：摄像机参数、视域参数、对象定位及变形参数、传感器偏移参数等。采用的技术包括：摄像机标定、手动AR标定及开发自有的标定绘制器。衡量定位技术的标准主要是：精确性、实时性和操作范围。通常需要的精确度越高，容易导致错误的源就越多。但是随着计算机视觉图像算法和硬件设备的改善，摄像头的信息采集精确度将越来越高，逐渐成为最终要的AR系统传感器和输入设备，这不仅是AR技术的发展趋势，也是整个计算机产业的发展趋势。

（三）交互技术

人机交互指人与计算机之间的对话语言或行为方式，从而完成信息的交换过程。它包含了计算机图形图像学、心理学、人工智能等跨学科的技术。随着传感器、力反馈等硬件设备的发展，科学家对于人类个体差异、体感认知的研究不断发展，人机交互成为了信息产业竞争的关键技术，其设计理念也实现了向“以用户为中心”的转变。在人机交互中的用户界面（User Interface，简称U1）是人机间信息交换和传递是否成功的重要端口，一个用户界面设计的优劣直接影响到人机交互的效果。交互设计的过程包括：“用户研究”、“设计分析”、“原型制作”、“查证评估”四个步骤（图2-7），关键技术包括：头盔式显示器、光学透视式显示器、定位系统和移动计算。

1.用户界面的演变过程（图2-8）

2.以用户为中心

以用户为中心是指设计必须是满足用户需求的、可行的，能够产生商业价值的设计。交互设计之父Alan Cooper提出的以目标为导向的设计，提倡将用户的需求放到第一位。而增强现实技术在虚拟互动中的运用，则可以满足用户的特殊体验要求。用户作为最终的使用者，决定了界面设计的功能与形态，用户在使用过程中的满意度直接决定了交互界面设计的成功与否。

三、虚拟互动设计中的应用

增强现实辅助设计顺应了时代的发展潮流，能够丰富数字时代设计作品的展现方式，并为交互设计带来新的活力。它把‘用户体验”的概念导入到交互设计中，融合了虚拟互动应用的特点和“感官交互”、“行为交互”和“反思交互”设计方法。以用户需求为前提进行技术选择及内容制作，尽可能达到人、机器和环境的自然交互。

1）感官交互：图像、声音等计算机生成的数字信息通过人的视觉、听觉、味觉、触觉等感官层面的感受变化进行互动，产生实时的图像或声音信息的互动交流。

2）行为交互：增强现实中实现的虚拟物体与人在行为上进行互动。但是无论交互实现的多么完美，由于缺少了图像中物体重量、软硬、速度等多角度的感官体验，给人的感觉仍然是“虚拟”的图像。

3）反思交互：通过人的思想直接控制现实世界中展示物的变化，通过增强现实技术实现对人在交互行为过程中精神反思层面信息的捕捉。采用最新的脑机接口（Brain-Computer Interface，简称BCI）技术可以达到用人的意念控制真实物体移动的效果。

比如来自美国的一个三人团队在四周时间内开发了一款名叫Ikea Now的免费应用（图3-1），通过AR让买家具的过程变得更加直观。用户用智能手机打开这款软件时，摄像头就会打开，并呈现现实的画面，在APP里选择一款家具，这个家具的图像就会插入到现实场景中。

（一）界面设计

在增强现实的界面设计中，真实世界将按照设计意图作为背景图层叠加虚拟物体出现，设计人员不仅可以看到显示窗口中的全部元素，同时还要确保所有的元素都放置在准确的位置上。除了能够整合图形软件中计算机生成的信息和设计作品时的真实图像，系统还允许设计人员添加注释、评论和误差等信息。

增强现实系统采用的是基于任务的多通道用户界面模型设计方法，通过整合多个通道的信息来源，使用自然的方式完成界面的操作。系统的层次框架为：交互任务整合器和场景管理器两大部分。交互任务整合器负责将多个通道输入的信息进行转换，形成特定的交互任务。交互设备则包括了鼠标、摄像头和语音设备等，交互设备需要根据具体的交互需求来增加或减少。场景管理器，负责管理场景中的虚拟物体，通过分析交互任务整合器发来的指令，修改场景中虚拟物体的属性，进行相应的计算机算法和语义的反馈。场景管理器负责生成图像和语音信息，并分别交给显示器和语音设备进行处理。

（二）情感设计

随着增强现实技术的不断发展，许多设计奥秘逐步被揭开。正如英国的增强现实设计师James Alliban所说，“人们依靠各种信息被准确无误的添加从而做出决策。”“情感设计”的理念正在当代“以用户为中心”的交互设计中被广泛应用。苹果公司＼前副总裁Don Norman博士在《Emotional Design：Why We love（or Hate）Everyday Things》中倡导设计从实用性到美学的转变，“一个好的有凝聚力的产品开发，应该看上去美观，用起来舒心”，这就是在交互设计中被广泛应用到的情感设计的最好总结。endprint