基于增强现实技术包装印刷设备富媒体说明书 制作

陈阳+王涛+刘琳琳

增强现实技术及在工业发展中的应用

增强现实技术（Augmented Reality，又称AR）是指将计算机虚拟出的场景或图像通过相关技术叠加到真实存在的世界上并进行互动的技术。AR技术目前在全球仍是一片开发不够全面的领域，它是随着VR技术的兴起并对VR技术进行技术补充加强的一门新兴技术。具有虚实结合、实时交互、三维注册的特点，AR技术包含了多媒体、三维建模、实时视频显示和控制多传感器融合，实时跟踪及注册，场景融合等新技术，因此，相对来说对相关人员的技术要求和知识掌握全面化都有较高的要求。

在AR技术发展的支持下，AR技术融入工业领域可以方便的仿真和评审设计效果，无论是简单的头盔式现实系统还是复杂的沉浸式虚拟现实系统都可以提供一个沉浸、交互、完全立体的计算机仿真工作环境，从而使受众有身临其境的感觉。通过AR技术，在制造出物理模型之前，可以随时评审、感知和修改未来的产品，随着虚拟现实技术在工业上的应用，大大的弥补了虚拟现实的不足，AR技术通过计算机生成图像实时叠加到物理环境上，产生一种虚拟的真实效果，虚拟现实让用户完全沉浸于計算机生成的虚拟环境中，增强了虚拟图像与真实环境的无缝融合，从而在设计定型前可以仿真、分析、评审产品模型。相比较于现有的工业设计技术，由增强现实技术带来的改善主要在3个方面。首先，在早期的创意阶段，应用增强现实技术可以实现交互的、立体可视的产品数据模型。其次，虚拟数字样机让用户可以交互、协同的评审、分析和测试产品数据模型。最后，在增强现实环境下可以进行物理样机和数据模型的虚拟装配。

当现有的CAX软件并不能充分地表达创意，尤其在设计复杂产品时，受限制的主要原因在于图形化用户界面（Graphical User Interfces.CUIs）和间接的输入工具，如鼠标和键盘，虚拟空间设计技术结合了增强现实技术和可触摸的用户界面（Tangble User Interfaces.TUIs），可以帮助用户直观、交互的创建和修改产品数据模型，虚拟空间设计的研究开始于20世纪90年代早期，大约在10年前，开发出了一些用于科研目的的虚拟建模工具，如概念虚拟设计系统，交互工作台系统，三维浸入式虚拟雕刻系统等，这些系统运用了多模式的输入工具和动作识别工具实现在浸入的虚拟显示环境下建模。

随着增强现实技术的发展，逐步又开发出来一些基于增强现实的虚拟建模系统，Fiorenho等人开发了空间设计系统Spacedesign，可以实现在增强现实环境下的自由曲线设计，并开发出来一套系统用于增强现实环境下的创建和修改。在现有的工业设计过程中通常在不同的阶段都要使用材料、性能等要求不同物理模型，如油泥模型、不同材料的快速模型，与真实产品材料厢房的快速材料等，为了减小材料原型在时间和空间上的不足，增强现实技术已经大大地应用其中。

目前在国内，只有少数的高校和科研机构在进行增强现实技术的研究，包括像电子科技大学移动计算研究中心、北京理工大学光电信息技术与颜色工程研究所、浙江大学计算机辅助设计与图形学国家重点实验室等。

基于增强现实技术在富媒体产品说明书开发

将AR技术与视频、动画等技术相结合，应用于工业产品说明书中，在原有的说明书内容的基础上为其添加了多种媒体资源，包含图片、音、视频、交互体验等内容，具有较强的代入感和用户体验，将一本传统说明书附以多样的表现形式，使读者享受到别样的互动式阅读体验，较传统说明书更具有发展优势。

本文探索将增强现实技术应用在包装印刷设备产品说明书当中，通过专业的游戏开发引擎Unity和Vuforia SDK进行Android端的App开发，用Indesign软件对说明书纸质部分的设计，然后将两者整合测试，最终达到设计要求，使原本普通的说明书呈现出更加丰富的展示效果，让读者通过3D模型、富媒体资源和交互体验更加全面的了解产品信息，而不只是局限于文字和图片信息。

1.开发工具介绍

Unity游戏开发引擎

本次设计使用到了Unity软件。Unity是由丹麦Unity公司开发的一款专业的游戏开发引擎，其中包括整合的编辑器、跨平台发布、地形编辑、音频、GUI、着色器、脚本等一些特性。对于一个完整的Unity 3D程式，需要有若干个场景组合而成，其中包括众多的模型，而模型的行为则是由脚本控制。Unity支持的脚本包括有JavaScript、C#和Boo。本项目通过摄像头来观看场景中的内容。

Vuforia SDK

目前可供使用的AR开发工具比较多，如Vuforia、Wikitude、EasyAR等。此次设计所使用的是Qualcomm公司针对增强现实应用所推出的Vuforia软件开发工具包。其原理是利用计算机视觉技术实时识别和捕捉二维平面图像或是三维物体，借由相机取景器放置虚拟模型，同时调整物体在镜头前的位置坐标。该平台提供本地识别和云识别两种识别方式，本项目所使用的是云识别。在使用时，需要先将识别图上传到Vufotia官方网站中，经过云处理之后下载到本地电脑，再导入到Unity中进行使用。

安卓开发环境

Unity是一款可以进行多平台发布的开发软件，包括PC、MAC、IOS、安卓等。现如今智能机得以广泛的普及，移动设备已经是人们日常生活中必不可少的一部分，虽然国内ios用户近年来不断上升，考虑到ios开发环境相比安卓较为复杂，因此，选择了安卓系统的SDK。在设计开始之前，需要进行安卓开发环境部署，具体步骤如下：

①搜索与自己电脑系统相对应的JDK版本，下载并进行安装。

②为之前安装的JDK设置变量环境。

③下载安装Eclipse和Android SDK。

④将两者用ADT插件进行关联。

这样，一个标准的Android开发环境就算部署完毕，可以在Unity中使用Android系统发布功能，也就是可以生成一个能够在使用安卓系统的移动设备上运行的APK文件。

2.三维模型的设计

机械模型相比于人物、角色、动物、建筑等模型具有更高的精度要求，在制作的时候力求能够还原较为真实的机械尺寸，因为真实的模切机的各部分零件需要根据标准的尺寸大小来设计，用Solidworks制作的模切机的模切部分模型，导入到3DMAX中。由于导入的模型只是一个白板模型，因此还需要使用该软件进行模型渲染。

3DMAX是一款专业的模型动画制作软件，由Autodesk公司专门为设计者开发的3D Studio升级版本。该软件提高了使用工具的高效性，同时加速了性能优化和工作流程，为广大的用户提供便利，因此可以算是全世界较为广泛使用的3D建模。

一个普通的模型，对于用户来说，动手体验比单纯的观看欣赏更具有吸引力。模型增加了一些常用的操作功能，使它能够旋转、放大、缩小、模型脱卡等。在Unity中，对模型的控制操作指令都是靠脚本实现的，支持的脚本包括有JavaScript、C#和Boo。这3种语言都是在基于Mono的.Net平台上运行的，使用.Net类库为XML、数据库、正则表达式等问题提供了很好的解决方案。

Unity当中的模型缩放是通过缩放系数实现的，在脚本中，只需要动态修改缩放比例，就能达到所要的缩放效果。可以说放大、缩小是一个模型必不可少的基本操作功能。在这里，以一个模切机模切部分的机械模型为例，包含较多的零件，因此需要对其内部的结构进行详细观察。需要用到的是双指点控识别这一触控方式。当载入的模型脱卡显示后，若想对其进行缩放，以便清晰地观察内部或细小零件时，通過双指（即两点）在屏幕上张开、收缩来实现这一功能。模型的脱卡显示指的是当摄像头离开识别图时，模型仍然可以出现在屏幕中间的方式。对于一个具有交互功能的App，在我们对其中的对象进行控制操作时，最好能够使模型对象保持在一个固定的位置，这样模型的缩放和旋转都可以在一个相对稳定的位置进行，不会随着识别图位置的变化跑到屏幕的边缘甚至消失，使操作更加舒适。

3.UGUI界面设计

UGUI是Unity公司开发的新一代可视化游戏开发工具，相比于传统的UI系统具有更加灵活、高速、便捷的开发优势。使基于Unity的UI界面开发趋于统一与标准化。UGUI在吸收第三方插件的优秀编程思想上，整合Unity引擎内部强大的技术体系，使UGUI成为了非常优秀的UI开发技术与标准。

①与Unity引擎无缝紧密结合；

②更加强大与易用的屏幕自适应能力；

③更加简单的深度处理机制；

④完全自动化的图集打包功能；

⑤全新强大的布局系统，简单易用的UI控件，强大与易用的事件处理系统。

在整合了GUI系统的部分功能后，UGUI的系统菜单中总共包含11个控件，可以简单分为：EventSystem、Canvas画布、Panel、Text、Button、Image等7个部分，当然也可以将其自由组合成功能强大的复合控件使用。本次设计中使用到的控件包括Canvas画布、EventSystem、Text、Button、Image和Slider高级控件。用户界面是一款软件的门面，界面设计的好坏直接决定了这款产品的品味、档次。好的UI设计在带给用户极致视觉体验的同时，也能让软件的操作变得便捷、舒适。在功能实现上，这里采用了大量的Button控件。在模型的四周新建了4个子物体Cube，将其材质设置为金属，同时添加大红底色、金属边缘的贴图。字体依旧选择白色，使文字看起来稍显醒目。再进行模型的脱卡显示，来完成整个模型的设计。除了之前的一些交互功能外，还增加了设计。对模型部件的内容展示，通过贴图对模切部分的相关构成加以说明。

由于是立体显示，在制作贴图时每个部件需要制作正反两面，这样当模型旋转时两面都可以看到相同的文字内容。至于显示剖面的原理则是借由脚本控制摄像机的镜头，以纵切面进行显示。在模型的脱卡显示界面，为了便于操作，将原本可以控制的3条轴设置为两条，即只沿X、Y轴方向旋转；并把控制旋转角度的Slider控件改为4个Button按钮，分别为上、下、左、右，为其制作贴图让它看起来类似普通手游的按键。最后加入进行背景音乐和所需视频文件的添加，增加应用的交互性和趣味性。

4.页面内容设计

说明书侧重于AR交互设计的应用，纸张的大小为A4纸，设计正反两面内容。因为在页面中插入了不少模切机的图片，因此选用两张浅色简约图作为底色背景，这样能够凸显主次，不至于影响模切机产品的显示效果。背面则是以其中一款产品为例，详细的介绍了该产品的性能特点及功能参数，同时添加了二维码，使受众通过扫描二维码播放机器的实拍视频，方便查看这类模切机产品的运行过程。故而整个富媒体内容主要都在第二面体现。

5.产品整合与调试

当两部分内容都设计制作完成后，需要进行整合调试，也就是将两部分内容合并到一起，本质是通过一张识别图来完成。将纸质说明书中的模切机图片上传到Vuforia官方网站中，Vuforia可以为普通用户提供1000张以下的识别图免费制作，之后就可以将制作好的识别图下载导入到Unity中，将原来的识别图更换掉，同时在部分源码中进行更改设定就可以正式使用。这样，当需要从打印好的纸质说明书上了解更多相关的富媒体内容时，就可以在移动设备上打开AR应用，将摄像头对准上边的图片，一个制作好的模切部分模型便在屏幕中间显示出来。

说明书中增强现实技术的应用也可以算作一种富媒体的表现，随着AR技术的逐步成熟、制作成本的慢慢降低，不久的将来在传统纸质媒体上会有更多、更精美的AR应用出现，甚至在工业制造方面也将会掀起一股AR潮流。

增强现实技术在工业领域的其他应用

以富士通公司为例，为了改善工厂设备维修维护工作人员的现场作业环境，该公司已经将增强现实技术应用于自身的设备点检中。采用增强现实之前，工作人员通常要在点检单上手动记录温度、压力等信息，然后再将信息录入电脑。如今，工作人员可以在现场用触摸屏录入信息，创建电子表格并共享最近的信息。增强现实可以快速显示作业手册数据，故障历史中的库存水平。利用富士通AR技术提供的文本输入功能，现场工作人员可以使用它来快速共享信息。当进行现场点检的时候，无论多小的细节，都可以记录下来。通过增强现实技术，我们可以轻松判断哪些设备运转正常，同时结合数据分析，可以实现预防性的设备维护。通过采用AR技术，即使是能力一般、经验不足的“菜鸟”，也可以准确地完成各种各样的现场维护作业，有助于技术经验的传承。

据报道，波音公司生产线上的工人们已开始大规模使用具有增强现实技术的谷歌眼镜来完成飞机线束的组装。众所周知，客机机身内部的线束错综复杂，以往工人们需要拿着飞机内部结构指令手册或参照PDF图才能一步步完成线束的组装和连接，工作流程冗杂繁琐，往往容易出错。而开始使用谷歌眼镜后，谷歌眼镜可投射出各个细节部分的组装方式来协助工作。数据统计，用上谷歌眼镜后，波音工人组装线束的错误率降低了50%，时间缩短了25%。

增强现实技术在工业领域的发展前景

AR市场目前还处在技术驱动的阶段，并且会经历一段较长时间的技术红利期。未来1～3年，将有更多厂商进入AR市场，随着底层技术的成熟，硬件设备的完善，AR技术将应用到更多场景中，行业应用解决方案也将会日益丰富，正如计算机的发展路径。计算机发展路径是从军事、工业、商务办公，最后才到消费者市场。20世纪70年代，计算机开始从军事进入工业领域，出现了IBM这样的巨头，同样AR技术也应抓住热潮，在工业领域进行发展，最后在转向消费者市场和智能娱乐市场。从工业1.0到工业3.0，人类经历了从机械化到自动化，随着技术的进步，制造业的升级以及AR技术在工业领域的应用，包括更高层次的互联性、更智能的设备和机器与设备之间的通信，我们终将迎来工业4.0的来临。而AR技术的发展便是一个良好的契机，通过对现实进行画面叠加增强的方式，AR带来了一种编辑这个世界的可能，我们可以用双眼看到全新的通过增强后的世界。

可以预计，在未来10年内，增强现实技术会离我们越来越近，并逐步走进我们的生活。增强现实技术留给我们很大的想象空间和很多应用方式、应用场景。其发挥出来的作用也许在现在还表现的不那么明显，但随着我们的深入挖掘，也许改变的不再仅仅是辅助优化企业的制造过程，而是颠覆商业模式、打造智能产品、创造新的产业生态等一系列翻天覆地的变化。