基于增强现实的膳食营养搭配平台设计及应用

李泽琳 王血融 孙炳辰 尚宪刚 刘克

摘 要大众对饮食健康和膳食营养搭配日益重视。为克服营养知识不全面、缺乏科学指导等膳食搭配问题，基于增强现实的膳食营养搭配APP采用增强现实技术和膳食营养计算搭配相结合，把膳食营养搭配计算方式嵌入开发平台。利用平台采集的身体基本健康信息，交互性、可视化的搭配方式更加便捷和准确。软件平台将面向普通和患病人群，为营养均衡提供实时、科学的依据。

关键词增强现实;膳食搭配;营养均衡

1 系统构建

1.1 需求分析

目前，居民的食物需求得到了极大满足，营养状况得到进一步改善，但膳食结构仍然不尽合理。心脏病、糖尿病、肥胖症等“富贵病”随着生活质量的提高随之而来，胆固醇血症及其相关的心血管疾病也有着较高的死亡率和致残率。国际知名营养学家坎贝尔教授十分明确的观点就是：以动物性食物为主的膳食会导致慢性疾病的发生（如肥胖、冠心病、肿瘤、骨质疏松等）;以植物性食物为主的膳食最有利于健康，也最能有效地预防和控制慢性疾病。近些年来的实验室研究以及临床研究资料一致表明，所有的膳食成分，包括脂质、蛋白质、碳水化合物、膳食纤维和微量元素，其质和量对血浆脂蛋白均有影响[1]。 由于计算方式复杂且需要一定的营养知识，在现实生活中少有人计算膳食营养的合理搭配比例。但对于患有相关疾病的患者，他们在饮食方面有着合理搭配计算的需求。缺少专业知识、计算困难的问题亟待解决。近年来，虚拟现实技术和增强现实技术飞速发展，可应用在生活的方方面面。本平台将探讨增强现实技术与营养膳食搭配相结合的应用。

1.2 研究现状

营养膳食搭配一直是研究的重点，也有研究表明，营养膳食对身体健康有一定的影响，我国的膳食宝塔也早就建立，包括对糖尿病人的饮食研究都已经取得不少成果。但也仅有一些网站进行营养膳食的搭配的宣传并给出部分已搭配好的菜谱，无法给用户进行自由选择的机会，也不能针对用户的个体性差异给予正确的指导。

据Digi-Capital的报告显示，2015年，投资者对虚拟现实和现实增强领域的投资总额接近7亿美元。增强现实的技术的发展在全世界得到广泛的关注和欢迎。在我国，多媒体、三维建模、场景融合等新技术与新手段叠加到现实世界不断得到应用和技术挖掘。国内生产方式和生活等领域也因此逐步出现改变。由于AR技术，北京理工大学王涌天课题组研究的基于增强现实的圆明园景观数字重建技术将部分圆明园遗址作了很好的还原，真实感得以增强，游客可在圆明园废墟前看到重建后的皇家园林。华中科技大学的蒋钦云提出的三维注册方法，提高注册精度。此外，中国增强现實核心技术产业联盟（China Augmented Reality Core Technology Industry Alliance，简称CARA）宣布正式成立，同时首届高峰论坛在杭州举行。国内的增强现实的发展如火如荼。

由于增强现实技术独有的特点，在知识表达和传播中比单纯文字和语言更具有优势，也出现了部分平台将营养膳食搭配与增强现实技术相结合。例如，腾讯公司开发出的“虚拟餐桌”，徐建红等开发的基于虚拟标识虚拟营养信息。但将增强现实与每日餐饮的摄入量、营养搭配等结合研究较少，这与目前用户的需求还有一段较大差距。

1.3 平台营养理论

想要健康长寿其中一个主要的方面就是要保证营养的摄入要全面且合理。可以说，决定人类生命衰老程度和健康是饮食习惯和生活习惯[2]。人类必须通过食物来摄取身体必需的营养，而每种食物所含的营养成分又不同。如果饮食摄入不够合理，便容易导致疾病。糖类、蛋白质、脂肪、维生素和矿物质是人体所需要的五种重要的营养素，在饮食摄取中要保持一定摄入量。在膳食营养搭配中还要注意食物的酸碱搭配，使符合人体内的中性环境。膳食营养搭配中的粗细粮搭配、荤素搭配也是不可少的。蔬果中的钾钙、钠、镁等的碱性食物与粮、豆、肉等酸性食物的比例摄入，维持有机体酸碱平衡，也就是人们所提倡的“荤素混食”的说法[3]。而针对糖尿病等患病人群，他们的营养需求与普通人群不同，需要做到少摄入糖类，多补充膳食纤维，从而达到控制血糖水平的目的。

以糖尿病患者为例，在饮食方面他们不仅要控制主食还需要控制副食，更需要一些细化的饮食指导。营养成分计算法、食物交换份法和手测量法等多种方法的准确应用就显得尤为重要[4]。本平台根据《中国食物成分表》和各标准公式，通过公式计算人一天中所消耗的热量并与他的劳动量相结合，再根据用户的自身的肥胖度等计算出一餐所需的热量，并将患病人群的计算公式进行单独设计编写。并注意每日摄入三大产能营养素蛋白质、脂肪、碳水化合物的含量限制，分别为10%-15%，20%-30%和55%-65%。再根据《中国居民平衡膳食宝塔》，考虑三餐分配合理，食物多样谷类为主等问题，同时考虑患病人群营养摄入方面的特殊要求，在平台设计中增加了油、盐、酒等的用量限制，进行个体化评估，给出合理的膳食搭配推荐。

1.4 平台增强现实技术

增强现实技术是虚拟现实的延伸，是将虚拟信息叠加到现实场景中的技术，它能实现现实环境与虚拟信息的无缝结合，将虚拟的信息叠加到现实的生活中，使人有身临其境的感觉，增强了互动性[5]。增强现实效果的实现需要三维模型，菜品、蔬菜等实物的数据采集是模型重建的基础。三维模型的点面数是影响最直接的因素，首先由于模型在程序运行过程中CPU需要对加载物体进行不断运算，如果不能对图像采集获得的高精度三维模型进行优化，使用时就会受到极大的限制。其次，模型的体积将会影响互联网环境下的加载速度。菜品与蔬菜三维建模要突破的技术难关就是在不影响显示精度的前提下得到最大限度的优化的三维建模结果。所以，此方面主要研究三维模型精度、贴图表现力和张力与视觉呈现之间的关系，进而据此确定模型优化目标，提出模型优化方法，实现菜品、蔬菜等实物的三维建模，达到精度、体量与性能之间最佳匹配。

拟采用基于特征图像的注册方法，主要研究特征图像采集与制作、图像特征提取和特征模板匹配等关键问题，实现高精度的三维模型注册。

2 模块设计

2.1 软件流程设计

当前手机客户端的广泛应用推动着各类APP程序的建立，本平台也可在手机端应用，方便广大用户随时随地的进行营养膳食搭配。通过手机端的摄像头扫描蔬菜单品，利用增强现实技术进行菜品确认。因此，根据用户的饮食需求以及营养膳食搭配的要求设计了手机客户端主要有以下的四个功能模块组成（1）用户基本信息采集模块：用户自主输入自己的相关信息（性别、年龄、身高、今日劳动强度、体重等）。（2）蔬菜单品获取模块：通过移动设备摄像头扫描当前菜品数据（蔬菜名称、菜谱、所含能量、食用禁忌等），移动设备出现蔬菜单品的AR模型，用户进行菜品选择。（3）数据分析处理模块：对获取的用户基本信息以及膳食要求进行分析和计算。（4）数据显示模块：经过计算和膳食搭配后，在移动设备客户端上显示最终的营养膳食搭配推荐。

2.2 登录界面设计

在开发的APP中，用户登录界面如图4所示，用户输入自己的年龄、性别、身高、体重等基本信息，以使软件获取用户的基本信息，判断用户的体能消耗以及是否为慢性病患者，给出合理的建议。

2.3 扫苗界面及显示设计

在扫描页面中，根据图5所示，用户扫描录入的蔬菜单品出现3D模型，以使用户确认是否为自己想要的菜品;根据图6所示，系统根据用户选择的蔬菜单品为用户推荐食谱，用户再进行第二次扫描，反复至搭配完毕。在选择过程中本平台还会注意食物相克问题，对相克食物出现警示。为方便快捷，根据图7所示用户也可直接选择已搭配好的推荐食谱。

3 展望总结

我们着手开发的膳食营样搭配平台，可以形成移动端的APP，使用户不受时间空间的限制，随时随地进行使用，扩大了用户的使用范围。在未来，本平台还可以跟外卖产业相结合。如用户不能自己进行烹饪，在本平台中完成膳食营养计算搭配后，可以直接匹配出合适的外卖配送商家选择想要的菜品。这更使得产业扩大，同时也更加符合现在上班族饮食多以外卖为主的特点，使用户年龄面广，增加了用户范围，有较好的发展前景。同时，随着增强现实技术的不断发展，会有更好的有关应用面世。

本平台的普及能够指导社会大部分人群进行合理的膳食搭配，可提高国民健康水平，具有研发推廣的价值和意义。

参考文献

[1]朱珠，饮食需要酸碱搭配.健康人生，2005.

[2]王玉璋，中国居民营养膳食手册，山东美术出版社，2010.

[3]秦惠基.饮食讲酸碱营养要均衡[M].人民军医出版社.2006：1-357.

[4]杨天需.糖尿病饮食指导不仅要合格，更要细化.医师在线，2019，9（17）：36-37.

[5]梁庆文.虚拟现实和增强现实技术在汽车产品工艺规划及性能预评估的应用实践.装备制造技术，2019（2）：167-173.

[6]方玉，龚丽青.餐桌奇迹，电子工业出版社，2016.

[7]周一海.糖尿病患者饮食莫要进入七大误区，2019.