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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,增强了虚拟图像和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,和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和颜色工程研究所、浙江大学计算机辅助设计和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技术和视频、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搜索和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.

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