摘要：将增强现实技术引入空间展示的辅助设计之中，使得真实的空间与虚拟现实技术相结合，这样更有利于设计师在设计展示空间以及展品时更加直观的感受陈列效果。在增强现实辅助设计应用的研究与实现中，使用ARkit的增强现实开发包作为工具进行扫描物体，同时利用unity3d实现对展示模型的实例化，完成将虚拟物体与现实场景的无缝融合，达到提前预览展示空间效果的目的。通过深入讨论和对比增强现实技术在设计方案中的多种应用问题，为展示设计中的研究提供了辅助设计作用。
关键词：辅助设计；增强现实技术；空间展示；app
1引言
由于计算机应用的大量普及以及科学技术的不断发展，人们开始在众多领域不断追求更高的视觉冲击，外部世界的视觉构造已经不能满足人们的需求，因此设计师们开始关注虚拟的时空。在传统的空间展示中，展品的陈列和展厅环境布局会受到设计风格以及空间内部结构等多种因素的影响。为了使展示空间的色调、结构以及展品的陈设布局更加灵活化，我们将增强现实技术引入其中，使得真实的空间与虚拟现实技术相结合，这样更有利于设计师在设计展示空间以及展品时更加直观的感受陈列效果[1]。本系统基于ARkit实现对环境平面的识别，利用unity3d实现展示模型的实例化，完成将虚拟对象与现实场景的无缝融合，达到预先预览展示空间效果的目的。
2设计策略
大致可以把应用的设计开发焦点集中在观者、环境和技术三大类中，并对每一类所需要包含的内容进行精准分析，提出符合需求的视觉以及技术方面的表现方案，从而方便设计师们针对不同的受众和环境快速解决设计问题。室内空间展示的主题类型繁多，很多展示设计因其空间时间上的限制不能将其主题特点完美展现，参观者的定位以及个性化的需求往往影响着整个设计周期，因此围绕观者、环境和技术三个主要因素制定研究理论框架。
2.1统一化的框架和个性化的分支
作为一款应用于空间展示设计的应用，它面向的是大众，因此根据大众的使用偏好应当具有简洁的界面、简单方便的交互方式以及丰富的内容查看区域。根据目前使用较多的智能移动便携终端的特点，将使用手势触摸控制作为主要的交互方式，同时由于当前4G网络的快速加载，将使用云端来存储相关信息，这样可以减轻应用的数据量对手机带来的负担。不同类型的展示面对的受众也有所不同，而且由于文化背景的差异，可将受众分为多个层次，并且层次之间的跨度较大，很难利用同一个框架将其概括，因此利用统一的理论很难满足各类不同层次的受众，因此需要在主导框架的基础上围绕一个合适的规则进行分支化的设计，从而使最终的应用更具有广泛性。
2.2符合观众心理的设计预制
在初始的系统中，系统中中会预制多种类型的信息，信息与信息的组合出现是随机的，通过这种随机的过程逐渐捕捉到观众具有较多高峰时刻的信息组合，高峰时刻的判断可以通过观众在某个信息组合所停留的时间。随着数据量的不断增大，最为合适的信息组合也越来越清晰。在这个过程中逐渐增加类似信息组合的数量，一方面可以更好的提升参观者的游览体验，另一方面也逐渐为后续系统信息内容的调整积累更多的数据依据。另外认知负荷理论最早由认知心理学家约翰•斯威勒提出，其基础是个体认知结构与外界环境之间的交互作用[3]。人们在接收到外界信息后，需要对其进行理解处理，这个过程需要大脑进行思考，每一次思考都会为身体增加一定的负荷，进而产生一定的疲劳感。
2.3特殊环境的快速营造
虚拟物体与真实物体的区别主要是由灯光以及灯光的颜色决定的，因此需要在系统中添加自动调节光照强度和色调的工具，能够实现快速改变虚拟物体的反光特性。增强现实技术是将虚拟和现实进行叠加，而叠加的方式可以进行任意的选取，但在设计的过程中也会遵循一些规则来提升观众的沉浸感和趣味性，例如可以为雕塑、画作等添加新的元素，使得真实元素与虚拟元素更加吻合。
3系统设计
该应用是由6个部分组成，其中包括：对真实世界物体的图像采集、图像的识别跟踪系统、三维注册技术、虚拟融合部分、智能终端的显示和人机交互部分。以上6个核心的技术部分构成了该应用的主干框架。对于各类展示展览而言，展品是最重要的组成部分，因此图像采集部分的开发为整个app的实现奠定了基础，可以利用图像采集部分获得展品的相关数字化信息。考虑到设计师对应用的便捷需求，所采用的主要工作方式就是利用便携式移动终端的摄像或拍照功能作为主要媒介手段，进行图像采集工作；在图像采集的过程中，由于不同物体采集环境的差异，而导致初步采集的数字信息存在失真，因此后续系统将利用相关的图像跟踪识别算法对失真的信息进行重新识别和处理；完成对真实物体的信息采集和重新处理建模后，以三维注册技术作为手段通过分析物体与真实空间的比例计算出空间上的尺度，然后通过虚实融合平台将真实空间物体的数字信息进行精准传递，使虚拟物体与其他真实空间环境相融合时显示出真实的比例大小；最终将所有画面信息显示在智能移动终端的显示屏上，为用户展示增强现实的特殊效果。随着技术的快速发展，智能化的便携式移动终端已经拥有了较为强大的硬件配置可以独立处理相关应用程序，这就免去了以计算机作为服务端提供处理工作。通过上图的展示可以清楚的得知智能移动终端上的AR系统的一系列功能，若是为每一个环节都赋予一定的智能化处理方式，就可以大大提升整个系统的运行岁读，因此在提高每个环节智能化功能的同时，还应当考虑到网络带宽。针对这个问题，提出了两种的解决方式，一种是在有条件的情况下，尽可能在展览空间配置网络系统保证网络带宽速度；另一种则是通过特殊的编码解码方式将数据上传服务端，将数据处理的过程交给服务端去完成，移动设备只负责显示的功能。
3.1图像采集部分
该部分要完成的任务是利用设备对展品的外形数据进行采集，主要的获取原理就是，利用设备摄像头获得物体在真实空间中的图像，并运用系统中的模拟光学元件计算图像中的相关物理参数，并将这些物理参数编码后以模拟信号的方式，存储在带有记忆功能的元器件上[7]。在数据传递到服务端或者终端设备上后，通过解码功能将模拟信号中所带有的物理量信息还原，并保存在服务端或者终端设备。对待图像中的光强，通过是利用像素点的灰度值来表示的，因此计算机或者终端处理器则利用图像中每个像素点的灰度值，对整个图像的信息进行光强分析，最终将展品形象虚拟呈现在显示设备上。
3.2识别跟踪部分
在部分展览中，展品并不是一成不变的静态物体，针对动态并具有形态变化的展品，需要采取特殊的技术将其完整化采集后3D成像，因此识别跟踪技术就是实现这一目的的最佳方式。参考近些年有关此部分的研究资料发现：由于外部空间环境的不同，对物体信息的采集方式存在一定的差异，较为常用并能满足大部分环境的方式就是利用能够捕捉识别物体动态变化的外部传感器以及相应的开发程序。
3.3三维注册部分
位姿态估计部分的目的是寻找真实物体的三维数据信息与采集到用于虚拟建模的平面图像信息之间的对应转换函数。由于是摄像机等设备所采集到的都是平面图像，因此就需要寻找合适的函数转换体系，有效的将平面数据信号与空间数据信号进行互换。通过对该部分相互技术的研究可以获得两种解决方法，一种是利用摄像机的定位精确的分析出摄像机的坐标信息，使其进行自定义三维注册；另一种是不用对摄像机的内外参数进行标定，而是为物体建立单独坐标体系，进行统一的全局方式变换，这种方法可以有效的降低处理器的计算复杂度，提高三维注册的效率，但是较之第一种方法，成像质量有所降低。
3.4虚实融合部分
虚实融合部分是增强现实的最后一个环节，其主要目的是使虚拟三维模型更加贴合真实空间，在这个部分可以观察出整个AR系统的构建质量，在这个部分的调试过程中，可能会出现虚拟物体渲染不够逼真或者比例不合适等情况，导致这些问题的主要原因是：处理器对虚拟物体的分析处理转换速度较低；坐标信息的不精确，使虚拟空间中的物体只能在注册表面进行展示，缺乏对真实空间中尺度比例的精确转换计算。另外光线会对真实世界的空间环境产生一定的影响，而虚拟空间中物体的光源是通过计算机模拟真实环境的，当真实环境中的光源发生一定改变时，虚实融合的结果就会存在衔接上的差异。对待这种问题的解决方法可以采取对虚拟物体光源参数的适时调节，从而到达更好的虚实融合效果。
3.5终端显示部分
终端显示部分是整个应用的实现环节，主要目的是使用户获得多感官的体验。人的感官主要借助视觉、听觉、触觉、嗅觉等与真实空间中的各种信息形成一定的对应关系，因此对应用中相对应的部分进行丰富增强，使得人们可以在空间中获得更多的信息。根据相关研究资料表明，人们通过眼睛从空间中获得的信息占总体信息量的大部分，因此显示环节成为增强人体感官的主要方式。
3.6人机交互部分
本应用中，人机交互环节可以通过人机交互的方式将虚拟物体与真实空间重合，基于增强现实的人机交互方式拓展了曾经的人机交互方式界限，不再仅仅是光标的移动和点击，取而代之的是更加个性化的交互方式，使人和虚拟物体之间产生互动，例如手势、触摸等。另外由于各种应用技术的不断发展促使了各类智能化硬件设备的产生，这也不断丰富了交互技术，例如智能移动设备的触控技术、谷歌眼镜的滑动触控技术等，为人机交互技术提供了载体。因此在增强现实应用的开发过程中，可以充分利通这些新兴硬件设备的优势为用户提供更加多元化的人机交互方式，使用户可以享受到一种身临其境之感。
4视觉功能的实现
制作三维模型是实现增强现实效果的前提，为了使计算机制作的三维模型更加逼真，则需要对真实物体的外部信息进行精确化的采集。这里我们采用auto推出的autodesk123d，只需要对真实物体进行多角度的拍摄，就可以生成三维模型并导入Unity3d中。
4.1旋转交互功能
在Unity3D中所创建的虚拟模型的角度是固定不变的，但在实际展示过程中需要根据实际情况对虚拟模型的角度进行调整。利用transform组件就可以实现旋转功能，由于测试使用的设备以触摸式智能移动终端为主，因此这里就使用一个触摸点的左右滑动完成虚拟模型旋转的交互。
4.2标志物信息跟踪交互功能
在系统中需要创建一个或者多个标志物来定位虚拟模型出现的位置，所以在选择标志物时通常使用对比度较大、图像内容色彩丰富的标志物来获取特征点。通过使用ARkit实现对平面物体的识别，并将模型放置于指定的位置附近，通过AR相机识别标志物实现虚拟现实的叠加。
4.3对象动画初始化交互功能
在播放动画的过程中需要注意动画开始播放的时间以及播放结束后的状态，通过函数进行控制，使得虚拟模型出现在视野中时才开始播放动画，并将动画的最后一个动作与第一个动作进行链接，使动画可以在观众的视野中进行循环播放。
5系统整合与
该应用主要是面向iOS系统，为了使程序能够稳定的移动终端运行，将系统整合创建成为基于iOS平台的可执行文件。在U-nity3D中，将针对展品收集到的所有模型、模型动画脚本以及影音素材进行打包整理并传入云端，对关键的交互技术脚本进行多次调试，并完成界面的整体设计。将整个应用系统中的全部文件进行彻底的收集整合，以确保在最终应用后能够流畅运行，并且没有资源丢失的情况发生。
参考文献：
[1]薛立明.增强现实技术在移动终端中的应用研究[D].山东师范大学，2010.
[2]李可歆.手持设备上基于增强现实的虚实交互技术的研究与应用[D].青岛大学,2010.
[3]张良君.室内环境与气氛的创造.世界建筑导报，2009.12.
[4]陈靖，土涌天，闰达远.增强现实系统及其应用[J].计算机工程与应用，2001.15:72-76.
[5]杨小亮.增强现实技术在新媒体展示设计中的应用研究[J].艺术教育，2015,08:54-58.
[6]戚鹏，辛献杰，郭艳，等.基于增强现实技术的工业设计虚拟展示平台的建设研究[J].科技展望,2015,20:160.
[7]刘越，王涌天，闰达远.增强现实系统显示技术研究[J].第三届全国数字成像技术及相关材料发展与应用学术研讨会论文摘要集[C].2004:21-2
作者:刘珊杉 单位:南京艺术学院