胡曉琛　鄧冰

[摘要]AR雖然是由虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展而來(lái)的，但是在概念、特征和硬件設(shè)備需求方面都與VF《虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)》有著相當(dāng)大的差異。AR的關(guān)鍵技術(shù)在于將現(xiàn)實(shí)與虛擬、實(shí)時(shí)互動(dòng)、三維注冊(cè)等一一對(duì)應(yīng)。AR的發(fā)展符合當(dāng)今的時(shí)代潮流。能夠輔助虛擬互動(dòng)應(yīng)用的設(shè)計(jì)和研發(fā)，大大地激發(fā)了設(shè)計(jì)師的靈感，豐富了設(shè)計(jì)作品。

[關(guān)鍵詞]增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；虛擬互動(dòng)；輔助設(shè)計(jì)；三維注冊(cè)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，下文簡(jiǎn)稱AR），作為先進(jìn)的三維交互技術(shù)，誕生于19世紀(jì)60年代，當(dāng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的智能手機(jī)平臺(tái)iOS和Android系統(tǒng)出現(xiàn)后，針對(duì)AR技術(shù)的研究和應(yīng)用出現(xiàn)了突破性的進(jìn)展。曾經(jīng)出現(xiàn)在科幻電影中的情節(jié)可能真實(shí)地被還原到現(xiàn)實(shí)生活中，人們可以在空氣中通過(guò)手勢(shì)對(duì)智能設(shè)備發(fā)出指令。

一、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

（一）發(fā)展趨勢(shì)

未來(lái)的一個(gè)時(shí)期內(nèi)社會(huì)發(fā)展的特征主要由技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)所決定。美國(guó)巴特爾研究所的研究報(bào)告中列舉了10項(xiàng)最具有戰(zhàn)略意義的技術(shù)趨勢(shì)，其中增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)名列第10位。全球知名的咨詢公司Gartner在分析行業(yè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上指出：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將在未來(lái)五年內(nèi)進(jìn)入商用市場(chǎng)，成為主流科技產(chǎn)品的普遍功能。

Gartner公司從1995年起就繪制技術(shù)成熟度曲線圖用來(lái)描繪創(chuàng)新技術(shù)所經(jīng)歷的過(guò)熱期待期、幻覺(jué)破滅期和回歸現(xiàn)實(shí)的過(guò)程。通過(guò)這種方式分析并指出了這些技術(shù)采用的最佳時(shí)間和地點(diǎn)，從而獲得最大化價(jià)值和技術(shù)影響力。技術(shù)成熟度曲線大致可以分為五個(gè)階段“技術(shù)萌芽階段（Technology Trigger）、期望峰值階段（Peak of Jnflated Expectations）、泡沫化谷底階段（Trough of Disillusionment）、穩(wěn)步攀升階段（Slope of Enlightenment）、實(shí)際生產(chǎn)高峰階段（Plateau of productivity）（見(jiàn)圖1-1 Gartner曲線）。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

隨著二維交互限制被三維交互打破，人機(jī)交互的方式提供了一種自然而直觀的交互行為方式，主要的實(shí)現(xiàn)技術(shù)包括虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)同樣具有“虛擬-真實(shí)連續(xù)性”的特征，就是把虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境分別作為兩端，處于兩端中間的區(qū)域則被稱為“混合實(shí)境（Mixed ReaIity）”，靠近真實(shí)環(huán)境一端的是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，靠近虛擬環(huán)境一端的是虛擬現(xiàn)實(shí)（圖1-2混合實(shí)境）。簡(jiǎn)而言之，混合現(xiàn)實(shí)是一種新型的可視化環(huán)境，融合了現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界兩個(gè)部分，允許真實(shí)存在的物理對(duì)象與虛擬的數(shù)字對(duì)象同時(shí)存在并且實(shí)時(shí)互動(dòng)。

與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)相比較，虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)造的是一個(gè)全新的虛擬世界，而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)則通過(guò)將真實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境相結(jié)合把人們拉回到真實(shí)世界的互動(dòng)中來(lái)，同時(shí)在真實(shí)世界上輔以虛擬的數(shù)字信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息或可視化信息的增強(qiáng)和擴(kuò)展。AR可以使真實(shí)環(huán)境與虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合，它是以假設(shè)性和互動(dòng)性為基本特征的人機(jī)交互系統(tǒng)的高級(jí)形態(tài)。而VR更專注于沉浸式的特征，促使用戶在三維構(gòu)建的虛擬空間中活動(dòng)。由于此特征上的差異，從而導(dǎo)致了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)所使用的硬件設(shè)備也有所不同：VR采用的頭盔顯示器具有浸沒(méi)式的特點(diǎn)（圖1-3），而AR采用的頭盔顯示器具有透視式的特點(diǎn)（圖1-4視頻透視顯示器）。

（三）系統(tǒng)要求

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)主要由廣電現(xiàn)實(shí)技術(shù)、交互技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和可視化技術(shù)等創(chuàng)造出一個(gè)或數(shù)個(gè)在現(xiàn)實(shí)中并不存在的虛擬對(duì)象，并通過(guò)三維注冊(cè)技術(shù)將虛擬對(duì)象精確地放置在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，使用戶產(chǎn)生一種虛擬與現(xiàn)實(shí)融合的感覺(jué)，從而無(wú)法區(qū)分物體是真實(shí)還是虛擬的屬性。因此增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以“將現(xiàn)實(shí)帶入虛擬，讓虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”。虛擬互動(dòng)系統(tǒng)中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能具有兩方面的要求：其一，功能性要求，既包括視頻捕捉、實(shí)物跟蹤、虛擬信息、信息現(xiàn)實(shí)等；其二，非功能要求，包括可移動(dòng)性、系統(tǒng)平臺(tái)需求、用戶需求、設(shè)備需求和環(huán)境需求等。

從軟件和硬件角度入手，能滿足上述具體功能的設(shè)備主要包括：硬件設(shè)備，如攝像頭、傳感器、控制設(shè)備、顯示器和存儲(chǔ)傳輸設(shè)備。其中最關(guān)鍵的設(shè)備是顯示設(shè)備，比如能夠使用戶直接透過(guò)顯示屏（或透明鏡片）看到真實(shí)世界的影像，同時(shí)又能提供將虛擬影像投射到顯示屏（或透明鏡片）上的裝置，從而使用戶看到由電腦合成好的虛實(shí)結(jié)合的影像（圖1-5）。

一套AR系統(tǒng)包括了計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)、視頻輸入輸出轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)、視頻現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)。這套系統(tǒng)除了符合高質(zhì)量要求的硬件外，還需要一套與之配合的成熟的軟件。只有當(dāng)軟件與硬件系統(tǒng)同時(shí)達(dá)到要求，并且在實(shí)際設(shè)計(jì)、應(yīng)用過(guò)程中具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，才能設(shè)計(jì)并產(chǎn)出一套符合用戶完美需求的系統(tǒng)。

二、核心技術(shù)

虛擬互動(dòng)系統(tǒng)中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要包括三方面的核心技術(shù)：顯示成像技術(shù)、跟蹤定位注冊(cè)技術(shù)、交互技術(shù)。

（一）顯示成像技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中使用的顯示器可以分為頭盔式顯示器和非頭盔式顯示器。后者包括了DRT平面LCD顯示器，投影式顯示器（Projection Displays）和手持式顯示器（Hand-held Displays）。下面將以目前最新的谷歌眼鏡（Google Glass）作為案例來(lái)說(shuō)明頭盔顯示器的工作原理，并通過(guò)iOS應(yīng)用軟件來(lái)探討手持式顯示器。

1.谷歌眼鏡

特工佩戴著特制的隱形眼鏡走入大街，就能夠?qū)崟r(shí)掃描并識(shí)別人的臉部信息，從而迅速的從人群中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，獲取機(jī)密（圖2-1）。這是在電影《碟中諜4》里面出現(xiàn)的科幻鏡頭，科學(xué)家稱這樣的設(shè)備真實(shí)應(yīng)用將出現(xiàn)在一二十年后。目前谷歌發(fā)布的GoogleGlass（谷歌眼鏡）已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了這項(xiàng)功能。谷歌眼鏡于2012年4月發(fā)布，是一款可穿戴式智能眼鏡，其提供了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)服務(wù)。它集成智能手機(jī)、GPS、相機(jī)于一身，用戶可以通過(guò)它擴(kuò)展眼前的實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)，包括眨眨眼拍照上傳、處理文字信息、查詢天氣路況等，同時(shí)支持藍(lán)牙功能和智能手機(jī)同步（圖2-2）。谷歌眼鏡代表了未來(lái)科技的發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)了人與機(jī)器、現(xiàn)實(shí)與虛擬、互聯(lián)網(wǎng)與人際間交流方式的革新。它的工作原理具有以下特征：endprint

（1）空間計(jì)算

全球知名軟件公司Occipital的研究數(shù)據(jù)表明，相機(jī)已經(jīng)成為采集信息使用率最高的傳感器之一，目前受到計(jì)算機(jī)圖形算法和移動(dòng)智能設(shè)備硬件的限制，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的潛力還遠(yuǎn)沒(méi)有發(fā)揮出來(lái)。

（2）互動(dòng)游戲

Kinect是2010年1月4日時(shí)微軟推出的體感捕捉設(shè)備。它成功的將多余的外置設(shè)備去除，以全新的方式將體感互動(dòng)融入到游戲生活中，廣泛的進(jìn)入商用市場(chǎng)。這款設(shè)備不僅能識(shí)別玩家的身體動(dòng)作，同時(shí)可以辨識(shí)語(yǔ)音，成功地使用戶的身體成為游戲的控制器（圖2-3）。

（3）人腦感知

人腦感知技術(shù)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的結(jié)合可以使設(shè)備更好的理解用戶的行為，比如通過(guò)智能方式感知人類的腦電波，從而使用意識(shí)控制信息的顯示或者根據(jù)心情給予生活的建議。這些想法已經(jīng)不再是酷炫的科學(xué)幻想，例如InteraXon（圖2-4）就推出了一款通過(guò)腦電波來(lái)控制窗簾及燈光的“腦電波感應(yīng)式頭帶”。

（4）交互提升

運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)內(nèi)容和動(dòng)畫(huà)，能夠有效地降低交互過(guò)程中的障礙，從而更好地提升自然的交互過(guò)程。

2.iOS應(yīng)用程序

從iPhone、iPad不斷更新的iOS系統(tǒng)中，我們可以看到很多新的應(yīng)用程序。其中一些正在運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為人們的生活、工作提供便利，而AR技術(shù)的應(yīng)用正在朝著“隱形”方向發(fā)展。可穿戴設(shè)備的技術(shù)發(fā)展使我們不再局限于使用4英寸顯示器去觀察生活，也不用時(shí)時(shí)刻刻關(guān)注手機(jī)，而是讓設(shè)備關(guān)注我們。例如：在實(shí)體桌子上向一個(gè)虛擬籃球筐里投擲虛擬的籃球（圖2-5）。Find Your Car在你把車停好之后，使用手機(jī)給停車位置加上標(biāo)簽，當(dāng)你想開(kāi)車回家的時(shí)候，就能夠借助Find Your Car快速找到自己的車子（圖2-6）。

（二）定位（跟蹤、注冊(cè)）技術(shù)

目前從增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和移動(dòng)位置服務(wù)結(jié)合的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，越來(lái)越多的餐館服務(wù)、旅游服務(wù)、天氣服務(wù)等最大的特征就是在屏幕上提供和可見(jiàn)實(shí)景相關(guān)的信息，并通過(guò)獲取數(shù)據(jù)庫(kù)中的地圖信息向用戶提供更大距離范圍的相關(guān)信息。注冊(cè)的主要目的是使虛擬物體與標(biāo)識(shí)物能夠按照設(shè)計(jì)意圖在真實(shí)場(chǎng)景中準(zhǔn)確顯示，同時(shí)具有相同的位置信息和狀態(tài)。目前，定位技術(shù)包括全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS、視頻監(jiān)測(cè)、光學(xué)系統(tǒng)、超聲波、磁場(chǎng)、機(jī)械裝置等。

AR系統(tǒng)通過(guò)大量標(biāo)定測(cè)量值來(lái)生成精確定位，包括：攝像機(jī)參數(shù)、視域參數(shù)、對(duì)象定位及變形參數(shù)、傳感器偏移參數(shù)等。采用的技術(shù)包括：攝像機(jī)標(biāo)定、手動(dòng)AR標(biāo)定及開(kāi)發(fā)自有的標(biāo)定繪制器。衡量定位技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)主要是：精確性、實(shí)時(shí)性和操作范圍。通常需要的精確度越高，容易導(dǎo)致錯(cuò)誤的源就越多。但是隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)圖像算法和硬件設(shè)備的改善，攝像頭的信息采集精確度將越來(lái)越高，逐漸成為最終要的AR系統(tǒng)傳感器和輸入設(shè)備，這不僅是AR技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，也是整個(gè)計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

（三）交互技術(shù)

人機(jī)交互指人與計(jì)算機(jī)之間的對(duì)話語(yǔ)言或行為方式，從而完成信息的交換過(guò)程。它包含了計(jì)算機(jī)圖形圖像學(xué)、心理學(xué)、人工智能等跨學(xué)科的技術(shù)。隨著傳感器、力反饋等硬件設(shè)備的發(fā)展，科學(xué)家對(duì)于人類個(gè)體差異、體感認(rèn)知的研究不斷發(fā)展，人機(jī)交互成為了信息產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵技術(shù)，其設(shè)計(jì)理念也實(shí)現(xiàn)了向“以用戶為中心”的轉(zhuǎn)變。在人機(jī)交互中的用戶界面（User Interface，簡(jiǎn)稱U1）是人機(jī)間信息交換和傳遞是否成功的重要端口，一個(gè)用戶界面設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到人機(jī)交互的效果。交互設(shè)計(jì)的過(guò)程包括：“用戶研究”、“設(shè)計(jì)分析”、“原型制作”、“查證評(píng)估”四個(gè)步驟（圖2-7），關(guān)鍵技術(shù)包括：頭盔式顯示器、光學(xué)透視式顯示器、定位系統(tǒng)和移動(dòng)計(jì)算。

1.用戶界面的演變過(guò)程（圖2-8）

2.以用戶為中心

以用戶為中心是指設(shè)計(jì)必須是滿足用戶需求的、可行的，能夠產(chǎn)生商業(yè)價(jià)值的設(shè)計(jì)。交互設(shè)計(jì)之父Alan Cooper提出的以目標(biāo)為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)，提倡將用戶的需求放到第一位。而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在虛擬互動(dòng)中的運(yùn)用，則可以滿足用戶的特殊體驗(yàn)要求。用戶作為最終的使用者，決定了界面設(shè)計(jì)的功能與形態(tài)，用戶在使用過(guò)程中的滿意度直接決定了交互界面設(shè)計(jì)的成功與否。

三、虛擬互動(dòng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)輔助設(shè)計(jì)順應(yīng)了時(shí)代的發(fā)展潮流，能夠豐富數(shù)字時(shí)代設(shè)計(jì)作品的展現(xiàn)方式，并為交互設(shè)計(jì)帶來(lái)新的活力。它把‘用戶體驗(yàn)”的概念導(dǎo)入到交互設(shè)計(jì)中，融合了虛擬互動(dòng)應(yīng)用的特點(diǎn)和“感官交互”、“行為交互”和“反思交互”設(shè)計(jì)方法。以用戶需求為前提進(jìn)行技術(shù)選擇及內(nèi)容制作，盡可能達(dá)到人、機(jī)器和環(huán)境的自然交互。

1）感官交互：圖像、聲音等計(jì)算機(jī)生成的數(shù)字信息通過(guò)人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、觸覺(jué)等感官層面的感受變化進(jìn)行互動(dòng)，產(chǎn)生實(shí)時(shí)的圖像或聲音信息的互動(dòng)交流。

2）行為交互：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)的虛擬物體與人在行為上進(jìn)行互動(dòng)。但是無(wú)論交互實(shí)現(xiàn)的多么完美，由于缺少了圖像中物體重量、軟硬、速度等多角度的感官體驗(yàn)，給人的感覺(jué)仍然是“虛擬”的圖像。

3）反思交互：通過(guò)人的思想直接控制現(xiàn)實(shí)世界中展示物的變化，通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)人在交互行為過(guò)程中精神反思層面信息的捕捉。采用最新的腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface，簡(jiǎn)稱BCI）技術(shù)可以達(dá)到用人的意念控制真實(shí)物體移動(dòng)的效果。

比如來(lái)自美國(guó)的一個(gè)三人團(tuán)隊(duì)在四周時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)了一款名叫Ikea Now的免費(fèi)應(yīng)用（圖3-1），通過(guò)AR讓買(mǎi)家具的過(guò)程變得更加直觀。用戶用智能手機(jī)打開(kāi)這款軟件時(shí)，攝像頭就會(huì)打開(kāi)，并呈現(xiàn)現(xiàn)實(shí)的畫(huà)面，在APP里選擇一款家具，這個(gè)家具的圖像就會(huì)插入到現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中。

（一）界面設(shè)計(jì)

在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的界面設(shè)計(jì)中，真實(shí)世界將按照設(shè)計(jì)意圖作為背景圖層疊加虛擬物體出現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員不僅可以看到顯示窗口中的全部元素，同時(shí)還要確保所有的元素都放置在準(zhǔn)確的位置上。除了能夠整合圖形軟件中計(jì)算機(jī)生成的信息和設(shè)計(jì)作品時(shí)的真實(shí)圖像，系統(tǒng)還允許設(shè)計(jì)人員添加注釋、評(píng)論和誤差等信息。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)采用的是基于任務(wù)的多通道用戶界面模型設(shè)計(jì)方法，通過(guò)整合多個(gè)通道的信息來(lái)源，使用自然的方式完成界面的操作。系統(tǒng)的層次框架為：交互任務(wù)整合器和場(chǎng)景管理器兩大部分。交互任務(wù)整合器負(fù)責(zé)將多個(gè)通道輸入的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，形成特定的交互任務(wù)。交互設(shè)備則包括了鼠標(biāo)、攝像頭和語(yǔ)音設(shè)備等，交互設(shè)備需要根據(jù)具體的交互需求來(lái)增加或減少。場(chǎng)景管理器，負(fù)責(zé)管理場(chǎng)景中的虛擬物體，通過(guò)分析交互任務(wù)整合器發(fā)來(lái)的指令，修改場(chǎng)景中虛擬物體的屬性，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算機(jī)算法和語(yǔ)義的反饋。場(chǎng)景管理器負(fù)責(zé)生成圖像和語(yǔ)音信息，并分別交給顯示器和語(yǔ)音設(shè)備進(jìn)行處理。

（二）情感設(shè)計(jì)

隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多設(shè)計(jì)奧秘逐步被揭開(kāi)。正如英國(guó)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)師James Alliban所說(shuō)，“人們依靠各種信息被準(zhǔn)確無(wú)誤的添加從而做出決策。”“情感設(shè)計(jì)”的理念正在當(dāng)代“以用戶為中心”的交互設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。蘋(píng)果公司＼前副總裁Don Norman博士在《Emotional Design：Why We love（or Hate）Everyday Things》中倡導(dǎo)設(shè)計(jì)從實(shí)用性到美學(xué)的轉(zhuǎn)變，“一個(gè)好的有凝聚力的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，應(yīng)該看上去美觀，用起來(lái)舒心”，這就是在交互設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用到的情感設(shè)計(jì)的最好總結(jié)。endprint