利用Unity3D在Android平台开发移动AR应用的研究

张艳

摘要：随着近几年移动智能设备的飞速发展，集成强大的定位系统、陀螺仪、重力加速度等传感器等模块的智能手机已经成为当前实现AR技术的理想载体与平台。与传统AR技术利用专业的视觉设备方式不同，利用多传感器并基于手机微处理器分析的Android平台AR应用系统，具有开发成本低、便携性强、集成度高等优势。通过相关“大数据分析”及时的虚拟信息与真实环境信息的融合，该系统将提供用户更高的体验与强大的实用性。

关键词：移动增强现实技术；三维建模；传感器；Android

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）52-0055-02

一、前言

随着近年移动智能设备的普及，巨大的利润空间促使各大科技公司纷纷针对微控制器软硬件进行大力研发。移动智能设备处理器从单核心逐步走向如今的十六核心，同时CPU主频提高到2.5GHz，强大的运算功能与便携性提供了移动智能设备无与伦比的用户体验与用户期望。摄像头的高速发展，将20万像素提高到如今5500万像素，许多移动智能设备拥有不逊色于数码相机的摄像级别。

二、移动增强现实的关键技术分析

1.三维建模与三维注册。三维建模是利用计算机软件制作三维模型的物体多边形，然后在其他视频设备上进行显示，显示的物体有现实世界的实体、集成3D软件虚拟构建的物体。一般模型有三种：第一种是美工使用三维软件建模；第二种是通过扫描仪进行实际测量建模；第三种是利用图像或视频来进行从简模到高模的不断完善。目前常用的建模软件有3dsMax、Maya等，它们共同的特点是使用基本的几何形状，通过修改器进行变形、扭曲、镂空等一系列操作生成复杂的几何场景。[1]

三维注册技术指的是通过对目标物体进行计算从而使其数字化，采用智能设备的摄像头和拍摄到的目标物体所处的相对位置进行识别，投影矩阵通过计算获取，这些获得的投影矩阵可将各种虚拟信息实例化，实时地传递到图像平面显示所要求的正确位置上，并得到合成的最终的图像，其注册的精准度好坏与注册的稳定性直接决定AR系统的成功与否。

基于安卓、iOS系统的智能手持设备（手机、平板电脑等）均已安装了多种传感设备，其中陀螺仪可得到设备的实时朝向；重力感应器可得到设备的倾斜角的三维向量；设备上的GPS让用户获得其所在的地理位置信息；摄像头让用户捕捉面前的现实影像，获取了这些信息，并通过一系列程序的逻辑处理便就能进行三维注册，更加好的是为了减轻开发者的重复劳动，当前的智能手机操作系统封装处理了投影矩阵，通过接口函数，开发者便能轻松地获取投影矩阵，而开发人员自身只要将相关的坐标转换成程序所需的坐标。[2]

2.显示载体。在智能设备软硬件的迅速发展下，AR的显示设备也在不断地更新换代，从最初的庞大笨重的头盔显示机器，到现在的眼镜、智能设备、平板电脑等等，目前AR的显示设备包括了专业的显示头盔（HUD抬头显示器）、桌面显示设备、视网膜显示设备、手持型智能设备、投影显示设备。[3]

3.网络与传输。对于一些AR应用软件，主要依靠网络信号传输与远程服务器数据传输来维持有效联络。远程服务器既能储存大量的数据信息，还能在服务器上进行数据处理，使反馈给用户的信息更加准确、全面。

三、当前智能设备传感器测试与分析

1.GPS全球定位系统。GPS是Global Positioning System的简称，是当前使用最广泛的开放民用的定位系统。GPS诞生于1958年的美国军方项目，并在1964年投入使用，到20世纪70年代，美国三军联合研制了新一代的卫星实时定位系统，这便是GPS。GPS系统当时的主要任务是为陆海空提供实时、全天候和全球性的导航服务，并同时运用于情报搜集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的。

2.重力感应器。重力感应器，又称重力加速度传感器，是能够测量加速度的一种传感设备，它的主要组成部件为质量块、弹性元件、阻尼器、敏感元件以及适调电路等部分组成。根据传感器敏感元件的不同，常见的加速度传感器有电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等。传感器在其加速过程中，通过测量质量块所受的惯性力，并利用牛顿第二定律获取加速度值。

3.电子罗盘。电子罗盘，即数字指南针，它利用地磁场来定北极，从而获取方向。电子罗盘可利用其内置的磁阻传感器来检测磁场的方向。方向向前的x方向的磁阻传感器、方向向左的y方向的磁阻传感器、方向向下的z方向的磁阻传感器可以用来检测地磁场在该方向的矢量值。

四、Android平台应用开发与Unity3D建模分析

本系统基于Android5.1版本，数据服务来自于百度，数据交换采用json格式，本地化数据采用xml，扩展性脚本语言采用Lua，渲染API采用OpenGL ES。[4]

1.系统功能描述。本应用是一种基于传感器式的AR增强现实系统。它可以实现用户导航，也可以为用户实现地图定位。如果当设备与地面没有平行，用户可以自主调节导航半径，来获取在用户所需的范围内的导航信息。在UI界面上会显示该用户自定范围内的所有导航相关的信息点。

2.导航功能模块。首先经纬度和海拔是通过Android设备上安装的GPS系统取得，将这些经纬度信息作为参数，从云端服务器接口调用用户所需的数据服务，实现用户对当前所定范围内实时导航数据的获取；其次则通过Android电子罗盘传感器获得用户当前的方向信息，依赖所获得的方向信息，软件根据从服务器上下载的数据，通过算法过滤符合当前设备方向的周边环境数据，最终在0penGL的三维坐标系中把绘制的附近数据与摄像头的视频图像进行叠加处理，达到虚拟数据和实时视频信息互相结合的功能。[5]

3.地图定位模块。地图定位SDK使用的是Google Maps Android API V2开发包。与上一版本v1进行对比，v2在对申请密钥的操作上进行了些许改动，它的应用只能运行在安装Android 2.2（API Level 8）以及以上版本的设备上，目前Google官方已停止申请V1版本，因此本应用在地图定位SDK上选用v2版本的开发包。

五、结语

本文利用增强现实技术来设计实现导航功能、定位功能，功能的实现基于传感器式移动增强现实系统（基于Android平台），有效地将用户导航和地图定位结合在一起。本系统的数据源由维基百科所提供，设备朝向由电子罗盘获得，设备的倾仰角由重力加速度传感器获得，设备的经纬度以及海拔数据通过GPS来获取，使用智能设备多传感器的特点，最后根据用户所处的位置信息从云端服务器接口获取相关的数据，通過计算叠加到设备摄像头端，从而达到虚拟对象和现实实时的结合，增进了用户的使用体验，具有一定的研究和实用价值。

参考文献：

[1]Mykletun E，Narasimha M，Tsudik G.Auyhentication and integrity in outsourced databases[J].ACM Transactions on storage，2006，2（2）：107-138.

[2]Juels A，Kaliski B s.Pors：proofs 0f retrievability for large files[c]//Pmceedings of the 2007 ACM Conference 0n Computer and CommunicationsSecurity.New York：ACM，2007：584-597.

[3] Wang Cong，Wang Qian，Ren Kui.Towards secure and Dependable Storage Services in Cloud Computing[J].IEEE Transactions on Service computing，2012，5（2）：220-230.

[4]Rivest R.The MD5 Message-Digest Algoritllm[s].RFc 1321.MITI且bomtory for Computer science aIld RSA DATA Security.Inc，ApriI 1992.

[5]葛锦环，李际军.一种基于MD5值的数字图像加密新算法[J].计算机应用与软件，20l0，27（6）：35-38.