户外运动移动端取代器——便携AR设备的应用研究

孙雪洁 许露露

增强现实技术（Augmented Reality，简称AR）是一种研究虚拟世界与现实世界信息结合的新技术。继虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）得到大众普遍认知后，近几年，AR技术在数字研究领域受到的关注度逐年攀升。AR技术主攻的现实世界互动功能，在医疗领域率先获得了充分的关注和应用，在军事、工业维修、旅游、游戏等领域开始崭露头角。该技术的发展潜力巨大，可搭载GPS、通讯等多种辅助技术，这就给户外取代移动设备提供了强有力的保障。

一、AR设备发展现状

微软、苹果、谷歌相继加入AR开发战局，导致该领域开发者热情空前高涨，致力于给受众提供极具享受力的沉浸式AR体验。但是在技术成熟度上AR落后VR多年，还未真正引起电子消费的新一波热潮。增强现实技术正在改变着我们观察世界的方式，目前市场上应用AR的设备分为以下三类。

（一）AR软件和小程序

智能手机的普及是AR技术向系统软件、各类小程序开发的有力保障，对人工智能的依赖引导技术融合。手机操作系统分为iOS和Android两种，面向受众的不同，开发商制作了不同的应用系统。如苹果的iOS版ARKit工具开发的JigSpace，作为一种学习工具辅助学生们探索物体的内部构造。利用移动设备将3D模型投射到平面上，可以把抽象的概念和物体一步步拆分，让学生有最直观的感受，深层次上改变了教学方式。

由于AR技术发展不完善，AR软件不能与移动设备完全融合。例如谷歌的良心产品Google Arts & Culture，2018年底新上线的Pocket Gallery版块推出了AR虚拟博物馆，只有搭载了ARkit（iOS）或AR Core（安卓）的机型才能使用。

AR游戏的前景空前广阔，经济转化率将不负众望。游戏作为高压生活中的一种释放方式，开发者早已将矛头瞄准AR市场。成功案例如Niantic Lab出品的Ingress与Pokemon GO。单是手游《口袋妖怪GO》推出第一年下载量就达到7.5亿次。AR技术能带来的现实体验感比手游、端游更有吸引力，科幻、动漫领域都已对AR游戏的未来框架进行构画，日漫的《刀剑神域》勾画的增强现实世界，是当代人十分羡慕的技术时代。

除了软件应用平台外，小程序其实是目前AR技术与受众接触最亲密的方式，社交软件、地图软件、购物软件都相继开发了辅助程序。在营销界，现实增强技术已成为横跨实体店与电商平台之间的产品“导购员”，哈根达斯的AR互动广告又一次刷新了广告营销的认知“吃我一记冰淇淋球、快来蹦个冰淇淋迪、吃个冰淇淋都是爱你的形状”三个关卡，带来一场冰淇淋世界的梦幻体验。腾讯、阿里巴巴、百度等拓展AR程序，意图带来“随时随地，通过AR发现身边的每一个小惊喜”的体验。

（二）移动AR硬件

具体指专用的智能手机、平板电脑AR硬件和软件，如谷歌Google Tango手机。AR技术强依赖于承载它的硬件，所以AR技术就是选择硬件平台。移动AR硬件解决了手机上使用AR的难题，融入单目SLAM、同时定位等技术可以提高用户体验。苹果先发布ARKit随后Google也针对安卓系统推出ARCore。两者相比，硬件平台使用最广泛、用户最容易接受的是ARKit。

技术成本的要求，部分高端手机才搭载AR硬件，因此，AR硬件使用规模远落后于AR软件平台。不过，该领域的市场发展空间还很大。

（三）佩戴设备：智能眼镜、辅助设备

智能可穿戴技术初级阶段是对日常穿戴进行智能化设计、开发出可以穿戴的设备的总称，如眼镜、手套、手表、手环、服饰及鞋帽等。一类是需要PC机或大型设备配合使用，另一类是独立移动设备，最常见的便是智能眼镜。

AR眼镜配置内置处理器、电池、WiFi、蓝牙、GPS等组件，除了AR软件，受众日常接触最多的种类应是影视AR眼镜，理论上这项技术的极限绝不在此。丰富的附带功能要求更高的技术，目前的电池续航、无线连接、显现、外形都限制了它的大规模普及。市面上比较成熟的有Microsoft HoloLens、Magic Leap One，不过价格都较为昂贵。

有机遇更要有准备，各大运营商在APP生态系统、设备效率上发起进攻。华为有一款新专利曝光，将智能手表放入眼镜架后，即可变身为AR眼镜。若重量、电池技术、运行速度无法突破，未来十年，独立AR智能眼镜将无法取代智能手机。

二、技术发展带来的运动新需求

（一）运动趋势：户外运动与便捷室内运动

在物质匮乏的时代，户外运动作为一种谋生手段而诞生，随着生活水平的提高，运动主要成为了解压放松的娱乐方式。运动场景的发展经历了四个阶段：大型户外运动、户外运动与小型室内运动、户外运动室内化（体育馆、健身房）、大型户外运动与运动设备家庭化。从发展趋势可是看出，现代人倾向于亲近自然的户外运动与独立便捷的室内运动。都是喜爱的运动方式却对应着不同的心理诉求，户外运动不太在乎距离、价格、耗费的精力、麻烦程度，在乎的是过程中能得到的精神享受。室内运动则与之相反，要充分考虑时间成本、效益，最好与自己的生活环境完美结合，不受时间地点的限制。当然这只是社会的大趋势，不能排除运动爱好者的个性化运动方式。

（二）增强现实技术助力运动变革

增強现实技术在这种新需求的情况下能发挥何种作用？关于室内，很多人体验过VR设备中的虚拟世界，意想不到的场景与真实的感受，虽然各种运动体验可在虚拟现实技术下实现，但有致命的缺点：虚拟视觉。VR是虚拟中的真实，而AR是真实中的虚拟，长时间的体验中，后者带着受众的安全感、真实感与舒适感非前者所比。而且AR设备的出现，会减少现代人对智能手机的依赖。关于户外，攀岩、登山、骑行甚至是极限运动，都离不了智能设备。但出行携带太多设备极为不便，就算是仅智能手机也会因使用而分心，虽然方便却增加了户外运动的危险性。在AR设备上搭载智能手机常用功能，加上该技术本质的增强现实的智能系统，必会给运动者变革性的体验。

三、设备取代的技术支持

（一）跟踪定位算法

如今移动端的AR跟踪定位算法是一个新的研究方向，基于先前跟踪定位算法的总体框架，攻克该技术只是时间的问题。该算法要保证视觉的稳定性与准确性，精准的GPS系统对此大有助益，中国北斗卫星导航系统累计发射31颗卫星，到2020年能提供的导航服务将精确到具体车道，位置精确到厘米。目前有研究成果的智能手机AR跟踪定位工作，需要借助硬件设备。用倾角仪以及加速计来实现智能手机的绝对姿态跟踪定位， 并且可以借助蓝牙接口对手机进行测量数据信息的及时发送。

（二）场景识别

户外运动时的场景变换速度快，若将全部大环境的三维地图都实现全景显现，系统的运转速率很难跟上，极易发生卡顿现象。各种设备都无法模拟肉眼的识别能力，延迟卡顿会影响用户体验，取代的可能性降低。面对环境的复杂性，图像检索技术以及目标识别这两种技术必不可少，将三维降低为一维。用GPS初步识别图像中的物体，与数据库比对，达到识别的目的，再将虚拟信息投射至眼前。

AR设备受视场的限制，制作时要尽量做到高帧率、低延迟、大视场角。让用户体验到沉浸感，AR世界必须与现实世界无缝融合。一旦视野受限，仿佛在用望远镜看世界，不适感油然而生，也就谈不上沉浸感了。场景增强和变更也是服务器要实现的，运用AI人工智能增加新增场景的真实度。

（三）数据通信和传输

如今通讯的便捷造成了不可逆的技术依赖，数据间的无线传输还是通信，需要WiFi、数据网络、GSM、GPRS完成。但是无线信号的覆盖率不能达到百分之百，用户要根据所处环境选择适当的数据传输方式，当前4G网络覆盖广、传输速度快，因WiFi对使用范围有要求，所以4G是受众选择最多的方式。另外，即将进入市场的5G技术必会加快数据传输的速率和稳定性。独立的移动端设备不能只配备一种无线网络通信方式，要尽量保证不受地域、天气的影响。

（四）电池续航

户外运动担心的基本问题之一是设备的待机时长，这与电池技术密切相关，同时，电池续航能力也是评判设备好坏的重要标准。另外，高节奏的生活还要求电池快充。比较成熟的有锂电池、氢燃料电池等，由于在安全性、可靠性、能量密度、循环寿命等多方面性能优势明显，固态电池被行业内认为是较为理想的下一代电池技术体系。

四、AR技术在户外运动应用的前景展望

增强现实技术在户外运动应用方面，以多功能移动端的形式出现才能占据市场。数字技术的发达，当代人已离不开GPS、上网、通讯、人工智能等功能，电子产品也要小巧轻便。因此，从性价比、便捷程度上智能手机的地位无法撼动。但是从AR技术的发展速度与自身优势来看，未来能取代智能手机的言论也非天方夜谭。目前场景模拟已经初步实现，宜家的AR软件IKEA Place（Apple ARKit平台），通过移动设备将产品放置在任意场景，消费者可以感受“真实”的效果。《刀剑神域》中有一幕是AR设备根据现实环境构造出跑步机运动的场景，使用者未使用任何手持设备，根据喜好更换环境、音乐等。这也勾画了人工智能与AR配合的未来蓝图。那么使用场景在户外时，AR设备会根据用户的思维模式，自动提供各种信息，并对危险进行预判，最终解放了使用智能手机的双手。

不能忽略的是，AR技术在推动游戏变革方面会大有助力。研发人员和游戏爱好者们都幻想过未来AR游戏的世界，但从运动量上看，可以作为户外运动的一种形式，因为整个世界都能成为游戏场地。目前接触的手游、端游都是屏幕内的固定世界，如果不考虑技术和成本，AR游戏可将现实世界变为游戏战场。射击游戏、拳击游戏等，游戏NPC会从生活环境中出现，玩家本身成为游戏角色，彻底从屏幕里解脱。如此，游戏中会涉及搏斗、追逐、攀爬等各种运动，所以危险性大大增加，一旦大规模的AR游戏研发成功，必须要与政府协商制定相应的法律，否则后果不堪设想。

五、結语

现实增强技术发展后期，会是大型服务器与微型AR设备的结合。由于受技术、成本的限制，AR设备得不到大规模普及，停留在软件阶段。虽然前景广阔，但未来还有很长的路要走。（作者单位：安徽财经大学文学院）

项目基金：本文系安徽财经大学大学生创新创业训练计划资助，国家级大学生创新创业训练项目，项目编号：201810378246。