增强现实技术在安检设备展示上的应用研究

刘溢溥， 李 蒙

（公安部第一研究所， 北京 100048）

0 引言

增强现实（Augmented Reality，AR）技术可以将虚拟的影像叠加到现实场景中，并能支持用户与其进行交互。随着增强现实研究理论和工程技术的不断发展， 增强现实技术在医疗、军事、工业维修、娱乐、展览和教育等众多领域得到了广泛应用。 特别是在工业领域，众多制造企业已经使用或尝试将AR 技术应用于设计、销售和服务等[1]。

增强现实技术的优势可以很好体现在安检设备的展示上。 现有的产品数据囿于2D 的页面和显示屏上，现实世界却是3D 状态的。 AR 技术针对这一脱节提供了一种新的解决方案[2]。 无需将产品制造出来，增强现实技术将数字设计表达为物理现实， 让用户能够以3D 的形式体验产品。与传统的平面媒体展示相比较，通过增强现实技术和设备，客户可以体验到三维模型的立体感。 此外，用户可以在未来安检设备的摆放场地实际感受设备和环境的融合效果。 这种新的体验方法将会给企业在产品推介过程中带来更强的竞争优势[3]。

对于企业来说， 希望能够选择一条快速高效和展示效果好的增强现实技术路线来实现产品的展示。 这一过程主要是完成对硬件和软件的综合选择。 本文将以实现基于增强现实技术的安检设备展示为目标， 介绍实现其完成的研发过程和最终展示效果。

1 增强现实软硬件平台的选择

1.1 软件平台的选择

增强现实涉及到的软件平台包含三维建模软件和增强现实平台。 三维建模软件可选择项包括Creo、Solid-Works 和UG。在产品建模方面三款软件差异不大，现有产品均为Creo 建模， 所以以下产品展示所用的模型均为Creo 中建立。 软件平台的选择主要讨论实现增强现实的开发环境。

为了完成增强现实的应用， 需要提供一个开发和运行环境。 现有环境或开发工具有很多。

目前 较 为 流 行 的 包 括ARToolKit、Vuforia、Metaio 等，国内的开发工具包括EasyAR， 百度DuMixAR 和幻视AR等[4]。 以产品展示为目标的企业对开发环境的要求包括：①对现有三维模型兼容；②应用广泛，开发难度小；③产品展示的效果好。

基于以上三项选择标准，确定了Vuforia 为开发软件平台。Vuforia 是世界上使用最广泛的增强现实软件平台，拥有超过25 万注册开发者，已发布超过2 万5 千个Vuforia 应用。Vuforia 被PTC 公司收购后被纳入到了PTC 平台体系，与Creo 软件兼容性好。 特别是PTC 公司提供了Vuforia Studio 专门用于设计和发布AR 内容。 采用可视化操作界面，可以直接在交互界面进行操作，降低了编程开发的难度。同时，Creo 模型中曲面细节和配色方案可以得到很好的体现。

1.2 硬件平台的选择

AR 显示的硬件平台是主要指显示设备。用户将通过显示设备观看和体验安检设备。 对于使用的显示设备的要求包括：

（1） 显示效果好，立体感强。

（2） 体积重量小，易于携带。

（3） 价格合理，能提供设备技术支持。

AR 显示设备按照形成图像的位置可以分为头戴式、手持式和空间式三种[5]。 头戴式显示设备，也称作近眼显示设备。通常固定在人体的头部，通过特殊的光学组件使虚拟影像和现实影像叠加后显示在显示器上， 来实现增强现实的效果。手持式现实设备借用手持式移动终端（如手机和平板电脑）的显示屏作为AR 图像的显示设备。 手持式显示设备在使用过程中需要占用使用者的一只手，给使用者的操作与控制带来不便。 空间式现实设备通过大型显示屏和摄像机使用户可以直接参与到三维空间中的AR 交互中。 空间现实设备由于体积庞大，只能应用于固定显示领域。

对比三种硬件平台，从显示效果上来看，头戴式和空间式立体感最强；从便携性上来看，头戴式和手持式重量轻，易于携带；从价格上来看，手持式价格最低，头戴式居中。 基于以上三点，头戴式显示设备是最合适的。 考虑到AR 设备需要带到客户处予以现场展示，头戴式兼有立体显示效果好和便携性的优点。

目前市场上的头戴式设备有数十种， 能够实现增强现实的设备主要有Hololens2、Meta2 和爱普生Moverio BT-300 等。目前技术最为成熟的是微软开发的HoloLens2，它为该系列的第二代产品， 由微软公司开发和提供相应技术服务。

HoloLens2 眼镜具有无线缆、低延时和可多种交互方式等优点[6]。HoloLens2 的是视场角为一代的二倍，单眼达到了2K 的分辨率， 显示区域的比例也从16：9 调整到了4：3，纵向的视野大幅提升[7]。这些特点都大幅提升了产品展示的效果。图1 为HoloLens2 的产品佩戴效果图[8]。头戴的方式和在显示效果上的优势使HoloLens2 成为了被选择的硬件实现平台。

图1 HoloLens2 的产品佩戴效果图

2 产品展示增强现实的开发过程

2.1 开发过程的基本流程

产品展示的开发流程主要包括模型处理、动画制作，AR 项目设计与发布，使用HoloLens2 眼镜进行效果检验等。 具体开发流程如图2 所示。

图2 开发过程的基本流程图

2.2 三维模型的处理

安检设备的三维模型是整个开发过程的数据基础，在Creo 软件中完成产品的三维建模和配色。 图3 为完成配色后的安检设备三维模型。

图3 配色完成后的安检设备三维模型

安检设备的模型零部件数量多， 外形复杂且整体的曲面数量多。为了增强显示的真实性，模型采用了接近实物颜色的配色方案。原始模型数据量太大，需要将模型保存成PVZ 格式，PVZ 格式是一种轻量化的模型存储方式，主要用于表达模型的外形。 改变格式后模型整体的数据量从227MB 降到74MB。

2.3 动画过程制作

为了能够从多个角度展示安检设备， 特别是在展示的过程中需要拆解部分组件， 产品的展示过程需要制作成一组动画的形式。 将上文中保存的PVZ 格式文件导入到Illustrate 软件中， 根据产品展示需求完成动画过程的制作。 制作好的动画模型同样保存为PVZ 格式，供之后的AR 项目使用。

图4 产品展示的动画制作

2.4 在Vuforia Studio 中建立AR 项目

设计者在Vuforia Studio 中完成AR 内容的设计和发布。 Vuforia Studio 界面主要可以分为显示界面和功能界面。显示界面中可以放置模型和各种功能组件，类似于一个三维摆放环境。 功能界面主要包含项目信息和各个功能组件。可以在功能界面查看项目信息，也可以通过直接拖拽的方式添加按钮和仪表等。 将做好的动画模型导入AR 项目中，开始进行设计。在项目中，需要设定设备的放置参考点， 这个参考点将作为将来眼镜中模型的摆放位置。在项目中添加一个控制按钮，这个按钮可以作为展示视频动画的开关。 在项目设置完成后， 可以通过Vuforia Studio 提供的预览功能模拟测试动画和控制按钮的功能。

2.5 AR 项目的发布和下载

在 Vuforia Studio中完成的AR 项目需要上传到PTC 公司提供的服务器中。在HoloLens2眼镜中下载Vuforia View 程序。 HoloLens2 连接网络后，通过访问PTC 服务器将AR 项目下载到本地。观察者就可以通过佩戴HoloLens2体验安检设备的展示过程。

图5 AR 项目中模型的设置

3 展示效果

HoloLens2 眼镜提供了佩戴者视角下的视野共享功能，该功能可以通过其他显示设备将HoloLens2 眼镜佩戴者视野中的影像同步显示出来。图6 为HoloLens2 眼镜佩戴者视野中安检设备的展示效果。 从影像中可以看出，设备的显示效果十分接近真实设备，观察者也可以通过走动，来实现从不同角度观察设备，并通过走近模型来观察设备的细节。 这种方式与观看真实设备的体验十分类似。

图6 HoloLens2 眼镜中不同视角的观看效果

4 总结

安检设备的制造商希望能够以快速高效和更佳的视觉效果来向客户展示新产品。 增强现实技术是一项很好的选择。在PTC 公司系列软件平台下，设计人员可以快速实现基于增强现实的展示过程。整个开发过程耗时短，难度低。 通过HoloLens2 眼镜，佩戴者可以体验到很好的增强现实展示效果。