基于Unity3D的增强现实技术研究

马红芝

摘要：增强现实技术是计算机视觉领域研究的热点，通过虚拟信息与真实环境的融合，以自然的人机交互方式，增强用户的体验。本文阐述了增强现实的应用现状，分析了其实现条件，阐明了基于Unity3D进行AR开发的关键技术。

关键词：Unity3D;增强现实;虚实交互

引言

增强现实，也就是近几年来兴起的AR技术，简单来说是指将计算机智能产生的虚拟物体与现实场景进行叠加的技术。该技术可以让用户通过人机交互的形式沉浸在计算机所搭建的虚拟场景中，享受感官的真实体验。AR技术的兴起和使用不仅仅向用户展示了一些接触不到的真实世界，还将虚拟的信息加入进来，现实与虚拟通过计算机语言的方式进行科学结合，实现互补和叠加的效果。该项技术已经成为了现代新型科学研究的一项热点。

信息时代的到来，手机等移动设备大范围普及的背景下，AR技术在移动终端上的使用具有巨大的潜在发展价值，各行各业的投机巨头都把目光聚集到这一产业发展中。自2009年苹果公司首次在智能手机的设计中加入AR技术起，Google公司也相继推动了AR研发。

纸质和固有的多媒体形式，显著的缺陷是缺乏互动性。例如，现在纸质刊物上通常只能看到商品及报价信息等，而有了AR技术之后，借助相应的APP则可以使用诸如3D试穿等功能。AR技术投入使用之后，还可以解决查找信息步骤繁琐的问题。能够让用户在操作简单的情况下，直接获取到眼前物品的具体信息，甚至还能与书中的角色、人物等进行交流互动。

目前，AR技术在国内的发展前景是较为广阔的，产业化进程也在加快，但相关的移动业务要更进一步，还需要克服許多技术上的难题。

本文将从增强现实技术的应用出发，分析其框架和具体应用形式，并对该项技术的应用前景进行展望。

1.AR技术的应用

根据笔者前文的说明，增强现实（AR）技术可以将虚拟构建的场景与现实背景实时结合起来，具有十分广阔的应用前景。当前，AR的应用领域已扩展到工业制造、医疗、教育、军事、旅游、影视娱乐等多个领域。

1.1医疗行业AR技术

增强现实技术在医疗系统已有较为成熟的应用。医生在进行难度较大的手术的时候，可以将增强现实技术作为辅助技术来应用，利用AR技术生成的图像可以作为外科医生手术的指引。

在进行诊断等前期工作的时候，利用外部传感器——电脑CT断层扫描、核磁共振机器成像等方式，将病人体内的肉眼不可见的构造通过3D影像进行显示，从而给医生诊断提供科学依据。

与此同时，AR手术辅助系统能够把成像的历史数据与病人实际的情况结合、比较，并反馈出实时的结果，相当于在外科手术进行的时候给医生安装了透视眼镜，由于有了这些设备，医生能够通过病人实时的情况变化快速置顶合理的治疗、手术方案，减小手术进行的风险。目前该类医疗辅助系统在创伤型小型外科手术中应用最为广泛。

AR技术在新冠肺炎的诊治中，也发挥了重要作用。例如，昆明某医院在诊治新冠肺炎病例时，运用AR/5G互联网三维数字新冠病毒远程会诊系统，两地专家佩戴AR眼镜，实时沟通协作，实现了远程会诊。

1.2军事方面的AR技术

随着科技的发展，军队的技术应用也在与时俱进。军队通常会利用增强现实技术来作为军事演习、训练等活动的辅助，甚至进行实战场景的模拟。

例如，在新兴的武器要投入使用之前，军队的士兵会通过AR系统来进行新兴武器的模拟使用，了解该武器的使用方式和注意事项。可以大大降低在武器正式投入使用之后使用不当造成的损失乃至人员伤亡。

1.3商业方面的AR技术

信息时代，AR技术投入商用已经不再稀奇，在一些商业场合中，可以通过使用AR技术让客户获得更加沉浸式的体验。例如，企业在进行商业广告宣传时，传统形式的广告宣传只是零交互的多媒体形式，例如图片展示等，不能保证用户在观看过程中的体验感。一旦使用增强现实技术，能够让用户亲身体验到产品的功能性，甚至与实物相差无几，用户能够获得比肉眼观看广告更多的产品信息，从而对产品有更全面的了解，增强宣传效果。

1.4旅游方面的AR技术

借助AR技术的虚拟场景（或物体）与现实环境融合，可以给游客营造“在场感”。运用AR技术和移动互联网，游客可以与景区实时互动，更方便的获取游览信息，更人性化的安排游程。目前，AR旅游最常见的是导览、导航、导游、导购等应用场景。

2.增强现实技术的实现条件

增强现实的实现，应当满足硬件及软件两方面的要求。就前者而言，需要利用计算机、显示器、传感器以及网络的设置，并需要有相应的感应物体，该物体要求是现实存在的真实物体，以便设备传感器能够及时捕捉到物体的实时位置。随后根据客户对AR实现效果的要求，如清晰程度和真实程度，选择实现该技术的设备——移动终端或PC端，其中移动终端不仅包括手机，还包括平板电脑、AR眼镜以及集成式GPS等。我们可以通过多种渠道和方式实现AR技术，但最为普遍的就是手机作为载体的实现方式。作为现代人最熟悉也最普及的移动设备，手机的普及度和接受度都是最高的。

对于软件方面的要求，一般需要专业的3D渲染引擎和增强现实开发工具包。市面上比较成熟的有Unreal Engine、Cry Engine和Unity3D。其中使用较为广泛、适合开发移动端应用程序的是Unity3D平台。Unity是一项集成多平台使用的综合性能的游戏开发工具，能够让游戏玩家轻松构建3D视频游戏，实现建筑可视化以及3D动画，属于互动型实用工具。因其功能强大，易于上手，支持跨平台开发，Unity受到了广大开发者的青睐。Unity公司提供了用户共享服务，通过社区的建立，使Unity3D用户能够跨区域交流。此外，Unity还提供免费的开发方案和教程等，非常适合刚接触的工作者。综上所述，笔者认为Unity3D作为开发工具，是进行AR技术开发的首选。

3.基于Unity3D的AR关键技术

AR技术，其本质就是将虚拟的影音、图像、3D形象等通过硬件软件结合的技术处理，与真实世界存在的物体相结合，进行融合叠加，向用户展现叠加之后的效果，将虚拟世界搬进现实。在进行虚实结合展现的过程中，AR技术的关键是将构建出来的虚拟形象与现实相同步。其原理如下图所示：

3.1获取摄像头图像

借助终端设备上的摄像头获取识别对象的图像，通过所识别物体的真实图像，记录对象的特征和关键点，将这些特征与系统中存在的识别图进行一对一匹配，并达到虚实结合的效果。想要实现这一功能，可以使用Vuforia SDK。这是一款由美国高通公司针对AR技术移动终端的软件开发应用而研究的工具包，支持对物体的本地储存识别和网络云识别两种物体识别方式。该工具包是通过对终端设备摄像头的调用，应用视觉技术对可识别物体进行实时识别和捕捉，从而控制虚拟物体的位置与识别物体的位置达到一致。

3.2图像检测和匹配

图一中Marker所指的是识别图，对于计算机来说，其本质是二维矩阵形式，该方式经常被使用于影像识别技术之中。计算机通过内部设置的算法，对图像进行识别后，读取二维矩阵的构成信息。通常的运作流程是，计算机对捕捉到的识别图进行储存，然后进行数据计算，再读取摄像头影像的虚拟物体的坐标，并通过图像处理技术在现实物体的坐标处进行虚拟物体的成像。最终使二者达到融合的效果。

针对不同特征的识别图，应当使用指定的AR技术，其对应关系已经在国内外得到了较多的研究成果。

3.3实现虚实相结合

在进行完以上两个步骤之后，计算机中已经生成并储存了虚拟物体的三维坐标，紧接着需要进行最关键的部分——虚实结合。这个部分的具体操作一般分为三个模块进行，三维注册，物体形态位置以及光照条纹调节。只有控制三者的数据达到协调统一，设备所呈现的虚拟影像才更加真实化。当所构建的虚拟场景面临失真的情况时，三维注册会对虚拟、现实的物体进行重新实时跟踪，确定位置并根据变化调整设备设定值，从而具备自动纠错的功能。

虚实相结合的操作有时也会受到环境因素的干扰，例如外接光照的变化，可能会影响成像的效果。因此一般对于设备开发商来说，会在稳定的室内环境中对设备进行功能测试，性能达到稳定值之后再进行室外实验。

3.4三维模型渲染

AR系统需要具备十分强大的成像功能，因而三维模型渲染是非常重要的部分。Unity3D的渲染系统非常强大，具有高度优化的图像渲染管道，和实时高效的物理引擎，可实现逼真的效果和丰富的交互。在Unity里导入事先处理好的素材，创建场景并在其中设置好ARCamera，在Scene面板中调整好标识物和模型的位置。通过虚拟相机将虚拟物体和真实场景叠加起来，并根据需要适当地进行调整，然后编写功能代码，反复测试和改进，最后发布成应用程序。

4.结束语

一般认为，增强现实技术是一项在虚拟现实技术的基础上发展起来的技术，它将虚拟成像与真实场景进行结合，两种场景形成一种互利互补的关系，最终增强用户的体验。

开发者可以利用Unity3D强大的渲染和交互功能，方便快捷的操作，进行快速高效的AR开发。相信在信息时代的大背景之下，尤其是5G时代的到来，增强现实技术的应用领域将会更为广阔，形式将会更为多样。

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课题信息：永州市2016年度指导性科技计划项目《基于Unity3D的增强现实交互App开发》（永科发[2016]27號）。