基于ARKit的“掌上銀河”

王紫涵 付崢

【摘要】本項目采用swift語言，利用iOS的ARKit框架，以Xcode等為開發(fā)工具，設計出一款App，通過三維建模定義虛擬景象在現(xiàn)實世界的成像信息，輔以場景解說等真實還原天體系統(tǒng)全貌圖，通過對ARKit框架添加內(nèi)容增加球形模型，加上圖片渲染形成“掌上銀河”，點擊AR生成的虛擬圖像后會進行場景解讀，提升用戶體驗。全程除移動手機設備無額外硬件負擔，僅對模型進行更迭即可，易于維護和擴展內(nèi)容。

【關鍵詞】掌上銀河 ARKitswift

一、引言

增強現(xiàn)實技術（Augmented Reality，以下簡稱AR）是指通過手機，平板等多媒體設備輔以三維建模、實時視頻顯示以及傳感器的融合，達到真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”融合的技術。未來AR將在很大程度上改變?nèi)祟惿睿强萍及l(fā)展的必然趨勢。人們對現(xiàn)實與虛擬的融合的探索充滿著熱情，同時，也渴望探索神秘的宇宙。因此，我們通過三維建模定義虛擬景象在現(xiàn)實世界的成像信息，輔以實時視頻，場景解說等真實還原天體系統(tǒng)全貌圖。以AR這門新興技術融合神秘的宇宙學，不但形象立體地展現(xiàn)了太陽系，也滿足了人們對宇宙的好奇。

二、實現(xiàn)原理

先捕捉現(xiàn)實世界，獲取攝像機拍攝的一幀一幀的圖像序列，將獲取的圖像序列進行處理，輸出包含有現(xiàn)實世界場景的所有信息。接著進行世界追蹤，ARKit 使用視覺慣性測距技術，對攝像頭采集到的圖像序列進行計算機視覺分析，并且與設備的運動傳感器信息相結合。ARKit 會識別出每一幀圖像中的特征點，并且根據(jù)特征點在連續(xù)的圖像幀之間的位置變化，然后與運動傳感器提供的信息進行比較，最終得到高精度的設備位置和偏轉信息，檢測出現(xiàn)實世界的水平面，當攝像機不斷移動時，檢測到的平面也會不斷的變化。當點擊屏幕時，ARKit會發(fā)射一個射線，將射線遇到的所有有用信息返回，返回結果以離屏幕距離進行排序，離屏幕最近的排在最前面，獲取當前捕捉到的圖像中某點擊位置有關的信息。然后基于當前捕捉到的圖像的曝光等信息，給出一個光照強度值，將攝像機捕捉到的真實世界的視頻作為背景，將世界追蹤到的相機狀態(tài)信息實時更新到AR world中的相機，處理光照估計的光照強度，實時渲染虛擬世界物體在屏幕中的位置。

三、實現(xiàn)方法

本作品包括基于ARKit的場景搭建模塊、設置文稿解說內(nèi)容、三維建模和服務器架構四個模塊。

（一）AR場景搭建

即首先使用加載AR的3D場景視圖ARSCNView，并且初始化節(jié)點，再通過管理會話追蹤配置ARSessionConfiguration實現(xiàn)場景的追蹤并且返回一個ARFrame，根據(jù)2D坐標點搜索3D模型，它主要目的就是負責追蹤相機在3D世界中的位置以及一些特征場景的捕捉。SCNScene是AR場景中的場景，場景中是由許多SCNNode節(jié)點組成，一個SCNScene可以包含多個SCNNode子節(jié)點，一個子節(jié)點SCNNode可以有多個childNode，而一個節(jié)點就是一個3D模型，然后將節(jié)點即3D模型添加到Scene中，初始化完成后開啟AR會話，相機開始捕獲真實世界，通過camera獲取真實世界的信息，將獲取到的真實世界信息進行理解，基于場景理解，將虛擬世界渲染到真實世界的指定位置，在屏幕上展示增強現(xiàn)實的世界，通過點擊屏幕的方式和虛擬世界進行交互，虛擬世界響應交互后，重新渲染，移動設備時，捕獲到真實世界的變化，重新理解場景、重新渲染AR世界。

（二）設置音樂與解說內(nèi)容

針對航天文化做出概述，設計AR模式為，第一次打開App時自動彈出，可選擇關閉。針對每一個天體做出解釋性文字，在屏幕點擊天體時彈出解說內(nèi)容，可選擇播放語音解說內(nèi)容或者視頻，播放背景音樂，可選擇關閉。

（三）三維建模

利用SceneKit進行3D模型創(chuàng)建，它是iOS中用來開發(fā)3D模型的引擎，包含了如光照、模型、材質、攝像機等高級引擎特性，可以基于它做出很多逼真的3D物理模型。為節(jié)點增加相應的貼圖，設置三維坐標，利用SceneNode提供的8種屬性用來設置模型材質，例如為地球貼圖時，為地球節(jié)點的diffuse、emission、specular屬性分別提供一個對應的圖像，建成一個趨近真實的三維地球模型。添加動畫，即星球節(jié)點的自轉以及公轉動畫，并且為太陽添加光暈、為地球添加云層，為其它星體也添加對應的特性動畫，將公轉與自轉剝離開，使用節(jié)點之間的層級結構處理旋轉。

（四）服務器架構

在阿里云上搭建Apache，MySQL環(huán)境。設置存儲服務器和計算服務器，創(chuàng)建云端數(shù)據(jù)庫資源包，將航天文化知識導入知識數(shù)據(jù)表，將背景音樂導入音樂數(shù)據(jù)表，以及將天體解說內(nèi)容導入解說數(shù)據(jù)表，移動終端將捕獲的信息進行分析計算，識別匹配后從數(shù)據(jù)庫中下載數(shù)字信息進行虛實融合。建好服務器后將程序編譯進移動端開始運行。

四、小結

從神舟十號任務以后，中國的載人航天技術已經(jīng)成熟，已成航天大國，這時為國人普及太空的知識顯得尤為重要。而隨著智能設備的普及，人們對于獲取信息的方式已經(jīng)不滿足于傳統(tǒng)的二維模型。相較于書籍，增強現(xiàn)實技術能為學習者提供近乎真實的虛實相融合的學習場景，以交互現(xiàn)實世界的方式更能滿足用戶的體驗感與趣味性，在青少年教育方面效果更佳，能達到弘揚航天文化的目的。在國內(nèi)AR起步比較晚，前期大多是以高校研究生，因而從開始開發(fā)到初步完成，由于這門技術并不是很多人都會，可參考的資料很少，只能搜集一些零零散散的資料進行整合學習。值得慶幸的是ARKit 提供了設備動作追蹤、相機場景捕獲和高級場景處理，并讓 AR 元素的展示變得極為便利，從而大大簡化了建立 AR app的開發(fā)難度。增強現(xiàn)實技術作為一種沉沒式的學習方式，可以將豐富的資源信息和其他數(shù)據(jù)整合到用戶能夠觀察到的現(xiàn)實場景中，為師生提供身臨其境的學習環(huán)境，激發(fā)學生的學習興趣，提升主觀積極性。實時交互的特點削弱了位置、空間的限制，教師可以在課上或遠程指導學生，彌補了現(xiàn)實環(huán)境中設備的不足，實現(xiàn)資源共享。幫助青少年換種新方式認識新世界，親身感受原本只能靠想象的事物。

參考文獻：

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基金項目：課題資助：南昌航空大學第14屆三小課題。