基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)模型不穩(wěn)定性的問題研究

嚴(yán)海龍 黃軍建 孫婕 張露婷 廖袁濤

摘要：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一門基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、交互傳感技術(shù)等多種學(xué)科的，將虛擬信息疊加到實(shí)時(shí)環(huán)境中增強(qiáng)真實(shí)環(huán)境顯示的綜合性技術(shù)。針對(duì)目前基于HoloLens結(jié)合Vuforia SDK和3D渲染引擎Unity的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中虛擬信息的渲染顯示受到識(shí)別標(biāo)識(shí)信息限制且標(biāo)識(shí)識(shí)別效率低，受實(shí)時(shí)環(huán)境的復(fù)雜條件影響大而出現(xiàn)的虛擬模型渲染不出、偏移、抖動(dòng)不穩(wěn)定的缺陷，提出一套結(jié)合Vuforia識(shí)別圖像機(jī)制和簡(jiǎn)單渲染模型函數(shù)使用的實(shí)現(xiàn)方案，擺脫了虛擬模型的渲染顯示過于依賴標(biāo)識(shí)信息追蹤的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí);模型穩(wěn)定;HoloLens;Vuforia SDK;隱藏顯示

中圖分類號(hào)：TP391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）36-0028-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Research on the Instability of Model Based on Augmented Reality System

YAN Hai-long1， HUANG Jun-jian1， SUN Jie2， ZHANG Lu-ting3， LIAO Yuan-tao1

（1.Electronic and Information Engineering College of Southwest University， Chongqing 400715， China; 2.Haihe River， Huaihe River and Xiaoqinghe River Basin Water Conservancy Management and Service Center of Shandong Province， Jinan 370102，China; 3.People's Procuratorate of Beijing Municipality， Beijing 100078， China）

Abstract： Augmented Reality technology is a comprehensive technology based on Computer Graphics，Artificial Intelligence，Interactive sensing technology and other disciplines， which superimposes virtual information into a real-time environment to enhance the display of the real environment. The rendering and display of virtual information in the current augmented reality system based on HoloLens combined with Vuforia SDK and 3D rendering engine Unity are limited by identification information， low identification efficiency， and greatly affected by the complex conditions of real-time environment， resulting in the defects of virtual model rendering failure， migration， and unstable dithers. An implementation scheme combining Vuforia recognition image mechanism and simple rendering model function is proposed to get rid of the virtual model rendering relying too much on the tracking results of identification information.

Key words： augmented reality; stability of model; Hololens; Vuforia SDK; hide display

近年來，隨著計(jì)算機(jī)不斷地迭代，其處理能力也在不斷地提升，互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展已經(jīng)將我們從真實(shí)世界活動(dòng)引入到了虛擬世界當(dāng)中[1]。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的計(jì)算機(jī)人機(jī)交互技術(shù)，指的是借助計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和可視化技術(shù)將虛擬信息如計(jì)算機(jī)生成的文本信息，3D模型等疊加到眼睛看到的真實(shí)環(huán)境當(dāng)中，借助顯示設(shè)備將虛擬信息和真實(shí)環(huán)境融為一體，給予用戶一種全新的虛擬+現(xiàn)實(shí)的感官效果。而混合現(xiàn)實(shí)（簡(jiǎn)稱MR） 是一組技術(shù)組合，借助顯示設(shè)備中通過攝像頭觀察到的真實(shí)場(chǎng)景與虛擬場(chǎng)景相結(jié)合，使真實(shí)世界與虛擬場(chǎng)景在同一視覺空間中顯示并能與用戶進(jìn)行各種交互的計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[2]。

在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中需要對(duì)3D虛擬場(chǎng)景進(jìn)行渲染、設(shè)計(jì)交互功能，并疊加到相應(yīng)的AR跟蹤真實(shí)場(chǎng)景中，渲染引擎采用的是Unity3D。Unity3D中的渲染技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)具有高度優(yōu)化的圖像渲染管道（如Open GL）并且內(nèi)置高效的物理引擎，能實(shí)現(xiàn)更加真實(shí)的交互效果，支持多種外部導(dǎo)入的模型格式（如.obj、.3ds）、貼圖，并自動(dòng)轉(zhuǎn)換為自身格式。在完成應(yīng)用開發(fā)后能方便快捷地部署到設(shè)備上，且支持多種設(shè)備，如Windows、Android、IOS和HoloLens等平臺(tái)[3]。

基于Unity開發(fā)的HoloLens應(yīng)用程序是通過不同3D場(chǎng)景組成的，每個(gè)場(chǎng)景中可設(shè)置多個(gè)實(shí)體對(duì)象（GameObject）用以完成不同的任務(wù)，并且可以使用腳本代碼對(duì)實(shí)體對(duì)象進(jìn)行一系列的功能設(shè)計(jì)。Unity中的腳本語言主要支持C#、UnityScript 兩種，當(dāng)腳本用程序語言如事件函數(shù)寫好相應(yīng)功能后，都會(huì)綁定到需要實(shí)現(xiàn)該功能的GameObject（對(duì)象）上，在運(yùn)行時(shí)該場(chǎng)景時(shí)場(chǎng)景中掛載了腳本的物體也會(huì)運(yùn)行相應(yīng)腳本中的功能程序。

在應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)時(shí)，用戶的沉浸式體驗(yàn)、虛實(shí)結(jié)合程度以及虛擬信息進(jìn)行各種交互的流暢度、真實(shí)感是用于評(píng)價(jià)其增強(qiáng)系統(tǒng)好壞的指標(biāo)之一。但由于如今AR技術(shù)在圖像識(shí)別、追蹤注冊(cè)等方面還處于發(fā)展階段，各方面還不夠成熟。如張樂在研究基于HoloLens的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)時(shí)提到基于計(jì)算機(jī)視覺的跟蹤注冊(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)是可能出現(xiàn)虛擬物體漂移問題，受環(huán)境影響大。標(biāo)識(shí)信息的丟失或遮掩會(huì)直接導(dǎo)致虛擬信息的注冊(cè)和跟蹤失敗[4]。

王培霖等[5]對(duì)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的現(xiàn)狀也是認(rèn)為AR技術(shù)需要使用圖像處理、渲染及跟蹤算法等，雖然已經(jīng)可以應(yīng)用至正常的真實(shí)環(huán)境，但是有時(shí)候存在由于光線問題而導(dǎo)致的物體陰影、物體運(yùn)動(dòng)在跟蹤時(shí)仍然存在較大延時(shí)或是遮蔽問題、分辨率或是幀數(shù)不高時(shí)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)烈的抖動(dòng)及運(yùn)動(dòng)模糊等問題。包佳宇[6]、張帥[7]提到目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中有關(guān)用戶體驗(yàn)的研究也包括環(huán)境光、遮擋和能見度、渲染和分辨率不匹配，校準(zhǔn)不匹配，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)成像需要與預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)信息保持一致，一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)差，即可導(dǎo)致成像內(nèi)容出現(xiàn)停頓或形變問題，從而影響使用者的體驗(yàn)效果。王宇希等[8]提及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)狀時(shí)也表示目前的AR跟蹤注冊(cè)方法只能對(duì)場(chǎng)景中少量的信息加以利用，如特征點(diǎn)信息，這造成系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的理解不完整。

而本文便是在基于HoloLens的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝配指導(dǎo)系統(tǒng)中出現(xiàn)的因?qū)崟r(shí)環(huán)境復(fù)雜因素導(dǎo)致的識(shí)別模型抖動(dòng)偏移等情況下提出的一種解決方案。

1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

開發(fā)基于HoloLens結(jié)合Unity和Vuforia的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)由三個(gè)部分組成。第一個(gè)部分在Vuforia官網(wǎng)云端完成。第二個(gè)部分在Unity3D中完成，包括在導(dǎo)入MRTK工具包和Vuforia SDK后創(chuàng)建的HoloLens開發(fā)場(chǎng)景中創(chuàng)建的各種GameObject對(duì)象并進(jìn)行交互設(shè)計(jì)。最后一個(gè)部分便是通過Unity打包并部署在HoloLens設(shè)備中進(jìn)行應(yīng)用，流程如圖1。

1.1 Vuforia識(shí)別原理

Vuforia識(shí)別使用的是視覺跟蹤器，即使用攝像機(jī)跟蹤目標(biāo)，利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)計(jì)算攝像機(jī)姿態(tài)，并且Vuforia識(shí)別是通過檢測(cè)自然特征點(diǎn)的匹配來完成的。將Target Manager中的Image檢測(cè)出的特征點(diǎn)保存在數(shù)據(jù)庫中，然后通過分析攝像頭實(shí)時(shí)捕捉到的視頻影像，并檢測(cè)當(dāng)前實(shí)際場(chǎng)景每一幀圖像，通過像素格式轉(zhuǎn)換后圖像中的特征點(diǎn)與數(shù)據(jù)庫中模板圖片的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，是否有圖像內(nèi)容和預(yù)設(shè)的識(shí)別對(duì)象有匹配。匹配成功后，Vuforia就會(huì)創(chuàng)建一個(gè)可追蹤結(jié)果對(duì)象，并通過State對(duì)象逐幀地把可追蹤結(jié)果對(duì)象應(yīng)用到Unity中[9]。Vuforia識(shí)別圖目標(biāo)星級(jí)越高，識(shí)別追蹤速度越快，穩(wěn)定性就越好。

1.2 Vuforia追蹤顯示原理

首先在場(chǎng)景中將Unity的內(nèi)置相機(jī)刪除后替換成Vuforia AR Camera，接下來創(chuàng)建一個(gè)由Vuforia SDK提供的對(duì)象ImageTarget用于放置需識(shí)別的物體圖像。需要增強(qiáng)顯示的對(duì)象，虛擬模型則事先放入場(chǎng)景中并作為ImageTarget的子物體。子物體的意思就是虛擬模型對(duì)象的坐標(biāo)變化完全決定于父物體ImageTarget的變化，屬于包含關(guān)系。

最終實(shí)現(xiàn)識(shí)別后增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果的便是腳本DefaultTrackable Event Handler.cs（下文將簡(jiǎn)稱為DTEH）。在Unity的開發(fā)中腳本就像是指令一般控制著對(duì)象的各種功能行為的實(shí)現(xiàn)。在創(chuàng)建對(duì)象ImageTarget后DTEH腳本會(huì)被自動(dòng)掛載，在該腳本文件中定義了OnTrackingFound（）、OnTrackingLost（）兩個(gè)方法。

當(dāng)AR Camera追蹤到真實(shí)物體時(shí)，Vuforia提供的像素級(jí)的圖像轉(zhuǎn)換器在相機(jī)的OpenGL ES渲染格式與跟蹤格式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換[9]。腳本中的OnTrackingFound（）函數(shù)在識(shí)別圖片成功后執(zhí)行使得隱藏虛擬模型開始通過GPU渲染管線渲染顯示，過程如圖2。而當(dāng)識(shí)別圖像丟失后觸發(fā)OnTrackingLost（）函數(shù)使虛擬模型又重新回到禁用狀態(tài)。

2 基于HoloLens的隱藏模型追蹤顯示的實(shí)現(xiàn)

2.1 傳統(tǒng)的HoloLens結(jié)合Vuforia開發(fā)的局限性

通過上文可知，由于真實(shí)環(huán)境復(fù)雜可變，而數(shù)據(jù)庫模板圖片是在固定環(huán)境條件下拍攝的，實(shí)時(shí)檢測(cè)出真實(shí)圖像與模板圖像會(huì)因?yàn)榄h(huán)境變換如光照問題會(huì)影響到檢測(cè)與跟蹤的效果。在HoloLens的應(yīng)用中，用戶也需要實(shí)時(shí)與一個(gè)穩(wěn)定且不受外界干擾的虛擬模型進(jìn)行各種交互，能360°地觀察虛擬模型而模型不會(huì)隨著用戶的移動(dòng)而移動(dòng)。除了虛擬模型不穩(wěn)定以外，在傳統(tǒng)的Vuforia開發(fā)中，由于虛擬模型對(duì)象作為識(shí)別圖像對(duì)象的子物體，用戶與虛擬模型進(jìn)行的各種交互功能將會(huì)受到限制，例如虛擬模型只能隨著實(shí)時(shí)環(huán)境中的識(shí)別圖像移動(dòng)而移動(dòng)，并不能實(shí)現(xiàn)HoloLens開發(fā)組件MRTK中提供的各種手勢(shì)以及凝視交互功能，局限性很大。

為了解決此類問題，在本文中提出一種基于隱藏函數(shù)利用Vuforia的追蹤顯示解決模型受干擾發(fā)生偏移抖動(dòng)的問題。

2.2 一種基于隱藏函數(shù)利用Vuforia的追蹤顯示的解決辦法

在基于HoloLens結(jié)合 Vuforia開發(fā)的過程中，首先要先將虛擬模型置于攝像機(jī)的可視范圍之內(nèi)，接下來在場(chǎng)景中創(chuàng)建一個(gè)隱藏顯示腳本HIDE.cs，腳本代碼部分如圖3。

先將虛擬模型的渲染禁用實(shí)現(xiàn)“隱藏”的狀態(tài)，此處使用了隱藏函數(shù)：

void Start（）

{ gameObject.SetActive（false）;//隱藏物體 }

其中，Start（）將在MonoBehaviour創(chuàng)建后在該幀Update（）第一次執(zhí)行前被調(diào)用，在腳本被啟用時(shí)才會(huì)執(zhí)行。所以應(yīng)用程序開始時(shí)，虛擬模型處于被禁用狀態(tài)，沒有被渲染顯示。在ImageTarget Inspector面板中，腳本DefaultTrackableEventHandler（Script）有個(gè)功能便是當(dāng)目標(biāo)被識(shí)別成功后，能執(zhí)行場(chǎng)景中其他掛載腳本物體中的函數(shù)。此處便利用了該功能在識(shí)別成功后執(zhí)行HIDE.cs腳本中的顯示函數(shù)：public void Gamestart（） {gameObject.SetActive（true）;//顯示物體}將虛擬模型成功渲染顯示（虛擬模型在隱藏前必須放置在攝像機(jī)的視野中），模型顯示后即使Vuforia追蹤圖像受到了外界光照、攝像頭模糊等干擾因素，但虛擬模型并不會(huì)受到干擾而一直存在于視野當(dāng)中。此處會(huì)存在以下兩種情況：

1）在傳統(tǒng)方法中，由于虛擬模型在Unity場(chǎng)景中是ImageTarget（識(shí)別圖像）的子物體，所以會(huì)隨著真實(shí)環(huán)境中標(biāo)識(shí)物的移動(dòng)而移動(dòng)，通過本文方法實(shí)現(xiàn)模型的渲染后并不能隨識(shí)別圖移動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)虛擬模型位置不準(zhǔn)確的情況。與傳統(tǒng)方法相比，由于此方法是基于Unity / Vuforia 在HoloLens中的開發(fā)應(yīng)用，而HoloLens的開發(fā)提供了多種交互方式，例如通過手勢(shì)交互便能直接移動(dòng)虛擬物體到指定位置，還能對(duì)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮小放大等操作，如圖4。

手勢(shì)交互功能實(shí)現(xiàn)過程如下：首先在Inspector面板中虛擬物體添加Box Collider組件，作為一個(gè)與手進(jìn)行碰撞檢測(cè)的碰撞器用于觸發(fā)事件。接下來為了讓虛擬物體在場(chǎng)景中具有可移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮小放大等可調(diào)整的狀態(tài)，添加Object Manipulator腳本并且會(huì)自動(dòng)添加Constraint Manager腳本。由于需要讓HoloLens的攝像機(jī)識(shí)別響應(yīng)輸入，需給物體添加Interactable腳本，便能夠?qū)崿F(xiàn)觸摸輸入，遠(yuǎn)距離時(shí)發(fā)射手部光線和語音進(jìn)行與模型的交互。對(duì)于一個(gè)場(chǎng)景中會(huì)存在多個(gè)虛擬物體的情況，添加NearInteractionGrabbable腳本便是為了交互時(shí)能優(yōu)先接近最近的可抓取物，腳本的添加如圖5。

2）在傳統(tǒng)方法中，AR識(shí)別脫離后虛擬模型會(huì)自動(dòng)消失。而本方法是立足于HoloLens結(jié)合Unity+Vuforia開發(fā)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，所以同樣采用了通過交互觸發(fā)隱藏腳本的方式使虛擬模型完成自動(dòng)消失。在對(duì)虛擬物體掛載隱藏腳本過后，利用Interactable交互組件中的Events組件，將該腳本拖入Events當(dāng)中，當(dāng)我們用手點(diǎn)擊物體的時(shí)候便會(huì)觸發(fā)腳本使物體隱藏。若再需要物體顯示，可重新通過識(shí)別圖像觸發(fā)顯示函數(shù)讓物體再次渲染出來，腳本掛載位置如圖6。

本方法中的全息模型不需要依賴追蹤函數(shù)的識(shí)別成功而顯示，所以不會(huì)受到外界環(huán)境的影響和目標(biāo)信息的限制，并且不會(huì)受到虛擬模型與識(shí)別圖像之間相對(duì)位置的影響。用戶可以在任意角度和位置觀察全息模型或者與模型交互，模型也不會(huì)因?yàn)閿z像機(jī)移動(dòng)的緣故而發(fā)生偏移抖動(dòng)，也不會(huì)受到外界環(huán)境干擾或者無法一直跟蹤識(shí)別圖像而導(dǎo)致應(yīng)用無法加載虛擬模型。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在Vuforia輸出顯示過程中，AR Camera是通過發(fā)射射線找到攝像頭的實(shí)時(shí)畫面并在屏幕中顯示出來。傳統(tǒng)的識(shí)別方法在識(shí)別后按照正常情況下忽略環(huán)境變化因素以及設(shè)備性能因素，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)效果如圖7（a）。而由于設(shè)備性能或者受到環(huán)境變化等條件對(duì)識(shí)別結(jié)果干擾較大的情況下，虛擬模型實(shí)時(shí)增強(qiáng)顯示在真實(shí)環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)模型丟失，光標(biāo)發(fā)生劇烈抖動(dòng)的情況，如圖7（b）所示;當(dāng)虛擬模型成功渲染后也會(huì)因此導(dǎo)致模型抖動(dòng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，如圖7（c）所示。與之相比，本文采用的方法是首先將虛擬模型隱藏到攝像機(jī)可視范圍中將要增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的位置，只需成功識(shí)別一幀圖像后便能渲染出虛擬模型，并不再受標(biāo)識(shí)物的影響，有效解決了虛擬模型識(shí)別丟失或者實(shí)時(shí)識(shí)別受到影響時(shí)的抖動(dòng)與偏移等缺陷，保證了虛擬模型的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8。

4 結(jié)束語

本文是基于HoloLens結(jié)合Unity引擎和Vuforia SDK開發(fā)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用中出現(xiàn)的因受實(shí)時(shí)環(huán)境復(fù)雜條件影響導(dǎo)致虛擬模型追蹤失敗或抖動(dòng)不穩(wěn)定的缺陷，提出的一套在HoloLens的應(yīng)用中結(jié)合Vuforia識(shí)別圖像機(jī)制和簡(jiǎn)單渲染模型函數(shù)使用的實(shí)現(xiàn)方案。重點(diǎn)是從Vuforia識(shí)別機(jī)理和導(dǎo)致識(shí)別缺陷的原因以及本文提出的方案與傳統(tǒng)識(shí)別方案對(duì)比的優(yōu)勢(shì)展開的論述。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于傳統(tǒng)的識(shí)別方案，本文方案具有以下優(yōu)勢(shì)：

1） 解決了因?qū)嶋H環(huán)境復(fù)雜因素導(dǎo)致的識(shí)別不精確進(jìn)而影響的虛擬模型抖動(dòng)、漂移等缺陷，不需要一直對(duì)模型圖像進(jìn)行識(shí)別匹配，只需要在一幀圖像中匹配成功后便能觸發(fā)顯示函數(shù)使模型渲染。在HoloLens的應(yīng)用中，用戶可360°全方位對(duì)虛擬模型進(jìn)行探視，所以就要求虛擬模型保持穩(wěn)定性才能使用戶有更好的沉浸感。

2） 虛擬模型的位置不會(huì)隨著識(shí)別圖像的移動(dòng)而移動(dòng)。在傳統(tǒng)方法中虛擬模型是作為識(shí)別模板圖像ImageTarget的子物體，子物體會(huì)隨著父物體的移動(dòng)而發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，而在HoloLens的應(yīng)用中，用戶需對(duì)虛擬對(duì)象進(jìn)行各種交互操作，例如移動(dòng)旋轉(zhuǎn)等，基于此原因本文方案很好地解決了虛擬模型受到限制的情況，使模型處于一個(gè)獨(dú)立的GameObject對(duì)象而不受其他對(duì)象的影響。

3） 虛擬模型的大小和距離攝像機(jī)的距離可以任意改變。在傳統(tǒng)方法當(dāng)中由于ImageTarget的規(guī)模必須為（1，1，1），規(guī)模反映了對(duì)象的大小，如圖9。而要想讓虛擬模型能在攝像機(jī)內(nèi)渲染顯示，就必須要設(shè)置虛擬模型的大小與識(shí)別圖像的大小相對(duì)保持一致，否則虛擬模型不在攝像機(jī)的可視范圍之內(nèi)后最終在屏幕上得不到渲染結(jié)果。與之相比，本文所提供的方法是不受標(biāo)識(shí)物大小的影響，可以任意設(shè)置虛擬物體大小，前提是也需要在攝像機(jī)可視范圍之內(nèi)，如圖10、圖11。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】