摘要：本文概述增強現實技術的發展歷程, 具體描述了增強現實技術在當前不同領域中的實際應用。從軟件開發平臺、軟件界面設計等方面提出增強現實技術對當前軟件設計過程的影響要素, 以及需要遵循的若干原則。
關鍵詞：增強現實,軟件設計,軟件工程
近年來, 增強現實技術已廣泛應用于教育、醫療、娛樂等行業, 谷歌、微軟等廠商推出的增強現實眼鏡等設備套裝, 已成為極具吸引力的前沿產品, 而手機游戲《精靈寶可夢Go》已然成為風靡全球的娛樂熱點, 使增強現實技術成為熱門討論話題。越來越多的科研機構、企業等致力于增強現實技術的研究與相關產品的開發工作, 同時, 圖形加速硬件與顯示設備性能的提升、軟硬件技術的不斷發展, 使增強現實技術及其應用呈現快速發展的態勢, 成為了研究熱點之一。
一、增強現實技術概述
增強現實技術并非一項新技術。實際上, 早在20世紀60年代, 哈佛大學教授Ivan Sutherland已創造了光學透射式頭盔顯示器 (See-through HMD) 。盡管限于當時的技術條件, 該設備的圖像呈現以及其規格并未達到實用性的要求, 但這一重要概念已深刻影響人們對這一領域的認知與探索, 成為AR技術發展史上的里程碑事件。1990年, 波音公司的研究員Thomas Caudell在思考飛機制造過程系統時提出了一項解決方案, 通過將纜線的走線位置疊加到真實生產環境中, 以避免通過抽象的工程圖來定位。這一思路成為了AR技術的雛形, 增強現實 (Augmented Reality) 這一術語也同時被提出。
增強現實技術并非使用戶完全沉浸在虛擬的世界里, 其依靠強大的計算機運算能力, 在現實世界的基礎上實時疊加圖像、視頻、3D模型等虛擬元素, 將計算機輸出的虛擬對象與現實世界融為一體, 實現超越現實的用戶體驗。這也成為增強現實技術與虛擬現實技術 (VR) 間最顯著的區別。
HRL實驗室的Ronald Azuma定義了增強現實技術的三個主要特征, 即虛實結合、實時交互、三維匹配。AR系統基于真實世界, 利用攝像機采集影像數據, 使用傳感器獲取感知數據, 同時獲得3D交互理解與3D環境理解, 令系統了解需要疊加到現實世界的內容以及定位。通過渲染模塊完成虛實結合, 最終合成視頻并傳達至用戶, 提供給用戶增強現實的體驗效果。
二、增強現實技術相關應用
(一) 教育培訓方面的應用。
AR Flashcards系列手機AR移動應用程序幫助學生學習字母、數字、形狀、顏色等應用與探索。用戶將配套卡牌放在桌面上, 使用手機APP掃描識別后, 通過手機屏幕即可瀏覽生動活潑的3D影像, 并且影像出現在桌面卡片上方, 現實與虛擬融合, 用戶還可以與虛擬形象進行互動反饋, 使學習變得趣味十足。
在職業培訓方面, 飛行員可以通過增強現實APP學習如何在各種不同的氣候條件下, 特別是惡劣天氣情況下駕駛飛機, 獲得各項學習幫助;醫學生可以通過AR應用程序練習各種新型產品, 從而鍛煉各類職業技能, 同時, 還可以對遠程手術過程進行檢測。因為AR技術與真實世界的融合, 使學生具有真實的職業現場感, 從思想意識方面能夠更加認真地對待訓練過程。
(二) 娛樂媒體方面的應用。
自2004年起, 中央電視臺在體育比賽直播及新聞直播中已經開始運用增強現實技術, 比如突然出現的足球明星3D圖像或虛擬球場等。2013年央視蛇年春晚的舞臺上出現了“瓊樓玉宇”、“金色麥浪”等栩栩如生的場景, 甚至連棚頂上懸吊的“福”字亦以假亂真, 令電視觀眾驚嘆不已。而這些影像在晚會現場是無法看到的, 而是依靠增強現實技術使之與舞臺實景交織呈現在電視熒屏上。國外的科切拉音樂節 (Coachella) 上, 則通過使用AR技術和設計使觀眾進入了從未想象的世界, 觀眾被可視化的虛擬信息環繞, 并且可以與之互動, 令舞臺表演衍生出更多的可能性。
紙質媒體在網絡媒體的沖擊下已進入困境, 而增強現實技術則為其提供了新的發展思路和方向。目前已有多家紙質媒體引入了增強現實技術, 讀者使用手機掃碼等方式可以觀看新聞的視頻片段, 甚至還可以呈現動畫效果、卡通形象, 吸引各個年齡層的讀者。
增強現實技術更是為品牌的廣告營銷帶來機遇。新加坡某街道已投放一塊廣告牌, 其中一面是廣告的宣傳信息, 而另一面則使用增強現實技術將迪士尼卡通人物的形象和場景附加到真實的街道上, 引發了人們, 特別是小朋友們極大的互動熱情, 宣傳效果顯著。
(三) 居家生活方面的應用。
IKEA宜家家居自2011年起便推出了增強現實移動APP, 該程序配合IKEA出版的年度產品目錄使用, 用戶可以使用智能手機對產品目錄手冊上的家具圖片拍照, 即可在手機屏幕上查看該家具在房間的擺放效果。2016年最新版本的APP可以允許用戶從程序自帶的產品庫中查詢心儀的家具, 選取后即可通過手機或平板電腦屏幕查看增強現實的3D效果, 可以編輯家具的尺寸大小, 并移動位置, 用戶體驗友好度極大增加。通過這款增強現實APP, 用戶在購買產品之前可以了解實際的房間效果, 作為進一步購買的重要參考。
作為用戶與制造商直連的電子商務平臺, 必要商城于2016年5月宣布正式應用AR購物體驗。用戶可以通過手機APP利用AR技術在線購買產品, 更重要的是可以完成產品虛擬“測量”, 極大地增強了用戶的體驗感受。
三、增強現實技術對軟件設計的影響
增強現實技術的快速發展及廣泛應用, 也同時影響了軟件開發設計的發展。
(一) 軟件開發平臺。
目前, 增強現實軟件開發主要通過SDK (Software Development Kit) 或與Unity引擎組合使用。常見的SDK主要有Vuforia、Realmax、Metaio、Wikitude等。
Vuforia平臺提供對象組的識別與跟蹤, 使用戶可以為產品增加數字化的特性;Vuforia目標管理器可以幫助用戶分析、提升圖像質量以優化程序的顯示效果;允許用戶自定義圖像以創建初級AR體驗;支持圓柱體、立方體等形狀對象的識別;支持標準英文單詞數據庫 (含10萬單詞) 或開發者定義詞典中的文字識別;同時提供URL、產品序列號等的數據加密功能。
Realmax平臺支持Windows、Mac OSX以及Android等多終端、跨平臺開發, 提供標準的SDK包;提供AR硬件開發、工業設計、OEM定制和批量生產、圖像追蹤、云端視覺搜索、3D SLAM、人臉和表情追蹤等。近期推出了AR操作系統“Realcast找趣”。用戶可以通過模板快速創建AR項目, 并查看效果, 極大地簡化了操作。
Metaio是AR行業成立較早的技術公司, 現已被蘋果公司收購, 其技術實力雄厚, 在行業居于領先位置。Metaio SDK支持2D圖像、3D對象、SLAM和位置跟蹤、條形碼和二維碼掃描、連續性視覺搜索以及手勢檢測。此外, Metaio設計有自己的AR腳本語言, AREL (增強現實體驗語言) , 允許用戶使用常見的Web技術 (HTML 5、XML、Javascript等) 開發AR應用, 并將其部署到任何地方。支持Android、i OS、Windows PC、智能眼鏡以及Unity。
Wikitude支持多個平臺, 包括Android、i OS、智能眼鏡等, 其SDK能夠幫助用戶完成圖像識別與跟蹤、GPS跟蹤、3D模型渲染與視頻疊加、物體識別、房間位置跟蹤等3D跟蹤技術, 同時支持Unity。
(二) 軟件界面設計。
AR應用程序比較突出的特點是其虛實結合、3D定位跟蹤以及實時交互性, 因此, 在程序開發過程中運用AR技術, 需要改變慣性的設計思維。
1. 信息呈現。
AR技術的興起改變了軟件界面的設計模式, 甚至弱化了“界面”的概念, 人們逐漸將關注的重點轉移至信息本身, 而非外在的“包裝”。常規設計中的“窗體”、“關閉按鈕”等控件已不再是必備的設計元素了。用戶更在意信息呈現的方式, 如何做到豐富而簡潔、全面而易用。信息和數據將是AR程序“界面”呈現的主體, 將龐大的信息邏輯清晰、層次分明地展現在三維空間中, 使之成為視覺焦點。在這方面, 顏色本身不是重點, 重要的是通過顏色的對比襯托以及層次的設定, 將信息的不同級別、關聯關系展示清楚, 易于讀取。
此外, 還要對用戶的不同觀察視角進行設計。在AR應用程序中, 其構建的影像空間所呈現的信息可以隨著用戶的不同觀察視角而移動、改變, 具有極強的互動性, 從而展現更多的細節與側面。
2. 風格追求。
軟件界面設計風格方面有大量的研究、專著, 在此不再贅述。本文提出的設計風格是指界面設計的整體把握, 無論選擇扁平化風格、精細化風格, 都應盡可能遵循簡潔的設計處理思路。原因在于, AR應用程序在現實空間中呈現3D的影像內容, 其背景通常是紛雜的。而簡潔的主體設計不僅可以突出信息的展示, 同時, 也提升了用戶的體驗度, 提供舒適的視覺效果。簡潔的設計主旨還可以給予設計人員良好的方向引導, 使其在設計階段將關注點集中于信息與數據的呈現和組織形式, 從而在視覺效果方面給用戶提供優化的信息組織結構與互動體驗。
3. 基于需求。
無論是設計風格的選擇, 或是界面元素的組織形式, 以及用戶視角的設計等, 都必須基于一個重要的前提, 即用戶的需求。脫離用戶需求談設計是無法實現優秀的用戶體驗感的。開發人員應分析項目的目標群體, 可以通過發送測試版本或部分應用模塊等方式快速獲取用戶的反饋信息, 掌握用戶的使用體驗需求。進一步確定應用程序界面設計風格、人物風格等, 創作角色模型、場景模型、用戶交互細節、LOGO、ICON等。
4. 設計原則。
(1) 信息可讀性。AR應用的核心是信息與數據, 因此, 評價AR應用的首要因素是信息的可讀性水平, 用戶是否可以容易獲取其所需要的內容, 應當作為首要條件進行考量。
(2) 視覺舒適度。無論選擇冷色調或暖色調, 無論色彩凈素或艷麗, 歸根結底要令用戶的視覺效果感到舒適。相對于形狀和文字, 色彩能夠給予用戶最直接的沖擊力和吸引力, 因此, 要綜合考慮色彩的飽和度、明暗度, 分清主次, 適度留白, 以增強用戶的體驗度。
(3) 簡潔不省略。堅持簡潔的開發設計, 同時也要保留合理的存在。保持設計的簡潔度, 可以幫助用戶免于困擾在冗余的信息中, 高效地獲取目標信息。同時, 某些元素盡管給開發設計增加了難度, 但如果是影響到整體應用的體驗感, 應當予以保留, 不要一味地“減法”, 應通盤考慮。
(4) 風格一致性。雜亂無章的風格主題在切換過程中會帶給用戶錯愕之感, 降低了交互友好度。因此, 有必要在開發設計過程中保持統一的風格屬性, 加強不同場景間的關聯, 令用戶有熟悉之感, 避免跳躍感。
(5) 交互易用性。AR應用的交互場景是開發設計的關鍵內容, 用戶與虛擬對象的互動線應流暢、清晰, 同時, 應盡可能地簡化操作, 避免大體量的說明文字, 提升用戶的操作易用性。
結語
本文通過對增強現實技術的概述以及當前的實際應用案例, 歸納總結增強現實技術對軟件設計的若干影響要素, 提出軟件開發設計需要關注的要點以及原則。隨著增強現實技術發展的不斷成熟, 以上要點還將在實踐過程中進一步深入研究。
參考文獻
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