摘要：本文概述增強現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展歷程, 具體描述了增強現(xiàn)實技術(shù)在當(dāng)前不同領(lǐng)域中的實際應(yīng)用。從軟件開發(fā)平臺、軟件界面設(shè)計等方面提出增強現(xiàn)實技術(shù)對當(dāng)前軟件設(shè)計過程的影響要素, 以及需要遵循的若干原則。
關(guān)鍵詞：增強現(xiàn)實,軟件設(shè)計,軟件工程
近年來, 增強現(xiàn)實技術(shù)已廣泛應(yīng)用于教育、醫(yī)療、娛樂等行業(yè), 谷歌、微軟等廠商推出的增強現(xiàn)實眼鏡等設(shè)備套裝, 已成為極具吸引力的前沿產(chǎn)品, 而手機游戲《精靈寶可夢Go》已然成為風(fēng)靡全球的娛樂熱點, 使增強現(xiàn)實技術(shù)成為熱門討論話題。越來越多的科研機構(gòu)、企業(yè)等致力于增強現(xiàn)實技術(shù)的研究與相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)工作, 同時, 圖形加速硬件與顯示設(shè)備性能的提升、軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展, 使增強現(xiàn)實技術(shù)及其應(yīng)用呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢, 成為了研究熱點之一。
一、增強現(xiàn)實技術(shù)概述
增強現(xiàn)實技術(shù)并非一項新技術(shù)。實際上, 早在20世紀60年代, 哈佛大學(xué)教授Ivan Sutherland已創(chuàng)造了光學(xué)透射式頭盔顯示器 (See-through HMD) 。盡管限于當(dāng)時的技術(shù)條件, 該設(shè)備的圖像呈現(xiàn)以及其規(guī)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(lǐng)域的認知與探索, 成為AR技術(shù)發(fā)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(tǒng)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(chǎn)環(huán)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(shù)的雛形, 增強現(xiàn)實 (Augmented Reality) 這一術(shù)語也同時被提出。
增強現(xiàn)實技術(shù)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(xiàn)實世界的基礎(chǔ)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(xiàn)實世界融為一體, 實現(xiàn)超越現(xiàn)實的用戶體驗。這也成為增強現(xiàn)實技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù) (VR) 間最顯著的區(qū)別。
HRL實驗室的Ronald Azuma定義了增強現(xiàn)實技術(shù)的三個主要特征, 即虛實結(jié)合、實時交互、三維匹配。AR系統(tǒng)基于真實世界, 利用攝像機采集影像數(shù)據(jù), 使用傳感器獲取感知數(shù)據(jù), 同時獲得3D交互理解與3D環(huán)境理解, 令系統(tǒng)了解需要疊加到現(xiàn)實世界的內(nèi)容以及定位。通過渲染模塊完成虛實結(jié)合, 最終合成視頻并傳達至用戶, 提供給用戶增強現(xiàn)實的體驗效果。
二、增強現(xiàn)實技術(shù)相關(guān)應(yīng)用
(一) 教育培訓(xùn)方面的應(yīng)用。
AR Flashcards系列手機AR移動應(yīng)用程序幫助學(xué)生學(xué)習(xí)字母、數(shù)字、形狀、顏色等應(yīng)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(xiàn)在桌面卡片上方, 現(xiàn)實與虛擬融合, 用戶還可以與虛擬形象進行互動反饋, 使學(xué)習(xí)變得趣味十足。
在職業(yè)培訓(xùn)方面, 飛行員可以通過增強現(xiàn)實APP學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)幫助;醫(yī)學(xué)生可以通過AR應(yīng)用程序練習(xí)各種新型產(chǎn)品, 從而鍛煉各類職業(yè)技能, 同時, 還可以對遠程手術(shù)過程進行檢測。因為AR技術(shù)與真實世界的融合, 使學(xué)生具有真實的職業(yè)現(xiàn)場感, 從思想意識方面能夠更加認真地對待訓(xùn)練過程。
(二) 娛樂媒體方面的應(yīng)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(jīng)開始運用增強現(xiàn)實技術(shù), 比如突然出現(xiàn)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(xiàn)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“�！弊忠嘁约賮y真, 令電視觀眾驚嘆不已。而這些影像在晚會現(xiàn)場是無法看到的, 而是依靠增強現(xiàn)實技術(shù)使之與舞臺實景交織呈現(xiàn)在電視熒屏上。國外的科切拉音樂節(jié) (Coachella) 上, 則通過使用AR技術(shù)和設(shè)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(huán)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(zhì)媒體在網(wǎng)絡(luò)媒體的沖擊下已進入困境, 而增強現(xiàn)實技術(shù)則為其提供了新的發(fā)展思路和方向。目前已有多家紙質(zhì)媒體引入了增強現(xiàn)實技術(shù), 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(xiàn)動畫效果、卡通形象, 吸引各個年齡層的讀者。
增強現(xiàn)實技術(shù)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(xiàn)實技術(shù)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(fā)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(yīng)用。
IKEA宜家家居自2011年起便推出了增強現(xiàn)實移動APP, 該程序配合IKEA出版的年度產(chǎn)品目錄使用, 用戶可以使用智能手機對產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)實APP, 用戶在購買產(chǎn)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(wù)平臺, 必要商城于2016年5月宣布正式應(yīng)用AR購物體驗。用戶可以通過手機APP利用AR技術(shù)在線購買產(chǎn)品, 更重要的是可以完成產(chǎn)品虛擬“測量”, 極大地增強了用戶的體驗感受。
三、增強現(xiàn)實技術(shù)對軟件設(shè)計的影響
增強現(xiàn)實技術(shù)的快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用, 也同時影響了軟件開發(fā)設(shè)計的發(fā)展。
(一) 軟件開發(fā)平臺。
目前, 增強現(xiàn)實軟件開發(fā)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(chǎn)品增加數(shù)字化的特性;Vuforia目標管理器可以幫助用戶分析、提升圖像質(zhì)量以優(yōu)化程序的顯示效果;允許用戶自定義圖像以創(chuàng)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(shù)據(jù)庫 (含10萬單詞) 或開發(fā)者定義詞典中的文字識別;同時提供URL、產(chǎn)品序列號等的數(shù)據(jù)加密功能。
Realmax平臺支持Windows、Mac OSX以及Android等多終端、跨平臺開發(fā), 提供標準的SDK包;提供AR硬件開發(fā)、工業(yè)設(shè)計、OEM定制和批量生產(chǎn)、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(tǒng)“Realcast找趣”。用戶可以通過模板快速創(chuàng)建AR項目, 并查看效果, 極大地簡化了操作。
Metaio是AR行業(yè)成立較早的技術(shù)公司, 現(xiàn)已被蘋果公司收購, 其技術(shù)實力雄厚, 在行業(yè)居于領(lǐng)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(xù)性視覺搜索以及手勢檢測。此外, Metaio設(shè)計有自己的AR腳本語言, AREL (增強現(xiàn)實體驗語言) , 允許用戶使用常見的Web技術(shù) (HTML 5、XML、Javascript等) 開發(fā)AR應(yīng)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(shù), 同時支持Unity。
(二) 軟件界面設(shè)計。
AR應(yīng)用程序比較突出的特點是其虛實結(jié)合、3D定位跟蹤以及實時交互性, 因此, 在程序開發(fā)過程中運用AR技術(shù), 需要改變慣性的設(shè)計思維。
1. 信息呈現(xiàn)。
AR技術(shù)的興起改變了軟件界面的設(shè)計模式, 甚至弱化了“界面”的概念, 人們逐漸將關(guān)注的重點轉(zhuǎn)移至信息本身, 而非外在的“包裝”。常規(guī)設(shè)計中的“窗體”、“關(guān)閉按鈕”等控件已不再是必備的設(shè)計元素了。用戶更在意信息呈現(xiàn)的方式, 如何做到豐富而簡潔、全面而易用。信息和數(shù)據(jù)將是AR程序“界面”呈現(xiàn)的主體, 將龐大的信息邏輯清晰、層次分明地展現(xiàn)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(shè)定, 將信息的不同級別、關(guān)聯(lián)關(guān)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(shè)計。在AR應(yīng)用程序中, 其構(gòu)建的影像空間所呈現(xiàn)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(xiàn)更多的細節(jié)與側(cè)面。
2. 風(fēng)格追求。
軟件界面設(shè)計風(fēng)格方面有大量的研究、專著, 在此不再贅述。本文提出的設(shè)計風(fēng)格是指界面設(shè)計的整體把握, 無論選擇扁平化風(fēng)格、精細化風(fēng)格, 都應(yīng)盡可能遵循簡潔的設(shè)計處理思路。原因在于, AR應(yīng)用程序在現(xiàn)實空間中呈現(xiàn)3D的影像內(nèi)容, 其背景通常是紛雜的。而簡潔的主體設(shè)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(shè)計主旨還可以給予設(shè)計人員良好的方向引導(dǎo), 使其在設(shè)計階段將關(guān)注點集中于信息與數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)和組織形式, 從而在視覺效果方面給用戶提供優(yōu)化的信息組織結(jié)構(gòu)與互動體驗。
3. 基于需求。
無論是設(shè)計風(fēng)格的選擇, 或是界面元素的組織形式, 以及用戶視角的設(shè)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(shè)計是無法實現(xiàn)優(yōu)秀的用戶體驗感的。開發(fā)人員應(yīng)分析項目的目標群體, 可以通過發(fā)送測試版本或部分應(yīng)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(yīng)用程序界面設(shè)計風(fēng)格、人物風(fēng)格等, 創(chuàng)作角色模型、場景模型、用戶交互細節(jié)、LOGO、ICON等。
4. 設(shè)計原則。
(1) 信息可讀性。AR應(yīng)用的核心是信息與數(shù)據(jù), 因此, 評價AR應(yīng)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(nèi)容, 應(yīng)當(dāng)作為首要條件進行考量。
(2) 視覺舒適度。無論選擇冷色調(diào)或暖色調(diào), 無論色彩凈素或艷麗, 歸根結(jié)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(fā)設(shè)計, 同時也要保留合理的存在。保持設(shè)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(fā)設(shè)計增加了難度, 但如果是影響到整體應(yīng)用的體驗感, 應(yīng)當(dāng)予以保留, 不要一味地“減法”, 應(yīng)通盤考慮。
(4) 風(fēng)格一致性。雜亂無章的風(fēng)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(fā)設(shè)計過程中保持統(tǒng)一的風(fēng)格屬性, 加強不同場景間的關(guān)聯(lián), 令用戶有熟悉之感, 避免跳躍感。
(5) 交互易用性。AR應(yīng)用的交互場景是開發(fā)設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容, 用戶與虛擬對象的互動線應(yīng)流暢、清晰, 同時, 應(yīng)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(jié)語
本文通過對增強現(xiàn)實技術(shù)的概述以及當(dāng)前的實際應(yīng)用案例, 歸納總結(jié)增強現(xiàn)實技術(shù)對軟件設(shè)計的若干影響要素, 提出軟件開發(fā)設(shè)計需要關(guān)注的要點以及原則。隨著增強現(xiàn)實技術(shù)發(fā)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。
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