谷歌ARCore增強現實平台介紹 [農步祥]

ARCore應用 - 圖片來自谷歌官網

2017年9月，蘋果隨iOS11系統正式推出了移動AR開發應用套件ARKit，谷歌也在一個月後發布了基於Android系統的AR套件ARCore，2月23日，ARCore1.0正式版本登陸Google Play。半年以來，移動AR應用數量呈現爆發性增長趨勢，而且蘋果也在計劃推出自己的專用AR設備。這些開發套件如何加快AR應用開發和普及？的前景如何？今天我們首先來簡單介紹谷歌的ARCore平台。

AR設備和應用

使用HoloLens的中航工業職工 - 圖片來自互聯網

是增強現實[Augmented reality]的簡寫，是現實世界和虛擬信息合成顯示的一種實時人機交互模式，相對於把人扔進虛擬世界的VR來說，AR是一種相對更寬泛的技術概念。AR系統具備三個突出的特點：①真實世界和虛擬的信息集成；②具有實時交互性；③是在三維尺度空間中增添定位虛擬物體。在智能手機出現以前，AR設備就存在於一些特殊應用中，例如飛機常用的降落導航視頻頭等，本文特指基於手機等移動設備的移動AR類應用。

國產AR智能眼鏡

移動AR設備通常分為兩種類型，第一種是光學透視式，Google Glass、HoloLens、一些國產的行業應用AR眼鏡都屬於光學透視型，這類設備是通過投影方式將虛擬信息投射到目鏡上，光學信號直接和目鏡上的現實世界信息合成顯示。

ARKit應用 - 圖片來自蘋果官網

而另一種為視頻透視式，現實世界的畫面和虛擬事物直接合成至視頻信號輸出至屏幕，手機和平板電腦的AR就是視頻透視式設備的典型。

符合特點①的應用例子非常廣泛，通過後期處理將現實場景和虛擬事物合成的視頻圖像並不是什麼新鮮應用，在各類影視節目中已經很常見，手機上的搞怪視頻應用也不少，但只限于欣賞娛樂，並不具備實時性和交互性。兩年前來比較知名的「AR應用」，如手機上紅極一時的移動遊戲《口袋妖怪Go》或者一些應用的AR功能如AR紅包等，雖然符合了①和②的特點，但「紅包和妖怪」等3D物件只是根據GPS等地理位置放在屏幕上，不和現實的場景產生互動。

在2017年前，符合這三個特點的移動AR應用數量較少。原因就在於製作AR應用涉及攝像頭、計算機視覺，3D圖形等多個領域，開發整合難度偏高，而且效果和效率都不理想。尤其在計算機視覺上，如何依靠攝像頭獲得的畫面判定周圍的場景是什麼？如何確定平面和桌面？ARKit和ARCore本質上就是提供了一個統一的運算和交互開發介面，大大降低AR應用的開發門檻。

ARCore工作原理

AR應用是如何識別攝像頭記錄下的現實世界，並轉換為一個3D虛擬事物的活動和交互空間呢？這裡我們以谷歌的ARCore的三個核心技術為例：

ARCore技術 - 運動跟蹤

運動跟蹤：讓手機可以理解和跟蹤它相對於現實世界的位置。手機在現實世界中移動時，ARCore會檢測捕獲的攝像頭圖像中的視覺差異特徵並生成特徵點，這些特徵點對應的是現實世界中的某個位置點，通過這些點結合手機的觀星測量單元[IMU]可以計算出手機攝像頭相對這些特徵點的位置和方向，虛擬內容就會根據用戶手機的方位渲染出相應的畫面合成至屏幕，讓手機屏幕上看起來就像是現實世界中的物體。

Google 谷歌 Pixel XL智能手機 - ARCore應用 - 《星球大戰》的帝國士兵和貓頭鷹？

ARCore技術 - 環境理解

環境理解：讓手機可以檢測平坦水平表面[如地面或桌面]的大小和位置。通過計算機視覺查找水平表面的特徵[如角度、顏色、紋理等]，使其成為虛擬物體所在的平面，這樣虛擬物體的放置和行動更像是存在於現實世界中。

ARCore技術 - 光估測

光估測：讓手機可以估測環境當前的光照條件。 根據周圍環境的光線信息改變3D模型的光照和陰影明暗效果，讓虛擬物件看起來更真實。

Google 谷歌 Pixel XL智能手機 - ARCore應用 - 《星球大戰》的貓頭鷹？

Google 谷歌 Pixel XL智能手機 - ARCore應用 - 《星球大戰》的貓頭鷹？

通過以上三種圖形視覺計算技術，構成了手機對於現實世界環境的理解，AR應用生成的3D物件可以定位於手機屏幕之上，通過手機觸控屏進行跟蹤和互動操作。因此ARCore不僅是開發平台，也是AR應用的基礎運行庫，應用的開發者可以專註於3D圖形的設計、用戶交互等部分，核心的視覺計算和定位部分由ARCore完成。上面用於直觀圖示的應用是Pixel XL自帶拍照APP的一個小功能，可以看出，保持活動的虛擬人物和動物與手機位置、光線明暗的變化，如果沒有放大圖看，效果還是很有意思的。聯動在4年前，谷歌推出過Project Tengo的AR手機，其中使用了特殊的感光器用於進行深度監測，由於成本限制並沒有得到廣泛使用，而ARCore僅依靠手機光學攝像頭就可以工作就可以達到專用硬體的近似效果。

AR應用展望

由於ARKit和ARCore的推出，統一化的開發標準和易用的API介面大大降低了移動AR應用的開發門檻，這也正是AR應用數量暴增的原因，但ARCore本身只是一個應用開發介面，因此蘋果的ARKit在經歷短暫的爆發後，目前新AR應用發布數量有下降趨勢，嘗鮮的小型應用很難持續火熱，AR應用能否滿足實用性和以假亂真，取決於硬體和軟體開發者的水平以及市場需求。

相對於VR來說，AR應用的開發和使用門檻都明顯更低，可以被更多的手機用戶接受，和現實世界的結合能使其用途更加廣泛，兩者間不存在明顯的競爭關係。除了遊戲娛樂外，行業和教育類應用也在更多引入AR技術，提升工作和學習效率。ARCore支持Andorid 7.0以上系統，谷歌也將和手機廠商合作，在國內的應用市場提供下載，谷歌還在和京東等企業合作，推出不同實用場景的AR測試應用，2018年對於AR行業和應用來說，將是至關重要的發展時機。

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