AR正在成為線下景點(diǎn)的重要工具，它可以將額外的信息可視化，從而提升博物館等景點(diǎn)的參觀體驗(yàn)。通常，線下展館采用移動(dòng)AR應(yīng)用來(lái)進(jìn)行展示，這種方式基于手機(jī)攝像頭和視覺(jué)算法，雖然使用門檻低，但依然有一些局限，比如：攝像頭很難在近距離對(duì)焦定位，游客常常需要將手機(jī)放在與展品有一定距離才能查看AR，而且與AR的交互通常在手機(jī)屏幕上進(jìn)行，這意味著游客的注意力難以集中在展品本身，因此會(huì)影響實(shí)體展覽的體驗(yàn)。

為了讓線下展覽與AR更好的互動(dòng)，韓國(guó)KAIST大學(xué)的科研人員研發(fā)了一種適用于展覽的移動(dòng)AR方案：WonderScope，這是一種優(yōu)化的AR人機(jī)交互設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是利用RFID來(lái)定位，取代移動(dòng)AR應(yīng)用常見(jiàn)的視覺(jué)定位。據(jù)悉，這項(xiàng)研究由KAIST工業(yè)設(shè)計(jì)系教授Woohun Lee和計(jì)算學(xué)院教授Geehyuk Lee牽頭，該研究得到了韓國(guó)科學(xué)和信息通信技術(shù)部科學(xué)和文化展覽增強(qiáng)支持項(xiàng)目資助。

WonderScope原理

通常，AR定位方案主要基于視覺(jué)掃描，一些方案基于二維碼等視覺(jué)圖案，掃碼即可開(kāi)啟AR，缺點(diǎn)是每個(gè)AR內(nèi)容需要獨(dú)立的圖案標(biāo)志，而且也很難在展品上打印圖案。而WonderScope的不同之處，在于它使用RFID來(lái)檢測(cè)展品表面的位置和方向，并在展品表面附近進(jìn)行AR交互。簡(jiǎn)單來(lái)講，你可以將它看作是手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備的AR外設(shè)，其目的是讓參觀者靠近展品表面體驗(yàn)AR，甚至還可以一邊查看AR，一邊觸摸展品，以得到觸覺(jué)反饋。

該方案的原理是，在展品表面貼上RFID標(biāo)簽，然后在手機(jī)上夾一個(gè)RFID傳感器外設(shè)，當(dāng)傳感器靠近RFID標(biāo)簽時(shí)，便會(huì)在手機(jī)屏幕中觸發(fā)AR內(nèi)容，AR圖像固定并疊加在實(shí)物展品上，感覺(jué)就像是使用手機(jī)來(lái)查看展品的數(shù)字分身。實(shí)際上，RFID是AR內(nèi)容的中心點(diǎn)，當(dāng)傳感器在不同的方向遠(yuǎn)離該標(biāo)簽時(shí)，AR內(nèi)容也在實(shí)時(shí)變化。

據(jù)了解，RFID是一種非接觸式電子標(biāo)簽，原理是通過(guò)射頻信號(hào)來(lái)識(shí)別目標(biāo)并獲取數(shù)據(jù)，特點(diǎn)是在近距離傳感，并可在復(fù)雜的環(huán)境中運(yùn)行。另外，RFID標(biāo)簽可以做到足夠小，安裝和拆卸很容易，對(duì)展品影響較小。在WonderScope方案中，RFID定位允許用戶在靠近展品表面的位置查看互動(dòng)式AR圖像，還可以同時(shí)戴手套觸摸展品表面，實(shí)現(xiàn)體感反饋。

除了RFID外，還結(jié)合了兩種位移傳感器、IMU，可在多種材質(zhì)的表面上識(shí)別設(shè)備與RFID標(biāo)簽原始位置的相對(duì)位置和方向。具體定位流程如下：讀取RFID標(biāo)簽，然后根據(jù)光學(xué)位移傳感器、加速度計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)推算相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以及WonderScope的實(shí)時(shí)位置。該方案還考慮了設(shè)備高度、展品表面輪廓特征，從而提升設(shè)備位置預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。據(jù)悉，該方案定位效果穩(wěn)定，可在紙張、石頭、木材、塑料、亞克力、玻璃，以及具有物理圖案的不規(guī)則表面上使用。

細(xì)節(jié)方面，WonderScope主要由RFID標(biāo)簽、圓柱形傳感器模塊組成，其中傳感器模塊尺寸大約45x50mm，可固定在手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備上。其內(nèi)置藍(lán)牙低功耗元件，以及RFID讀取器、兩種位移傳感器，以及IMU。其底部的PCB包含距離傳感器，Wonderscope與展品距離小于4-5厘米時(shí)，RFID閱讀器將被激活。該閱讀器在102毫秒內(nèi)可檢測(cè)到15毫米外的RFID標(biāo)簽。

此外，位移傳感器包含了卡爾曼濾波器，可用于結(jié)合位移數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)。Wonderscope根據(jù)精準(zhǔn)度去權(quán)衡并組合卡爾曼濾波器輸出的信息，然后生成位移預(yù)測(cè)，該預(yù)測(cè)足夠可靠，在13毫米距離內(nèi)，可識(shí)別0.81米/秒位移，效果比普通鼠標(biāo)的傳感器更好。

同時(shí)，科研人員還設(shè)計(jì)了一個(gè)配套的移動(dòng)app，該app的程序通過(guò)識(shí)別到的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)準(zhǔn)空間定位和AR內(nèi)容，使AR與展品自然融合，仿佛就像展品的一層虛擬表面。WonderScope也可以結(jié)合智能手表，在手表上的屏幕查看AR內(nèi)容。

三種形態(tài)

針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，科研人員設(shè)計(jì)了三種不同形態(tài)的WonderScope：

1）手持式

WonderScope可以安裝在手機(jī)上，效果類似于數(shù)字放大鏡（將放大效果換成AR圖像），使用時(shí)只需要將它靠近展品表面，并從各個(gè)方向移動(dòng)。此外，也可以和智能手表結(jié)合，視覺(jué)效果神奇，不過(guò)由于屏幕較小，交互會(huì)受限。

2）穿戴式

借助3D打印部件，可以將WonderScope、智能手機(jī)固定在手套上，這種方案的好處是，用戶可以通過(guò)手套觸摸展品，體驗(yàn)觸覺(jué)感官。此外，智能手機(jī)也可以產(chǎn)生振動(dòng)（比如模擬心跳），進(jìn)一步增強(qiáng)沉浸感。

3）結(jié)合其他設(shè)備

還可以將WonderScope、智能手機(jī)，通過(guò)3D打印部件固li定在玩具車上，人可以控制車在游戲板上移動(dòng)，模擬勘探地下礦物的效果。這可以做成不錯(cuò)的AR桌游。

而為了驗(yàn)證WonderScope的效果，KAIST科研人員設(shè)計(jì)了幾個(gè)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，比如用手機(jī)查看頭部模型的“大腦”，或是軀干模型內(nèi)的“人體器官”。在2020到2022年之間，這幾種demo都曾在線下展覽中進(jìn)行演示。

未來(lái)應(yīng)用

WonderScope用RFID取代了攝像頭，好處是不受環(huán)境光和算力等限制，在距離物體表面4厘米位置內(nèi)定位，支持簡(jiǎn)單的3D交互。缺點(diǎn)是需要額外的設(shè)備，比常見(jiàn)的移動(dòng)AR成本更高。不過(guò)，該方案效果是否穩(wěn)定還有待關(guān)注，其定位精度基本是由RFID的密度來(lái)決定，密度高成本高，密度低效果差，卡頓。

科研人員預(yù)計(jì)，未來(lái)WonderScope不僅能用于工業(yè)、展覽、博物館等場(chǎng)景，還可以用于游戲、教育、廣告等領(lǐng)域。此外，還有望用于改善公共科學(xué)展覽、博物館和互動(dòng)式教材，比如模擬登月效果、觀察地下火山活動(dòng)，利用AR來(lái)激發(fā)孩子們的好奇心。

還可以在展品上加入感應(yīng)燈，進(jìn)一步增強(qiáng)AR與展品之間的聯(lián)動(dòng)。參考：KAIST