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智能家电的数字化说明书系统的设计与实现

2024-07-05 10 上传者：管理员

摘要：目前，智能家电的使用说明书存在老年用户理解难的问题。为了给老年用户提供生动且直观的操作指引，本文设计了一个基于AR的数字化说明书系统。通过使用unity引擎结合vuforia平台，导入AR识别码至平台网站中，并导入Vuforia SDK、Vuforia数据库和制作的三维教程动画到Unity项目中，实现三维实景演示电器使用教程。该系统有利于智能家电用户轻松掌握正确操作方法，避免误操作带来的安全隐患。

关键词：
三维实景
家用电器
数字化
数字化说明书
智能家电
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1、引言

随着国内智能家电行业的迅猛增长，技术复杂度和功能集成度不断提高，导致智能家电产品的操作变得日益复杂。用户需要通过说明书中冗长的文字，了解新的操作方法、掌握新的指令。但由于部分用户对产品的专业名词接触较少，导致其不能完全理解使用说明书中的内容，难以充分发挥智能家电产品的潜力。而且，传统的纸质说明书文字说明方式具有局限性，使得中老年用户正确理解说明书内容并熟练操作这些家电变得更加困难，甚至可能因错误操作而引发事故。为了给老年用户提供生动且直观的操作指引，本文设计了一个基于增强现实（Augmented Reality,AR）的数字化说明书系统。通过使用unity引擎结合vuforia平台，导入AR识别码至平台网站中，并导入Vuforia SDK、Vuforia数据库和制作的三维教程动画到Unity项目中，实现三维实景演示电器使用教程。

2、AR技术简介

增强现实技术，是一种可以将虚拟信息与现实世界相叠加，借助计算机视觉、传感器以及显示技术等，实现了虚拟内容和实际环境的实时交互和融合的技术。它使用户能够在真实环境中与虚拟元素进行交互、沟通，实现了多维度的感知和用户体验，能够创造出更为综合和丰富的感知体验[1]。

在我国高度重视虚拟现实、增强现实的技术产业发展的背景下，结合产业发展的客观规律，在产业布局、顶层设计、应用发展和核心技术攻关等阶段，通过一系列相关政策，不断支持鼓励增强现实赋能各产业和重点场景，为我国AR产业的发展保驾护航。与此同时，通过将AR功能融入使用指导的设计流程中，旨在优化用户体验，减少由于不正确使用而导致的事故风险，提高产品的安全性，提升用户对电器产品的满意度。

3、系统的实现思路

纸质版说明书受限于篇幅限制、专业术语较多、缺少直观的操作流程，无法涵盖用户更多的使用指导需求。针对此难题，结合AR技术功能特点，可实现虚拟模型演示使用动画，通过用户合理交互，可在虚拟空间中任意角度、任意大小，全方位地观看电器使用教程，不需要知道过多的专业术语，即可了解说明书中的指导内容[2]。

3.1核心技术构成

在本文所提出的家电数字化说明书系统中，用户可以通过手机、平板电脑、AR眼镜或其他AR设备观察和操作虚拟内容，与虚拟对象进行互动，并在现实场景中获取额外的信息或功能[3]。电器教学数字化说明书系统采用AR技术平台（Vuforia Engine）和开发工具（Unity 3D引擎），实现了空间感知和跟踪技术，将电器的三维模型、教学动画和信息标签层叠在实际电器产品之上。通过使用AR功能技术，用户可以更直观地观察和理解电器的内部结构、工作原理和操作步骤[4]，从而提高产品使用体验和效果，降低用户在产品使用过程中的不确定性和疑惑。

其技术构成及实现功能如下：

(1）传感技术：AR设备使用各种传感器来感知用户的位置、方向和动作，以及周围环境的信息。常用的传感器包括摄像头、陀螺仪、加速度计等。

(2）目标注册与识别：AR设备通过计算机视觉技术来识别和跟踪现实世界中的物体、图像或场景。可以通过图像识别、标记识别、平面检测等算法实现。准确性识别和跟踪现实世界是AR技术的基础。它使得虚拟内容能够与真实世界进行精确的对齐。

(3）虚拟内容与现实影像叠加：一旦识别和跟踪了现实世界的目标，AR设备会将虚拟的三维对象、图像或信息叠加到现实场景中，使其与真实物体进行交互。这些虚拟内容可以是三维模型、信息标签、动画效果等。

(4）实时渲染和显示：AR设备会将叠加的虚拟内容进行实时渲染，并通过显示器、投影或透明显示技术将其呈现给用户。这样用户就能够在观察真实世界的同时，看到叠加在其上的虚拟内容。

系统结合AR功能应用图如图1所示：

图1系统技术构成图

3.2技术路线

为确保仿电器制作的模型动画和实际电器的使用方法一致，利用3D建模软件创建家电模型和教学动画，并将其导入Vuforia等AR平台支持的模型数据库内。设置扫描图像作为触发器，当用户使用设备摄像头扫描特定图像时，借助Vuforia SDK在Unity中进行物体识别和虚拟模型精确定位。

将定位准确的虚拟家电模型叠加至对应的实物之上，确保其在空间中的位置、旋转与实物保持一致，从而呈现出直观生动的增强现实效果。同时，运用C#脚本编写交互逻辑，使得用户可以通过手势、触摸屏幕或语音等方式与虚拟环境及对象进行实时互动。

此外，还集成了深度感知技术，如Li DAR、结构光或双目摄像头，以获取场景的深度信息，保证在渲染过程中虚拟对象能根据真实世界物体的位置正确地被遮挡，提升虚拟内容的真实感。

在硬件层面，要确定AR应用程序所需的传感器类型和布局，整合相关传感器并获取相应的驱动程序和应用程序接口（API），确保传感器能够准确采集现实世界环境的图像和数据。通过对这些数据进行标注和计算机视觉处理，提取出关键特征如边缘、角点、颜色和纹理，进而利用物体检测算法精确识别电器产品和其他实体。

最后一步是在成功识别环境后，将三维虚拟对象、信息标签和动画精准叠加到电器产品上。为了优化渲染性能，可以采用高效的渲染引擎（如Unity3D或Unreal Engine），并结合多线程渲染技术和遮挡剔除技术，提高渲染速度和效率。同时，在Unity中设计并实现直观易用的用户界面，集成多媒体元素如文字、图像和动画，使操作指导更加生动形象。最终将应用程序打包成适用于Android和i OS系统的手机应用，确保在不同移动平台上都能正常运行。

系统实现技术及开发流程如图2所示。

图2系统实现技术及开发流程

图3 AR电子说明书系统总体框架图

通过数字化说明书应用程序，将电器的功能信息和操作步骤以虚拟内容的形式与真实环境无缝融合。用户在智能手机上实时查看时，能直观地看到虚拟的指导提示叠加在实际场景中，实现虚拟与现实世界的互动体验。应用程序运用识别和遮挡关键特征的技术手段，逐步展示详细的教程动画，确保用户能够按照正确流程进行操作，从而提供更加生动、更具交互性的电器使用感受，并优化了维护过程的便捷性和智能化程度。

此外，该应用程序还具备创新功能，允许用户扫描特定图像后，在现实中展现对应的虚拟电器模型。这样，用户不仅能在真实环境中观察到电器的实际外观、尺寸及各项功能演示，而且能对其进行全方位评估。这一功能显著提升了产品展示效果，为潜在购买者提供了更直观且具有决策参考价值的购买体验。

4、系统功能实现

系统总体框架如图3所示。

4.1虚拟环境搭建

为了在AR应用程序中生动且精确地呈现电器的外观、内部结构及各个组件，首先采用计算机辅助设计（CAD）技术和三维建模软件如3DsMAX，结合专业素材网站的支持，对电器进行精细的三维建模和教学指导动画制作，确保了模型能高度还原实物细节，为用户提供真实直观的学习体验。

其次，在Unity开发环境中搭建AR场景，利用Vuforia技术平台来实现实时增强现实功能。将前期精心制作的电器3D模型和动画资源导入Unity项目中，并在虚拟空间设置一个触发器对象。它不仅能识别并响应特定的遮挡图像，还可作为大世界定位点，以便精准布置与实际电器相对应的虚拟环境布局。

最后在配置过程中，通过调整Vuforia中的Camera Direction参数，可使计算机或手机摄像头适应AR应用需求。借助AR Camera追踪系统，实时监测并校准虚拟3D模型与被识别目标物体之间的距离、方向和比例关系。当用户使用设备摄像头对准实际电器时，AR应用程序能够准确识别目标物体，并在其上方叠加对应的三维模型，实现虚拟内容与实物的有效融合，从而提供更加清晰易懂的操作指南和交互式学习体验。

AR识别功能如图4所示。

图4 AR功能测试

4.2虚拟环境交互实现

为了使用户能够流畅地查阅电器的数字化说明书，利用Unity 3D环境结合图像识别技术，模拟手机传感器行为，构建与实际产品匹配的三维模型和教学动画。通过编写C#和其他Unity支持的脚本语言，为触发器对象设计程序逻辑，以限定模型动画在预设范围内的展示，并实现与用户的实时交互。

Unity Vuforia插件在此过程中起到了关键作用。它负责物体识别与跟踪功能，利用相机捕捉现实场景中的图像信息，精准比对特定实物或图案，从而实现虚拟内容与物理世界的深度融合。例如，当用户的手部遮挡特定区域时，Vuforia能够检测到这一动作，并触发相应的动画播放，形成一种直观且拟真的交互体验。用户可通过手部动作遮挡设备摄像头扫描的电器部分，在屏幕上即刻显示对应的使用教程动画，引导用户下一步的操作流程。

在应用程序初始化阶段（Start方法），预先获取并关联虚拟对象及图形目标；在每帧更新阶段（Update方法），根据当前摄像机视野中图形目标的可见状态，动态调整虚拟对象的位置、旋转以及显示状态；而在用户按下指定按钮触发事件（OnButtonPressed方法）时，则会启动相应虚拟对象的预设动画序列，以此提供更具沉浸感和互动性的学习体验。

主要代码如下：

4.3整合程序导出系统

在构建手机应用程序时，利用Unity自带的UI系统设计和搭建用户界面，旨在提供一个直观且易于操作的交互环境，使得用户能够轻松地浏览、搜索和获取所需的信息，从而提升整体用户体验。

5、结论

随着科技的不断进步，电器产品的功能越来越复杂，对用户的操作要求也越来越高。本文旨在探讨如何利用增强现实技术实现电器的数字化说明书，以帮助老年人更好地理解和使用电器，并顺应时代潮流，提供便捷的生活方式。

本文提出了一种基于AR技术的解决方案，通过将虚拟信息叠加在真实世界中，为用户提供更加生动、直观的使用指导。首先，对电器进行数字化建模，将其与AR技术相结合，创建了一个虚拟的教学界面。然后，通过智能手机、平板电脑或AR眼镜等设备，老年人可以通过“数字化说明书”AR应用程序，将虚拟界面投影到真实环境中。在虚拟界面中，用户可以通过触摸、手势与电器进行互动，系统可以提供实时的指导和反馈，显示操作步骤、标识按钮功能、提供故障排除提示等。

本文的研究成果将进一步深化对AR技术在改善电器使用指导、用户体验、安全性和培训效率方面的潜力的理解[5]。最终将AR技术融入电器使用指导中，使各个年龄段的人们能够充分利用智能家电的优势。此外，本文研究还将推动AR技术在电器行业的应用和发展，为未来数字化说明书的发展提供宝贵的经验和借鉴，为相关从业者提供重要的见解，更好地实现AR技术在电器领域的应用和推广。此外，这项研究还为商家提供了一个创新的介绍使用电器的方式，在提升整体用户体验的同时也可以促进销售量。随着AR技术的不断发展和普及，本文的研究成果将在改善电器使用体验方面发挥越来越重要的作用。

尽管AR技术在改善电器使用体验方面具有巨大潜力，但仍面临一些挑战。例如，AR设备的成本和普及度、技术的稳定性和可靠性等问题需要进一步解决。下一阶段可以探索更加智能化和个性化的AR解决方案，以满足不同用户的需求，并进一步提升AR技术在电器使用教学领域的应用效果。

参考文献:

[1]刘一帆,吕建峰,于忠良.AR技术在航天领域中的应用综述.计算机仿真,2022,39(12):1-6

[2]薛艳贺.家电产品说明书的语篇分析[硕士学位论文].吉林大学,长春,2016

[3]李雪艳,戴路.基于Vuforia的增强现实交互应用的设计.洛阳师范学院学报,2020,39(11):33-36

[4]于翠波,李青,刘勇.增强现实(AR)技术的教育研究现状及发展趋势——基于2011-2016中英文期刊文献分析.远程教育杂志,2017,35(04):104-112

[5]刘超,刘高胜.AR技术在飞机维修领域中的应用与开发.科技风,2023(02):4-6

基金资助:本文得到河南省教育厅2023年大学生创新创业训练项目“基于AR技术的数字化说明书”(No.202312746047);郑州科技学院2023年大学生创新创业项目“基于AR技术的数字化说明书”(No.DC202347)资助;

文章来源:李梦雅,刘强,朱佳慧,等.智能家电的数字化说明书系统的设计与实现[J].福建电脑,2024,40(07):76-80.