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使用Unity 3D促进移动增强现实游戏开发

Sung Lae Kim, Hae Jung Suk, Jeong Hwa Kang, Jun Mo Jeong

韩国水原市亚洲大学

数字媒体系

{sunglae​​ss，dbdip，kjhca0818，speedfinger} @ajou.ac.kr

Teemu H.Laine,Joonas Wachira

韩国水原市亚洲大学

信息与计算机工程系

{tlaine，jwestlin}

@ajou.ac.kr

摘要-移动增强现实（mobile AR）使得诸如3D模型，动画和注释之类的虚拟内容能够放置在任何上下文中的真实世界对象之上。我们应用移动AR开发Calory Battle AR exergame以应对全球儿童肥胖症。在这个游戏中，玩家在现实世界环境中找到并消除虚拟卡路里炸弹。具体来说，我们介绍了两个游戏版本的开发。第一个原型是在没有第三方游戏引擎的情况下创建的，它带来了许多挑战。为了探索这些挑战的解决方案，我们使用Unity 3D游戏引擎创建了一个新版本的游戏。使用Unity 3D，简化了游戏开发过程。针对儿童和大学生的混合方法可用性评估表明，在Unity 3D版本中，特别是与AR内容的交互和用户界面清晰度得到了改善。这项研究产生了三个重要贡献：

1. 一种新颖的移动AR游戏，以激励孩子们移动;2）使用Unity 3D重新实现游戏;3）比较两个游戏版本的可用性评估结果。我们预计Unity 3D等游戏引擎将成为未来AR游戏开发的必备品。

关键词：运动;手机游戏;游戏引擎;增强现实;乌萨比尔蒂

• 1. 介绍

如今，无处不在的技术迅速发展并广泛传播。因此，发达国家的许多公民使用智能手机，其中打电话已成为次要功能。智能手机平台，如iOS和Android，不仅提供高度复杂的计算和上下文感应基础设施，还提供包含各种应用和服务的开放市场，以便用户受益。随着智能手机的普及，人类与无处不在的技术之间的相互作用得到了更多的关注。增强这种交互的手段之一是增强现实（AR），其中虚拟内容被放置在真实世界的相机视图之上。AR可以提供额外的上下文信息，并使虚拟内容实现更真实的交互体验。在撰写本文时，有数百甚至数千种AR应用程序可用于智能手机。在旅游[1]，购物[2]，教育[3]和娱乐[4]等领域，对增强现实进行了大量研究。早期AR应用程序要求用户携带计算机和头戴式显示器（HMD），

但在本研究中我们专注于移动增强现实（mobile AR），这是由智能手机等手持设备实现的。Mobile AR支持不显眼的收集，管理和利用上下文信息，并根据用户的上下文提供增强AR的服务。

英国，韩国和新西兰等发达国家面临的巨大挑战之一是，所有年龄组的肥胖率都在上升，而体力活动率则在下降[5-7]。据世界卫生组织统计，自1980年以来，全球肥胖人数几乎翻了一番，2011年超过4千万5岁以下儿童超重[8]。为了应对这一挑战，我们已经开始利用智能手机和移动增强现实技术为儿童和年轻人开发游戏（锻炼游戏），旨在让锻炼更加有趣。Exergame是为玩家提供体育锻炼的视频游戏。有许多方法可以通过Nintendo Wii，Xbox Kinect，PlayStation EyeToy等系统参与游戏。在本文中，我们将重点关注移动劳力游戏，如GeoBoids [9]、Walk2Build [10]、SmartRabbit [11]。

在本文中，我们将介绍我们在开发移动AR游戏的Calory Battle AR时的经验和挑战。具体来说，我们展示了游戏的两个原型的开发：一个没有现有的3D游戏引擎，另一个有Unity 3D游戏引擎。第二个原型是由本科生在动画制作课程中创建的，以缓解第一个原型开发中遇到的挑战。我们还分析了之前关于AR系统的研究，在两个版本的Calory Battle AR之间进行可用性研究并讨论了这些研究结果。

• 1. 背景

1. 增强现实系统

在早期的增强现实系统中，用户携带计算机和/或某种形式的头戴式显示器（HMD）。MARS，Studierstube，AR Quake，AR Pacman就是这种早期AR系统的例子。MARS（移动增强现实系统）[12]由具有3D图形加速，GPS，透视HMD，无线LAN和其他组件的计算机组成。Studierstube [13]是一种可穿戴的增强现实系统，可以让用户用笔和垫与增强对象进行交互

。用户背着笔记本电脑，带有视频输出设备和网络摄像头的头盔，并使用笔和垫，通过标记和相机进行光学跟踪。

Quake [14]和AR Pacman [4]是使用增强现实技术游戏的例子。具体来说，这些是增强现实对流行的Quake FPS和Pacman街机游戏的改编。两种游戏都使用可穿戴计算机进行数据处理，并要求透视HMD向用户显示信息。

AR Phone，MobiAR和GeoBoids是基于手持设备而非可穿戴计算机和HMD的移动AR的示例。结果，用户不必携带改善移动性的特殊硬件。AR Phone [15]正在研究使用具有有限处理能力的移动电话在智能环境中提供增强现实接口的研究。在AR电话系统中，在AR服务器上执行诸如图像处理的高处理任务，并且电话仅执行观看者的角色。MobiAR [16]是Android应用程序，提供增强现实的旅游信息。当用户通过MobiAR观察现实世界时，视图会增加其位置信息。通过多媒体内容，用户可以访问有用的信息来规划他们在城市中的路线。GeoBoids [9]是一款在智能手机上使用AR游戏。游戏提供Field和Arcade模式，玩家必须在户外真实世界环境中搜索和捕捉虚拟GeoBoids生物。播放器和增强现实对象之间的交互很简单，只需在智能手机屏幕上触摸或滑动即可。据我们所知，GeoBoids和Calory Battle AR是使用移动AR的游戏的唯一研究成果。

1. AR开发和使用中的挑战

过去的增强现实系统受到移动技术和IT基础设施的限制。这些限制导致开发人员和用户遇到如下所述的若干挑战。

首先，使用诸如HMD之类的特殊AR硬件存在一些问题。HMD破坏视觉观点并可能给用户带来不便。另外，如果HMD具有低分辨率，则难以识别增强对象和与现实世界不同的视线失真。此外，特殊硬件比智能手机等普通设备更难以访问。AR的特殊硬件的最新例子是Google Glass，它是带有光学头戴式显示器的可穿戴计算机。尽管Google Glass技术复杂且设计不引人注目，但目前对普通用户而言过于昂贵。谷歌眼镜的另一个问题是戴普通眼镜的人不能使用当前版本。

其次，实现增强现实和构建移动计算接口需要开发人员花费大量时间和精力。过去，移动设备的内存和数据处理能力明显低于今天。如AR电话系统所示，可以将高数据处理任务委托给执行必要计算的外部服务器。此问题要求开发人员构建用于外部数据处理的基础结构

通信，反过来又会对用户体验造成延迟。

由于这些限制，包含相机、高性能处理单元、高分辨率显示和上下文感测功能的智能手机已成为实现移动增强现实的潜在平台。然而，AR的实施仍然是一项复杂的任务。今天有许多AR库，例如Qualcomm的Vuforia，以缓解这个问题，但是他们通常缺乏对用于游戏目的的虚拟对象的处理和交互的直接支持。反过来，这可以增加移动AR游戏开发所需的时间。

在下一节中，我们将介绍一种克服上述限制的移动AR exergame Calory Battle AR。此外，在开发过程的第二次迭代中，我们探索了Unity 3D游戏引擎与AR的结合，以加速开发并丰富3D环境。

• 1. 卡路里战斗发展

1. 第一个原型的概念与实现

Calory Battle AR是一款基于Android的增强现实手机游戏，旨在促进儿童的身体活动，但也可供成年人享受。它与基于控制台的exergames（例如一些Nintendo Wii游戏）的不同之处在于它基于现实世界的背景，因此包括通过上下文探索的额外动机。游戏可以轻松部署在不同的位置，因为它不需要除Android智能手机和表示增强现实内容的打印图像目标之外的任何特殊设备。

图1.第一个原型游戏流程的基本概念

卡路里战斗AR故事的特点是露水、好人、火箭人和坏人。露水从我们的汗水和能量中提取能量，它们为我们施放法术，使我们的身体更健康，头脑更清晰。Caloroids讨厌汗水，因此想要阻止我们出汗并变得不健康。玩家的角色是通过查找和消除已放置的卡路里炸弹来帮助露水

在Caloroids周围的地理区域。找到炸弹有一个全球时间限制，所以玩家必须从一个炸弹转到另一个炸弹。

图1显示了游戏流程的基本概念。玩家首先使用GPS地图定位炸弹。在现实世界中找到图像目标后，玩家启动分析屏幕，并在图像目标的顶部出现AR炸弹模型。然后炸弹的本地倒数计时器在10-60秒的随机时间开始，在此期间玩家必须拆除炸弹。使用Multitool（另一种代表露珠的AR模型）以正确的顺序小心移除虚拟保险丝，可以消除炸弹。保险丝外观有不健康的食物，如比萨饼和汉堡包。玩家通过解除炸弹和游戏结束时的剩余时间（即所有炸弹已被消除或爆炸）来获得积分。在完成游戏后，玩家可以将分数上传到名人堂网站，在那里可以将其与其他玩家的分数进行比较。

1. 第一个原型的挑战

Calory Battle AR的第一个原型是使用Vuforia AR库创建的，但没有任何第三方渲染或游戏引擎。该设计决策引起了与加载，处理和呈现AR内容相关的各种挑战。

在Vuforia中手动加载3D模型时，必须为其指定几个参数，例如坐标和平移，缩放和旋转因子。这些参数会影响模型在图像目标顶部的显示方式。如果想要在用户与之交互之后轮换模型，则必须由程序员手动完成。因此，动态地对内容进行动态更改至多是繁琐的。此外，没有物理引擎来支持逼真的游戏对象操纵效果。

加载模型后，程序员使用OpenGL库调用呈现它。缺少渲染引擎意味着也没有直接支持对模型绘制特殊效果所需的着色器。因此，模特外观缺乏最终的艺术触感，使其看起来更逼真。最后，不使用场景背景 - 唯一的3D内容是在图像目标上绘制的游戏对象。

香草Vuforia AR库中不支持动画。为了创建动画倒数计时器和炸弹爆炸，程序员不得不手动交换图像以产生动画效果。对于简单和重复的动画，这不是一个大问题，但动态动画是不可行的。

炸弹解除屏幕中唯一的交互方式是使用Multitool（或后退按钮）。添加更多交互模式需要将每个模式编程到游戏中。碰撞检测是游戏对象交互的先决条件，通过检查两个游戏对象的边界框是否相交来手动完成。由于我们缺乏3D游戏编程经验，该解决方案连同加载和渲染3D内容，使得游戏加载和渲染性能不佳。

1. Calory Battle AR与Unity 3D

为了解决上述挑战，我们通过Unity 3D和Vuforia AR Extension for Unity创建了一个新版本的游戏。Unity 3D是一个功能丰富，完全集成的开发引擎，可为创建交互式3D内容提供开箱即用的功能。使用Unity，您可以发布到多个平台，如PC，Web，iOS，Android和Xbox [17]。完整的工具集，直观的工作空间以及Unity的即时播放测试和编辑功能使开发人员节省了时间和精力。Vuforia AR Extension for Unity支持Unity内的视觉检测和跟踪功能，允许开发人员轻松创建AR应用程序和游戏[18]。

第一个原型Calory Battle AR和新的Unity版本共享相同的基本框架，如图2所示。玩家必须找到由地图指示的虚拟炸弹并通过AR交互来消除它们。与炸弹互动的方式是不同的。在第一个原型中，炸弹被多功能工具拆除。此交互使用两个不同的增强现实对象。然而，在用户反馈中已经确认两个物体之间的距离不清楚并且消除需要高精度。Unity版本的游戏使用虚拟按钮提供更直观，更友好的用户交互。虚拟按钮是在标记上绘制的虚拟对象，可以直接用手指按下。另外，通过将浮动食物图像放置在每个按钮上，使用户更清楚地区分按钮对象。最后，使用静态室内地图代替GPS地图来演示游戏。

图2.使用Unity 3D游戏流程的Calory Battle AR的基本概念

使用Unity 3D实现了几项视觉改进。使用Unity的内置着色器，增强对象的图形表达式变得更加精确。因此，增强的3D模型外观看起来更逼真，并且通过即时播放测试和编辑功能可以快速进行图形修改。我们还可以通过Unity的内置物理引擎表达更逼真的操作效果。虽然在这个游戏中没有实现动画，但是可以创建动画炸弹爆炸或其他效果。

Unity 3D有一些附加值可用于开发工作。Unity的完整工具集功能使编写代码更加直观。开发人员可以直观地看到编程代码和游戏对象之间的关系。

开发人员也不必仅仅通过代码来假设和调整值，他们可以检查对象如何立即对属性更改做出反应。此外，编程部分和图形部分之间的通信是平滑的，因为Unity增强了两个部分之间的链接。Unity的这些属性极大地加速了游戏开发过程。Unity 3D还支持各种格式，如.max，.mb，.fbx，.obj，从而允许与其他程序进行详细和系统的互操作。

资料编号：[5293]

• 1. 可用性评估