AR正在成為線下景點的重要工具，它可以將額外的資訊可視化，從而提升博物館等景點的參觀體驗。通常，線下展館採用移動AR應用來進行展示，這種方式基於手機攝影機和視覺算法，雖然使用門檻低，但依然有一些局限，比如：攝影機很難在近距離對焦定位，遊客常常需要將手機放在與展品有一定距離才能查看AR，而且與AR的交互通常在手機螢幕上進行，這意味著遊客的注意力難以集中在展品本身，因此會影響實體展覽的體驗。
為了讓線下展覽與AR更好的互動，韓國KAIST大學的科研人員研發了一種適用於展覽的移動AR方案：WonderScope，這是一種優化的AR人機交互設計，其特點是利用RFID來定位，取代移動AR應用常見的視覺定位。據悉，這項研究由KAIST工業設計系教授Woohun Lee和計算學院教授Geehyuk Lee牽頭，該研究得到了韓國科學和資訊通信技術部科學和文化展覽增強支持項目資助。
WonderScope原理
通常，AR定位方案主要基於視覺掃描，一些方案基於二維碼等視覺圖案，掃碼即可開啟AR，缺點是每個AR內容需要獨立的圖案標誌，而且也很難在展品上列印圖案。而WonderScope的不同之處，在於它使用RFID來檢測展品表面的位置和方向，並在展品表面附近進行AR交互。簡單來講，你可以將它看作是手機等移動設備的AR外設，其目的是讓參觀者靠近展品表面體驗AR，甚至還可以一邊查看AR，一邊觸摸展品，以得到觸覺反饋。
該方案的原理是，在展品表面貼上RFID標籤，然後在手機上夾一個RFID傳感器外設，當傳感器靠近RFID標籤時，便會在手機螢幕中觸發AR內容，AR圖像固定併疊加在實物展品上，感覺就像是使用手機來查看展品的數字分身。實際上，RFID是AR內容的中心點，當傳感器在不同的方向遠離該標籤時，AR內容也在實時變化。
據了解，RFID是一種非接觸式電子標籤，原理是通過射頻信號來識別目標並獲取數據，特點是在近距離傳感，並可在複雜的環境中運行。另外，RFID標籤可以做到足夠小，安裝和拆卸很容易，對展品影響較小。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式AR圖像，還可以同時戴手套觸摸展品表面，實現體感反饋。
除了RFID外，還結合了兩種位移傳感器、IMU，可在多種材質的表面上識別設備與RFID標籤原始位置的相對位置和方向。具體定位流程如下：讀取RFID標籤，然後根據光學位移傳感器、加速度計數據來推算相對運動，以及WonderScope的實時位置。該方案還考慮了設備高度、展品表面輪廓特徵，從而提升設備位置預測的準確性。據悉，該方案定位效果穩定，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則表面上使用。
細節方面，WonderScope主要由RFID標籤、圓柱形傳感器模塊組成，其中傳感器模塊尺寸大約45x50mm，可固定在手機等移動設備上。其內置藍牙低功耗元件，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與展品距離小於4-5厘米時，RFID閱讀器將被激活。該閱讀器在102毫秒內可檢測到15毫米外的RFID標籤。
此外，位移傳感器包含了卡爾曼濾波器，可用於結合位移數據和IMU數據。Wonderscope根據精準度去權衡並組合卡爾曼濾波器輸出的資訊，然後生成位移預測，該預測足夠可靠，在13毫米距離內，可識別0.81米/秒位移，效果比普通鼠標的傳感器更好。
同時，科研人員還設計了一個配套的移動app，該app的程序通過識別到的數據來對準空間定位和AR內容，使AR與展品自然融合，仿佛就像展品的一層虛擬表面。WonderScope也可以結合智能手錶，在手錶上的螢幕查看AR內容。
三種形態
針對不同的應用場景，科研人員設計了三種不同形態的WonderScope：
1）手持式
WonderScope可以安裝在手機上，效果類似於數字放大鏡（將放大效果換成AR圖像），使用時只需要將它靠近展品表面，並從各個方向移動。此外，也可以和智能手錶結合，視覺效果神奇，不過由於螢幕較小，交互會受限。
2）穿戴式
藉助3D列印部件，可以將WonderScope、智慧型手機固定在手套上，這種方案的好處是，用戶可以通過手套觸摸展品，體驗觸覺感官。此外，智慧型手機也可以產生振動（比如模擬心跳），進一步增強沉浸感。
3）結合其他設備
還可以將WonderScope、智慧型手機，通過3D列印部件固li定在玩具車上，人可以控制車在遊戲板上移動，模擬勘探地下礦物的效果。這可以做成不錯的AR桌遊。
而為了驗證WonderScope的效果，KAIST科研人員設計了幾個實際應用場景，比如用手機查看頭部模型的「大腦」，或是軀幹模型內的「人體器官」。在2020到2022年之間，這幾種demo都曾在線下展覽中進行演示。
未來應用
WonderScope用RFID取代了攝影機，好處是不受環境光和算力等限制，在距離物體表面4厘米位置內定位，支持簡單的3D交互。缺點是需要額外的設備，比常見的移動AR成本更高。不過，該方案效果是否穩定還有待關注，其定位精度基本是由RFID的密度來決定，密度高成本高，密度低效果差，卡頓。
科研人員預計，未來WonderScope不僅能用於工業、展覽、博物館等場景，還可以用於遊戲、教育、廣告等領域。此外，還有望用於改善公共科學展覽、博物館和互動式教材，比如模擬登月效果、觀察地下火山活動，利用AR來激發孩子們的好奇心。
還可以在展品上加入感應燈，進一步增強AR與展品之間的聯動。參考：KAIST
