文丨学术头条，编审丨王新凯
你是否曾渴望成为画中人？或者是控制画中物？增强现实（AR）作为新一代人机交互平台，或许可以帮你实现这一愿望。
近日，卡尔加里大学、Adobe 研究中心和科罗拉多大学博尔德分校的研究人员创建了一个增强现实（AR）界面RealitySketch，该界面可用于绘制交互式图形和可视化、可响应的草图。
相关研究以 “RealitySketch: Embedding Responsive Graphics and Visualizations in AR through Dynamic Sketching” 为题，发表在预印本平台 arXiv 上。
该创新成果还在 ACM 用户界面软件和技术研讨会（ACM Symposium on User Interface Software and Technology, UIST’20）上，获得了最佳论文荣誉奖（Best Paper Honorable Mention）和最佳演示荣誉奖（Best Demo Honorable Mention）。
研究初衷：向学生解释物理现象
近年来，交互式动态草图一直是人机交互研究领域的核心主题之一，它通过对用户进行交互式响应，使人们能够通过一个动态的视觉媒介进行思考和交流。
尽管目前市场上基于 AR 的草绘界面不计其数，但迄今为止开发的大多数解决方案都专注于研究如何将静态图形嵌入到现实世界中。例如 Pronto、SybiosisSketch 和 PintAR，以及 Google 的 Just a Line 或 DoodleLens 等商业平台。
如今，该研究团队开发出了更加丰富的动态素描技术词汇，可以动态地实时创建交互式的动画内容。RealitySketch 平台不仅允许用户创建静态草图，还可以嵌入动态图形和交互式图形，这些图形可以与用户周围的真实对象进行绑定，并对用户的动作做出反应。
图 | RealitySketch 可以使用户通过实时草图绘制实现钟摆运动等物理现象的可视化
想象一下，当我们在钟摆上画一条线，这条线随着钟摆的摆动而移动，这种交互式操作将钟摆的运动进行可视化处理。就如上图中右侧曲线图，形象地将钟摆下方的位置进行了实时的绘制，这种抽象与现实的完美结合，帮助人们更好地理解物理现象。
该研究的作者之一 Ryo Suzuki 表示：“我们的项目初衷很简单，就是通过 AR 交互式草图绘制，使用户能够将现实世界进行可视化描绘。而这个想法最初来源于我们对物理课堂教育的观察，在物理课堂中，老师指导的实验课通常是物理学习的一个组成部分。”
向学生解释物理现象有时是相当具有挑战性的，因为要充分理解这些物理现象，需要学生们想象这些现象是如何发生的，以及它们是什么样子的，而不是仅仅学习与之相关的理论知识。
而由 Suzuki 及其研究团队共同创建的 AR 平台 RealitySketch，允许用户制作动态和响应式的图形，这些图形可以在黑板、墙壁或现实世界中的其他物体上进行可视化展现。
该平台为学生们的物理学习提供了一个全新的窗口，可以帮助物理老师以动感十足的方式，让学生直接观察运动中的物理现象，从而可以帮助学生对课程所涵盖的主题有更深的理解。
动态交互式可响应的图形创建
RealitySketch 基于苹果公司的 AR 开发平台 Apple ARKit 研发，它可以将绘制的动态草图嵌入到真实环境中。用户首先通过手指或数码笔在触摸屏上绘图，然后将他们绘制的草图中的元素叠加到真实世界的摄影机视图上。
Suzuki 说：“在过去，创建这样的可视化场景会经历很多耗时的环节，需要视频编辑、后期制作等独立的步骤。相比之下，我们想弄明白：当现实世界发生变化时，如果这些草图元素能够动态地做出反应，会怎么样呢？"
图 | 嵌入式和响应式草图的潜在示例(绿色元素表示虚拟世界中的对象，黑色元素表示现实世界中的对象)
RealitySketch 最独特的功能是：它利用交互技术，根据真实世界运动的草绘元素进行实时的动画制作。该方法可以保障用户以用户以实时和即兴的方式，按照以下 4 个步骤来实现图形的创建：
对象跟踪：用户首先要在真实世界的场景中，指定要跟踪的视觉实体（例如，一个物理对象或一个骨骼关节）；
参数化：然后，用户通过绘制直线或弧线来定义感兴趣的特定变量，从而对跟踪的实体进行参数化；
参数绑定：用户将这些变量绑定到草图元素的图形属性上（例如，长度、角度等），如此一来，当现实世界的变量发生变化时，就可以实时跟踪其动态行为；
可视化：用户还可以通过几种可视化效果来对现实世界的运动进行交互、分析和可视化处理。
Suzuki 解释道：“RealitySketch 集成了物体追踪和基于 AR 的可视化。首先，它利用计算机视觉技术来跟踪物理对象。当用户在 iPad 上点击一个对象时，系统会根据物体的颜色来跟踪该对象。所有的草绘元素都被绑定到了这些被追踪的物体上，因此用户对物体进行移动、抛出等操作时，草绘的元素也会根据预期表现出的运动进行动画处理。”
AR 作为动态计算媒介，潜力巨大
为调查这一平台的满意度，研究人员招募卡尔加里大学的学生和老师参与评估调研，这些师生对 RealitySketch 非常满意，并且似乎对其增强物理实验的潜力感到特别兴奋。
现在由于 COVID-19 在全球的大流行，很多学生都在网上上课，而 RealitySketch 界面的创建可能价值非凡。实际上，RealitySketch 可以使远程教学更具吸引力，例如，它允许教师录制动态的物理实验视频，并与学生进行分享，这样他们就可以更好地理解老师在讲课中描述的物理概念和现象。
除了在课堂环境中测试他们的平台，研究人员还展示了 RealitySketch 在与教育无关的其他应用领域中的潜力。例如，他们展示了体育教练可以使用它来生成与健身有关的数据，并对其进行实时的可视化处理和分析。
图 | 为 RealitySketch 提议的应用场景的草图
研究人员向篮球运动员展示了篮球的实时运动轨迹，通过对特定的身体姿势制作可视化界面，使他们更加清晰的看到得分过程，也让课堂更加引人入胜。
Suzuki 表示：“我们有兴趣在将来进一步开发该项目，这是 Adobe Research（Rubaiat Habib Kazi，Wei-Yi，Stephen DiVerdi，Wilmot Li）与卡尔加里大学（我）、科罗拉多博尔德大学（我的博士博士生导师 Daniel Leithinger 教授）共同合作的成果。我们相信这项工作将激发更多支持沉浸式创意的研究和产品，并将充分实现 AR 作为动态计算媒介的潜力。”
参考资料：
https://arxiv.org/pdf/2008.08688.pdf
https://techxplore.com/news/2020-12-realitysketch-ar-interface-responsive.html
https://www.youtube.com/watch?v=S5ouToPJyeM&feature=emb_err_woyt&ab_channel=ACMSIGCHI
https://dl.acm.org/doi/10.1145/3379337.3415892
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