无需摄像头，KAIST公布基于RFID的近距离AR展览方案

AR正在成为线下景点的重要工具，它可以将额外的信息可视化，从而提升博物馆等景点的参观体验。通常，线下展馆采用移动AR应用来进行展示，这种方式基于手机摄像头和视觉算法，虽然使用门槛低，但依然有一些局限，比如：摄像头很难在近距离对焦定位，游客常常需要将手机放在与展品有一定距离才能查看AR，而且与AR的交互通常在手机屏幕上进行，这意味着游客的注意力难以集中在展品本身，因此会影响实体展览的体验。

为了让线下展览与AR更好的互动，韩国KAIST大学的科研人员研发了一种适用于展览的移动AR方案：WonderScope，这是一种优化的AR人机交互设计，其特点是利用RFID来定位，取代移动AR应用常见的视觉定位。据悉，这项研究由KAIST工业设计系教授Woohun Lee和计算学院教授Geehyuk Lee牵头，该研究得到了韩国科学和信息通信技术部科学和文化展览增强支持项目资助。

WonderScope原理

通常，AR定位方案主要基于视觉扫描，一些方案基于二维码等视觉图案，扫码即可开启AR，缺点是每个AR内容需要独立的图案标志，而且也很难在展品上打印图案。而WonderScope的不同之处，在于它使用RFID来检测展品表面的位置和方向，并在展品表面附近进行AR交互。简单来讲，你可以将它看作是手机等移动设备的AR外设，其目的是让参观者靠近展品表面体验AR，甚至还可以一边查看AR，一边触摸展品，以得到触觉反馈。

该方案的原理是，在展品表面贴上RFID标签，然后在手机上夹一个RFID传感器外设，当传感器靠近RFID标签时，便会在手机屏幕中触发AR内容，AR图像固定并叠加在实物展品上，感觉就像是使用手机来查看展品的数字分身。实际上，RFID是AR内容的中心点，当传感器在不同的方向远离该标签时，AR内容也在实时变化。

据了解，RFID是一种非接触式电子标签，原理是通过射频信号来识别目标并获取数据，特点是在近距离传感，并可在复杂的环境中运行。另外，RFID标签可以做到足够小，安装和拆卸很容易，对展品影响较小。在WonderScope方案中，RFID定位允许用户在靠近展品表面的位置查看互动式AR图像，还可以同时戴手套触摸展品表面，实现体感反馈。

除了RFID外，还结合了两种位移传感器、IMU，可在多种材质的表面上识别设备与RFID标签原始位置的相对位置和方向。具体定位流程如下：读取RFID标签，然后根据光学位移传感器、加速度计数据来推算相对运动，以及WonderScope的实时位置。该方案还考虑了设备高度、展品表面轮廓特征，从而提升设备位置预测的准确性。据悉，该方案定位效果稳定，可在纸张、石头、木材、塑料、亚克力、玻璃，以及具有物理图案的不规则表面上使用。

细节方面，WonderScope主要由RFID标签、圆柱形传感器模块组成，其中传感器模块尺寸大约45x50mm，可固定在手机等移动设备上。其内置蓝牙低功耗元件，以及RFID读取器、两种位移传感器，以及IMU。其底部的PCB包含距离传感器，Wonderscope与展品距离小于4-5厘米时，RFID阅读器将被激活。该阅读器在102毫秒内可检测到15毫米外的RFID标签。

此外，位移传感器包含了卡尔曼滤波器，可用于结合位移数据和IMU数据。Wonderscope根据精准度去权衡并组合卡尔曼滤波器输出的信息，然后生成位移预测，该预测足够可靠，在13毫米距离内，可识别0.81米/秒位移，效果比普通鼠标的传感器更好。

同时，科研人员还设计了一个配套的移动app，该app的程序通过识别到的数据来对准空间定位和AR内容，使AR与展品自然融合，仿佛就像展品的一层虚拟表面。WonderScope也可以结合智能手表，在手表上的屏幕查看AR内容。

三种形态

针对不同的应用场景，科研人员设计了三种不同形态的WonderScope：

1）手持式

WonderScope可以安装在手机上，效果类似于数字放大镜（将放大效果换成AR图像），使用时只需要将它靠近展品表面，并从各个方向移动。此外，也可以和智能手表结合，视觉效果神奇，不过由于屏幕较小，交互会受限。

2）穿戴式

借助3D打印部件，可以将WonderScope、智能手机固定在手套上，这种方案的好处是，用户可以通过手套触摸展品，体验触觉感官。此外，智能手机也可以产生振动（比如模拟心跳），进一步增强沉浸感。

3）结合其他设备

还可以将WonderScope、智能手机，通过3D打印部件固li定在玩具车上，人可以控制车在游戏板上移动，模拟勘探地下矿物的效果。这可以做成不错的AR桌游。

而为了验证WonderScope的效果，KAIST科研人员设计了几个实际应用场景，比如用手机查看头部模型的“大脑”，或是躯干模型内的“人体器官”。在2020到2022年之间，这几种demo都曾在线下展览中进行演示。

未来应用

WonderScope用RFID取代了摄像头，好处是不受环境光和算力等限制，在距离物体表面4厘米位置内定位，支持简单的3D交互。缺点是需要额外的设备，比常见的移动AR成本更高。不过，该方案效果是否稳定还有待关注，其定位精度基本是由RFID的密度来决定，密度高成本高，密度低效果差，卡顿。

科研人员预计，未来WonderScope不仅能用于工业、展览、博物馆等场景，还可以用于游戏、教育、广告等领域。此外，还有望用于改善公共科学展览、博物馆和互动式教材，比如模拟登月效果、观察地下火山活动，利用AR来激发孩子们的好奇心。

还可以在展品上加入感应灯，进一步增强AR与展品之间的联动。参考：KAIST