MediaPipe を使用して Unity で仮想ヘッドを実際の顔と位置合わせする

AR 開発における仮想ヘッドの配置における課題

拡張現実 (AR) プロジェクトに取り組むことは、刺激的でもあり、挑戦的でもあります。 Unity で Android アプリケーションを開発する際、現実世界の顔の上に仮想の頭を配置することで、デジタル世界と現実世界をシームレスに融合させることを目指しました。この機能は、没入型のエクスペリエンスを生み出すために精度に大きく依存しています。 🕶️

これを達成するために、私は Google の MediaPipe を利用して、目、鼻、口などの顔のランドマークを検出しました。次に、これらの重要なポイントに基づいて仮想頭部が生成され、配置されました。最新のツールが AR の可能性をどのように変革できるかを見るのは興味深いことでしたが、その道のりは完璧とは程遠いものでした。

この問題は、仮想頭が実際の顔と期待どおりに一致しないときに発生しました。角度やデバイスに関係なく、配置は常に少し「ずれて」おり、不自然な効果が生じていました。あたかも仮想表現が現実から切り離されているかのようでした。これにより、一連のトラブルシューティングの実験が始まりました。

Unity のカメラ設定の微調整から MediaPipe のアルゴリズムの実験に至るまで、あらゆる試みは漸進的な改善をもたらしましたが、決定的な解決策はありませんでした。この記事では、問題の核心、学んだ教訓、同様の課題に直面している開発者向けの潜在的な解決策について詳しく説明します。 🚀

指示	使用例
mainCamera.usePhysicalProperties	このコマンドにより、Unity の物理カメラ プロパティの使用が有効になり、焦点距離とレンズの歪みをより正確に制御して仮想オブジェクトと現実世界のオブジェクトを位置合わせできるようになります。
faceMesh.GetDetectedFaceTransform()	MediaPipe の顔メッシュから検出された顔の変換データ (位置と回転) を取得します。これは、実際の顔の上に仮想頭を正確に配置するために重要です。
UnityObjectToClipPos	頂点の位置をオブジェクト空間からクリップ空間に変換するシェーダー固有の関数。位置を確実に揃えるためにレンズ歪み補正シェーダーで使用されます。
tex2D	指定された UV 座標でテクスチャをサンプリングするために使用されるシェーダ コマンド。カメラ フィードに歪み補正を適用するために不可欠です。
length(distUV)	原点から UV 座標のユークリッド距離を計算します。これを利用して段階的なレンズ歪み調整を適用します。
adjuster.virtualHead	仮想ヘッド ゲームオブジェクトを参照するスクリプト変数。顔追跡データに基づいてその位置と回転を動的に更新できるようにします。
[TestFixture]	クラスをテスト フィクスチャとしてマークし、単体テストが含まれていることを示す NUnit 属性。これは、仮想ヘッド位置調整ロジックを検証するのに役立ちます。
Assert.AreEqual	単体テスト中に期待値と実際の値を比較するために使用される NUnit メソッド。仮想ヘッドの配置が望ましい結果と一致することを確認します。
_DistortionStrength	レンズの歪みの強度を調整し、現実世界と仮想世界の間の位置合わせを微調整するシェーダー プロパティ。
Quaternion.Euler	オイラー角に基づいて回転を作成します。これは、Unity の 3D 空間で仮想頭などのオブジェクトを位置合わせするためによく使用されます。

Unity と MediaPipe による AR の精度の向上

私たちが検討した最初のスクリプトは、Unity の物理カメラ プロパティの使用に焦点を当てています。有効にすることで では、現実世界の光学系にさらに一致するようにカメラの動作を調整します。これは、焦点距離や視野のわずかな不一致でも仮想オブジェクトがずれて見える可能性がある AR を使用する場合に特に重要です。たとえば、焦点距離を 35mm などの正確な値に設定すると、仮想頭部を検出された顔に位置合わせするのに役立ちます。この調整は、遠くの物体に完璧な焦点を合わせるために望遠鏡を微調整するのと似ており、AR 体験が自然で没入感のあるものになるようにします。 📸

スクリプトのもう 1 つの重要なコンポーネントは、検出された顔の位置と回転を取得することです。 。この機能は、MediaPipe の顔メッシュからリアルタイムの更新を提供します。これは、仮想頭部をユーザーの動きと同期させるために不可欠です。キャラクターの頭が自分の頭と同期して動かないビデオ ゲームをプレイしていることを想像してください。その経験は不快なものになるだろう。このスクリプトは、正確な位置合わせを保証することで、AR を目新しいものから、仮想会議や高度なゲームなどのアプリケーションをサポートできるツールに変換します。

2 番目のスクリプトでは、シェーダ プログラミングを詳しく掘り下げ、特にレンズの歪みに対処します。シェーダは、_DistortionStrength などのプロパティを使用して、UV 座標がテクスチャにマッピングされる方法を操作し、カメラ フィードの歪みを修正します。これは、独特の歪みプロファイルを持つ広角レンズやカメラを扱う場合に特に役立ちます。たとえば、仮想の頭が角度に応じて実際の顔より大きく見えたり小さく見えたりする場合、歪み設定を微調整することでより適切な位置合わせが保証されます。これは、鏡のフレームを調整してファンハウス効果を排除し、反射をよりリアルにするようなものです。 🎨

最後に、3 番目のスクリプトの単体テストでソリューションを検証します。これらのテストでは、仮想ヘッドの予想される位置と回転を実際の結果と比較し、さまざまな条件下で調整が維持されることを確認します。 NUnit の使用 、開発者は、ヘッドを急速に動かしたり、極端な角度で傾けたりするなど、さまざまなシナリオをシミュレートして位置合わせを確認できます。たとえば、開発中に、正面を向いているときはアライメントがうまく機能するが、頭を横に向けるとドリフトすることに気づきました。これらの単体テストでは問題が浮き彫りになり、さらなる改善につながり、堅牢な AR アプリケーションを作成する際の徹底的なテストの重要性が強調されました。 🚀

// Import necessary Unity libraries
using UnityEngine;
using Mediapipe.Unity;

public class VirtualHeadAdjuster : MonoBehaviour
{
    public Camera mainCamera; // Assign Unity's physical camera
    public GameObject virtualHead; // Assign the virtual head prefab
    private MediapipeFaceMesh faceMesh; // MediaPipe's face mesh component

    void Start()
    {
        // Enable Unity's physical camera
        mainCamera.usePhysicalProperties = true;
        mainCamera.focalLength = 35f; // Set a standard focal length
    }

    void Update()
    {
        if (faceMesh != null && faceMesh.IsTracking)
        {
            // Update the virtual head's position and rotation
            Transform detectedHead = faceMesh.GetDetectedFaceTransform();
            virtualHead.transform.position = detectedHead.position;
            virtualHead.transform.rotation = detectedHead.rotation;
        }
    }
}

Shader "Custom/LensDistortionCorrection"
{
    Properties
    {
        _DistortionStrength ("Distortion Strength", Float) = 0.5
    }

    SubShader
    {
        Pass
        {
            CGPROGRAM
            #pragma vertex vert
            #pragma fragment frag

            float _DistortionStrength;

            struct appdata
            {
                float4 vertex : POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            struct v2f
            {
                float4 pos : SV_POSITION;
                float2 uv : TEXCOORD0;
            };

            v2f vert (appdata v)
            {
                v2f o;
                o.pos = UnityObjectToClipPos(v.vertex);
                o.uv = v.uv;
                return o;
            }

            fixed4 frag (v2f i) : SV_Target
            {
                float2 distUV = i.uv - 0.5;
                distUV *= 1.0 + _DistortionStrength * length(distUV);
                distUV += 0.5;
                return tex2D(_MainTex, distUV);
            }
            ENDCG
        }
    }
}

using NUnit.Framework;
using UnityEngine;
using Mediapipe.Unity;

[TestFixture]
public class VirtualHeadAlignmentTests
{
    private VirtualHeadAdjuster adjuster;
    private GameObject testHead;

    [SetUp]
    public void Init()
    {
        GameObject cameraObject = new GameObject("MainCamera");
        adjuster = cameraObject.AddComponent<VirtualHeadAdjuster>();
        testHead = new GameObject("VirtualHead");
        adjuster.virtualHead = testHead;
    }

    [Test]
    public void TestVirtualHeadAlignment()
    {
        Vector3 expectedPosition = new Vector3(0, 1, 2);
        Quaternion expectedRotation = Quaternion.Euler(0, 45, 0);

        adjuster.virtualHead.transform.position = expectedPosition;
        adjuster.virtualHead.transform.rotation = expectedRotation;

        Assert.AreEqual(expectedPosition, testHead.transform.position);
        Assert.AreEqual(expectedRotation, testHead.transform.rotation);
    }
}

強化されたキャリブレーション技術による AR 配置の洗練

AR アライメントの問題で見落とされがちな側面の 1 つは、カメラのキャリブレーションの重要性です。現実の頭部の上に仮想の頭部を配置するような AR プロジェクトでは、レンズの 重要な役割を果たします。これらのパラメータには、焦点距離、光学中心、歪み係数が含まれます。これらの値が正確でない場合、仮想ヘッドの位置がずれたり、歪んで見える場合があります。これに対処するには、キャリブレーション ツールを使用して、特定のデバイス カメラのこれらのパラメータを計算できます。たとえば、OpenCV のようなソフトウェアは、正確なカメラ マトリックスと歪みプロファイルを生成するための堅牢なキャリブレーション ユーティリティを提供します。 📐

もう 1 つのアプローチには、Unity の活用が含まれます。 。被写界深度や色収差補正などの効果を適用することで、レンダリングされた仮想頭部と現実世界の環境との間の差異を滑らかにすることができます。後処理では、仮想オブジェクトと物理空間の間のギャップを埋める磨きの層が追加されます。たとえば、微妙なぼかし効果を使用すると、位置ずれを目立たせる粗いエッジを軽減できます。これは、ユーザーがシーンに集中している没入型アプリケーションで特に役立ちます。

最後に、実行時の動的適応の力を過小評価しないでください。機械学習モデルを AR パイプラインに組み込むと、システムが時間の経過とともに学習して配置を調整できるようになります。たとえば、AI モデルはユーザーのフィードバックや検出された不一致を分析し、調整を動的に微調整できます。これにより、システムがより堅牢になり、照明、デバイスのパフォーマンス、ユーザーの行動の変化に対処できるようになります。これらの改善により、シームレスな AR エクスペリエンスが確保され、仮想世界と現実世界が真に統合されているように感じられます。 🚀

1. 私の仮想頭が実際の顔とずれているのはなぜですか?
2. この問題は多くの場合、カメラのキャリブレーションが不適切なことが原因で発生します。 OpenCV などのツールを使用して計算する そして アライメントを大幅に改善できます。
3. AR アライメントにおける焦点距離の役割は何ですか?
4. の カメラが 3D ポイントを 2D 平面に投影する方法を定義します。 Unity の物理カメラ設定で調整すると、精度が向上します。
5. Unity はレンズの歪み補正を処理できますか?
6. はい、Unity は歪み補正用のシェーダーをサポートしています。次のようなプロパティを使用してシェーダーを実装します。 レンズプロファイルに基づいて補正をカスタマイズします。
7. 仮想オブジェクトの位置合わせをテストするにはどうすればよいですか?
8. 次のようなコマンドを使用して NUnit で単体テストを使用する を使用すると、さまざまな条件下で仮想オブジェクトの位置と回転を検証できます。
9. ARプロジェクトには後処理が必要ですか?
10. 必須ではありませんが、次のような後処理効果 そして AR シーンの視覚的な品質とリアリズムを向上させることができます。
11. MediaPipe は顔以外のオブジェクトを検出できますか?
12. はい、MediaPipe は手、ポーズ、さらには全体的な追跡のためのソリューションを提供しており、さまざまな AR ユースケースに多用途に使用できます。
13. Unity AR アプリケーションに最適なハードウェアは何ですか?
14. 高性能 GPU と高精度カメラを備えたデバイスが理想的です。のようなツール そして 互換性をさらに高めます。
15. 特定の角度でアライメントが悪化するのはなぜですか?
16. これは、カメラと仮想環境の間の視野の不一致が原因である可能性があります。 Unity カメラの調整 プロパティが役に立つかもしれません。
17. シェーダーは AR の位置合わせをどのように改善するのでしょうか?
18. シェーダーを使用すると、歪みの修正やレンズ効果のシミュレーションなど、レンダリングをリアルタイムで調整できるため、仮想オブジェクトと現実のオブジェクト間の同期が向上します。
19. AR システムは時間の経過とともに自己調整できますか?
20. はい、機械学習モデルを統合すると、システムが動的に適応し、フィードバックから学習して、時間の経過とともに調整とパフォーマンスを向上させることができます。

仮想オブジェクトと現実世界のオブジェクトの間の正確な位置合わせを実現することは、没入型 AR エクスペリエンスにとって非常に重要です。慎重なキャリブレーションと高度な技術を通じて、レンズの歪みや焦点距離の不一致などの問題を軽減し、精度とユーザー満足度の向上を保証します。

Unity のツール、MediaPipe アルゴリズム、動的調整を統合することで、AR 開発者に堅牢なソリューションが提供されます。これらの改善により、デジタル世界と物理世界のシームレスな融合が可能になり、ゲームや仮想会議などの新たな可能性が解き放たれます。粘り強さと革新により、AR 調整の課題は管理可能になります。 🚀