Justere virtuelle hoder med ekte ansikter i enhet ved hjelp

Lucas Simon

Tirsdag 7. januar 2025 11:13:00

Utfordringer i Virtual Head Placement for AR-utvikling
Å jobbe med et utvidet virkelighetsprosjekt (AR) kan være både spennende og utfordrende. Da jeg utviklet en Android-applikasjon med Unity, hadde jeg som mål å blande den digitale og den virkelige verdenen sømløst ved å plassere et virtuelt hode over virkelige ansikter. Denne funksjonen er sterkt avhengig av presisjon for å skape en oppslukende opplevelse. 🕶️
For å oppnå dette brukte jeg Googles MediaPipe for å oppdage ansikts landemerker som øyne, neser og munn. Det virtuelle hodet ble deretter generert og plassert basert på disse nøkkelpunktene. Det var fascinerende å se hvordan moderne verktøy kunne transformere AR-muligheter, men reisen var langt fra perfekt.
Problemet dukket opp da det virtuelle hodet ikke var på linje med det faktiske ansiktet som forventet. Uansett vinkel eller enhet, var plasseringen alltid litt "av", noe som førte til en unaturlig effekt. Det var som om den virtuelle representasjonen var koblet fra virkeligheten. Dette utløste en rekke feilsøkingseksperimenter.
Fra å finjustere Unitys kamerainnstillinger til å eksperimentere med MediaPipes algoritme, hvert forsøk ga inkrementelle forbedringer, men ingen definitiv løsning. Denne artikkelen dykker ned i kjernen av problemet, erfaringene og potensielle løsninger for utviklere som står overfor lignende utfordringer. 🚀

Kommando Eksempel på bruk

mainCamera.usePhysicalProperties Denne kommandoen muliggjør bruk av Unitys fysiske kameraegenskaper, noe som gir mer presis kontroll over brennvidde og linseforvrengning for å justere virtuelle og virkelige objekter.

faceMesh.GetDetectedFaceTransform() Henter transformasjonsdata (posisjon og rotasjon) til et oppdaget ansikt fra MediaPipes ansiktsmaske, avgjørende for å plassere virtuelle hoder nøyaktig over ekte ansikter.

UnityObjectToClipPos En shader-spesifikk funksjon som transformerer en toppunktposisjon fra objektrom til klippplass, brukt i skyggelegging for linseforvrengningskorreksjon for å sikre justering.

tex2D En skyggekommando som brukes til å prøve en tekstur ved spesifiserte UV-koordinater, avgjørende for å bruke forvrengningskorreksjon på kamerafeeder.

length(distUV) Beregner den euklidiske avstanden til UV-koordinater fra origo, som brukes til å bruke gradvise linseforvrengningsjusteringer.

adjuster.virtualHead En skriptvariabel som refererer til det virtuelle hodet GameObject, som gjør at dets posisjon og rotasjon kan oppdateres dynamisk basert på ansiktssporingsdata.

[TestFixture] Et NUnit-attributt som markerer en klasse som en testarmatur, og signaliserer at den inneholder enhetstester. Dette er nyttig for å verifisere logikk for virtuell hodejustering.

Assert.AreEqual En NUnit-metode som brukes til å sammenligne forventede og faktiske verdier under enhetstesting, for å sikre at virtuell hodeplassering samsvarer med de ønskede resultatene.

_DistortionStrength En skyggeegenskap som justerer intensiteten av linseforvrengning, og finjusterer justeringen mellom den virkelige og virtuelle verdenen.

Quaternion.Euler Oppretter en rotasjon basert på Euler-vinkler, vanligvis brukt for å justere objekter som det virtuelle hodet i Unitys 3D-rom.

Kommando	Eksempel på bruk
mainCamera.usePhysicalProperties	Denne kommandoen muliggjør bruk av Unitys fysiske kameraegenskaper, noe som gir mer presis kontroll over brennvidde og linseforvrengning for å justere virtuelle og virkelige objekter.
faceMesh.GetDetectedFaceTransform()	Henter transformasjonsdata (posisjon og rotasjon) til et oppdaget ansikt fra MediaPipes ansiktsmaske, avgjørende for å plassere virtuelle hoder nøyaktig over ekte ansikter.
UnityObjectToClipPos	En shader-spesifikk funksjon som transformerer en toppunktposisjon fra objektrom til klippplass, brukt i skyggelegging for linseforvrengningskorreksjon for å sikre justering.
tex2D	En skyggekommando som brukes til å prøve en tekstur ved spesifiserte UV-koordinater, avgjørende for å bruke forvrengningskorreksjon på kamerafeeder.
length(distUV)	Beregner den euklidiske avstanden til UV-koordinater fra origo, som brukes til å bruke gradvise linseforvrengningsjusteringer.
adjuster.virtualHead	En skriptvariabel som refererer til det virtuelle hodet GameObject, som gjør at dets posisjon og rotasjon kan oppdateres dynamisk basert på ansiktssporingsdata.
[TestFixture]	Et NUnit-attributt som markerer en klasse som en testarmatur, og signaliserer at den inneholder enhetstester. Dette er nyttig for å verifisere logikk for virtuell hodejustering.
Assert.AreEqual	En NUnit-metode som brukes til å sammenligne forventede og faktiske verdier under enhetstesting, for å sikre at virtuell hodeplassering samsvarer med de ønskede resultatene.
_DistortionStrength	En skyggeegenskap som justerer intensiteten av linseforvrengning, og finjusterer justeringen mellom den virkelige og virtuelle verdenen.
Quaternion.Euler	Oppretter en rotasjon basert på Euler-vinkler, vanligvis brukt for å justere objekter som det virtuelle hodet i Unitys 3D-rom.

Forbedrer AR-nøyaktigheten med Unity og MediaPipe

Det første skriptet vi utforsket fokuserer på å bruke Unitys fysiske kameraegenskaper. Ved å aktivere , justerer vi kameraets oppførsel for å matche den virkelige optikken nærmere. Dette er spesielt viktig når du arbeider med AR, der selv små avvik i brennvidde eller synsfelt kan få virtuelle objekter til å virke feiljustert. For eksempel kan det å sette brennvidden til en nøyaktig verdi som 35 mm hjelpe til med å justere det virtuelle hodet med det oppdagede ansiktet. Denne justeringen ligner på å finjustere et teleskop for å bringe fjerne objekter i perfekt fokus, og sikre at AR-opplevelsen føles naturlig og oppslukende. 📸

En annen viktig komponent i skriptet er å hente det oppdagede ansiktets posisjon og rotasjon ved hjelp av . Denne funksjonen gir sanntidsoppdateringer fra MediaPipes face mesh, som er avgjørende for å synkronisere det virtuelle hodet med brukerens bevegelser. Se for deg å spille et videospill der karakterens hode ikke beveger seg synkront med ditt eget; opplevelsen ville være skurrende. Ved å sikre nøyaktig justering forvandler dette skriptet AR fra en nyhet til et verktøy som kan støtte applikasjoner som virtuelle møter eller avansert spill.

Det andre skriptet fordyper seg i shader-programmering, og tar spesielt for seg linseforvrengning. Skyggeleggingen korrigerer forvrengninger i kamerafeeden, ved å bruke egenskaper som _DistortionStrength for å manipulere hvordan UV-koordinater kartlegges på teksturen. Dette er spesielt nyttig når du arbeider med vidvinkelobjektiver eller kameraer med unike forvrengningsprofiler. For eksempel, hvis et virtuelt hode virker større eller mindre enn det faktiske ansiktet, avhengig av vinkelen, vil justering av forvrengningsinnstillingene sikre bedre justering. Det er som å justere rammen til et speil for å eliminere en funhouse-effekt, noe som gjør refleksjoner mer realistiske. 🎨

Til slutt validerer enhetstestene fra det tredje skriptet løsningene. Disse testene sammenligner forventet posisjon og rotasjon av det virtuelle hodet med de faktiske resultatene, og sikrer at justeringer holder seg under ulike forhold. Bruker NUnit's , kan utviklere simulere forskjellige scenarier, som å bevege hodet raskt eller vippe det i ekstreme vinkler, for å bekrefte justeringen. For eksempel, under utvikling, la jeg merke til at justering fungerte bra når jeg vendte fremover, men drev når hodet snudde til siden. Disse enhetstestene fremhevet problemet og veiledet ytterligere forbedringer, og forsterket viktigheten av grundig testing for å lage robuste AR-applikasjoner. 🚀

Justering av virtuell objektplassering i AR med Unity og MediaPipe

Løsning 1: Bruk Unitys fysiske kamera til å justere FOV og linseforvrengning

// 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;
        }
    }
}

Utforsker alternative justeringer for virtuell hodejustering

Løsning 2: Bruk en egendefinert shader for å korrigere linseforvrengning

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
        }
    }
}

Tester for forbedret kompatibilitet i Unitys AR-prosjekter

Løsning 3: Implementering av enhetstester for virtuell hodejustering

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);
    }
}

Avgrens AR-plassering gjennom forbedrede kalibreringsteknikker

Et ofte oversett aspekt ved AR-justeringsproblemer er viktigheten av kamerakalibrering. I AR-prosjekter som å plassere et virtuelt hode over et ekte, er objektivets spille en viktig rolle. Disse parameterne inkluderer brennvidde, optisk senter og forvrengningskoeffisienter. Når disse verdiene ikke er nøyaktige, kan det virtuelle hodet virke feiljustert eller forvrengt. For å løse dette kan kalibreringsverktøy brukes til å beregne disse parameterne for det spesifikke enhetskameraet. For eksempel tilbyr programvare som OpenCV robuste kalibreringsverktøy for å generere presise kameramatriser og forvrengningsprofiler. 📐

En annen tilnærming innebærer å utnytte Unitys . Ved å bruke effekter som dybdeskarphet eller kromatisk aberrasjonskorreksjon, kan du jevne ut avvik mellom det gjengitte virtuelle hodet og det virkelige miljøet. Etterbehandling legger til et lag med polering som bygger bro mellom virtuelle objekter og fysiske rom. For eksempel kan en subtil uskarphet-effekt redusere de harde kantene som gjør feiljusteringer merkbare. Dette er spesielt nyttig i oppslukende applikasjoner der brukere er svært fokusert på scenen.

Til slutt, ikke undervurder kraften til dynamisk tilpasning under kjøring. Å inkludere maskinlæringsmodeller i AR-pipeline kan tillate systemet å lære og justere plassering over tid. For eksempel kan en AI-modell analysere tilbakemeldinger fra brukere eller oppdagede inkonsekvenser og finjustere justeringen dynamisk. Dette gjør systemet mer robust og i stand til å håndtere variasjoner i belysning, enhetsytelse eller brukeratferd. Disse forbedringene sikrer en sømløs AR-opplevelse, noe som gjør at den virtuelle og den virkelige verdenen føles virkelig integrert. 🚀

Hvorfor er det virtuelle hodet mitt feiljustert med det virkelige ansiktet?
Problemet stammer ofte fra feil kamerakalibrering. Bruke verktøy som OpenCV for å beregne og kan forbedre innrettingen betraktelig.
Hva er rollen til brennvidde i AR-justering?
De definerer hvordan kameraet projiserer 3D-punkter på et 2D-plan. Å justere den i Unitys fysiske kamerainnstillinger kan øke nøyaktigheten.
Kan Unity håndtere linseforvrengningskorreksjon?
Ja, Unity støtter shaders for forvrengningskorrigering. Implementer en shader med egenskaper som for å tilpasse korrigeringer basert på linseprofilen din.
Hvordan kan jeg teste justeringen av virtuelle objekter?
Bruke enhetstester i NUnit med kommandoer som lar deg validere posisjonering og rotasjon av virtuelle objekter under forskjellige forhold.
Er etterbehandling nødvendig for AR-prosjekter?
Selv om det ikke er obligatorisk, etterbehandlingseffekter som og kan forbedre den visuelle kvaliteten og realismen til AR-scener.
Kan MediaPipe oppdage andre gjenstander enn ansikter?
Ja, MediaPipe tilbyr løsninger for hender, positur og til og med holistisk sporing, noe som gjør den allsidig for forskjellige AR-brukstilfeller.
Hvilken maskinvare fungerer best for Unity AR-applikasjoner?
Enheter med høyytelses GPUer og presise kameraer er ideelle. Verktøy som og forbedre kompatibiliteten ytterligere.
Hvorfor er justeringen dårligere i visse vinkler?
Dette kan skyldes misforhold i synsfeltet mellom kameraet og det virtuelle miljøet. Justering av Unity-kameraene eiendom kan hjelpe.
Hvordan forbedrer shaders AR-justering?
Shaders gir mulighet for sanntidsjusteringer av gjengivelsen, for eksempel korrigering av forvrengninger eller simulering av linseeffekter, og sikrer bedre synkronisering mellom virtuelle og virkelige objekter.
Kan AR-systemer selvjustere seg over tid?
Ja, integrering av maskinlæringsmodeller gjør det mulig for systemer å tilpasse seg dynamisk, lære av tilbakemeldinger for å forbedre justering og ytelse over tid.

Å oppnå presis justering mellom virtuelle og virkelige objekter er avgjørende for oppslukende AR-opplevelser. Gjennom nøye kalibrering og avanserte teknikker kan problemer som linseforvrengning og feilaktige brennvidder reduseres, noe som sikrer bedre nøyaktighet og brukertilfredshet.

Integrering av Unitys verktøy, MediaPipe-algoritmer og dynamiske justeringer gir robuste løsninger for AR-utviklere. Disse forbedringene muliggjør en sømløs blanding av digitale og fysiske verdener, og låser opp nye muligheter for spill, virtuelle møter og mer. Med utholdenhet og innovasjon blir AR-justeringsutfordringer håndterbare. 🚀

Detaljer om bruk av MediaPipe i Unity ble referert fra den offisielle MediaPipe-dokumentasjonen. Utforsk det her .
Veiledning om Unitys kamerakalibrering og fysiske egenskaper finnes på Unity-dokumentasjonssiden. Besøk Unity-kamerainnstillinger for flere detaljer.
Shader-programmering for AR-applikasjoner og linseforvrengningskorreksjon ble inspirert av artikler om shader-utvikling, for eksempel de om Kattelignende koding .
ARCores evner og begrensninger for Android-utvikling ble gjennomgått fra Googles ARCore-utviklerside. Lær mer på Google ARCore .

Justere virtuelle hoder med ekte ansikter i enhet ved hjelp av MediaPipe

Forbedrer AR-nøyaktigheten med Unity og MediaPipe

Justering av virtuell objektplassering i AR med Unity og MediaPipe

Utforsker alternative justeringer for virtuell hodejustering

Tester for forbedret kompatibilitet i Unitys AR-prosjekter

Avgrens AR-plassering gjennom forbedrede kalibreringsteknikker