基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的膳食營養(yǎng)搭配平臺(tái)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李澤琳 王血融 孫炳辰 尚憲剛 劉克

摘 要大眾對(duì)飲食健康和膳食營養(yǎng)搭配日益重視。為克服營養(yǎng)知識(shí)不全面、缺乏科學(xué)指導(dǎo)等膳食搭配問題，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的膳食營養(yǎng)搭配APP采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和膳食營養(yǎng)計(jì)算搭配相結(jié)合，把膳食營養(yǎng)搭配計(jì)算方式嵌入開發(fā)平臺(tái)。利用平臺(tái)采集的身體基本健康信息，交互性、可視化的搭配方式更加便捷和準(zhǔn)確。軟件平臺(tái)將面向普通和患病人群，為營養(yǎng)均衡提供實(shí)時(shí)、科學(xué)的依據(jù)。

關(guān)鍵詞增強(qiáng)現(xiàn)實(shí);膳食搭配;營養(yǎng)均衡

1 系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 需求分析

目前，居民的食物需求得到了極大滿足，營養(yǎng)狀況得到進(jìn)一步改善，但膳食結(jié)構(gòu)仍然不盡合理。心臟病、糖尿病、肥胖癥等“富貴病”隨著生活質(zhì)量的提高隨之而來，膽固醇血癥及其相關(guān)的心血管疾病也有著較高的死亡率和致殘率。國際知名營養(yǎng)學(xué)家坎貝爾教授十分明確的觀點(diǎn)就是：以動(dòng)物性食物為主的膳食會(huì)導(dǎo)致慢性疾病的發(fā)生（如肥胖、冠心病、腫瘤、骨質(zhì)疏松等）;以植物性食物為主的膳食最有利于健康，也最能有效地預(yù)防和控制慢性疾病。近些年來的實(shí)驗(yàn)室研究以及臨床研究資料一致表明，所有的膳食成分，包括脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、碳水化合物、膳食纖維和微量元素，其質(zhì)和量對(duì)血漿脂蛋白均有影響[1]。 由于計(jì)算方式復(fù)雜且需要一定的營養(yǎng)知識(shí)，在現(xiàn)實(shí)生活中少有人計(jì)算膳食營養(yǎng)的合理搭配比例。但對(duì)于患有相關(guān)疾病的患者，他們在飲食方面有著合理搭配計(jì)算的需求。缺少專業(yè)知識(shí)、計(jì)算困難的問題亟待解決。近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)飛速發(fā)展，可應(yīng)用在生活的方方面面。本平臺(tái)將探討增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與營養(yǎng)膳食搭配相結(jié)合的應(yīng)用。

1.2 研究現(xiàn)狀

營養(yǎng)膳食搭配一直是研究的重點(diǎn)，也有研究表明，營養(yǎng)膳食對(duì)身體健康有一定的影響，我國的膳食寶塔也早就建立，包括對(duì)糖尿病人的飲食研究都已經(jīng)取得不少成果。但也僅有一些網(wǎng)站進(jìn)行營養(yǎng)膳食的搭配的宣傳并給出部分已搭配好的菜譜，無法給用戶進(jìn)行自由選擇的機(jī)會(huì)，也不能針對(duì)用戶的個(gè)體性差異給予正確的指導(dǎo)。

據(jù)Digi-Capital的報(bào)告顯示，2015年，投資者對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)和現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)領(lǐng)域的投資總額接近7億美元。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的技術(shù)的發(fā)展在全世界得到廣泛的關(guān)注和歡迎。在我國，多媒體、三維建模、場景融合等新技術(shù)與新手段疊加到現(xiàn)實(shí)世界不斷得到應(yīng)用和技術(shù)挖掘。國內(nèi)生產(chǎn)方式和生活等領(lǐng)域也因此逐步出現(xiàn)改變。由于AR技術(shù)，北京理工大學(xué)王涌天課題組研究的基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的圓明園景觀數(shù)字重建技術(shù)將部分圓明園遺址作了很好的還原，真實(shí)感得以增強(qiáng)，游客可在圓明園廢墟前看到重建后的皇家園林。華中科技大學(xué)的蔣欽云提出的三維注冊方法，提高注冊精度。此外，中國增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（China Augmented Reality Core Technology Industry Alliance，簡稱CARA）宣布正式成立，同時(shí)首屆高峰論壇在杭州舉行。國內(nèi)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的發(fā)展如火如荼。

由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)獨(dú)有的特點(diǎn)，在知識(shí)表達(dá)和傳播中比單純文字和語言更具有優(yōu)勢，也出現(xiàn)了部分平臺(tái)將營養(yǎng)膳食搭配與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合。例如，騰訊公司開發(fā)出的“虛擬餐桌”，徐建紅等開發(fā)的基于虛擬標(biāo)識(shí)虛擬營養(yǎng)信息。但將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與每日餐飲的攝入量、營養(yǎng)搭配等結(jié)合研究較少，這與目前用戶的需求還有一段較大差距。

1.3 平臺(tái)營養(yǎng)理論

想要健康長壽其中一個(gè)主要的方面就是要保證營養(yǎng)的攝入要全面且合理?？梢哉f，決定人類生命衰老程度和健康是飲食習(xí)慣和生活習(xí)慣[2]。人類必須通過食物來攝取身體必需的營養(yǎng)，而每種食物所含的營養(yǎng)成分又不同。如果飲食攝入不夠合理，便容易導(dǎo)致疾病。糖類、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素和礦物質(zhì)是人體所需要的五種重要的營養(yǎng)素，在飲食攝取中要保持一定攝入量。在膳食營養(yǎng)搭配中還要注意食物的酸堿搭配，使符合人體內(nèi)的中性環(huán)境。膳食營養(yǎng)搭配中的粗細(xì)糧搭配、葷素搭配也是不可少的。蔬果中的鉀鈣、鈉、鎂等的堿性食物與糧、豆、肉等酸性食物的比例攝入，維持有機(jī)體酸堿平衡，也就是人們所提倡的“葷素混食”的說法[3]。而針對(duì)糖尿病等患病人群，他們的營養(yǎng)需求與普通人群不同，需要做到少攝入糖類，多補(bǔ)充膳食纖維，從而達(dá)到控制血糖水平的目的。

以糖尿病患者為例，在飲食方面他們不僅要控制主食還需要控制副食，更需要一些細(xì)化的飲食指導(dǎo)。營養(yǎng)成分計(jì)算法、食物交換份法和手測量法等多種方法的準(zhǔn)確應(yīng)用就顯得尤為重要[4]。本平臺(tái)根據(jù)《中國食物成分表》和各標(biāo)準(zhǔn)公式，通過公式計(jì)算人一天中所消耗的熱量并與他的勞動(dòng)量相結(jié)合，再根據(jù)用戶的自身的肥胖度等計(jì)算出一餐所需的熱量，并將患病人群的計(jì)算公式進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)編寫。并注意每日攝入三大產(chǎn)能營養(yǎng)素蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物的含量限制，分別為10%-15%，20%-30%和55%-65%。再根據(jù)《中國居民平衡膳食寶塔》，考慮三餐分配合理，食物多樣谷類為主等問題，同時(shí)考慮患病人群營養(yǎng)攝入方面的特殊要求，在平臺(tái)設(shè)計(jì)中增加了油、鹽、酒等的用量限制，進(jìn)行個(gè)體化評(píng)估，給出合理的膳食搭配推薦。

1.4 平臺(tái)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)的延伸，是將虛擬信息疊加到現(xiàn)實(shí)場景中的技術(shù)，它能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)環(huán)境與虛擬信息的無縫結(jié)合，將虛擬的信息疊加到現(xiàn)實(shí)的生活中，使人有身臨其境的感覺，增強(qiáng)了互動(dòng)性[5]。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果的實(shí)現(xiàn)需要三維模型，菜品、蔬菜等實(shí)物的數(shù)據(jù)采集是模型重建的基礎(chǔ)。三維模型的點(diǎn)面數(shù)是影響最直接的因素，首先由于模型在程序運(yùn)行過程中CPU需要對(duì)加載物體進(jìn)行不斷運(yùn)算，如果不能對(duì)圖像采集獲得的高精度三維模型進(jìn)行優(yōu)化，使用時(shí)就會(huì)受到極大的限制。其次，模型的體積將會(huì)影響互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的加載速度。菜品與蔬菜三維建模要突破的技術(shù)難關(guān)就是在不影響顯示精度的前提下得到最大限度的優(yōu)化的三維建模結(jié)果。所以，此方面主要研究三維模型精度、貼圖表現(xiàn)力和張力與視覺呈現(xiàn)之間的關(guān)系，進(jìn)而據(jù)此確定模型優(yōu)化目標(biāo)，提出模型優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)菜品、蔬菜等實(shí)物的三維建模，達(dá)到精度、體量與性能之間最佳匹配。

擬采用基于特征圖像的注冊方法，主要研究特征圖像采集與制作、圖像特征提取和特征模板匹配等關(guān)鍵問題，實(shí)現(xiàn)高精度的三維模型注冊。

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 軟件流程設(shè)計(jì)

當(dāng)前手機(jī)客戶端的廣泛應(yīng)用推動(dòng)著各類APP程序的建立，本平臺(tái)也可在手機(jī)端應(yīng)用，方便廣大用戶隨時(shí)隨地的進(jìn)行營養(yǎng)膳食搭配。通過手機(jī)端的攝像頭掃描蔬菜單品，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行菜品確認(rèn)。因此，根據(jù)用戶的飲食需求以及營養(yǎng)膳食搭配的要求設(shè)計(jì)了手機(jī)客戶端主要有以下的四個(gè)功能模塊組成（1）用戶基本信息采集模塊：用戶自主輸入自己的相關(guān)信息（性別、年齡、身高、今日勞動(dòng)強(qiáng)度、體重等）。（2）蔬菜單品獲取模塊：通過移動(dòng)設(shè)備攝像頭掃描當(dāng)前菜品數(shù)據(jù)（蔬菜名稱、菜譜、所含能量、食用禁忌等），移動(dòng)設(shè)備出現(xiàn)蔬菜單品的AR模型，用戶進(jìn)行菜品選擇。（3）數(shù)據(jù)分析處理模塊：對(duì)獲取的用戶基本信息以及膳食要求進(jìn)行分析和計(jì)算。（4）數(shù)據(jù)顯示模塊：經(jīng)過計(jì)算和膳食搭配后，在移動(dòng)設(shè)備客戶端上顯示最終的營養(yǎng)膳食搭配推薦。

2.2 登錄界面設(shè)計(jì)

在開發(fā)的APP中，用戶登錄界面如圖4所示，用戶輸入自己的年齡、性別、身高、體重等基本信息，以使軟件獲取用戶的基本信息，判斷用戶的體能消耗以及是否為慢性病患者，給出合理的建議。

2.3 掃苗界面及顯示設(shè)計(jì)

在掃描頁面中，根據(jù)圖5所示，用戶掃描錄入的蔬菜單品出現(xiàn)3D模型，以使用戶確認(rèn)是否為自己想要的菜品;根據(jù)圖6所示，系統(tǒng)根據(jù)用戶選擇的蔬菜單品為用戶推薦食譜，用戶再進(jìn)行第二次掃描，反復(fù)至搭配完畢。在選擇過程中本平臺(tái)還會(huì)注意食物相克問題，對(duì)相克食物出現(xiàn)警示。為方便快捷，根據(jù)圖7所示用戶也可直接選擇已搭配好的推薦食譜。

3 展望總結(jié)

我們著手開發(fā)的膳食營樣搭配平臺(tái)，可以形成移動(dòng)端的APP，使用戶不受時(shí)間空間的限制，隨時(shí)隨地進(jìn)行使用，擴(kuò)大了用戶的使用范圍。在未來，本平臺(tái)還可以跟外賣產(chǎn)業(yè)相結(jié)合。如用戶不能自己進(jìn)行烹飪，在本平臺(tái)中完成膳食營養(yǎng)計(jì)算搭配后，可以直接匹配出合適的外賣配送商家選擇想要的菜品。這更使得產(chǎn)業(yè)擴(kuò)大，同時(shí)也更加符合現(xiàn)在上班族飲食多以外賣為主的特點(diǎn)，使用戶年齡面廣，增加了用戶范圍，有較好的發(fā)展前景。同時(shí)，隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，會(huì)有更好的有關(guān)應(yīng)用面世。

本平臺(tái)的普及能夠指導(dǎo)社會(huì)大部分人群進(jìn)行合理的膳食搭配，可提高國民健康水平，具有研發(fā)推廣的價(jià)值和意義。

參考文獻(xiàn)

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