第二章 文獻回顧
第一節 國外 AR 擴增實境及 MR 混合實境之發展
在 資 訊 呈 現 技 術 上 ， 影 像 科 技 的 進 展 可 以 追 溯 至 1965 年 由 Sutherland 所提出的終極顯示 (ultimate display)，開啟了數位物件與 真實世界結合之濫觴，之後各領域開始投入此一技術的研究與應用之中 (Azuma 1997)。其後由 Milgram 與 Colquhoun 於 1999 年提出混和實境
（Mixed Reality）之概念，以一個更完整的架構將所有虛擬與現實結合 之技術，整合成一個現實到虛擬的連續光譜（圖 2-1），並且將擴增實境
（Augmented Reality）定義為，將數位生成之資訊置入使用者真實視景 中之技術；因此，擴增實境允許用戶在現實世界環境中，透過視覺接受電 腦所產生的或建置之虛擬資訊，以支援其任務(Milgram and Colquhoun 1999)。
在擴增實境技術的發展上，Azuma 進一步將擴增實境分為五個組成部 分：展示媒介（media representation）、互動裝置（interaction device）、 回 饋 顯 現 （ feedback display ）、 追 蹤 器 （ trackers ）， 和 計 算 單 元
（computing unit）(Azuma 1997)。其中，展示媒介大多以文本、符號、
指示燈、2D 圖像、3D 數據、模型和動畫等媒介來呈現相關資訊；互動裝置 則大多透過 6 維（三個平移和三個旋轉）的控制技術協助；回饋顯現則是 依據相關之使用者互動，使擴增實境系統向使用者顯現支援之資訊與反應；
而為了精準地將虛擬物體定位在實際環境中，因此需要精確跟蹤使用者之 位置和方向，以及感測環境中的真實物體的位置。
圖 2-1 現實－虛擬連續光譜(Milgram and Colquhoun 1999)
另一方面，隨著混合實境技術的發展，混合實境的設備種類也日趨多 元，依據裝置的種類大致可分為手持裝置及穿戴裝置兩類。手持裝置即是 利用行動裝置的相機獲取真實環境之影像，疊加虛擬物件後呈現影像於行 動裝置上的螢幕供使用者觀看；穿戴裝置則是透過頭戴式、眼鏡等類型的 設備進行影像呈現。穿戴式設備依照成像方式可分為影像式顯示器(Video see-through)及光學式顯示器(Optical see-through)，如圖 2-2 所示。
影像式的顯示方式為透過設備相機獲取真實環境的影像，再透過影像合成 疊加虛擬物件後呈現在眼前的螢幕當中；光學式則是使用者透過透鏡直接 觀看真實環境之餘，虛擬影像透過光學投射反射至人眼中，從而獲得影像 疊加的效果。
圖 2-2 影像式(左)及光學式(右)顯示器原理(Azuma 1997)
透過混合實境裝置的呈現，立體的虛擬影像能以更寫實的狀態顯示在 環境中，比起以往的平面影像，更能表現出物體的尺寸大小、旋轉角度、
距離遠近等空間狀況並且能與空間中的實際景物進行對照，瞭解虛擬境與 現實環境相互的關係(Milgram and Colquhoun 1999)。
除了將真實世界與虛擬影像進行結合，為了在正確的時間、地點取得 正確的資訊，在資訊取用上，可進一步透過情境感知（Context-Awarenes）
的概念，針對於系統在使用者所處之情境中如何取得、解讀、應用資訊做 更深入的探討。情境感知技術最早是由 Schilit 和 Theimer 在 1994 年提 出的，其目的在於透過感應器，依據使用者所處的地點、環境、情境，提 供使用者所需的資訊(Schilit and Theimer 1994)。擴增實境與情境感知 技術整合應用為資訊取用與呈現的需求提供一個有效的模式，協助使用者 有效且快速取得可視化資訊之特性，逐漸受到建築設計與工程實務應用方 面之重視，透過情境感知技術判斷使用者之情境，將具有相關性之資訊提 供給使用者，將使現場人員在檢閱資料上更為簡便且具立即性(Wang et al.
2013)。
根據 Jens Ellenberg 等人透過情境感知技術協助住戶之生活起居研 究，將情境感知之資訊處理與傳遞技術架構如圖 2-3 所示，該架構說明了 資訊自感測器、網路或是邏輯判斷等方面取得後，透過低階資訊處理將其 形成整個資訊的歷程變化，而後透過中階資訊處理與其他資訊系統，如 BIM 等進行比對與判讀形成具有價值的語意資訊，最終透過高階資訊處理與規 則管理引擎，形成高階可判讀之資訊，最終使系統能夠對於所接受之資訊，
進行判讀並做出相對應之回應，而該架構對於設施之各類維護工作是有幫 助的，能夠使系統更加快速且準確的判斷所應提供之資訊內容(Ellenberg et al., 2011)。
物理原始資料 邏輯資料 衍生資料 Engineering）的成本，且相較於時下另一項熱門的虛擬實境技術（Virtual Reality），AR 技術透過三維空間結合真實世界虛擬物件之特性，令使用者 保留了對於現實環境的感知能力，提升使用上的安全性，更適合應用於風 險較大的施工現場(Behzadan, Dong, and Kamat 2015)。
受限於硬體限制，現行大多數的 AR 應用仰賴圖像辨識技術做為其追 蹤機制，將虛擬的物件定位在特定的圖像上，導致虛擬物件僅能以靜態或 是固定動畫的方式呈現在現實環境中。在缺乏其他儀器輔助的情況下，以 圖像辨識為基礎的 AR 應用將無法正確判斷物件於空間中的位置，並以正
確的物件排列順序呈現給使用者，最後導致不合理的呈現結果，如圖 2-4 所示，右圖為正確的顯示成果，左圖乃錯誤之顯示成果，理應在鋼柱後面 的載具卻擋住了鋼柱，形成載具位於鋼柱之前並且飄浮在地上的不合理顯 像結果，不僅影響使用體驗，亦可能造成資訊傳達上的錯誤。
圖 2-4 擴增實境物件呈現問題示意(Behzadan, Dong, and Kamat 2015)
鑒於上述問題，目前已有廠商發展出較為進階的 AR 裝置，能夠透過 裝置本身的傳感器，辨識空間分佈並定位使用者於空間中的位置，使得虛 擬物件得以透過圖像辨識以外的機制定位於現實環境中，並進一步與使用 者，甚至環境互動。也因為物件定位的機制不再受限於現實環境中的特定 圖像，虛擬的物件能夠在現實環境的三維空間上以更高的自由度移動、轉 動。然而不論在開發端或是應用端，此類 AR 裝置皆尚未普及，仍有待發 展。