第二章 文獻探討
第五節 擴增實境技術與其應用
國
立 政 治 大 學
‧
N a tio na
l C h engchi U ni ve rs it y
同，如何選擇適合的遊戲，來呈現學習內容對於教學設計者來說是相當重要的。
依據 Prensky (2003) 所說，有關技能學習的內容，可設計成反覆練習的遊 戲，而在目前現有的遊戲中，並無針對圖書資料查找能力設計的遊戲，更無可反 覆練習資料查找能力的試題內容遊戲，故本研究將自行開發一款以圖書館利用教 育內涵為主軸的數位遊戲。
第五節 擴增實境技術與其應用
本節主要針對擴增實境技術與應用領域，以及其特點進行介紹。
一、擴增實境技術原理
Milgram、Takemura 與 Utsumi 等人 (1994) 將現實環境與虛擬環境視為一封 閉的集合，如圖2-3 所示，圖的左邊代表純粹的現實環境，而圖的右邊代表純粹 虛擬的環境，而在兩端點間的區域則表示現實環境與虛擬環境中的物件同時的呈 現，Milgram et al.並以混合實境 (MR：Mixed Reality) 類別來表示這個區域。因 此，由圖2-3 中可以看出，擴增實境是被歸類在現實與虛擬之間，屬於混合實境 類別下的一個類別。
Real Environment
Virtual Environment Augmented
Reality (AR)
Augmented Virtuality (AV) Mixed Reality (MR)
Reality‐Virtuality(RV) Continuum
圖2- 3 擴增實境在現實與虛擬間的位置(資料來源：Milgram al etc. 1994)
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
N a tio na
l C h engchi U ni ve rs it y
擴增實境整個成像流程如圖2-4，是利用電腦週邊輸入與輸出設備完成成像 部分，首先利用攝影機定義圖卡，此圖卡運用上選擇黑白兩色原因是易於電腦辨 識，電腦偵測圖卡後會依照設計者在資料庫中之設定值叫出對應圖卡之影像，如 果是 3D 影像則須計算 X、Y、Z 軸，再將該影像輸出至螢幕對應的位置。
圖2- 4 擴增實境在符號辨識及資訊疊加的過程 (資料來源：Mark Billinghurst, 2001)
二、擴增實境技術與應用
擴增實境 (Augmented Reality, AR) 的資訊呈現係隱含在互動過程之中，在 一些案例中，使用者的行為被悄悄地監看著，而當使用者運用各種自然的方式與 資訊互動時，呈現出來的資訊則已經是被改變的。Grafe (2002) 提出之擴增實境 在博物館展示之應用，可以讓使用者對於有興趣的展示品進一步的探索，而附加 在展覽品上的資訊標籤還可以因應使用者的遠近而做不同細節程度的資訊呈 現。Feiner (1993) 同樣地運用擴增實境的原理製作出一個更為精緻的資訊空間應 用，在 KARMA 中提出一種以知識為基礎的 AR 印表機修理與維護系統。同樣 的 Vlahakis (2001) 提出將已經毀損的古蹟建築在 AR 科技的協助下，於原址疊 加古蹟呈現出原來的面貌，如圖2-5 所示，圖左為古蹟毀損的面貌，右圖為 AR 所提供古蹟虛擬的影像，藉由將虛擬建築疊加在古蹟的原址，並透過無線裝置可 從PDA 或是個人電腦接收到相關的虛擬建築的資訊，相較於一般的古蹟景點的 圖版說明，提供更為真實且更為臨場的感受。
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
N a tio na
l C h engchi U ni ve rs it y
白益欣（2006）指出，過去許多研究者研究如何藉由將真實與虛擬世界相融 合，以創造出更具創新的使用者互動介面，目的是為了讓人們可以與虛擬物件產 生互動，其過程就如同我們和真實世界互動一樣簡單，在這其中，各式各樣的方 法被採用，在TUI(Tangible User Interface, TUI)領域使用真實物件，在擴增實境 領域則將3D 圖像附加在真實世界中，在虛擬實境(Virtual Reality, VR) 領域則是 使用電腦產生的虛擬圖像模擬真實世界的場景。實體使用者介面(Ishii, 1997) 則 聚焦在研究如何使用自然環境作為人和電腦溝通的介面，藉由將真實環境中可以 用手觸碰得到的物體與特定的操作方式以某種類似的隱喻結合在一起，可以讓人 機之間的互動過程變得直覺和自然，更甚者，因為操作介面不再限定於一個滑鼠 和一個螢幕，所以TUI 可以讓多位使用者一起進行電腦的操作，如圖 2-6 顯示了 GUI (Graphical User Interface) 和 TUI 之間改變的過程，這樣的改變並不需要大 幅度改變目前的電腦硬體架構。
(a)古蹟修復前
(b)古蹟修復後
圖2- 5 運用擴增虛擬建築方式顯示古蹟 (資料來源：Vlahakis, 2001)
圖2- 6 從 GUI 到 TUI 的轉變 (資料來源：Ishii, 1997)
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
N a tio na
l C h engchi U ni ve rs it y
擴增實境可以讓人與電腦之間的互動變得更為自然，與實體使用者介面結合 之後的擴增實境介面，可以稱為可觸式擴增實境介面 (Tangible Augmented Reality, TAR) (Billinghurst, 2000) ，TAR 保留 TUI 的自然互動和多人互動的特 色。運用 TAR 可讓使用者操作虛擬空間的 3D 物件時，不需要在滑鼠鍵盤上學 習任何新的操作技巧，因為使用者怎麼移動實體的物件，電腦都能了解使用者想 怎麼移動虛擬的3D 物件，並且這兩項動作是同時發生的，會帶給使用者一種以 為自己的手將虛擬的3D 物件拿起來的錯覺，這樣的互動方式是一種最自然與真 實的互動歷程。有研究者 (Ulbricht, 2003) 將 TAR 的特徵定義如下:
1. 使用真實的物件作為與虛擬物件互動的介面。
2. 雙手都可以用來操作實體物件。
3. 可以同時操作數個實體物件。
4. 允許多人之間的合作互動。
由上述探討，顯示擴增實境介面技術目前已發展至一定的成熟階段，並且在 許多領域上都具有應用價值，亦可以推知其在多人之學習應用領域具有極高的發 展潛力。
(一)、實體物件的學習應用
擴增實境很大的特點就是可以與實體物件互動進行學習，可觸式擴增實境的 特色之一在於它透過對實體物件的控制達到互動之目的，而由教育用途觀之，實 體物件（例如：硬幣、工具、手工藝品、植物、動物等）是最容易得到、最能引 起學生好奇心並吸引參與的教材之一；實體物件亦具有具體的特性，適合用來教 導那些缺乏相關經驗與實體接觸的學習者（張霄亭，2002）。
實體物件之所以具有這些優點，全賴於實體物件具有可操弄的性質，當學習 者面對的學習內容是需要更具體的經驗時，實體物件是很有效的教材
。例如：實
體物件在教學上可以提供與三度空間有關的概念及親手操作或實驗的經驗，並且 讓學習者經由體積、形狀、顏色等進行辨識工作。以教育學者Shelton (2002) 的 研究為例，其研究說明傳統的3D 教學所受的限制可以在擴增實境的輔助下得到‧ 國
立 政 治 大 學
‧
N a tio na
l C h engchi U ni ve rs it y
良好的改進效果，其在教學中運用擴增實境來協助教導地理系的學生瞭解地球與 太陽的關係、公轉自轉、季節變化關係等知識，研究發現學生在擴增實境支援學 習下的學習成效有顯著的成長，並且從其研究結果可以得知擴增實境介面的確在 輔助學生瞭解複雜的空間現象上有很好的助益，如圖2-7 所示。
在博物館方面的應用，博物館在展出的同時需考量展品的保護、保存、維護 問題，這代表參觀者必須隔著玻璃、隔絕互動來看展品，實際的參與經驗便受到 限制。對於隔離或不可直接觸碰之物體，亦可透過擴增實境介面達到如真實般情 境的模擬。爲解決這個問題，Huang (2005) 發展可觸圖像式虛擬博物館 (Tangible Photorealistic Virtual Museum) ，如圖 2-8 所示，這項應用期望讓人們可以與展品 自然的互動，獲得更沉浸的觀賞經驗。
(a) 以手持實體方塊的方式操作展品
(b) 以頭戴式顯示器方式觀賞展品 圖2- 7 學習者可以自己調整觀察行星的角度
(資料來源：Shelton, 2002)
圖2- 8 擴增實境在博物導覽的運用實例 (資料來源：Huang, 2005)
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
N a tio na
l C h engchi U ni ve rs it y
(二)敘事媒體的學習應用
擴增實境除了有和虛擬物件互動的優勢外，另外一個特點是可當作一種很好 的3D 敘事媒體，說故事對於學習與成長來說，是一種不可或缺的過程，對於培 養孩童的想像力和知識的獲取具有很大的貢獻，The MagicBook (Billinghurst, 2001) 是將擴增實境當作一種敘事媒體的知名研究。
由 HIT La 的 Mark Billinghurst 和 Hirokazu Kato 及其他人等所發展的 The MagicBook，是讓 AR 應用在教育與學習領域的一個重要開端(McKenzie, 2003)，
MagicBook 是一本看起來普通的書，裡面包含完整的故事，在融合了 AR 科技後，
這本故事書裡面也包含了 3D 動態的內容，當閱讀者帶著顯示裝置在眼前打開這 些內容時，故事內容就像從紙裡面走了出來一樣，故事情節在每一個頁面之上翩 翩上演，如圖2-9 所示。
The MagicBook 還有另一項額外的功能，就是可以讓讀者用故事角色的觀點 來看故事中的世界，讓讀者沈浸扮演其中的一個角色，所以讀者相對的也可以加 到故事裡變成虛擬場景中的一個虛擬物件。HIT LAB 曾舉行過一個大型的兒童 實 驗 工 作 坊 (Augmented Reality Storytelling in the Context of a Children’s Workshop 2003 ) (McKenzie, 2003)，藉以評估這個敘事媒體對孩童學習所產生的 影響（如圖2-10 所示），以及探索 AR 所能提供的其他教育機會，並和兒童敘事 專家整體性評估AR 在文學和文學教育上的應用。研究過程是先由孩童們集體討 論出故事的腳本，再由各領域的專家，如童書寫作家、3D 模型師、AR 技術學 者等運用專業來建構一個真正的AR 兒童故事書，然後由工作室的教育專家在一 旁全程進行評估。研究人員認為AR 對故事的貢獻可以是提供非線性的故事情節 安排，讓孩童很直接、自然的運用這個媒體來表達自己的想法，以激發兒童的想 像力，而擴增實境具有將多人間的學習距離拉近之能力亦再次得到了證明。
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
N a tio na
l C h engchi U ni ve rs it y
將擴增實境運用在教學上，主要可在互動方式上有別於過去使用鍵盤與滑鼠 的方法，讓使用者能自然使用肢體動作，例如拿取、丟棄、揮動、手勢、按下等 人類所熟悉的操控實質物件動作，如此直覺的操作方式不需花太多時間學習或持 續思考怎麼操作這些裝置，讓學習者的遊戲過程更為簡單容易。運用實體物件在 教學活動設計上可以建立一種強調實際情境的應用，有助於訓練結果的轉移，而 且超越純粹語言層次的學習。因此總結來說，運用實體物件作為操作的介面非常 符合情境學習的方式，以此方式建構的學習環境可以更接近實際的情境。
三、 擴增實境的特點
擴增實境的技術已經發展到博物館導覽、建築介紹以及其他更多的領域，經 研究統計以及實驗調查發現具有以下優點（白益欣，2006）：
擴增實境的技術已經發展到博物館導覽、建築介紹以及其他更多的領域，經 研究統計以及實驗調查發現具有以下優點（白益欣，2006）：