擴增實境之相關研究

擴增實境 （Augmented Reality） 一詞在 1968 年由 Sutherland 所提出，隨 著資訊社會及科技生活的快速拓展，投入此技術的研究者正在逐年增加 （劉文 心，2009）。擴增實境是將虛擬物件增添於人眼所見的真實世界中，透過攝影機 擷取辨識特徵並經由軟體辨認，找尋資料庫中的對應物件並顯示在顯示儀器上

（Elbasiouny, Medhat, Sarhan, & Eltobely, 2011）。與虛擬實境 （Virtual Reality） 的 不同之處在於，VR 礙於真實世界與虛擬世界的場景不一，發展上的限制也較高，

而擴增實境既可以呈現人眼看到的真實世界，也利用電腦即時運算而加入虛擬物 件來增加所需要的資訊，如圖 2-12。

圖 2-12 擴增實境示意圖 資料來源：

http://usatoday30.usatoday.com/news/science/stuffworks/2001-02-23-augmented-reali ty.htm

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Milgram 和 Kishino （1994） 提出一個現實與虛擬的環境表現圖，如圖 2-13，最左邊為真實的世界，最右邊為虛擬世界，而介於中段的稱為混合實境

（Mixed Reality），擴增實境就屬於這塊範圍中，在使用者現有的真實環境之中 加上虛擬的數位物件，是為虛實的結合。Lee、Rincon、Meyer、Höllerer 與 Bowman

（2013） 認為，以現今的混合實境技術而言，其視覺真實效果逐漸提高，使用 者將會越來越難分辨真實環境與虛擬物件的差異。擴增實境與虛擬實境最大的不 同，乃是擴增實境架構於真實場景，並運用電腦來即時運算，以提昇真實世界中 相關任務的執行效果資訊，並強調真實與虛擬的複合互動 （Azuma, 2001）。

圖 2-13 虛實結合的混合實境

資料來源：Milgram & Kishino (1994)

紐西蘭坎特伯里大學 HIT Lab 研發的 MagicBook，在擴增實境的領域中有著

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的 3D 模組所取代，達到虛擬實境的效果 （Billinghurst, Kato, & Poupyrev, 2001）。

（a） （b） （c）

圖 2-14 MagicBook 的使用

資料來源：Billinghurst, Kato, & Poupyrev (2001)

目前擴增實境被廣泛的應用在眾多領域中，其即時性以及真實性的互動模式 帶給使用者全新的感受。Henderson 和 Feiner （2011） 即將擴增實境應用在精 密機械的保存與維護上，如圖2-15。此研究中，操作人員需戴上頭罩式顯示器，

將整合的虛擬物件於顯示器上呈現。圖2-15 （a） 說明此技術能用擴增實境指 標標示出被指定要修復的大略位置；圖2-15 （b） 則出現紅色的虛擬指標，為 操作人員更準確的定位；圖2-15 （c） 顯示，當操作人員已接近目標區域時，

紅色虛擬指標會漸變為半透明化，且出現文字說明作為輔助；而當紅色指標完全 消失時，目標物會逐漸發亮，讓操作者能清楚的判斷需要修復的位置，如圖2-15

（d），最後即能實際且有效的降低操作上的錯誤。

圖2-15 擴增實境應用於維修裝置 資料來源：Henderson & Feiner (2011)

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另外，擴增實境也被推行至醫學領域使用，德國慕尼黑大學的研究團隊即針 對現有的擴增實境醫學系統進行討論。他們的研究指出，外科醫師要非常清楚解 剖、移植、以及手術工具的操作，才能成功的執行整形外科手術或是創傷手術，

這些要求不僅需要相當大的時間成本及專注力，更會使病人長期暴露在 X 光的 輻射環境下。而現有的擴增實境系統可與 X 光結合，醫生能藉由擴增實境影像 確認 X 光是否與患部定位準確，更能使用擴增實境的標記功能，避免校準誤差 導致的手術失誤，如此便能縮短手術的時間，也能使病人不用長期的暴露在輻射 環境之中。另外，擴增實境也可用來模擬體內的構造，圖 2-16 說明了使用者可 藉由不同的手勢選擇欲互動的身體部位，綠色的線條標示出目前被選擇的身體部 位 （Navab, Blum, Wang, Okur, & Wendler, 2012）。

圖 2-16 以擴增實境模擬人體構造

資料來源：Navab, Blum, Wang, Okur, & Wendler (2012)

此外，HIT Lab 也發表了將擴增實境推廣至教育的文章，他們的研究指出，

AR 是一種能同時達到娛樂性與教育性的高效能媒介。他們讓學生針對特定的學 科進行 3D 模型的建構，在這段過程中學生必須要深入的了解主題，才能發展出

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適切的 3D 模型，最後透過 Build AR 系統整合，展示擴增實境的功能，如圖 2-17。

研究結果顯示，擴增實境是相當有價值的課堂教學工具，將其應用於教育之中有 非常正面的效果，儘管此文是針對兒童學習為主軸，但實際上擴增實境的教育面 向可涵蓋所有的年齡層，AR 的高互動性也可用於強化學習成效 （Billinghurst &

Duenser, 2012）。

圖 2-17 以螺旋模型強化學習成效 資料來源：Billinghurst & Duenser (2012)

而在展示擴增實境效果的終端設備中，手持式設備 （如智慧型手機與平板 電腦） 也逐漸被研究者討論，如維也納的 Gervautz 和 Schmalstieg （2012） 即 針對此領域作分析。他們指出現代的手持式顯示設備具備了數種感測器，如 GPS、指南針、線性加速器、及迴轉儀…等，皆大大強化了手持設備的感測功能，

藉由這些功能及越來越高畫素的相機，使手持式顯示設備偵測位置與角度的準確 度大幅上升，進而使之成為能達到擴增實境效果的平台。手持式的擴增實境技術 也有許多潛在的應用價值，如圖 2-18 即是將其與廣告結合、圖 2-19 則是手機結 合擴增實境的互動式遊戲。

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圖 2-18 以智慧型手機啟動擴增實境廣告 資料來源：Gervautz & Schmalstieg (2012)

圖 2-19 智慧型手機結合擴增實境的互動遊戲 資料來源：Gervautz & Schmalstieg (2012)

Demuynck 和 Menéndez （2013） 認為，啟動擴增實境需要在終端設備上 置入 3D 模型，流程過為繁雜。因此，他們開發了新型的擴增實境辨識圖案 Magic Cards，將色彩資訊以及虛擬物件的外形編碼於此辨識圖案之中，使 Magic Cards 的外觀有別於傳統黑白方框式的擴增實境辨識圖案，不僅皆以圓形呈現，且含有

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豐富的色彩表現，如圖 2-20。軟體可藉由 Magic Cards 上色彩的資訊、圖案的形 狀，解碼並塑造出圓形的虛擬物件，其偵測的表現在一般光源下有不錯的效果，

如圖 2-21。

圖 2-20 Magic Cards

資料來源：Demuynck & Menéndez (2013)

圖 2-21 Magic Cards 與虛擬物件

資料來源：Demuynck & Menéndez (2013)

22 資料來源：Kato & Kato (2011)

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同一年，在南韓的科學與科技研究機構發表的文章中，Ha、Jung、Han、Cho 與 Yang （2011） 等人提出了將行動設備與伺服器終端透過 Wi-Fi 連線，把行 動設備上之相機鏡頭所讀取到的影像傳送給具有辨識訊號功能的伺服器終端，再 從資料庫中搜尋、比對出與此訊號最符合的一筆資料，並將之回傳給行動設備，

而行動設備即可呈現出擴增實境的效果，如圖 2-23。然而，這種 Marker-less 技 術對於硬體設備的要求相較於傳統的擴增實境系統高，大幅的增添了主機的負 荷，若要大量運算資料時容易造成當機的現象。

圖 2-23 擴增實境循環資料庫示意圖

資料來源：Ha, Jung, Han, Cho, & Yang (2011)

Sakuma 、 Yamabe 與 Nakajima （ 2012 ） 則 使 用 無 線 射 頻 辨 識 技 術

（Radio Frequency IDentification, RFID）來執行擴增實境。他們認為紙牌類型的 遊戲，常常因為規則過於複雜而使得初學者難以上手，因此他們將 RFID 晶片置 入於紙牌中，並在電腦終端設定讀取點，透過能相互對應的晶片，分別設計出提 供使用者操作提示的虛擬物件，再藉由投影機將虛擬影像投影到牌桌上，如圖 2-24。此技術能指導初學者更快地進入遊戲，透過擴增實境的方式也能為傳統的 紙牌遊戲增添趣味。但 RFID 晶片取得不易，手動加裝於紙牌上也相當費時費力，

難以被廣泛的應用。

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圖 2-24 以 RFID 進行影像擴增系統示意圖 資料來源：Sakuma, Yamabe, & Nakajima (2012)

2、隱藏式擴增實境辨識圖案 （Invisible Marker）

有學者曾利用半色調方式製作擴增實境辨識圖案，其方法是以混合網點數位 浮水印隱藏技術，將擴增實境辨識圖案以純色的黑墨輸出，但是人眼無法看見此 辨識圖案。而在同一塊區域上，則印上只用青、洋紅、黃，此三色墨輸出的具有 意義之圖文。因此，在人眼的觀察下，僅會看到設計好的圖文印紋，而在紅外線 鏡頭的模式下，則會穿透表面印紋，並能夠偵測到隱藏的擴增實境辨識圖案，如 圖 2-25，最後便能成功的呈現擴增實境虛擬物件 （Wang, Liu, Chang, & Chen, 2008）。此方法雖然能將擴增實境辨識圖案完全的隱藏起來，但是卻也讓使用者 忽略了擴增實境的功能，因為使用者並不知道擴增實境辨識圖案的存在。

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（a） （b）

圖 2-25 以半色調技術製作擴增實境辨識圖案 （a） 正常觀看效果 （b） 紅外 線模式觀看結果

資料來源：Wang, Liu, Chang, & Chen (2008)

Park 和 Park （2010） 也共同提出了一種以紅外線特殊油墨來隱藏擴增實 境辨識圖案的技術，該技術運用紅外線筆繪製成一般肉眼無法看見的擴增實境辨 識圖案 （IR-based AR Marker），並將該圖置放於一面冷鏡片 （Cold-mirror）

上。而後將配有色彩校正 （Color Correction） 濾鏡的攝影機與紅外線攝影機，

分別設在冷鏡片的兩側拍攝影像，透過色彩校正的攝影機，可以拍攝出正常光源 下的景象，而紅外線攝影機則可以捕捉到隱藏的擴增實境辨識圖案。兩個影像最 後會在終端結合，即可呈現出擴增實境的效果，如圖 2-26。但是紅外線特殊油墨 在市面上的流通量並不高，以致於取得不易。此外，特殊油墨價格昂貴，若要以 此製作成產品，成本將大幅提高，商品的單價亦必須因此走高，影響買氣；再者，

此辨識圖案需由人工繪製，不符合印刷大量生產的製程。

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圖 2-26 紅外線擴增實境辨識圖案的顯像方法 資料來源：Park & Park (2010)

Juan 和 Joele （2011） 則以隱藏式擴增實境辨識圖案為基礎，研究出一種 擴增實境的應用模式，用以克服使用者對於小型昆蟲的恐懼感。他們同樣是透過 紅外線油墨繪製人眼無法看見的隱藏式擴增實境辨識圖案，而後使用一般攝影機 與紅外線攝影機同時捕捉，再藉由擴增實境軟體「ARToolKit」運算此隱藏式擴 增 實 境 辨 識 圖 案 。 此 研 究 的 不 同 之 處 ， 在 於 使 用 者 需 配 戴 頭 戴 式 顯 示 器

（Head-mounted Display, HMD），而一般攝影機與紅外線攝影機皆架設於顯示器

（Head-mounted Display, HMD），而一般攝影機與紅外線攝影機皆架設於顯示器