擴增實境應用在博物館導覽系統相關研究探討

ㄧ、擴增實境現況發展探討

第一個 AR 界面是由 Sutherland 在一九六零年代發展出來的（Zhou et al., 2008），之後在 實驗室中經過一段漫長的時間，一直到一九九零年代才慢慢的有相關領域研究逐漸出現，

Billinghurst（2008）將擴增實境的發展整理歸納分成以下四個時期，如表 2：

表 2 擴增實境發展時期

年代 研究重點 重要發展

1960＇s – 80＇s 早期實驗

1980＇s – 90＇s 基礎研究 追蹤，顯示

1995 – 2005 工具/應用 互動，使用性，理論

2005 – 商業應用 遊戲，醫療，工業

（研究者整理）

而根據鄭邦堅（2010）之研究指出擴增實境在最近幾年的google關鍵字查詢統計中，成 長的幅度相當的大，由圖4可以看出這幾年查詢率的成長情形：

圖4 關鍵字「Augmented Reality」的Google查詢次數統計（鄭邦堅，2010）

從以上兩項研究可以看出，擴增實境這幾年隨著軟硬體效能的提升，對於其普及與應用 有不小的幫助，特別是在可以商品化後，未來將可以在市面上看到越來越多的應用案例。以 marker為基礎的擴增實境技術通常被應用於不同的領域，例如：商業、教育、建築、軍事、

科學、醫療和娛樂（Parhizkar & Zaman, 2009）。

自Sutherland的The ultimate display發表以來，由於擴增實境具有強化使用者知覺以及與現 實世界互動的的能力，其相關的研究越來越多（Parhizkar & Zaman, 2009）；為了與原本的虛 擬實境做出區隔，Milgram與Kishino（1994）嘗試以虛擬連續圖（VC）的方式解釋現實環境、

擴增實境、擴增虛擬與虛擬實境的不同，在Milgram與Kishino的虛擬連續圖中最左邊代表現 實環境，最右邊則代表虛擬實境，整個虛擬連續圖統稱為混和實境，而其中的擴增實境與擴 增虛擬則是屬於整個混合實境中的兩個類別，其示意圖如下圖5：

圖5 Milgram與Kishino（1994）的虛擬連續圖

由圖5可以看出擴增實境位在混合實境內的現實環境旁，代表擴增實境在整個混合實境中 是比較接近現實環境的。

另外，Azuma（1997）則進一步定義作為擴增實境的系統必須符合下面三個特徵：

1. 結合真實和虛擬。

2. 即時互動。

3. 3D定位。

而依據Zhou等人（2008）的研究，從舉行的ISMAR'02 到 ISMAR'07會議，以及它的前 身研討會，IWAR'98，IWAR'99，ISMR'99，ISMR'01，ISAR'00和ISAR'01（1998-2007）。在這 十年中所舉辦的研討會中包含有276篇完整論文和短論文，歸納分析相關文獻，以提供未來來

表4 五個核心領域（Zhou et al., 2008）

主題 比率

追踪技術 20.1％，即313分之63 互動技術 14.7％

除此之外，Zhou 等人（2008），也對每一個主題加以分類整理，並提出未來可行的研究 發展方向，在與本研究相關的「顯示」部份，Zhou 等人認為，顯示技術主要集中在以下三個

類型：

1. 頭戴式顯示器：光學透視（optical see-through, OST）和視訊透視（video see-through, VST）

的 HMD。VST 顯示相較於 OST 顯示更能簡易的處理屏蔽問題，關鍵在於不同的影像處 理技術（參考圖 6、圖 7）。

圖 6 optical see-through HMD 概念圖（Azuma, 1997）

圖 7 video see-through HMD 概念圖（Azuma, 1997）

2. 投影顯示器：一個投影型顯示器是一個不錯的選擇，它不需要使用者穿戴任何東西，提供 最小的侵擾。為了直接顯示圖形訊息在真實的物體上或甚至在日常生活的每一天，有許多 不同的投影型顯示技術發表。

3. 手持的顯示器：手持式顯示器是一個很好的替代 HMD 和 HMPD 的系統，尤其是因為它 們是最低侵擾的，社會可接受的，隨時可用，以及高行動性的。目前，有幾種類型的手持

設備，可用於行動式 AR 平台：平板電腦、UMPC，以及電話（手機，智慧型手機和 PDA）。 4. 然而，根據 Azuma（1999）的研究，顯示的類型應該還要再多一類螢幕顯示（Monitor-based

AR），如圖 8：

圖8 monitor-base AR概念圖（Azuma, 1997）

Vallino（1998）認為，雖然以螢幕顯示的擴增實境在沉浸度上不如上述的HMD，但是它 卻提供了最簡單達成擴增實境效果的方式，並且在多人協同時，可以很簡單的分享視角以及 交換彼此的眼神和表情等社交符號，而這在HMD中是需要許多其他額外設定才能達成的；依 據王曉璿等人（2010）在科博館的實驗，也可以實際觀察到博物館參觀者在操作時，因為使 用LCD螢幕作為顯示器，親子間可以透過共同的視野一起分享操作與探索的樂趣，對於博物 館寓教於樂的教育目的而言，似乎並沒有參觀者因為上述沉浸度（immersion）的問題而覺得 導覽系統不夠真實，因此，本研究將繼續採用螢幕顯示來呈現擴增實境。

Fiala（2006）在其研究中依照理論與技術不同將marker分成四種，如圖9（鄭邦堅，2010）：

圖9 Fiala（2006）不同的marker例圖（鄭邦堅，2010）

Graz University of Technology（n.d.）六種marker範例（郭桐霖，2009），圖10：

圖10 Graz University of Technology（n.d.）不同的marker範例（郭桐霖，2009）

雖然marker的外觀因為技術與理論的不同而有所不同，但其同樣的功能都是在提供攝影 機一個可以擷取並進行標記定位的作用，而其運作過程大略可以分為五個步驟：1.輸入影像；

2.影像閾值化；3.偵測marker；4.建構並估量3D位置；5.虛擬影像輸出疊覆，其流程如圖11所 示：

圖11 AR運作流程（Kato, Billinghurst, Poupyrev, Imamoto, & Tachibana,2000; Billinghurst, Kato,

& Poupyrev, 2008）

雖然以marker為基礎的追蹤能夠強化穩定性和減低計算的需求，但是他們提供的位置訊

息只有在marker看得見時才有。因此，以marker為基礎的方法不能擴展來處理大量的，可能 需要戶外環境的導航（Zhou et al., 2008）；但是由於本研究中所需要的導覽系統僅止於在靜態 文物展旁，並不會因為需要marker而使其侷限性成為嚴重的缺點，而在王曉璿等人（2010）

於科博館的實驗過程中，也未曾有參觀者抱怨使用marker上有任何不便，故本研究之導覽系 統將繼續以marker的型態設計。

在Sylaiou、Mania、Karoulis與White（2010）探討虛擬博物館展示中，透過虛擬實境和 擴增實境技術讓使用者知覺文物的呈現感與樂趣之關係中發現，這些技術是新奇且受歡迎 的，能夠提供給使用者一個符合成本效益且具有吸引力的體驗；另外，研究中也發現，擴增 實境物件的呈現感與虛擬實境的呈現感與樂趣有顯著的正相關，當參與者越能體驗到「身處 其中」，他們就越能體驗到樂趣，也就是說，當與一個科技系統互動時，高層次的臨場知覺 將會緊密的與滿意度和滿足感相關聯。

然而，依據郭桐霖的研究（2009）指出，擴增實境遊戲的操作如果必須用操作裝置，則 容易讓使用者的遊戲真實感降低，而實際在王曉璿等人（2010）的研究中，則另外發現使用 WiiRemote手把在操作的錯誤率上偏高，就前面的文獻所提到的，錯誤高的情況下，容易使沉 浸的情況中斷（break down）進而影響導覽系統引導參觀者的功能，因此本研究打算以可觸 式擴增實境的方式改善這方面的缺點，以期提高操作的流暢度並降低可能的錯誤率。

二、可觸式擴增實境的應用

Ishii與Ullmer（1997）年提出：Tangible User Interface，簡稱TUI，是一種新型態的人機 互動介面，我們稱為「可觸式使用者介面」（或翻譯成實體使用者介面、有形的使用者介面）。

TUIs透過將數位資訊與日常的實體物件和環境相結合，以增強真實的實體世界。目的在於讓 人機互動介面從桌上型電腦的GUI過渡到可觸式使用者介面，其最終的目的在於擺脫鍵盤、

滑鼠以及圖形使用者介面的羈絆，讓使用者能更自由的往返於虛擬與現實之間。

然而，Fishkin（2004）認為這樣還不夠能說明清楚可觸式使用者介面的定義，因此以分 類的方式，依據已發表的可觸式介面歸納整理，將TUIs分為體現（embodiment）與隱喻

（metaphor）兩個向度來看Tangible user interface：

體現（embodiment）的程度有四種： 完全（full）、附近（nearby）、環境（environmental）

和有距離的（distant），隱喻（metaphor）的象徵方式則可分為五種：無（none）、名詞（noun）、

動詞（verb）、動詞+名詞（noun+verb）和完全（full），以此，讓往後的設計者在設計可觸 式介面時能夠有所依循，如表5與表6：

表6 以Holmquist, Redström與Ljungstrand（1999）之作品為例（Fishkin,2004）

表7 物件依照隱喻的屬性分類擺放於分類表中（Fishkin,2004）

雖然TUIs的理念相當的好，但是TUIs仍然有其限制，Billinghurst（2008）認為TUIs的限 制有以下三點：

1. 難以改變物件的屬性：無法顯示說明目前數據資料的狀態。

2. 有限的顯示能力：（1）齒輪的轉動是線性的，投影的螢幕是平面的；（2）需要依賴實體 的顯示介面。

3. 實體與顯示是分開的：操作的介面與顯示介面有時是分開的。

Billinghurst（2008）進一步指出， 擴增實境（AR）可以克服TUIs的限制有三點：

1. AR可以具有強化顯示介面的可能性。

2. AR可以結合操作與顯示的空間。

3. AR可以提供公開的與個人私有的視野。

所以Billinghurst、Grasset與Seichter（2010）提出，一個理想的可觸式擴增實境介面便於 無接縫的顯示和互動，它能消除傳統擴增實境以及可觸式使用者介面在功能上與認知上被發 現的接縫；因為在可觸式擴增實境的環境中，實體物的件操作是被設計成一對一的對應到虛 擬物件之運作，所以可觸式使用者介面使用上相當直覺，而且他們遵循空間上的多工輸入設 計；由於使用者已經知道如何操作現實世界的物件，所以能夠藉由將互動方法建立在這些物 件的操作上，而產生非常直覺的介面。

Billinghurst（2008）整合了TUI與擴增實境（AR）的概念，發展出可觸式擴增實境的操 作模式，早期的可觸式擴增實境可以Kato等人（2000）的VOMAR研究為代表，主張「使用 一般的物件操作來控制虛擬物件」並包含以下五個原則：

1. 物件的功能可見性應該符合實體物件對工作需求的限制。

2. 在支援平行活動的能力中，多重物件或介面部件應該能被立即操作。

3. 支援以實體為基礎的互動技術（例如：使用物件接近或空間關係）。

4. 物件的形式應該鼓勵獲支援空間的操作。

5. 支援多手的操作互動。

而Billinghurst等人（2008）則進一步將可觸式擴增實境的發展分為兩種介面原型，空間 多工介面和分時多工介面，並定義七個原則：

而Billinghurst等人（2008）則進一步將可觸式擴增實境的發展分為兩種介面原型，空間 多工介面和分時多工介面，並定義七個原則：