擴增實境

一、擴增實境的發展與歷史

有關擴增實境的發展歷史，相關的研究早在1960 年代便已開始。

最早的研究學者是Ivan Sutherland，其開發出名為 The Sword of Damocles 的頭戴顯示器系統（head-mounted display, HMD），以早期的擴增實境 發展來說這是一個相當重要的發明，因為早期的擴增實境作品幾乎皆是 以頭戴式顯示器作為開發的基礎。擴增實境這一個名詞的出現是一直到 1990 年初期，波音公司的幾位科學家為了協助工人裝配管線設備所創造 的（吳鴻譯，2002；El Sayed, Zayed, & Sharawy, 2011）。

二、擴增實境的定義與技術

依據學習創新協會（Educause Learning Initiative, ELI）的定義，擴 增實境是一種將虛擬的物件附加到真實世界的一種技術，同時具備真實 與虛擬是其主要特質。Milgram、Haruo、Akira 和 Fumio（1994）則以混 合實境（mixed reality, MR）來進行描述，以圖 2-1 作一說明。線左端為 真實的環境，線的右端則是虛擬環境而真實與虛擬之間即存在所謂的混 合實境，包括了擴增實境與擴增虛擬（augmented virtuality, AV），兩者 的差別在於，擴增實境主要藉由數位內容在真實的環境中進行增強，而 擴增虛擬則是將真實的內容投影至虛擬的環境中。

圖2-1 混合真實示意圖

資料來源：出自Milgram、Haruo、Akira 和 Fumio (1994:283)

所謂的虛擬環境是用電腦模擬出來的場景與物體的組合，至於真實 環境則是我們的現實世界。由此可知，混合真實結合了真實與虛擬兩種 元素。

Azuma（1997）認為擴增實境為虛擬實境的一種應用，並提出擴增 實境的三個特點：

(一) 結合真實與虛擬 (二) 即時性的互動 (三) 必需在三度空間內

關於擴增實境的成像過程，主要是運用電腦與週邊輸出、輸入設備 來完成。其運作流程主要有以下幾點：（薛凱文，2009；Azuma, 1997; El Sayed et al., 2011）

(一) 圖像的分割

利用攝影機取得圖像後，電腦將所設定的圖像進行分割找出 圖像之特徵。

(二) 特徵的提取

電腦將圖像之特徵提取出並作為標記辨認的準則。

利用攝影機取得標記並藉由電腦進行偵測與辨認，辨認正確

（virtual reality, VR）的方式進行，然而，建置一套虛擬實境系統 需花費相當大的成本，且以虛擬所構成的環境跟真實世界還是有 所差距，學習者較無法將學習的內容和日常生活相連結。相較於 虛擬實境，擴增實境的優勢在於其依附在真實世界裡，是在真實 世界中附加一些資訊，學習者在學習的感官上能夠更加貼近真 實，無須藉由想像，這也是為何目前學界跟業界在這方面有相當 多的應用（朱乙仲，2010；Dunser et al., 2006）。

王國雄（2010）利用擴增實境技術輔助古蹟寺廟行動學習中 也發現學童對於使用擴增實境顯示的方式與操作的方式感到有趣 與印象深刻，對於虛擬角色的神明人物與整體遊戲互動方式也覺 得好玩和新奇，能夠增加學童對學習內容的注意力。

張樹安（2011）將擴增實境應用於行動導覽之研究中指出，

可將擴增實境應用於導覽情境互動，結合當地文史典故、特色商 家與空間特性設計一個當地特有的導覽經驗，讓學習者能夠沉浸 於導覽的情境中，再造文創產業的價值。

(二) 自然科學領域中的空間關係呈現

Kerawalla、Luckin、Seljeflot 和 Woolard（2006）以擴增實境 的教學方式進行自然科學的教學課程，將小學的科學教育課題如 太陽與日夜轉換、九大行星等以更加生動的方式展示出來。

廖詠年（2010）在其針對擴增實境在科學教育領域中學習與 應用的評析中指出，擴增實境應用在科學教學上，除了是教學法 的創新外，在學習成效上也多能提高學習參與度和學習動機，此 外在幫助科學教育詮釋科學知識的內容的部份，擴增實境在表達 抽象概念、提升探究實作性、協助觀察不易觀察到的自然現象，

諸如地球與太陽空間關係教育等有相當程度的幫助。

在張珈（2009）將擴增實境融入國小天文觀測教學的研究中 指出，其所開發的MDAS 天文教學輔助工具，能有效提升學生對 於星座的基本觀念的學習成效，以及星座的辨認能力的部分學習 成效。此外，透過MDAS 工具，能有效提升學生在天文觀測教學 中的學習興趣。

(三) 數學領域中的空間關係呈現

Kaufmann 和 Schmalstieg（2003）利用擴增實境建立教師與學 習者間合作式的幾何教學互動系統Construct3D，藉由擴增實境的 運用，將書本上的2D 圖片轉換成 3D 物體，讓學習者對於複雜的 空間概念能夠很容易地進行學習。此系統也提供了簡單的點線面

與幾何體的構成以及布林運算的功能，可運用於高中甚至是大學 教育當中。藉由這套系統，教師在表達幾何形體的變化與空間中 的關係時可清楚並容易的讓學習者來瞭解。

陳眉期（2011）將擴增實境結合國中數學學科之立體幾何概 念進行設計，藉由擴增實境輔助教學後，實驗組學童成績上有顯 著成長，且學童對於使用擴增實境輔助教學系統之主觀使用性感 受良好。

(四) 建築與室內設計領域中的空間關係呈現

陳建同（2007）運用擴增實境的空間關係，以行為分析提出 在地體驗式設計輔助系統的觀念，並實作出1:1 空間擴增實境設 計環境系統原型，讓設計初學者能直接體驗空間設計的呈現。研 究結果發現，此系統能讓設計者更注重設計與身體行為之間的關 連。

黃國豪（2004）將擴增實境應用於室內家具配置上，建置的 固定式與可攜式擴增實境家具配置設計系統。實驗結果發現，可 攜式系統較固定式系統在進行配置設計上的整體滿意度來得高，

顯示受測者對於以自由走動觀看的使用方式來進行家具的配置設 計有較好的評價，而從整個研究中也發現應用擴增實境技術於家 具之配置設計不僅可以提高配置設計的方便性，在配置過程中也 讓使用者覺得是有趣的。

除了上述教學應用外，Pan、Cheok、Yang、Zhu 和 Shi（2006）也 提出了許多種教材設計方式，包括互動式故事書、擴增實境遊戲、空間 擺設模擬等，讓學童透過擴增實境的輔助進行各式的學習。實驗結果也 顯示出擴增實境能夠符合教學上的要求，使教學更具彈性與創新。

四、擴增實境應用與教學上的益處

擴增實境不只輔助學習，還能讓互動和介面變得更具親和力，引起 學童學習動機、提升學童學習興趣，使學習者能沉浸於學習內容中。相 關研究也都指出擴增實境可提供的教育效益（陳玥君，2010；Asai et al., 2005; Billinghurst et al., 2003）：

(一) 互動性：使用擴增實境當教具，可以讓學習者輕易地操作，

並與虛擬物件進行互動，即使學童沒有任何電腦經驗也可以 進行。

(二) 認知的回饋：使用擴增實境當教具，能讓學習者融入於虛擬 物件和真實環境所組成的空間中，跟虛擬物件進行互動。

(三) 空間的關連性：虛擬與真實物件和環境的空間關係，可容易 的被辨認。

(四) 學習的新奇感：擴增實境可以讓學習者沈浸於學習內容中的 特質，可將學習內容作動態新奇的呈現，讓學習者不再只是 面對著靜態的文字資訊，藉由簡單、直覺的互動方式，可帶 給學習者許多的學習樂趣，並且引發出學習動機和學習熱忱。