擴增實境

一、 擴增實境介紹

擴增實境（Augmented Reality）在1968年由Sutherland 發明，並在1997年由Azuma 為其性質作出定義，由於電腦科技及網路通訊技術的發達，擴增實境的應用日趨多元及 普及化（劉文心，民98）。擴增實境為將虛擬物件增添於人眼所見的真實世界中，主要

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方法為透過攝影機擷取辨識特徵並經由軟體解碼辨識，找尋儲存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） 的不同之處在於擴增實境必須在人眼所見的現實世界中呈現數位所構成的物 件，需要大量的電腦即時運算資訊且強調虛實整合的複合式互動方式。

Milgram 和 Kishino於1994年提出「真實－虛擬連續性（Reality-Virtuality

Continuum）」之理論來定義虛擬環境，如圖2-3-1所示。左右兩端分別代表著真實環境和 虛擬環境，而介於中間則可稱為「混合實境」（Mixed Reality），在混合實境之中，真實 與虛擬之間，若是比較靠近「真實環境」端者，即「真實」物件成份比例高於「虛擬」

者，則稱之「擴增實境」（Augmented Reality），反之，如果是「虛擬物件」之比例較高 時，則稱之為「擴增虛境」（Augmented Virtuality）。

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，使用者將越難分辨真實環境與虛擬物件的界限。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，並強調真實與虛擬的複合互動 （Azuma, 2001）。

圖 2-3-1 虛實結合的混合實境 資料來源：Milgram & Kishino (1994)

二、 擴增實境相關應用

紐西蘭Canterbury大學裡的HIT Lab研發的MagicBook，是擴增實境的研究領域中一 個十分重要的應用實品。MagicBook 的主要構成為一本紙本的書、擴增實境的顯示設備

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以及電腦偵測解碼設備，在人類肉眼的觀察下為一本與一般書無異的紙本書；在擴增實 境觀測下，書本上增添了虛擬物件的呈現；在虛擬實境的觀測中，畫面會經由電腦運算 產生虛擬3D物件的模組。MagicBook 的使用情形如圖2-3-2所示: 圖2-3-2 （a）在人眼 閱讀下，此書看來與一般的紙本書籍無異，讀者可用閱讀一般書籍時的方式閱讀 MagicBook （但具備擴增實境辨識圖案，以方便進行偵測呈現虛擬物件）。圖2-3-2（b）

在戴上擴增實境的顯示裝置後，3D的虛擬圖案會顯示於實體書本上，此一景象是由人眼 正常的視覺再結合透過電腦處理過後的3D模組，達到擴增實境的效果。圖2-3-2（c）則 開啟虛擬實境的功能，讓人眼的視覺全部由電腦處理過後的3D模組所取代，即改變視角，

進入虛擬世界。（Billinghurst, Kato, & Poupyrev, 2001）

（a） （b） （c）

圖 2-3-2 MagicBook 的使用情形

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

另外，擴增實境也被應用於醫學領域之中，德國慕尼黑大學的研究團隊即針對現有

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體部位（Navab, Blum, Wang, Okur, & Wendler, 2012）。

圖 2-3-3 以擴增實境模擬人體構造

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

擴增實境亦是一種能同時達到娛樂性與教育性的高效能媒介，能讓學生針對特定的 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2-3-4。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、增進學習興趣（Billinghurst & Duenser, 2012）。

圖 2-3-4 以螺旋模型強化學習成效 資料來源：Billinghurst & Duenser (2012)

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2013年，Margetis等學者提出一個名為SESIL的擴增資訊智能學習環境(如圖2-3-5)，

可提供學習者使用一般的筆與系統進行互動式的書寫、做答的動作，在SESIL的系統運 作之下，使用此系統的學習者手中所握的筆會經過系統追蹤並精準計算書寫動作與筆尖 落點，以便在適當位置提供作答資訊與互動，此系統亦可搭配其他學習智能環境，提高 學生的學習效率與興趣。

(a) (b) (c)

圖2-3-5 使用SESIL的系統增進學習效率。 (a)於一般肉眼觀察模式 (b)於SESIL之實際 操作情形 (c)SESIL模式下的頁碼辨識

資料來源: Margetis, Zabulis, Koutlemanis, Antona, & Stephanidis (2013)

波蘭的兩位學者Wojciechowski 和 Cellary 於2013年亦提出一個名為ARIES的擴增 實境教學系統(如圖2-3-6)，並應用於中學的科學教育，學習者可利用ARIES中的虛擬物 件來進行化學實驗並探討學習態度，例如在酸鹼中和的實驗之中，實驗用具與實驗溶液 皆為虛擬物件，並且在調配實驗溶劑時，滴管附近會顯示出建議學習者加入的溶液量，

有助於實驗的進行與學習，而使用此套擴增實境學習系統亦可確保化學實驗進行的安全 性與增加學生的學習興趣。

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圖 2-3-6 利用擴增實境進行化學實驗 資料來源: Wojciechowski & Cellary (2013)

西班牙的學者Ibáñez、Serio、Villarán 與 Kloos 則利用擴增實境來進行電磁學的教 學實驗，學生可透過各式不同的元件於擴增實境系統下進行電磁學相關實驗，見圖2-3-7，

文中實驗結果證明，利用擴增實境進行的教學能更有效地促進學生對電磁概念和現象的 知識，並且從實驗的數據分析顯示擴增實境教學法比起利用網頁的應用程式教學，更能 提高學習使用者的體驗流暢度。此外，利用擴增實境教學電磁學相關知識亦能提高實驗 的安全性與互動性。

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(a)

(b)

圖2-3-7 利用擴增實境系統進行電磁學教學實驗。(a) 擴增實境辨識元件 (b) 使用擴增實境進行電磁實驗情形。

資料來源: Ibáñez, Serio, Villarán, & Kloos （2014）

三、 擴增實境的改良

Demuynck 和 Menéndez（2013）認為，擴增實境需要在終端設備上置入 3D 模型，

其編碼過程過於繁雜，不易於一般使用者去創造所需的虛擬物件。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，主要以圓形 呈現辨識圖形，並且在其中加入許多色彩的資訊，如圖 2-3-8。軟體可藉由 Magic Cards

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上色彩的資訊及圖案的形狀，解碼並塑造出圓形的虛擬物件，即使是在戶外的光源下依 然能有良好的偵測與虛擬物件呈現效果，如圖 2-3-9。

圖 2-3-8 Magic Cards

資料來源：Demuynck & Menéndez (2013)

圖 2-3-9 Magic Cards 與虛擬物件

資料來源：Demuynck & Menéndez (2013)

然而，除了上述的虛擬物件編碼過於繁複外，目前擴增實境在使用上仍具有一些限 制，例如：為了強化機器偵測效果與穩定度，而設計給機器追蹤的辨識圖案。這些辨識 圖案對於人眼並無任何作用，且造成視覺上的突兀與障礙，影響了圖文版面設計的整體 美感。因此，如何不透過辨識圖案即可帶出擴增實境則成為未來的發展趨勢。目前的研

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究 已 可 透 過 一 些 方 法 來 隱 藏 辨 識 圖 案 ， 主 要 可 分 為 兩 類 型 ： 第 一 種 為 無 標 誌 型

（Marker-less）擴增實境，透過影像特徵點擷取來作為辨識方式；第二種則為隱藏式辨 識圖案（Invisible Marker），透過特殊方式將辨識圖案隱藏於視覺環境中（徐仲萱，民 102）。

1. 無辨識圖案型（Marker-less）擴增實境

日本的學者提出了一種 Marker-less 的擴增實境辨識系統，其演算法是利用人體的的 五隻手指作為辨識的特徵。他們將人體的手掌定義為皮膚區域（Skin Region），透過五 隻手指的指間頂端當作定位，在手掌張開的時候，手指的間距處則稱為非皮膚區域

（Non-skin Region），運用此方法在手掌固定的姿勢下，即可建立起擴增實境的辨識特 徵，最後結合智慧型手機來帶出擴增實境之效果 （Kato & Kato, 2011），見圖 2-3-10。

此方法相當具創新性，且不需額外的製作流程及昂貴的設備，然而使用者需要將手維持 在一定的姿勢，令使用者費時且費力，故此技術雖然新奇，但普遍推廣的可能性不大。

圖 2-3-10 利用手指作為擴增實境辨識特徵 資料來源：Kato & Kato (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，

往往由於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2-3-11。此技術能指導初學者更

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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 不易且較為昂貴，手動加裝於紙牌上也相當費時費力，難以被廣泛的應用。

圖 2-3-11 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2-3-12，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 2-3-12 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

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