擴增實境

一、擴增實境的定義

擴增實境為虛擬實境(virtual reality)技術的延伸，與虛擬實境不同的是，擴增 實境企圖將虛擬的合成物(synthetic supplements)嵌入到真實環境當中(Bimber &

Raskar, 2005)，然而真實環境是比完全虛擬環境還要更難以控制。

Milgram、Takemura、Utsumi 與 Kishino (1994)根據使用者在真實環境當中接 觸到虛擬資訊的程度，提出「真實與虛擬連續性」(Reality-Virtuality Continuum)(詳 見圖 2-1)。線段的左起點為完全真實環境(real environment)，右起點為完全虛擬 環境(virtual environment)，其中間的連續線段範圍則稱之為混和實境(mixed reality, MR)，混和實境中，較靠近完全真實環境之範圍稱為擴增實境(augmented reality, AR)，而較靠近完全虛擬環境則稱為擴增虛境(augmented virtuality, AV)。

圖 2-1 真實與虛擬連續性

資料來源：“Augmented reality: A class of displays on the reality-virtuality continuum.” by P. Milgram, H. Takemura, A. Utsumi, & F. Kishino, 1994, Sparse

Partial Inductance Extraction (SPIE), 2351(34), 283.

混和實境 (MR)

真實環境 擴增實境 (AR)

擴增虛境 (AV)

虛擬環境

混合實境可以讓真實環境元素納入於虛擬環境之中，或是結合電腦虛擬物件 於真實環境當中，此時就稱之為擴增實境，而前者則是擴增虛境(Pan, Cheok, Yang, Zhu, & Shi, 2006)。Azuma (1997)認為擴增實境有 3 項特性：1.結合真實與虛擬；

2.即時互動；3.在三度空間內運行，而隨著技術的革新，擴增實境系統之特性也 有所改變(Azuma et al., 2001)：1.在真實環境中結合真實與虛擬物件；2.互動具備 即時性；3.真實環境與虛擬物件會彼此重疊在一起。

二、擴增實境的顯示技術

擴增實境顯示技術是一種影像成形系統，其結合光學、電子與機械等構成要 件，在使用者眼睛與擴增物之間的光學通道(optical path)上產生影像，依據所使 用的光學技術，影像可以在一個平面或是更加複雜的非平面上呈現出來。過去的 40 年，擴增實境的應用主要是以影視透視(video see-through)和光學透視(optical see-through)之頭戴式顯示器為主(Bimber & Raskar, 2005)。

根據過去研究(Bimber & Raskar, 2005; Vallino, 1998)指出，擴增實境依據顯示 技術可分為：

1.頭戴式顯示型(Head-Attached displays)：指使用者需要戴上顯示器才能夠看 到虛擬物件，如視網膜顯示型(retinal displays)、頭戴式顯示型(head-mounted displays)、頭戴式投影型(head-mounted projectors)。

2.手持式顯示型(Hand-Held displays)：指以手機、個人數位助理(PDA)平板電 腦產生影像，可分為影視透視手持裝置(video see-through hand-held devices)、光 學透視手持裝置(optical see-through hand-held devices)。

3.空間顯示型(Spatial displays)：空間顯示型是指使用者不需配戴任何裝置，

虛擬影像即可整合至真實環境當中，螢幕影視透視顯示型(screen-based video see-through displays)、空間光學透視式顯示型(spatial optical see-through displays)、

空間投影式顯示型(projection-based spatial displays)。

4.電腦螢幕顯示型(Monitor-based displays)：這是一種最初級的擴增實境顯示 系統，顯示方式為結合電腦螢幕與攝影機，透過攝影機捕捉到使用者看到的真實 環境，然後傳送到電腦中，在顯示器則會同時出現使用者看到的真實環境與虛擬 影像。

然而，隨著應用層面的不同，Yan、Yun、Liang、Yu 和 Zhang (2011)指出擴 增實境需要的硬體設備至少包含以下三種必要配備：

1.視訊攝影機(camera)：此為擴增實境系統的輸入設備，透過視訊攝影機系 統可以讀取現實環境中的影像或圖卡，並且傳送至電腦中以進行運算。

2.電腦(computer)：此為處理擴增實境系統的運算設備，視訊攝影機從現實 環境中所讀取到的影像或圖卡，電腦辨識之後，可將此影像轉換為設定好的虛擬 物件，再將此虛擬物件透過顯示設備對應至影像或圖卡上。

3.顯示設備(display device)：此為擴增實境系統的輸出設備，用來展示真實 與 虛 擬 混 合 的 影 像 ， 而 擴 增 實 境 系 統 的 顯 示 設 備 主 要 包 括 頭 戴 式 顯 示 器 (head-mounted display, HMD)、手持式顯示器、電腦螢幕與投影機等。

三、擴增實境應用於教育領域之研究

(一) 擴增實境之優勢

Billinghurst (2002)認為擴增實境可以提供教學的益處為：1.在真實與虛擬環 境之間提供一種無接縫的互動(seamless interaction)，因此學生可以在真實的環境 之下跟虛擬物件做一個直接的互動；2.基於實體介面(tangible interface)，使用者 直覺式地使用實體物件(physical objects)來操作虛擬資訊，即使沒有任何電腦經驗 的使用者，透過這種學習方式也可以得到相當豐富的互動經驗；3.具有順利轉換 真實與虛擬的能力，因此擴增實境可以讓學生沉浸在學習內容上面。

因為擴增實境能夠有效地整合真實的學習環境與電腦生成的虛擬世界，因此 可以激發出學生的學習動機，Pengcheng、Mingquan 與 Xuesong (2011)提出基於 擴增實境的實驗應用(AR based experiment applications)之設計原則：科學性

(scientificity)、靈活性(flexibility)、互動性(interactivity)。卓詠欽與王健華(2008) 依據專家訪談與文獻資料，研究發現擴增實境可以應用在臺灣地區國小自然與生 活科技領域之課程當中，不過仍需要考慮課程內容適切性、課程進度之規劃安 排。

為了探討擴增實境在教育領域中是否具有用性(usefulness)，Sumadio 與 Rambli (2010)建構了一個擴增實境雛型(AR prototype)用來教授國中物理課程，實 驗過後，從受試者的填寫問卷當中，可以發現若是涉及到需要與虛擬三維模型互 動的課程，即使沒有擁有很好的電腦操作技能，使用者也可以很容易地進行學 習。

一般電腦輔助教學有助於學生在課程之外加強學習，而圖卡式擴增實境可以 讓教學軟體的呈現更具備直覺性，而且擴增實境有助於解決抽象的立體概念，解 決傳統多媒體系統所無法直覺式顯示立體空間的問題(范丙林、薛威明、蔣丏，

2008)。

(二) 自然與生活科技領域

擴增實境具備虛實整合與互動性之特性，因此國內外研究人員將擴增實境應 用於各種學校課程的學習領域，如數學、化學、物理學、生物學和地球科學方面，

以期望提高學生的參與程度與教學成效。Martín-Gutiérrez 等人(2010)利用擴增實 境技術開發「AR Dehaes」，為了探討此一教學工具是否能有效改善學生的空間能 力，因此使用準 實驗 法進行研究，研究發現實驗組學生的空間關係(spatial relations)與空間可視化(spatial visualization)測驗分數明顯高於控制組，而且 AR Dehaes 也被認為是一個易於使用和非常有用的教學工具。林勝賢等人(2010)探討 擴增實境融入自然課程，對國小學生學習動機與學習成就的影響，研究發現擴增 實境融入行動學習對於引起學生的學習動機比起靜態圖片更有其效果，而且實驗 組與對照組的學習成就分數具有顯著差異。

擴 增實境顯 示技術 的應用方 式 亦是研 究 人員探索的主 題之一 ，Asai 、 Kobayashi 與 Kondo (2005)使用兩種擴增實境的顯示系統展示咖啡因化學分子之

三維模型並進行教學，顯示系統分為：手持式電腦(Handheld PC)與筆記型電腦攝 影機(WebCam Notebook)、頭戴式顯示器(HMD)與 Qcam Pro 4000，實驗實施過後，

利用問卷調查使用者的感想，研究指出若是長時間使用此種教學方式，大部分學 生都同意手持式電腦比 HMD 還要更好一些，因此擴增實境教材比較適合使用手 持式電腦來展示內容。Chen (2006)探討化學系大學生使用擴增實境虛擬模型 (augmented reality models)與實物模型(physical models)來學習氨基酸的互動方式 有何不同，研究表明有部分學生較喜歡使用圖卡(marker)操作虛擬模型來觀察不 同角度，然而有部分學生仍然喜歡使用實體模型來操作。

由於擴增實境系統開發技術日益成熟，相關軟體取得也較為方便，因此以下 列舉出與系統開發相關的研究。Irawati、Hong、Kim 與 Ko (2008)設計出可以在 虛擬實境與擴增實境環境中運作的互動系統，該系統讓使用者透過多感官顯示系 統(multi-sensory display systems)以了解多米諾骨牌效應(domino effect)，亦即使用 者透過桌上型電腦以及頭戴式顯示器(HMD)體驗擴增實境的虛擬場景，並且可以 自由地改變一些參數設定，如位置與速度等。

Shelton 與 Hedley (2002)針對地理系大學生開發一套教學工具，教授地球與 太陽之間的關係，由於擴增實境可以讓學生與虛擬的三維物件互動，因此可以顯 著地提高學生對於地球與太陽之間運行關係的理解能力。張珈(2010)利用擴增實 境的概念發展手持式數位渾天儀(Mobile Digital Armillary Sphere)，融入國小天文 教學課程並且進行實驗教學，相較於傳統紙本工具，可以有效提升學生學習興趣 與星座基本觀念的學習成效。從過往的相關研究可以得知，擴增實境學習環境可 提供一個較好的互動介面，以及有效增進學習經驗(Tan, Lewis, Avis, & Withers, 2008)，下表 2-1 整理出上述所提及的相關研究。

表 2-1

Hedley (2002) 星座 學習成就 手持式 準實驗法 國小學生 張珈(2010)

(三) 藝術與人文領域

在藝術與人文領域中，擴增實境也相當適合作為一種開發創造力的媒體。

Berry、Makino、Hikawa、Suzuki 與 Inoue (2006)開發出一套可編曲的擴增實境系 統「Music Table」，透過操作桌面上的立體方塊，沒有經驗的兒童也可以創作出 音樂節拍(musical pattern)，而參與實驗的兒童皆能在短時間內將自己所創作出的 音樂節拍做出許多變化，研究結果指出 Music Table 相當適合作為一個音樂教學 之教材工具。另外，Motokawa 和 Saito (2006)使用擴增實境開發一套支援系統以 幫助使用者學習吉他彈奏，以攝影機與圖卡(marker)進行追蹤吉他位置，而使用 者可以透過電腦螢幕看到一個虛擬手掌模型疊加在真實的吉他線上，讓使用者更 加容易地按照指示進行吉他練習。

擴增實境學習環境下的使用動機與信念亦是相關研究所要探討的目標，林信 志等人(2010)使用擴增實境設計出一套聖誕節的數位教材，探究學生使用擴增實

境進行學習時的態度與意願，而研究結果指出知覺趣味性(perceived playfulness) 是影響使用者行為相當重要的因素，擴增實境教材帶來的新奇感最容易讓學生進 入一種玩興的狀態，進而提升學生的專注度。而 Di Serio、Ibáñez 與 Kloos (2012) 為了探討學習情境是否會造成學習動機有所差異，以及透過擴增實境進行學習學 生是否感到困難，因此分別使用投影片與擴增實境兩種方式進行視覺藝術課程的 教學，研究發現使用擴增實境學習系統的學生表示在系統使用上，不會感到困難 而且可以有效提升藝術課程學習動機。

(四) 教育訓練領域

擴增實境具備即時互動與虛實整合的特點，因此相當適合從事各個領域的教 育訓練。Chen 與 Tsai (2012)發展一套擴增實境圖書館指引系統(augmented reality library instruction system, ARLIS)並認為可以提升小學生的圖書館知識，因此透過

擴增實境具備即時互動與虛實整合的特點，因此相當適合從事各個領域的教 育訓練。Chen 與 Tsai (2012)發展一套擴增實境圖書館指引系統(augmented reality library instruction system, ARLIS)並認為可以提升小學生的圖書館知識，因此透過