擴增實境

本節探討擴增實境的定義、擴增實境的顯示技術、擴增實境的架構原理與辨 識技術、擴增實境呈現方式、擴增實境的應用、以及應用擴增實境之優點。

壹、擴增實境的定義

擴增實境（Augmented Reality，簡稱 AR），又名增強現實，與擴增實境觀念 相當類似的另一種技術稱為虛擬實境，但其中一項根本差異是：虛擬實境企圖取 代現實的世界，而擴增實境則是在真實世界上擴增資訊（Feiner, 2002）。因此擴 增實境其強調虛擬實境與真實世界作結合，預先在真實環境中設定好虛擬物件，

讓使用者接收虛擬物件與真實環境合併後資訊，並讓使用者與擴增實境系統作互 動，進而產生有別以往的使用經驗（Wernhuar & Kuo-Liang, 2012）。

Azuma（2004）認為擴增實境是虛擬實境的一種改革，並為擴增實境做出了 以下的定義：（1）虛擬環境（Virtual Environment, VE）：完全取代真實世界；（2）

擴增實境：使用者可在真實環境裡，看到虛擬物件與真實環境做結合；（3）支援 真實環境，而非取代真實環境；（4）寫實的圖像不是主要的目標；（5）在真實的 環境中，融合了真實與虛擬的物件（6）即時互動；（7）3D 定位；（8）允許所有 感官（如聽覺、觸覺）；（9）不是只適用於頭戴式顯示器（Head-Mounted Display, HMD）；（10）包含移除部分真實環境的想法。擴增實境透過電腦系統所提供的

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大，擴增實境開發門檻已降低，已從實驗室走出，並進入大眾生活中；擴增實境 技術已在很多行業得到了應用，比方醫療、景觀、軍事、遊戲、機械維修等，因 此，往後將會出現更多樣的擴增實境應用（Wernhuar & Kuo-Liang, 2012）。

總而言之，擴增實境並非想完全取代真實環境，而是藉由在真實環境下添加 虛擬物件，透過所添加的虛擬物件來豐富使用者對真實環境的感受，且擴增實境 強調給使用者最直接的瀏覽方式，因此，所呈現的虛擬物件會隨著使用者視線移 動而做出改變，大大降低使用者額外的瀏覽負擔。

貳、擴增實境的顯示技術

擴增實境是一種將虛擬影像疊合到現實環境中的科技，所以根據不同顯示技 術主要可分為頭戴式、非頭戴式這兩大類（Azuma et al., 2001），以下針對此兩類 個別分述：

一、 頭戴式顯示技術

頭戴式顯示技術主要又分成視訊螢幕顯示器（Video See-through Head Mount Display）與光學投射顯示器（Optical See-through Head Mount Display）這兩種

（Azuma et al., 2001），其中在擴增實境應用上，又以視訊螢幕顯示方式較為廣泛 使用。視訊螢幕顯示器是將攝影鏡頭與追蹤器架於頭戴式顯示器上，在透過追蹤 器將所捕獲到的資訊影像傳回到主機電腦後，經過運算後再將攝影機所捕抓到的 現實環境與電腦所產生的虛擬影像做堆疊，然後再將現實與虛擬的畫面同時顯現 給使用者。

光學投射顯示器則將未經壓縮過的真實世界影像直接透過鏡片讓使用者觀 看，同時在鏡片上投射出虛擬影像，再配合追蹤器將使用者所面對的方位資訊捕 獲後，便可將虛擬影像放置在正確位置上並與真實環境做疊合。

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二、 非頭戴式顯示技術

非頭戴式顯示器較廣為使用且較具彈性的呈現方式為手持式裝置，其原理是 透過攝影機擷取影像畫面後，將虛擬影像與真實環境作結合後顯示於電子屏幕上，

原理大致與頭戴式視訊螢幕顯示技術相同，而唯一不同的地方在於使用者無需將 其電子屏幕等設備戴在頭上，而是直接以手持方式拿在手上即可，此時手持式裝 置所扮演的角色如同一面可看見虛擬物件的窗戶一樣，同時呈現真實與虛擬物件

（Rekimoto&Ayatsuka, 2000），這也算是現今較為普遍的擴增實境顯示技術方式。

近年來隨著平板電腦與智慧型手機的問世，其硬體裝置與效能也不斷提升，使得 擴增實境的應用平台逐漸轉移到行動裝置上，加上行動裝置的機動性、互動性與 方便性皆高，大大的提升擴增實境在行動裝置上的應用。

參、擴增實境的架構原理與辨識技術

2005 年 Oliver Bimber 在著作書「Spatial Augmented Reality Merging Realand Virtual Worlds」中提出擴增實境的基礎架構原理，如圖 2-1 所示：

圖 2-1 擴增實境基礎架構

（Bimber & Raskar, 2005, p.6）

由下往上分別為第一層追蹤和定位（Tracking and Registration）、顯示技術

（Display Technology）以及三維立體繪圖（Rendering）的基礎部分；第二層人 機互動機制（Interaction devices and techniques）、展示（Presentation）和創作

（Authoring）；第三層應用程式，透過相關的擴增實境技術，將其結果呈現於使 用者面前；最上層第四層則為終端使用者。

以追蹤技術而言，可分為計算機視覺、全球定位系統（GPS）、羅盤等技術，

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其中計算機視覺為一種影像處理技術，稱為視覺追蹤。視覺追蹤可區分為使用特 定標記進行解碼與無標記直接使用電腦視覺辨識運算特徵物這兩種方式；而定位 技術主要以 GPS 與電子羅盤來追蹤資訊（鍾德煥，2011）。以下針對特定標記、

無標記與 GPS 定位辨識技術分別概述之：

一、特定標記辨識技術

此為使用特定標記或圖形符號來進行辨識，將要辨識之實際物件放於電腦註 冊過的特定圖形標記前，再透過攝影機進行影像辨識後，就能在特定標記上疊加 所需呈現的虛擬物件內容，但如果標記圖形過遠，或照射角度不精準等，都將會 影響辨識效果導致無法正確辨認圖形（張樹安，2011）。使用特定標記的現有開 發平台工具有：ARToolKit、ARTag、QCARSDK 等。目前廣泛被使用的特定標 記辨識系統是由 Kato 與 Billinghurst（1999）發展出並應用於 ARToolKit，它提 供相對可靠且穩定的建置應用函式庫。除了函式庫所包含之標記外，也可依據需 求自行設計標記圖示，為了更精準的追蹤定位，ARToolKit 官方使用標記如圖 2-2，

其建議圖標設計原則如下：

1. 於黑色正方形中間包含一個白色正方形。

2. 白色種方行內之圖案採黑、白、或彩色來設計。

3. 白色正方形內部圖案最好為非對稱設計。

圖 2-2 ARToolKit 標記範例

QR Code（Quick Respones Code）為另一種常見標記，它是二維條碼的一種，

為日本 Denso-Wave 公司於 1994 年發明。透過 QR-Code Generator 產生之 QR Code

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圖像，呈正方形，只有黑白兩色。於 3 個角落印有像「回」字的正方形圖案，主 要用於幫助解碼軟體定位，如圖 2-3。

圖 2-3 透過 QR-Code Generator 產生之範例

二、無標記辨識技術

無標記辨識技術乃不需採用特定標記、或圖形符號即可直覺經由電腦視覺進 行辨識。Gordon 與 Lowe（2004）使用影像特徵進行識別追蹤，辨識方式為透過 攝影機對準真實環境中欲辨識的物件，再經由電腦運算辨識出特徵物件後，進行 虛擬物件疊加於真實環境中。關於無標記之特徵點辨識，常採用物件的紋理、顏 色、輪廓等來進行辨識之條件，因此，需要耗費龐大硬體運算資源和資料庫（鍾 德煥，2011）。目前使用無標記辨識的現有開發平台供具有：D’Fusion、Unifeye 等。其中 Unifeye 為德國 Metaio 公司之擴增實境開發套件，如圖 2-4 採用 Unifeye 為樂高設計擴增實境展示機，利用辨識相關圖樣標籤與消費者即時互動，將玩具 的三圍物件呈現於展示機的螢幕上。

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圖 2-4 消費者與樂高擴增實境展示機互動

（Metaio 官方網站）

三、GPS 與電子羅盤定位辨識方式

GPS 定位辨識技術為自動判斷使用者所在的方位後，在依據使用者相對位置 進行方位的物件辨識與疊加，提供資訊讓使用者遊覽，此種方式稱為被動式導覽；

與前述兩種辨識技術，較為適用於更遠與更廣的距離範圍。不過 GPS 會受到本 身定位的誤差，而無法做出近距離精準的辨識，且於室內因有遮蔽物的關係，致 使也無法使用 GPS 定位辨識。以 GPS 定位追蹤方式的開發工具有：Layar、

Wikitude 等。比如 Layar 藉由 GPS 追蹤定位後，可將附近各種不同的資訊呈現於 行動載具的屏幕上，透過圖形化標識告知使用者，景點位置、距離、機能等，讓 使用者就算位於遠處，也可初步了解景點資訊（張樹安，2011），如圖 2-5。

圖 2-5 Layar 執行畫面

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經由上述追蹤技術發現，當使用者位於戶外時，直接以 GPS 定位技術來追 蹤資訊的範圍較廣，將不受限於特定標記的使用範圍。且透過 GPS 定位技術追 蹤，可省去行動載具耗費大量硬體計算資源與資料庫的效能，使行動載具的使用 功效可以更為快速，使用者使用起來也較為流暢。另外，目前 GPS 定位技術提 供使用者瀏覽資訊皆屬於被動式導覽。因此，本研究將新增讓使用者也能參與建 置景點的主動式導覽系統，讓使用者也能分享一些特色景點供其它使用者瀏覽。

肆、 擴增實境呈現方式

擴增實境有瀏覽式介面、3D 立體擴增實境介面、觸碰式介面、觸碰式擴增 實境介面等四種呈現方式，分別為（Billinghurst et al.,2001）：

1. 瀏覽式（Browsing Interfaces）：此運用方式主要為較單純的接收資訊，

如 Rekimoto（1998）利用擴增實境技術，為圖書館書目檢索或說明瀏 覽。

2. 3D 立體擴增實境（3D Interfaces）：此方法運用較創新的呈現技巧，其 利用實際人類操作上的經驗轉換到 3D 立體擴增實境上，可以清楚了 解使用上是否合適（Bimber,2000）。

3. 觸碰式（Tangible Interfaces）：將真實物體與實體結合來產生互動操作，

如此一來，可以讓使用者對原本物體的操作感官有不同的體認方式

（Piper,2002）。

4. 投影觸碰式（Tangible）：此為運用投影在物體上對與被擷取物體來產 生即時互動。

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伍、擴增實境的應用

在教育方面的應用，美國華盛頓州立大學的人機介面實驗室所進行的先導型 計畫所開發的魔法書（Billinghurst et al., 2001）。為最早將 AR 技術應用於教育上，

學生透過頭戴式擴增實境系統，進行書上立體物件或動畫的閱覽。魔法書包括完 去的歷史圖像與資訊，藉以增強他們的理解力（Johnson, Smith, Willis, Levine,

學生透過頭戴式擴增實境系統，進行書上立體物件或動畫的閱覽。魔法書包括完 去的歷史圖像與資訊，藉以增強他們的理解力（Johnson, Smith, Willis, Levine,