擴增實境

一、擴增實境的意涵

1960 年代，Ivan Sutherland 在研究中使用頭戴式 3D 顯示設備 (HMD)結合簡單的技術，將電腦所產生 3D 影像與真實物件結合在一 起投射呈現在牆壁上，為擴增實境最早的概念起源。

擴增實境是一種計算攝影機影像的位置及角度並加上相應圖像 的技術，這種技術的目標是在螢幕上把虛擬世界套在現實世界並進行 互動。(維基百科 2010 年 7 月 9 日)

擴增實境與虛擬實境〈Virtual reality, VR〉最大的不同點在於與 真實世界的結合。所謂的擴增實境是將虛擬的物件資訊，利用顯示器 疊加到使用者現實世界空間中的感官知覺上，在現實實境中擴增資 訊，讓使用者在親眼所見的實際環境中操作3D 立體虛擬物件，並有 虛實並存的感覺，目的是為了讓使用者得到正確的訊息。擴增實境的 目的在於對真實世界資訊的補充，而且必須同時做到與真實世界無縫 的連結，而非如虛擬實境所呈現之取代特性。相對之下，虛擬實境則 是企圖以電腦科技技術所建置的虛擬空間環境取代真實世界，物件及 環境都是電腦虛擬的，模擬場景空間及所進行的擬真動作行為，讓使 用者感受到存在於三度空間的視覺效果， 目的是讓使用者可以藉由 虛擬實境體驗到臨場感，並在虛擬環境下穿梭或互動。例如飛行員訓 練常使用虛擬實境來增加受訓者的臨場感；有許多博物館、觀光網站 也推出線上虛擬導覽，提供使用者在家上網就可以事先有親臨現場的 體驗。

二、擴增實境的特性

Milgram 和 Kishino(1994)提出真實-虛擬連續性（Milgram's

Reality-Virtuality Continuum），為擴增實境奠定了確實理論。理論中，

連續線性的兩端分別代表著真實環境和虛擬環境，位於中間範圍為

「混合實境（Mixed Reality）」。比較靠近「真實環境」端者，即為擴 增實境（AR），靠近「虛擬環境」端者，即是虛擬實境（Augmented Virtuality）(維基百科，上網日期:2010 年 7 月 14 日)。所以虛擬實境 四周環境皆為虛擬的，擴增實境周圍環境為真實的。Azuma(1997)在 研究中指出擴增實境有三個必要的屬性:1.同時包含真實與虛擬。2.即 時性的互動。3.呈現在三度空間內運作。

圖2.真實－虛擬連續性(Reality-Virtuality Continuum)」理論 (Milgram & Kishino, 1994)

擴增實境的特點是依附在真實環境中，再藉由電腦設計出的虛擬 物件，額外再加上資訊、互動及感官經驗。朱乙仲(2010)提出擴增實 境有幾點發展優勢：1.使用者不需要侷限在某個定點或是位置，使互 動更加自然隨性。2.讓使用者在真實環境中增強其感官刺激，較容易 適應跟學習。

擴增實境應用所需求的設備，包含網路攝影機、圖像辨識系統以 及建模技術。而擴增實境的理論要點包括：1.擴增實境可以引導使用 者逐漸進入情境。2.擴增實境是將虛擬物件加入真實環境中，讓使用 者有實境感。3.擴增實境可增加導覽的有效性，。

三、擴增實境顯示方式

擴增實境主要成像流程，主要是利用攝影機對符號或圖卡的識 別，圖卡符號樣式並不受限制，當電腦辨識到符號之後，會依照在電 腦資料庫中的設定值顯示出與符號相應對之虛擬物件，然後將物件繪 製並合成在攝影機擷取到的真實環境畫面中，並顯示擴增資訊後的在 螢幕或頭戴顯示器(HMD)，甚至是手機等裝置上面。如果是 3D 影像 則須計算X、Y、Z 軸。使用者可以任意轉換觀看角度去觀賞虛擬物 件各面向，讓使用者更有真實體驗的感覺。

圖3.擴增實境在符號辨識及資訊疊加的過程(Billinghurst，2001)

因為擴增實境成像方式需要電腦週邊設備完成輸入及輸出影像 工作，所以需要的設備如下:

1.影像輸入裝置：由於電腦需要擷取真實環境的畫面資訊，之後 加入擴增資訊後再顯示到顯示器上面提供觀看。所以必須有影 像輸入的設備，如數位攝影機，或者是利用一般攝影鏡頭拍攝 後進行處理。

2.顯示器：經過處理的擴增資訊與真實影像結合之後，再利用顯 示設備輸出給使用者，成像方式為輸入裝置擷取之影像，辨識 輸入影所繪製之虛擬物，最後原始影像與虛擬物件疊合之後顯 示至顯示器之畫面，而顯示設備目前應用於擴增實境最佳的選 為頭戴式顯示器(HMD)，因為頭戴式顯示器可以提供給使用者 較佳效果，而一般顯示器則是最易取得的視訊輸出設備。

3.電腦與軟體：攝影機鏡頭負責將擷取真實環境的畫面，經電腦 運算後在真實環境中加入虛擬資訊，之後再輸出影像畫面到使 用者觀看的顯示器中。

圖4.擴增實境系統運作環境(Liarokapis, 2006)

依據使用器材設備以及顯示結果的不同，擴增實境有以下三種顯 示方式：

1.以顯示器呈現之擴增實境：以顯示器來呈現所有場景，是最簡 易且便利的方式。

訊號整合後之顯示設備

此外，依據呈現介面不同，擴增實境有以下三種不同呈現介面。

(引自陳連福、黃雅玲、陳建旭，2007)：

1. 瀏覽式介面(Browsing Interfaces)：單純的接收資訊運用為主。

(資料來源: Rekimoto, 1998)。

圖8. 擴增實境之瀏覽式介面(林柏杰，2009)

圖9. A 3D molecular model pops-up from the book(資料來源: Rekimoto, 1998) 2. 3D 立體擴增實境介面(3D ARInterfaces)：利用操作經驗轉換為

3D 立體擴增實境介面上，了解使用上適合與否。(資料來源:

Bimber, 2000)。

圖10. 3D 立體擴增實境介面

(資料來源:httpwww.youtube.comwatchv=FdC-PRmNcRs)

3. 觸碰式介面(Tangible Interfaces)：與實體結合運用真實物體來 產生互動操作，與實際環境空間相結合，這樣的介面能夠讓使 用者對原本物體操作官感有不同認知來進行操作用。(資料來 源: MIT's Media Lab, 2005)。

圖11. 觸碰式介面 (Fischer & Flohr & Strasser, 2008)

4. 投影式介面(Tangible AR)：運用投影在物體上對於被攝物來產 生即時互動。(資料來源: Ulbricht & Schmalstieg, 2003)。

圖12. 投影式介面(資料來源:http://www.youtube.com/watch?v=xlZL9paQEnY 鋼琴)

四、擴增實境應用實例

擴增實境目前於各領域已經漸漸被廣泛應用，例如行動導覽，使 用者可以直接由行動裝置觀景窗所展現出之實景影像上加疊提示；遊 客購買的風景明信片則也可以使用家中桌上型電腦的webcam，透過 明信片上面的圖示看到景點3D 效果，也寄給其他親友利用官方網站 觀賞虛擬的景物；也可以利用在導覽手冊上，辨識手冊內的符號圖 示，可以讓使用者看到虛擬景象而重現古蹟的原始風貌；目前也有商

業出版品及雜誌書籍應用擴增實境技術，將內容以立體影像呈現，是 非常新穎的宣傳廣告手法；在產品包裝上的應用則是消費者將產品包 裝放在攝影機鏡頭前，螢幕就會呈現虛擬產品；擴增實境技術也可以 應用在公關活動、電影宣傳、產品發表會等發揮宣傳特效等等。以下 為擴增實境目前較常應用之領域：

1.博物館導覽：擴增實境可以應用在例如圖書館、博物館、美術 館等場所導覽系統方面,對於需要導覽類的學習非常有幫助。例 如：2008 年五月，中央研究院歷史語言研究所於國立臺灣民主 紀念館舉辦「穿越歷史長河—文明科技四千年」巡迴特展時，

於開幕時利用AR 擴增實境，向來賓展示史語所於 1930 年代安 陽殷商考古工作所發掘出的3000 年前商朝王家馬車。透過 AR 擴增實境，來賓可以透過轉動特定的紙本DM，來操控在 LCD 螢幕上的虛擬商王馬車，並且欣賞其拆、裝過程的虛擬實境復 原，讓使用者透過直覺感官也可以操作虛擬實境。由於擴增實 境技術對於博物館氣氛與空間營造層面可以讓觀賞者更有實際 體驗的感受，所以未來AR 擴增實境技術的發展，想必也值得 博物館與數位典藏界持續發展應用。(資料來源:拓展台灣數位 典藏Blog http://content.ndap.org.tw/index/blog/?p=758)

圖 13. AR 應用於博物館導覽

(資料來源: http://content.ndap.org.tw/index/blog/?p=758#more-758)

2.戶外景點導覽：美國哥倫比亞大學的「電腦繪圖與使用者介面 實驗室」製作了一套佩帶式AR 校園導覽系統 Touring Machine

「導遊機」（Feiner, 1997），用來協助觀光客遊覽大學校園。使 用者背包上的筆記型電腦會輸出電腦影像，疊現在外型長得像 墨鏡的光學式透視顯示器上，而頭頂上的GPS 接收器則會隨時 追蹤使用者的位置，隨時校正虛擬影像應呈現的位置與方向。

使用者可以一面透過頭戴式顯示器觀看校園3D 影像，同時又 能夠從手持式顯示器得到文字介紹等相關資訊。透過頭戴式顯 示器觀察校園，可以看到校園當中插著許多虛擬的旗標，每一 個旗標都代表著該處有進一步的資訊。實驗室製作了一套關於 布隆明達精神病院（哥倫比亞大學現有校地先前的使用者）的 三維影像歷史紀錄片，影像顯示的位置就在它原來的地點上。

同時手持式顯示器會提供關於布隆明達精神病院歷史的互動式 年表。

圖 14. AR 應用於戶外景點導覽(圖片來源：科學人雜誌，2006)

Engineering An Augmented Reality Tour Guide「建構擴增實境 導遊計畫」（Ritsos, 2003）為英國 University of Essex 所開發的考 古基地導覽裝置，以羅馬的 Gosbecks 教堂為考古導覽對象。

MUSE「龐貝城考古導覽系統」（Scagliarini, 2001）是由義大

利 University of Bologna, Cineca, andSinet 以及 Boconsult IdS 公 司所提出，使用者可以攜帶具有無線傳輸與攝影機功能的手持式 平板電腦在考古現場參觀移動。其螢幕的上下方分別會顯現出所 拍攝到的現場樣貌以及假設復原後的虛擬原貌。經由移動、傾 斜、或旋轉平板電腦，分割畫面將會同步移動、傾斜、與旋轉，

考古學者或是參觀民眾將可在考古現場或是遠端的高解析螢幕 中，得到全方位的 3D 影像資訊。

郭其綱、鄭泰昇(2008）利用擴增實境技術應用於建築與城 市戶外導覽之研究-以「古蹟導覽系統」與「隱形招牌」應用為 例。研究經視覺衝擊評估（Visual Impact Assessment）後證實，

所開發的技術在建築與城市戶外導覽上，除了定位精確快速、系 統成本低之外，更具有視覺環境衝擊較低的效果。

圖 15. AR 應用於古蹟導覽系統(郭其綱、鄭泰昇，2008)

3.室內場所導覽：前往大型商場購物，只要拿起行動裝置，開啟

3.室內場所導覽：前往大型商場購物，只要拿起行動裝置，開啟