擴增實境

擴增實境（Augmented Reality）的概念最早在 1968 年由 Ivan Sutherland 所 提出，並與其他研究學者共同開發出一套機械式追蹤頭戴顯示系統，如圖 2-5-1 所示，該系統是藉由一套可穿戴在頭上的機械設備，透過電腦運算處理後使用者 可在顯示裝置上同時觀看到雙重資訊，分別為電腦運算出的資訊與真實環境

（Sutherland, 1968）。雖然該系統具有設備龐大且需懸掛於空中的缺點，但也奠 定了擴增實境的基本概念，這個概念即為在真實的環境中加入電腦即時運算的虛 擬資訊。而擴增實境與虛擬實境最大不同處，乃是前者建構於真實環境中，並強 調真實與虛擬兩者間的互動；而非後者僅建構於虛擬環境中。

圖 2-5-1 1968 年 Ivan Sutherland 開發的機械式追蹤頭戴顯示系統（Carmigniani, Furht, Anisetti, Ceravolo, Damiani, & Ivkovic, 2011）

1994 年 Paul Milgram 和 Fumio Kishino 對於這種介於真實與虛擬之間的概念，

提出了「真實－虛擬連續性」（Reality-Virtuality Continuum）的理論，主要探究 介於真實環境與虛擬環境間的混合實境（Mixed Reality），如圖 2-5-2 所示。在 示意圖中，左右兩邊分別各代表著真實環境和虛擬環境，而介於這兩者間的「連 續範圍」部分就是所謂的混合實境，所以擴增實境即為混合實境的一種。

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圖 2-5-2 真實-虛擬之連續性示意圖（Milgram & Kishino, 1994）

在混合實境之中還可細分為兩種類型，一種為擴增實境（Augmented Reality）

另一種則稱之為擴增虛境（Augmented Virtuality)，區別方式為視該混合實境中 真實與虛擬兩種間哪項比例較高，若混合實境中真實環境的成份高於虛擬環境者，

則稱之擴增實境；相對而言，如果是虛擬環境高於真實環境時，則稱之為擴增虛 境。而所謂的擴增虛境是相對於擴增實境而言，大部分場景與物件均是虛擬的，

然後在這虛擬場景中添加真實環境中的影像或物件（Milgram & Kishino, 1994）。

西元 1997 年 Azuma 在《A Survey of AR》一文中更清楚地規範擴增實境的定義，

其定義為擴增實境是一種介於虛擬與實境兩者間的一種技術，且必須含有三項必 要特性：1.必須結合虛擬與真實實境的兩個元素。2.內容必須具備即時性的互動。

3.必須具有空間性，讓使用者在三度空間內進行互動（Azuma, 1997）。擴增實 境在 Paul Milgram、 Fumio Kishino 和 Azuma 等的學者所提出的理論規範與定義 下，讓擴增實境有了更明確的發展方向與更嚴謹的理論基礎。

1998 年日本 Sony 公司 Jun Rekimoto 提出了使用 2D marker 作為擴增實境追 蹤的方法，如圖 2-5-3 所示。使用攝影機來擷取真實環境中的 2D marker 影像，

然後電腦進行影像處理並產生相對應的資訊，最後透過影像合成形成擴增實境。

此種 2D marker 具有可印刷性與便利性能隨時隨地放置在真實環境中的任何物體 上；此外，不需要 3D 感應器來偵測僅需使用一般的攝影機即可帶出擴增實境。

圖 2-5-3 2D marker 的擴增實境系統示意圖（Rekimoto, 1998）

此種運用 2D 辨識圖案的擴增實境系統現今仍然廣泛地被使用，例如華盛頓 大學（Washington University）人機互動實驗室（HIT Lab）所製作的蛋白質結構 魔法書，如圖 2-5-4 使用者可透過攝影機照射書上的辨識圖案，然後在電腦螢幕 上顯示出 3D 的蛋白質結構模型，讓抽象的概念具體化。2011 年葡萄牙也有學者 透過擴增實境來開發皮革教學互動系統（Macaes, Pimenta, & Carvalho, 2011），

讓傳統的皮革工藝技術能結合現今的科技重新呈現，並藉由互動的方式達到提高 使用者的學習成效。

(a) (b)

圖 2-5-4 2D marker 擴增實境應用案例：(a)華盛頓大學人機互動實驗室的蛋白質 結構魔法書（HIT Lab）；(b)葡萄牙傳統皮革教學互動系統（Macaes, Pimenta, &

Carvalho, 2011）

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圖 2-5-5 紅外線隱藏型擴增實境辨識圖案裝置示意圖（Park H. & Park J.I., 2010）

圖 2-5-6 系統實際運作之畫面；(a)普通攝影機的畫面；(b)紅外線攝影機的畫面；

(c)為(a)(b)兩畫面合成後的擴增實境畫面（Park H. & Park J.I., 2010）

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2005 年有日本學者提出利用半透明的紅外線反射裝置來隱藏擴增實境的辨 識圖案，來達到隱藏式辨識圖案（invisible marker）的效果（Nakazato, Kanbara, &

Yokoya, 2005）。系統整體架構如圖 2-5-7 所示，首先使用者必須穿戴上頭戴式 顯示器，該顯示器上裝配有紅外線 LED 的紅外線攝影機，使用者另需配備可攜 式電腦來處理擷取到的影像訊號；此外，在真實環境場景中還需預先設置可反射 紅外線的半透明辨識圖案。當紅外線攝影機擷取到反射回來的辨識圖案訊號後，

經電腦處理即可呈現擴增實境的效果，如圖 2-5-8 所示。圖 2-5-8(a)為一般正常 光下的真實環境中，肉眼觀察下和一般環境空間無異；圖 2-5-8(b)為此系統的半 透明紅外線反射式擴增實境辨識圖案；圖 2-5-8(c)則為經頭戴式顯示器後可得到 的擴增實境畫面。此種方法確實能隱藏辨識圖案於真實環境中，但卻需有諸多的 前置作業進行方可得到其效果。

圖 2-5-7 頭戴式 IR 攝影機擴增實境系統示意圖（Nakazato, Kanbara, & Yokoya, 2005）

(a) (b)

(c)

圖 2-5-8 頭戴式 IR 攝影機擴增實境運作範例(a)真實環境；(b)半透明紅外線反射 式 AR 辨識圖案；(c)擴增實境場景（Nakazato, Kanbara, & Yokoya, 2005）

2010 年劉文心利用 AM 與 FM 的混合網點將擴增實境的辨識圖案隱藏在影 像內，因 AM 分佈區域含有可吸收紅外線之碳黑成份的黑墨，而 FM 分佈區域則 是由不含碳黑成分的 CMY 所構成，故在紅外線光源照射下即可產生出 AR 辨識 圖案並帶出擴增實境 3D 效果，如圖 2-5-9 所示。

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(a) (b)

圖 2-5-9 (a)紅外線下可看到隱藏之浮水印；(b)帶出 3D 效果示意圖(劉文心，2010)

2、電腦運算法

2007 年韓國學者提出運用電腦即時運算方式來讀取隱藏在影像中的資訊

（Lee, Shin, & Hwang, 2007），如圖 2-5-10 所示。此種方法與資訊隱藏所使用的 加密數位浮水印概念相似，其運作原理為在一般實體影像的數位檔中藏入一數位 浮水印，當攝影機擷取此影像時可透過電腦即時運算來解出影像中所藏入的數位 浮水印，而此浮水印便能啟動擴增實境，如圖 2-5-11 所示。此種方法確實能將 辨識圖案以浮水印的方式藏入影像中，但電腦在進行影像辨識與即時運算時需要 較為複雜的處理，因此電腦硬體設備相對於現行擴增實境系統設備要求較高。

圖 2-5-10 即時運算方式之擴增實境運作流程說明（Lee, Shin, & Hwang, 2007）

(a) (b) (c)

圖 2-5-11 系統運作畫面；(a)攝影機擷取影像；(b)電腦即時運算得到的浮水印；

(c)浮水印帶出擴增實境效果（Lee, Shin, & Hwang, 2007）

二、無標誌（marker-less）的擴增實境系統

無標誌（marker-less）的擴增實境系統相對於傳統擴增實境辨識圖案與上述 的隱藏式辨識圖案系統最大的差別在於，無標誌的擴增實境系統不需要擷取辨識 圖案（marker），而改採偵測真實環境影像中的特徵點來帶出擴增實境的 3D 效果。

下列將提出 3 個 2011 年無標誌擴增實境系統的應用案例。

1、擷取影像特徵點的無標誌（marker-less）擴增實境系統

2011 年韓國中央大學學者提出運用偵測平面物體上的特徵點（features）來 實踐無標誌（marker-less）擴增實境系統，該系統為透過攝影機節取到的影像與 電腦針對節取到的影像進行特徵點的即時運算，如抓取到符合的特徵點數量則可 帶出相對應的擴增實境 3D 模型（Lee, A., Lee, J. Y., Lee, S. H., & Choi, 2011），如 圖 2-5-12 所示；此外，及時攝影機沒有擷取到整個目標影像，該系統仍可透過 局部目標影像中的特徵點來維持擴增實境的運作，如圖 2-5-13 所示。

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圖 2-5-12 (a)原始影像；(b)特徵點擷取；(c)不同角度像特徵點擷取狀況（Lee, A., Lee, J. Y., Lee, S. H., & Choi, 2011）

圖 2-5-13 目標影像超出攝影範圍特徵點仍可維持擴增實境運作（Lee, A., Lee, J.

Y., Lee, S. H., & Choi, 2011）

2、透過人體特徵辨識的無標誌擴增實境系統

2011 年日本學者利用人體的五隻手指作為無標誌擴增實境系統的特徵辨識

（Kato, H., & Kato, T., 2011）。透過辨識五隻手指的指間位置與手指間的間距來 定位，並結合智慧型手機來帶出擴增實境效果，如圖 2-5-14 所示。該系統選用 手指指尖作為辨識特徵點，其原因在於手指指尖較易被辨識且該系統為建立在智

慧型手機上，因此受限於手機的電腦運算速度，故須選定較不複雜的特徵。此系 統確實能改善無標誌擴增實境系統因需大量運算，而使其在辨識速度上相較傳統 慢，且辨識特徵點不能移動過快的缺點，但其應用層面能教受限。

(a) (b) (c) 圖 2-5-14 (a)指尖特徵點偵測；(b)使用智慧型手機偵測；

(c)手指帶出擴增實境效果（Kato, H., & Kato, T., 2011）

3、結合無線網路（Wi-Fi）與伺服器的無標誌擴增實境系統

2011 年韓國 KAIST 學者提出用手機結合無線網路傳輸與伺服器連結來帶出 無標誌擴增實境效果（Ha, Jung, Han, Cho, & Yang, 2011）。此系統是藉由手機來 擷取真實環境中的實體影像，再透過無線網路把資訊傳輸到次服器主機，次服器 主機便開始進行影像處理與運算，最後再把相對的擴增實境資料回傳至手機上，

達到無標誌的擴增實境環境，系統架構圖可由圖 2-5-15 所示。此系統雖然實踐 了手機的無標誌擴增實境環境，但同時也說明了無標誌擴增實境系統因需要大量 的電腦運算處理，故無法讓智慧型手機的電腦足以負荷，所以採用連接其他設備 較好的處理器作運算，因此需要耗費雙向傳輸的時間，且無線網路 Wi-Fi 具有地 域性限制，其頻寬亦是不確定的因素之一。

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圖 2-5-15 結合無線網路與伺服器的無標誌擴增實境系統架構圖（Ha, Jung, Han, Cho, & Yang, 2011）