第三章 擴增實境發展及應用
第三節 擴增實境的發展
而 AR 應用需要顯示器技術、基準追蹤(Fiducial-Base Tracking)、影像 辨識、電腦繪圖技術，因早期的發展受限於軟硬體技術及成本，離實 際應用有一段距離，在資訊通信技術 (Information and Communication Technology, ICT)有日新月異的科技產品發展出來，相關元件效能都 大幅提昇，使擴增實境技逐漸具有商業應用的發展潛力。
擴增實境技術以虛擬物件將資訊重疊至現實場景，藉此延伸人類 感官未能觸及之處，最早是以加上頭戴式顯示器(Head Mount Display, HMD)等介面，讓使用者有融入(Immersive)情景的感官。隨影像辨識
圖 3-5 關鍵字「Augmented Reality」的 Google 查詢次數統計 資料來源：Google 搜尋透視[2009/11/19]
AR 雖是近一年被熱門起來的新興的技術，許多支援其發展的關 鍵技術卻由來已久，由其近年來快速發展的 ICT 使如智慧型手機所搭 載之微處理器(Micro Processor)，已具備等同於 90 年代工作站
(Workstation)的性能。再加上 3D、視覺應用技術也有很大演進。而關 鍵在於 3D 空間定位技術，其功能為判斷資訊是否能重疊至正確位 置。
從空間定位的資訊可以是由下列元件輸入 一、 視頻輸入攝像頭(Video Camera)
二、 GPS+電子羅盤+G-Sensor(目前已應用在智慧型手機上) 三、 RFID
四、 條碼，QR code
只要是可以提供出標的物的三維定位的空間資訊都可以整合在 AR 應用中。
貳、 圖標系統(Marker Base)及無圖標系統(Markerless Base) 由於成本降低，視頻輸入普遍已應用在 ICT 的設備上，視覺追蹤 (Visual Tracking)變得越來越有具有吸引力的低成本的 AR 定位感知 器。現階段 AR 技術若是以視覺追蹤(Visual Tracking)輸入訊息用的定
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選擇。圖標定位技術較早實用化，然近來無圖標定位技術因發展迅速 而深受注目。
參、 圖標系統(Marker Base)
圖標系統，是應用一個可以被可靠參考(Trusted Reference)的圖標，
並稱之為基準圖標(Fiducial Marker)是目前發展相對成熟的視覺追蹤 技術。現有多個不同單位發展的基準圖標系統(Fiducial Marker System) 如圖 3-6 有不同的處理的方式，對系統效能及現場光源變化的反應成 度各有不同 ;而目前廣泛被使用的基準追蹤(Fiducial–Base Tracking) 系統是由 Kato et al. [1999]發展出來的 ARToolkit。它提供相對可靠穩 定建置應用的程式庫。在第五章的實例應用 AR 應用子系統是使用 ARToolkit 的基準圖標系統來應用。
圖 3-6 不同的基準圖標系統(Fiducial Marker System)的例圖 資料來源：Fiala [2006]
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圖 3-7 ARToolkit 圖標的 Visual Tracking 流程 資料來源：修改自 ARToolkit 專案網站
工作原理是以攝像頭擷取影像，依 ICT 效能表現，根據研究人在 看每幀畫面的視覺暫留在 0.1 秒，最少每秒 10 幀以上，在應用上使 用者比較能接受， ARToolkit 是利用圖標的黑白對比，將輸入的影像
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也因為如此，雖然現場的光源也會影響辨識的效果，但可以調整系統 參數如門檻值(Threshold)或攝像頭(Camera) 來改善。
為了 3D 定位(Registed)準確及快速，ARToolkit 的圖標定義必須 符合下列原則：
1. 比須是正方形框
2. 圖案必需是對比強，如黑白分明，避免漸層。
3. 圖形不能是旋轉對呈( Rotationally Symmetric )
肆、 無圖標系統(Markerless Base)
在應用上，由於圖標是必須要預先定義(Pre-Define)，而且在某些 應用場合無法放置圖標，因此理想的 AR 視訊追蹤是即時的，不需要 預先定義，也就是所謂無圖標系統的即時視訊追蹤(Real-Time Visual Tracking)。
無圖標系統技術目前尚未有真正實用的技術出來，很多單位也積 極研究發展，平行追蹤及映射(Parallel Tracking and Mapping, PTAM)，
是於 2007 年混合及擴增實境國際研討會(International Symposium on Mixed and Augmented Reality, ISMAR)上，由英國牛津大學的 Georg Klein 和 David Murray 發表的一篇論文。是針對 PTAM 是從影圖像上 捕捉特徵點，然後檢測出平面，在檢測出在平面上建立虛擬的 3D 座 標，然後合成影像圖像和虛擬元素。其中，獨特之處在於，空間資訊 的檢測和虛擬元素的合成採用並行處理。簡單來說，不用預先定義基 準追蹤的圖標(Fiducial Marker)，即時在輸入的連續影像中分析出空間 資訊。如圖 3-8 所示可以不需圖標定義下，檢測出三度空間坐標。
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圖 3-8 PTAM 在無圖標的環境下定義空間坐標
資料來源：Parallel Tracking and Mapping for Small AR Workspace 網站 由於無圖標系統在技術上目前尚未有成熟的應用，且需要較高的 硬體系統效能，類似如 PTAM 等技術也仍在研發，離應用現時尚有 距離，本研究將以圖標應用為主，使用 ARtoolkit 來實作。
伍、 AR 的顯示方式
AR 應用就是把真實與虛擬的元素合成，最終都是輸出至顯示給 使用者視覺來接收迅息，因此在顯示方式有頭戴顯示(Head-Mounted Display, HMD)、手持式顯示(Handheld Display)、共用顯示等方式。
一、 頭戴顯示(Head-Mounted Display, HMD)
最早 AR 的研究[Milgram, 1994]為了讓使用者有融入情景的感官 感受(Immersive)，使用頭戴顯示(Head-mounted display, HMD)器，如 圖 3-9 中，HMD 中間裝有攝像頭功能就如同追蹤器圖 3-10，而使用 者的視角與 AR Visual Tracking 輸入是一致，合成在真實畫面的 3D 模型也會隨著使用者視角，AR 視角使虛擬 3D 模型相對重新繪製 (Rendering)，因此產生同步融入情境的感官感受。而傳統的虛擬實境 的 HMD 是使用者視角因不用與現場情境合成，所以 VR 顯示畫面完 全由電腦繪製，無法如 AR 般看到周遭的真實環境，融入的感覺不如 AR 來得真實。無論是 VR 或 AR 在使用 HMD 做為顯示輸出，都可
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圖 3-9 HMD 使用者
資料來源：Rodrigo et al. [2004]
圖 3-10 以 Video Camera 為 Tracker 與使用者視角一致 資料來源：Azuma [1997]
二、 手持式顯示(Handheld Display)
典型手持式顯示如：手機、PDA 等個人使用的 ICT 設備，而這 些設備大多配 30 萬像素以上的攝影機是最輕巧方便的 AR 顯示方式，
但其運算的效能不如桌上型電腦，小螢幕等限制，在處理顯示 3D 模 型動畫會有效能不足的延遲；不過，由於智慧型手機市場快速增長，
只需要顯示 2D 標籤圖示 AR 商業應用已成熟，如圖 3-11 展示的城市 導覽等應用會相繼面市。
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圖 3-11 用手機在的城市導覽 資料來源：Layar.com
三、 共用顯示等方式
上述兩種顯示方式都是以只有個人使用，而共用顯示方式是多人 同時在同一空間，如一台桌上型顯示螢幕或是在教室的大型教學 LCD 螢幕，因為使用同一顯示平面，各個個人的移動也不會改變 3D 模型 在顯示平面的呈現，如圖 3-12 所示展場中多人共同觀看，相較使用 HMD，這樣方式可以稱為「非完全融入式」顯示。因此不需要專用 的輸出入設備，因此廣泛應用在桌上 AR 及 VR 應用系統。
圖 3-12 在展場開放空間共同使用
資料來源：國立政治大學資管系虛擬實境實驗室
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圖 3-13 空間性的顯示(Spatial Displays) (資料來源：Office of the Future 計畫網站)
另外一種未來概念方式，空間性的顯示(Spatial Displays)方式，如 圖 3-13 上的手繪圖，同樣是在多人同時在同一空間，但是以多個投 影機投影出一個 3D 顯像環境，使同一空間的人不需要個別載上 HMD，
或手持式顯示即有融入情景(Immersive)感官感受。
目前 HMD 尚未普及，價格高，未來也將發展出如圖 3-14 之 AR 用隱形眼鏡，現階段只在一些如：軍事、醫療、飛行員等專業單位使 用，由於衛生的考量，也不適合多人使用，在公共資訊服務應用上有 這些問題待克服；而手持式顯示如手機、PDA 等因螢幕小、效能不 足，無法表現精緻的 3D 模型。因此考量硬體成本、使用方便性、衛 生安全及內容表現的效果，在第五章實例應用我們使用共同顯示方式，
以一台大型 LCD 螢幕展示方式來呈現，未來也可以直接移植到公共 資訊站(Information Kiosk)。
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陸、 虛擬實境 vs 擴增實境
在上述圖 3-1 的混合實境連續圖中，「現實實境」與「虛擬實境」
是二個極端，「現實實境」沒有任何虛擬元件，而「虛擬實境」完全 是由虛擬元件建構出來。虛擬元件的擬真度愈高，建置「虛擬實境」
成本也愈高，而在光譜圖中「擴增」部分是提供了有效率應用選擇。
AR 應用可以提供「現實實境」與「虛擬實境」擴增方式:
從「真實實境」角度來看，因時間、空間的因素，沒有辦法提供使用 者所要的資料，如：若要在古蹟歷史重現場景或是在將千里外的東西 展示在現場。AR 可以提供虛擬訊息，如圖 3-15 把歷史人物(超越時 間限制)請到實真世界(超越空間限制)來。
圖 3-15 把歷史人物請到實真世界 資料來源:創陽科技
圖 3-16 個別使用者在同一空間觀察同 一虛擬物件
資料來源：Kaufmann [2006]
從「虛擬實境」角度來看，若能結合真實場境，減少資源去處理 龐大複雜虛擬場景，而加強虛擬元件的精緻程度；另外，應用 AR 相 對來說可以減少大量的 ICT 設備效能的需求，有助於消費性市場的商 業應用發展。
不同個別使用者在同一空間環境下(如圖 3-16)，用各自的視覺角 度觀察同一個虛擬物件，並可以進行協同作業。
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