擴增實境的定義與內涵

第二節 擴增實境的定義與內涵

本節將分別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、擴增實境呈現方式、擴增實境在教育上的應用。

壹、擴增實境定義

擴增實境（Augmented Reality, AR）是一種由虛擬實境（Virtual Reality, VR）

延伸而來的技術，不同於虛擬實境，擴增實境讓使用者能夠在現實世界中同時看 到真實環境物件與附加在物件上之虛擬影像（Billinghurst, 2002）。根據（Milgram, 1994）等人提出的「真實-虛擬連續性」說明（如圖 2-1），擴增實境是介於真實環 境與虛擬環境之間，但較偏向真實。

圖 2-1 真實-虛擬連續性（Milgram, 1995）

(Azuma,1997)定義擴增實境的三個特色如下：

1. 結合虛擬與真實（Combines real and virtual）：

虛擬實境（Virtual Environment）是建立一個完全虛擬的世界，試圖 取代真實的世界，而擴增實境則是在真實的世界中加上和真實世界相關 連的虛擬資訊，試圖延伸真實世界、這些延伸的虛擬資訊可能是文字、

圖片、影片、模型等等，其主要的目的是豐富真實世界相關資訊。

2. 即時互動(Interactive in real time)：

即時的互動指的是虛擬資訊和真實世界的互動，也就是當真實世界

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改變時，和它相連接的虛擬資訊也必需要跟著改變。

3. 3D 定位（Registered in 3-D）：

擴增實境的 3D 定位系統搭配 GPS(Global Positioning System)，可以 偵測學習者所在位置的座標，並且將虛擬的物件和真實世界的座標相連 接，達到在真實世界中增加虛擬資訊的效果。

貳、擴增實境的架構原理與辨識技術

Bimber與 Ramesh（2005）在「Spatial Augmented Reality Merging Real and and Virtual Worlds」一書中提出了擴增實境的基礎架構，如圖2-2所示：

圖 2-2 擴增實境基礎架構(Bimber & Raskar, 2005, p.6)

由最底層開始分別為追蹤和定位（Tracking and Registration ）、顯示技術

（Display Technology ）與三維立體繪圖（Rendering）之基礎部分；在上一層為人 機互動科技（Interaction devices and techniques）、呈現（Presentation）與創作

（Authoring）；接著在上一層為應用（Application），利用擴增實境之技術將資訊 與結果呈現在使用者面前；最上層為使用者。

擴增實境依照定位的技術分為標記式擴增實境（Mark-based AR）與無標記式 擴增實境（Markless-based AR），標籤式擴增實境必須透過攝影機偵測特定的標籤，

並且將虛擬資訊定位在該標籤的相對位置，此標籤稱為擴增實境標籤（ AR

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Marker）。無標籤式擴增實境則不需要透過任何特定標記即可達到辨識的效果，可 以透過GPS等技術和虛擬物件進行相對位置的計算，並且在真實的世界進行擴增。

参、擴增實境在教育上的應用

擴增實境技術也已開始被應用於各學習領域（Yu, Jin, Luo, Lai, & Huang, 2009）。Billinghurst（2002）曾指出將擴增實境運用在教育上可提供三個特色：（1）

提供學習者在虛擬和真實環境之間，無縫地進行互動；（2）學習者能透過直覺的 介面來進行操作；（3）能讓學習在虛擬與真實環境間順利地轉換。

Binks（2003）指出擴增實境導入教育的原因：

1. 空間依賴（Spatial Dependency）

透過擴增實境提供的三維虛擬資訊能比二維的紙本教材更能幫助學生學 習抽像的學習概念。

2. 資源與安全（Resources and Safety）

在學習需要實驗的學習概念時用擴增實境的方式來呈現學習內容也會比 較安全，而且虛擬資訊能夠輕易的複製，能夠節省資源。

3. 實地考察（Field Trips）

有些歷史景點沒辦法實地去考察。但透過擴增實境，我們都可以安全的 坐在教室裡對這些地方進行考察。

4. 合作（Collaboration）

透過擴增實境可以一次同時多個學習者進行互動，也可以設計一套以小 組為單位的教學活動，鼓勵所有參與學習的學習者主動學習。

5. 動覺經驗（Kinaesthetic Experience）

讓學習者能夠更徹底的使用教材進行學習，也促進學習者進行主動學習、

體驗式學習、合作學習。

Billinghurst, Kato, Poupyrev, (2001)於「製作擴增書－Magic Book」的研究中

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發現，使用擴增書能讓學習者有身處在學習環境的感覺，透過這種身歷其境的學 習方式，能夠豐富學習者的學習體驗，也提供較多和學習者的互動方式，一般的 書本（如圖 2-3a），用頭戴氏顯示器觀察後，於書本中顯示與故事有觀的虛擬影像

（如圖 2-3b），從頭戴氏顯示器的視角所觀察到的影像（如圖 2-3c）

圖 2-3 a 一般書本 圖 2-3b 透過頭戴顯示器 圖 2-3c 從頭戴顯示器觀看的視角 擴增書 Billinghurst et all.(2001), Magic book

Shelton(2002)應用擴增實境技術來教導地球科學中九大行星運轉的概念。研 究發現，擴增實境具有在實體物體上連結虛擬資訊的特性，能提供學習者一個結 合視覺與知覺資訊的學習經驗。研究者相信這樣的學習方式能改變了學生建構知 識的方式（如圖 2-4）。

圖 2-4 應用擴增實境於九大行星教學（Shelton, 2002）

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Tarng 及 Ou 應用擴增實境於九大行星教學（2012）應用擴增實境技術，模擬 真實蝴蝶的生活型態與成長過程。研究結果顯示，擴增實境能克服空間與時間的 限制，提供較真實的蝴蝶生活環境，並解決蝴蝶數量與種類不足的問題，幫助學 習者了解蝴蝶的生態（如圖 2-5）。

圖 2-5 Tarng＆Ou（2012）應用擴增實境模擬真實蝴蝶

綜合上述，應用擴增實境於教學，能夠於實體教材上再結合虛擬的學習資訊，

除了具備實體教材能讓使用者實際動手操作的特性外，也結合電腦模擬能提供虛 擬資訊的優點，此外，擴增實境也能提供更直覺的操作介面，讓學習者自然地與 虛擬資訊互動，藉此降低學習者學習時的外在認知負荷（Bujak et al., 2013）。

肆、擴增實境與空間能力

國內外已有許多使用擴增實境來提升空間能力的研究。空間能力包含了操作 心像的抽象思考能力，透過擴增實境的方式可以讓學生自然地與虛擬資訊互動，

減少學習時的外在認知負荷（Bujak et al., 2013；Tang, 2003）。使用擴增實境技術 來提升學生的空間能力是一種兼具效果與效率的教學方式（Dnser et al., 2006 ; Martín-Gutiérrez, 2010 ; Dominguez, 2012 ）。

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陳眉期（2011）在應用擴增實境技術於立體圖與展開圖的幾何概念教學中發 現，學習者的數學學習成就與空間能力測驗的成積具有高度的相關性，而應用擴 增實境技術輔助幾何概念學習的學習方式對中、低學習成就的學習者，在數學成 就上有顯著的影響。

Dünser（2006）探討空間能力是否可藉由擴增實境技術來訓練。該研究使用 擴增實境工具（Construct3D）、電腦模擬軟體（CAD3D）、傳統幾何課程、無任何 訓練四種方式，試圖了解這些學習方式對高中學生空間能力的影響。

Construct3D（圖 2-6）是一個 3D 幾何建構工具，學生可透過頭戴顯示器同時 看見虛擬模型與現實環境，透過 PIP（Personal Interaction Panel）的手持裝置與 3D 物件互動。CAD3D 則是一套電腦軟體，學生可透過滑鼠和鍵盤與 3D 物件互動。

研究結果發現：透過擴增實境的訓練可有效提升學生的空間能力。

圖 2-6 學生透過 Construct3D 進行學習

Martín-Gutiérrez（2010）開發的 AR-Dehaes 系統（如圖 2-7），是一個能讓學 生獨自使用並培養空間能力的學習工具。這項工具應用擴增實境的技術，顯示虛 擬的 3D 立體影像。研究結果顯示使用 AR-Dehaes 系統能有效率地培養空間能力，

學生也表示透過 3D 立體影像來學習能夠提高他們的學習動機。

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圖 2-7 AR-Dehaes 系統操作畫面

Dominguez（2012）使用虛擬實境（Draw Help System）、擴增實境（BuildAR Pro）、PDF3D 三種科技工具，試圖了解大學一年級的製圖系學生在進行空間能力 的練習時對哪一種工具有最高的滿意度。研究結果發現，擴增實境容易操作、有 趣、互動自然等特色讓它的學生滿意度高於使用虛擬實境與 PDF3D 的學習方式。

Cheng 及 Tsai（2012）在整理擴增實境的文獻後指出擴增實境技術常被用來 輔助空間概念的學習。

從上述探討可發現，大部分應用於培養空間能力的擴增實境工具均提供具操 作性的 3D 立體物件，且大多搭配幾何的教學課程來實施。張秋雁（2008）研究 國內國小學童空間能力現況後發現，國小二至六年級學童的空間能力與數學學業 成就呈正相關。因此欲培養空間能力實應從數學學習來著手，其中又以幾何單元 與空間能力最為相關。

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