第二章 第二章
第二章 文獻探討 文獻探討 文獻探討 文獻探討
本章分為三節，第一節主要探討擴增實境技術與虛擬實境，包括擴增實境，以及虛 擬實境的運作原理，系統架構，相關應用研究，以及未來發展。第二節將探討資訊融入教 學及相關內容。第三節則探討體積概念課程學習，為本研究理論探究之基礎。
第一節 擴增實境與虛擬實境
擴增實境（AR, Augmented Reality）是一種新興的多媒體技術且源自擴增實境（VR, Virtual Reality），本節主要探討擴增實境、虛擬實境的定義、技術，研究發展等。
一 一 一
一、、、、 擴增實境的定義擴增實境的定義擴增實境的定義 擴增實境的定義
雖然擴增實境看似似乎是新興的科技技術，但事實上早在 1960 年代，擴增實境就已 經有初步的概念出現，但直到 1990 年代初，才有幾位科學家創造了「擴增實境」這個名 詞。
1994 年，Paul Milgram 以及 Fumio Kishino 提出了真實─虛擬連續量表，此連續量表 把完全真實的真實環境以及全部虛擬的虛擬環境分別作為此量表的兩端，介於此兩者中間 即為「混合實境（Mixed Reality）」，而擴增實境，就位於混合實境中，靠近真實環境的一 邊。所以，從此研究可以得知，擴增實境的定義是混合了虛擬以及真實的一種技術。
圖 2-1-1 真實─虛擬連續量表（Paul Milgram, Fumio Kishino,1994）
在 1997 年，Azuma 匯集了當時的擴增實境的文獻、產品，並且對收集的資料進行分 析，進一步對擴增實境訂出更仔細的定義如下：
1. 結合真實和虛擬 2. 即時互動
3. 定義在 3D 空間中
所以從 Azuma 的定義中可以得知，擴增實境是種將虛擬物件延展到真實環境中，且 能即時互動的技術。
如此定義可以避免將擴增實境的定義，侷限在例如頭戴式顯示器（HMD）等硬體設 備之中，並且也能避免如同阿凡達影片一般，用虛擬的 3D 物件混合真實環境，但沒有互 動的影片或電影，也被稱之為擴增實境。
圖 2-1-2 阿凡達影片利用 3D 物件混合環境
（資料來源：電影阿凡達）
更淺白的說，擴增實境指的是將虛擬資訊加到使用者感官之上，虛擬資訊也可以是其 他感官的形式，例如聽覺、觸覺，而非侷限於視覺感官上的顯示器。但本研究在將聚焦於 擴增實境於使用者視覺上的影響，故不再多討論其他感官範疇，而將對視覺感官範疇，多
做深入探討。
二 二 二
二、、、、 擴增實境的技術擴增實境的技術擴增實境的技術 擴增實境的技術
根據 Azuma（1997）在擴增實境的定義所言，擴增實境包含真實環境和虛擬物件，
並且要將虛擬物件投射在三維的真實環境中，電腦必然要追蹤虛擬物件的座標位置，而在 真實環境中，電腦如何追蹤使用者或是攝影機視角的技術，陳九懿（2009）提出，目前在 擴增實境中常用的技術有下列三者：
1.無線射頻技術（RFID）：可以讀取接收器和電子標籤之間的距離和方向。
2.光學標誌追蹤：光學標誌追蹤方式利用攝影機傳送畫面至電腦後，加以運算判斷，
目標在三維空間的方向、傾斜角度、距離等資料。
圖 2-1-3 光學標誌追蹤
3.實體影像辨識：實體影像辨識方式同樣利用攝影機傳送畫面至電腦後，加以運算，
實體影像辨識不但擁有光學標誌追蹤的優點，更甚一步可以利用真實環境中的任何影像當 作辨識記號，但因為技術需求高，一般單位難以實際操作。
圖 2-1-4 實體影像辨識 （資料來源：TOPPS 3D LIVE）
除了以上三者提到的，目前用於擴增實境追蹤定位的技術越來越多，有運用臉部辨識 系統與擴增實境結合的技術，也有 GPS 功能和電子羅盤等…技術使得擴增實境的運用範 疇更加的廣泛。
圖 2-1-5 利用擴增實境扮演電影中的超級英雄
圖 2-1-6 光學標誌追蹤應用於擴增實境流程(Billinghurst et al., 2001)
根據之前文獻的探討，擴增實境系統中的顯示器的技術，分為以下兩種方式：光學式 透視，以及視訊式透視（Milgram, 1994）。
1.光學式透視（Optical-see-through, OST）
光學式透視是利用光學原理，將一種半鍍銀的分光鏡（beam splitter）擺在使用者眼 前的正確位置，因為分光鏡反射進入使用者的視線中；同時也能讓周遭真實環境的光線穿 透進來，此種分光鏡也稱之為合併器（Optical combiners），一開始是使用在戰鬥機飛行員 的顯示器上。
圖 2-1-7 光學式透視（資料來源：Azuma, 1997）
圖 2-1-8 戰鬥飛行員的儀表數據
（資料來源：http://www.youtube.com/watch?v=INb-421E-mo）
2.視訊式透視(Video-see-through, VST)
視訊式透視的技術，則使用攝影機傳來的真實環境的影像與虛擬物件結合，視訊式透 視能更廣泛的使用在不同的顯示器上面，如 LCD、一般手機螢幕上頭，視訊式透視一開 始使用綠幕（或是藍幕）的視訊混合技術，此技術一開始用於電視或電影特效上頭。
圖 2-1-9 視訊式透視（資料來源：Azuma, 1997）
圖 2-1-10 戲劇中使用綠幕的原本場景 （資料來源：http://www.stargatestudios.net）
圖 2-1-11 戲劇使用綠幕的合成後的場景 （資料來源：http://www.stargatestudios.net）
擴增實境在顯示器定義上也因透視顯示器器材的不同，而有所區分，美國華盛頓大學 Mark Billinghurst（2003），就對於擴增實境顯示器的器材進行了實驗，包括手持式 LCD 螢 幕、手持式顯示器、頭戴式顯示器。
1. LCD 螢幕（LCD）：即為一般的液晶顯示器。
圖 2-1-12 利用 LCD 的擴增實境
（資料來源：http://www.youtube.com/watch?v=NK59Beq0Sew）
2.手持式顯示器（HHD）：手持式的顯示器，同一般 LCD 螢幕，但為手持式的，如手 機、PDA。
圖 2-1-13 利用手持顯示器（HHD）顯示方位、地標 (資料來源：http://www.youtube.com/v/u0vkduEyC7k)
3.頭戴式顯示器（HMD）：頭戴式的顯示器，具有可以使用者的雙手自由活動的顯示 器。
圖 2-1-14 頭戴式顯示器（HMD）
(費納，2002)
除擴增實境之外，虛擬實境也是本研究所使用的虛擬多媒體技術之一，因次，虛擬實 境的定義，以及虛擬實境與擴增實境的不同點，將在下段落加以探討。
三 三 三
三、、、、 擴增實境與虛擬實境的比較擴增實境與虛擬實境的比較擴增實境與虛擬實境的比較 擴增實境與虛擬實境的比較
虛擬實境（Virtual Reality, VR）是從 1989 年提出之後，各學者分別從不同方面，包 括技術、硬體、構成要素、使用者經驗…等不同的角度來分析虛擬實境。本研究將在其之 下一一列舉描述之。
圖 2-1-15 虛擬實境
Aukstakalnis 和 Blatner（1992）在<Silicon Mirage; The Art and Science of Virtual Reality>
一書中提到，虛擬實境科技術設備上包含幾個特點：
1. 虛擬實境是由電腦建構出一個逼真的世界。
2. 這世界包括各種感官，如：視覺，聽覺，觸覺，嗅覺，味覺等。
3. 即時互動（real time interactivity）。
而 Gigante（1993）在<Virtual Reality System>一書中，也同樣是以技術設備的硬體層 面來看虛擬實境，他強調虛擬實境需要一些硬體設備，如：虛擬物件視覺、聲音觸覺輸入 輸出的設備，另外也同時可以追蹤使用者頭部、手部姿勢的追蹤系統。而這些硬體設備可 讓此虛擬環境中的使用者，在此虛擬的環境中，可產生「參與其中」的幻覺。
而學者 Burdea（2003）等人則認為虛擬實境要有三個基本要素，分別是融入性 (immersion)、互動性(interactive)、想像力(imagination)。
Burdea 把這三個要素列為三個「I」，成為一個金三角，以下圖表現出：
融入性 (immersion)
想像力 (imagination)
互動性 (interactive)
I 3
也就是虛擬實境藉刺激讓使用者如同身歷其境，最後還要依使用者的操作產生回應，
產生想像的世界觀，且藉由建立互動，發生想像的過程，否則將會失去真實感（Grigore C.
Burdea & Philippe Coiffet, 2003）。
Latta（1994）也同樣從虛擬實境的要素來分析虛擬實境，Latta 把虛擬實境視為個人 行動的環境，並且將此環境的構成三要素分別列出，分別是真實度（Degree of Realism）、
個人控制（Individual Control），以及可以感測的環境（Sensory Environment）。
所以綜合以上各家說法，可以發現， 擴增實境與虛擬實境的差異性並非想像中的大，
擴增實境與虛擬實境同樣具有：即時互動、建立虛擬物件的定義，但擴增實境與虛擬實境 仍有一個根本性的差異。
那就是，虛擬實境企圖取代真實的世界，而擴增實境卻是在真實環境中擴增資訊（費 納，2002）。另外可從虛擬實境的定義：「建立出一個虛擬的世界」。以及擴增實境中的定 義：「需定義在真實的三維空間中」。這兩項定義中，更明顯的看出兩者之間的不同。
Azuma 在給予擴增實境的定義的同時，也同時對於擴增實境和虛擬實境給了明確的 關係；Azuma 認為擴增實境是一種虛擬實境的變化，他提到：「擴增實境是個變動中的虛 擬環境，也就是說虛擬實境更加頻繁的被呼叫。」換言之，擴增實境把虛擬物件疊印在真 實環境中，隨著真實環境的改變，擴增實境中的虛擬物件更頻繁的被運算，讓虛擬物件能 夠融入生活場景中。
若再次把 Paul Milgram 以及 Fumio Kishino 的真實─虛擬量表拿出來觀察：
可以發現，真實─虛擬量表把環境分為真實以及虛擬，在上圖的右側，虛擬環境（Virtual Environment）就是虛擬實境完全的呈現，無論場景或是存在物件，都是由電腦繪製出來的 虛擬物件。而擴增實境則可以視為將虛擬物件建構在真實環境之中，讓虛擬物件融入環境 之中。也因此，可以推測出一個顯而易見的結論，擴增實境則為虛擬實境之延伸。
四 四 四
四、、、、 擴增實境的運用擴增實境的運用擴增實境的運用 擴增實境的運用
本段落主要針對國內外對於擴增實境在人機介面的運用與研究進行分析探討，運用範 圍涵蓋教育、商業、設計、導覽、文化、娛樂、廣告…等各方面人機介面的運用。
1. Virtuoso 大師的藝術史課大師的藝術史課大師的藝術史課（大師的藝術史課（（（Mr. Virtuoso Teaches Art History with Augmented Reality））））
「Mr.Virtuoso 大師的藝術史課」是 2005 年開發的一個使用手持式、利用光學追蹤 Marker 的擴增實境展覽活動。此活動使用 PDA 讓使用者學習
Mr.Virtuoso 藝術品的年代順序。四位使用者同時操作，且四位使用者需要彼此合作 來完成遊戲。四位使用者一起進入展覽室中，展覽室中的牆上貼了許多 Marker，使用者使
Mr.Virtuoso 藝術品的年代順序。四位使用者同時操作，且四位使用者需要彼此合作 來完成遊戲。四位使用者一起進入展覽室中，展覽室中的牆上貼了許多 Marker，使用者使