擴增實境的運作原理

針對擴增實境與虛擬實境定義的說明，Paul Milgram & Fumio Kishino(1994) 提出了一個虛擬線性連續圖的方式來解釋虛擬實境、擴增實境和真實環境之間的 關係，將完全虛擬的虛擬實境和完全真實的真實環境為量表的兩端，而介於兩端 之間的部分則定義為｢混合實境(Mixed Reality)｣(如圖 2-3)，本研究所談的擴

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增實境係指混合實境中偏向真實環境的一邊。

圖 2-3 真實－虛擬連續量表

資料來源：＂A Taxonomy of Mixed Reality Visual Displays＂ by Paul Milgram &

Fumio Kishino, 1994, IEICE Transactions on Information Systems.

Azuma(1997)定義擴增實境是擴增了對現實的資訊，而非取代真實環境，在 研究中彙整了當時擴增實境相關的文獻和應用等資訊，認為一擴增實境系統，必 須符合下面三個特徵：

(一)真實和虛擬的結合。

(二)能達到即時性的互動。

(三)系統需在三度空間中。

由 Azuma 對擴增實境的定義中得知，擴增實境是種將虛擬資訊疊加到使用者 的感官之上，並且達到能即時互動的一個技術。而其虛擬資訊係指能傳達給使用 者感官的訊息，並不單指視覺，也可以是聽覺或觸覺等(吳鴻，2002)。擴增實境 技術的運作過程主要是透過電腦及其周邊的輸入和輸出裝備來完成影像呈現的 部分，利用攝影機來拍攝定義圖卡，圖卡為事先由設計者在資料庫中設定好之設 定值與其相對應的影像或模型等，透過電腦連續的偵測對硬，使用者即可看到圖 卡上之影像與真實環境結合的畫面，如圖 2-4。

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圖 2-4 擴增實境之影像運作過程流程圖

圖片來源：修改自＂The MagicBook: a Transitional AR Interface.” byMark Billinghurst&Ivan,2001.Computers & Graphics,Vol.25.

黃昭儒(2011)整合多位學者的研究，將擴增實境的呈現依據顯示的方式不同 分為下面四種類型：

(一)頭戴式顯示器：頭戴式顯示器分為光學透視(optical see-through, OST) 和視訊透視(video see-through, VST)兩種，後者相較於前者能更簡易的處 理影像屏蔽的問題，兩者不同的關鍵在於影像的處理技術（黃昭儒，2011）

(參考圖 2-5、圖 2-6)。

攝影機影像

標記圖卡 ID 虛擬物件和使

用者影像結合

搜尋標記 搜尋標記的三

維座標和方向

辨識標記

定義 3D 物件的 座標和方向 繪製呈現 3D 物

件於影像中

標記圖 卡

定位圖卡 的座標與 方向

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圖 2-5 光學透視頭戴式顯示器(optical see-through, OST)原理概念圖 圖片來源：吳明諶(2011)。結合互動科技與擴增實境於數位藝術應用之研究 (碩士論文)。

圖 2-6 視訊透視頭戴式顯示器(video see-through, VST)原理概念圖

圖片來源：吳明諶(2011)。結合互動科技與擴增實境於數位藝術應用之研究 (碩士論文)。

(二) 投影顯示器：使用者不需穿戴任何機器設備，影像接透過投影設備投射至顯 示上，電腦透過視訊來捕捉真實環境、辨識圖卡，在電腦內進行辨識及真實 和虛擬影像的合成，再利用投影機投射出合成後的影像(參考圖 2-7)。

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圖 2-7 投影顯示器原理概念圖

圖片來源：吳明諶(2011)。結合互動科技與擴增實境於數位藝術應用之研究 (碩士論文)。

(三) 手持顯示器：手持式顯示器方便的取代頭戴式顯示器，透過手持視訊設備來 捕捉真實環境及辨識圖卡進行合成，擁有高行動性的特性(參考 圖 2-8)。

目前有如：平板電腦、智慧型手機、PDA 等可成為手持式顯示器之設備。

圖 2-8 手持顯示器原理概念圖

圖片來源：吳明諶(2011)。結合互動科技與擴增實境於數位藝術應用之研究 (碩士論文)。

(四) 螢幕顯示：根據 Azuma(1997)的研究，螢幕顯示(Monitor-based)的呈現方

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式也算分類的其中一類，如圖 2-9：

圖 2-9 螢幕顯示原理概念圖

圖片來源：修改自 “A Survey of Augmented Reality.＂ by Azuma,1997, Teleoperators and Virtual Environments, August 1997, 355-385.

擴增實境中的辨識方式依 Christian Doppler Laboratory 提出兩有種形式，

一種為基礎圖卡辨識(Marker-based Tracking)，另一種為自然特徵辨識 (Natural-Feature Tracking)(圖 2-10)(引自吳明諶，2011)。自然特徵辨識又 可稱為｢無標記式擴增實境｣，相較於圖卡式的差異即是不使用卡片圖型來做辨識 的媒介，而是以預先設定的自然特徵(natural-feature)，如點、線、外型、圖 片、人臉等(Cawood & Fiala, 2008)。本實驗研究主要透過有標記式的圖卡進行 辨識，基礎圖卡辨識是透過擴增實境圖卡標誌(一般稱為 marker)來作為定位和 產生虛擬資訊的標示，依據郭桐霖(2009)的研究整理中，常見的有以下六種類型 (表 2-8)：

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圖 2-10 自然特徵辨識(Natural-Feature Tracking)

圖片來源：吳明諶(2011)。結合互動科技與擴增實境於數位藝術應用之研究(碩 士論文)。

表 2-8

Graz University of Technology(n.d.)擴增實境圖卡類型一覽表

名稱 圖像 說明

樣板符號 (Template marker)

傳統的辨識技術，先判斷黑框是否為 擴增實境的標示，接著辨識黑框內是 否與事先設定圖形符號相符，較容易 發生誤判。

ID 符號(ID marker)

類似樣板符號的辨識方式，將黑框內 的圖形改由小方格排列的圖形取代，

透過二進位碼提高辨識效率，但圖卡 較無法表達符號意義。

二維條碼 (DataMatrix marker)

使用 ISO 標準的二維條碼，適合在嵌 入式系統(如手機，PDA)上使用。

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分離式符號 (Split marker)

在遊戲 THE EYE OF JUDGMENT®(審判隻 眼)中使用的辨識技術，透過上下兩條 類似條碼的標示進行辨識，中間則可 加入有意義之圖形方便使用者做區分 使用。

影像式符號 (Frame marker)

改進了傳統的樣板符號辨識方式只能 辨識簡單的圖案，可以辨識複雜的影 像。

點符號(Dot marker)

使用二維的黑點形成一個陣列，作為 辨識的標示，可以在下面放置有意義 的圖案且不會被遮擋。

資料來源：郭桐霖(2009)。結合擴增實境技術與物理特性之數位遊戲開發與設計

（碩士論文）。

擴增實境辨識圖卡類型在各領域的使用上都有其特性，一般較常被使用的為 樣板符號及 ID 符號兩種；二維條碼較常在嵌入資訊時作為連結網路或讀取數字 資料使用；分離式與影像式圖卡是為改良圖卡中圖形意義不清而產生，在使用上 則由設計者欲應用的領域需求和使用之程式庫支援為選擇圖卡的依據。