國立政治大學商學院經營管理碩士學程
全球台商班碩士學位論文
指導教授：周宣光博士
擴增實境與人機介面應用之研究
－以醫療衛教為例
研究生：鄭邦堅
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誌謝
兩年半前，工作多年重回學校，學習與體驗經營管理各個思考面 向，發現這個世界有很多需要再去探索研究的。面對來自不同領域的 同學及老師，發覺自已可以在很短的時間去知悉其他同學及老師所經 歷的各個策略轉折點，常問自已，如果我是他們，會用何種方式去處 理經營管理的決策問題呢？每個人的人生路徑不一樣，處理問題也不 一樣，所以沒有標準的答案。不過，我相信每個問題答案是存在於應 用己身所學的思考判斷方法加上經驗所作出最適當解。很幸運能夠參 與台商班，與各級同學分享在跨越大江南北的學習之旅及與不同領域 的學長姐在課堂上切磋琢磨。一路走來有苦有甜，一切點滴在心頭。 兩年多來要首先要感謝 96 台商班同學，每個月的一週上課總是 有莫名的興奮與愉悅；還有不同課程的老師總配合我們在假日來學校 上課，不辭辛勞地帶領境外學習之旅。 感謝指導老師周宣光教授在準備論文期間，每週一個晚上無間斷 地指導，對論文研究的過程建立正確的觀念及方法，並以豐富的實例 經驗引導我從專業方向思考，有如倒吃甘蔗漸漸掌握要領。 感謝同學聖傑在準備論文時的相互鼓勵；助手耀弘在論文撰寫期 間的協助，也祝耀弘的奶奶早日康復。 以下為我要感謝曾經協助及關心我的老師與同學們： - 曾經指導幫助過我的所有老師們 - 虛擬實景實驗室的所有夥伴們 - 腦部虛擬實境製作團隊：浩宇、雅竹、郁婷、彥廷、劭彥 最後，我要感謝口試委員朱惠中老師及季延平老師，提醒我許多 未注意的細節，且以應用的角度給予建議及未來發展的方向，無論是 學術上或是實務上，皆讓我獲益良多。 鄭邦堅 2010 年於政大‧
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摘要
一個進步的文明城市，公共區域建築物內皆設有無障礙空間設施 以照顧社會弱勢的族群，使這些族群享有同等使用社會資源的權利。 同樣的，在電腦科技日新月異的當下，某些人在享受科技帶來的資訊 及便利，某些人則因使用介面的障礙而無法同等享受其便利，因而形 成人機介面所造成的數位障礙。 電腦虛擬世界和現實世界本是涇渭分明，由於電腦科技的進步及 人們的需要在現實世界中擴增虛擬訊息成為可能。憑藉擴增實境的應 用及使用者互動方面的研究，來改善人機介面造成的數位障礙，讓更 多不同族群的人享有資訊科技帶來的好處。 上述的數位障礙中，最普遍的族群是幼年與年長者，其通常亦是 最需要醫療照護的族群；因此本研究以一個醫療衛教為主題實例，著 重預防重於治療的前提，研究醫護人員如何讓一般民眾了解特定疾病 或傷害的基本知識；用於在平時或治療前、治療後的醫病溝通，欲有 助於減少特定疾病引發一連串成本較高的治療程序，進而減少醫療資 源的使用，使全民健保預算有效運用。 人機介面是為溝通真實世界與電腦虛擬世界，因此在本研究中以 實例運用目前主流的圖形使用者介面(Graphic Uesr Interface, GUI)的 操作模式下，提供以有形使用者介面(Tangible User Interface, TUI)， 以一個腦部虛擬實境的衛教應用，加上擴增實境技術，將教材內容具 象化、內容可視化、可操作化，建立一個數位弱勢族群(如老人、小 孩)易於使用的互動介面環境。 關鍵字: 擴增實境、Augmented Reality、人機介面、人機互動、醫療衛教‧
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目錄
第一章
緒論 ... 9
第一節 研究動機與目的 ... 9 第二節 研究目標 ... 9 第三節 本文架構 ... 10第二章
文獻探討 ... 12
第一節 人機介面之定義 ... 12 第二節 輸入輸出設備之演進 ... 14 第三節 電腦輔助教學 ... 15 第四節 醫療衛教文獻回顧 ... 18 第五節 小結 ... 20第三章
擴增實境發展及應用 ... 21
第一節 混合實境、虛擬實境、擴增實境 ... 21 第二節 VR 與 AR 實例比較 ... 23 第三節 擴增實境的發展 ... 25 第四節 擴增實境的應用 ... 35 第五節 擴增實境的應用實例 ... 39第四章
擴增實境在人機介面的應用探討 ... 43
第一節 ICT 人機介面的數位障礙 ... 43 第二節 人機互動及有形的使用者介面 ... 46 第三節 AR 在人機介面的優勢 ... 50 第四節 價值鏈中的 AR 應用定位 ... 52 第五節 AR 在人機介面的需求特性 ... 54第五章
個案—擴增實境應用在醫療衛教 ... 56
第一節 醫療衛教的重要性 ... 56 第二節 個案實例－腦部虛擬實境系統概述及設計目標 ... 58 第三節 醫療衛教(腦部虛擬實境系統)與擴增實境的整合 ... 66 第四節 AR 子系統應用在有形人機介面 ... 70 第五節 AR 子系統使用評估 ... 72 第六節 使用者訪談 ... 74 第七節 AR 子系統未來發展的方向 ... 78第六章
結論與建議 ... 80
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第二節 建議及未來研究 ... 82
第七章
參考文獻 ... 83
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圖目錄
圖 1-1 本文架構 ... 11 圖 3-1 擴增實境在現實與虛擬間的位置 ... 21 圖 3-2 混合實境的虛擬化程度 ... 22 圖 3-3 VR 示範照片(國立政治大學資管系虛擬實境實驗室)...23 圖 3-4 AR 表現示範照片... 24圖 3-5 在 Augmented Reality 在 google 關鍵字查詢，在 2008 年底快 速增加 ... 26
圖 3-6 不同的基準圖標系統(Fiducial Marker System)的例圖 ... 27
圖 3-7 ARToolkit 圖標的 Visual Tracking 流程 ... 28
圖 3-8 PTAM 在無圖標的環境下定義空間坐標 ... 30
圖 3-9 HMD 使用者 ... 31
圖 3-10 以 Video Camera 為 Tracker 與使用者視角一致... 31
圖 3-11 用手機在的城市導覽 ... 32 圖 3-12 在展場開放空間共同使用 ... 32 圖 3-13 空間性的顯示(Spatial Displays) ... 33 圖 3-14 擴增實境 (AR) 隱形眼鏡即將現身 ... 33 圖 3-15 把歷史人物請到實真世界 ... 34 圖 3-16 個別使用者在同一空間觀察同一虛擬物件 ... 34 圖 3-17 利用 AR 在型錄上顯示商品的 3D 模型 ... 35 圖 3-18 應用在美國海軍陸戰隊合作在裝甲砲塔上進行測試 ... 36 圖 3-19 在房屋廣告的平面圖上用 AR 擴增房屋 3D 模型 ... 38 圖 3-20 手機使用 GPS、電子羅定位盤顯示地標資訊 ... 39 圖 3-21 日本古都虛擬飛鳥市 ... 40 圖 3-22 使用者以移動設備來參觀 ... 40 圖 3-23 在博物館內重現古建築 ... 41 圖 3-24 在桌上的遊戲卡上顯示虛擬人物 ... 41 圖 3-25 汽車電子型錄 ... 42 圖 3-26 電子書，顯示腦部血管病因影片及 3D 模型 ... 42
圖 4-1 Model View Control...47
圖 4-2 GUI 模式...48 圖 4-3 TUI 模式 ... 49 圖 4-4 AR 在 TUIs 架構 ... 51 圖 4-5 數位內容價值鏈(本研究整理) ... 52 圖 5-1 醫療單位常設衛生健康教育的場地(一)...58
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圖 5-3 系統功能架構 ... 58 圖 5-4 腦部導覽子系統 ... 61 圖 5-5 中風成因介紹子系統 ... 62 圖 5-6 病例分析子系統 ... 63 圖 5-7 CT 比對圖功能 ... 63 圖 5-8 「3D 示意模型」功能 ... 64 圖 5-9 在圖標方塊六個面均有圖標 ... 66 圖 5-10 使用者用手可以操作圖標方塊 ... 67 圖 5-11 3D 腦部模型和圖標方塊同步轉動 ... 67 圖 5-12 教材手冊與圖標方塊同步 ... 68 圖 5-13 使用者閱讀教材手冊時與圖標方塊同步 ... 68 圖 5-14 教材手冊同時同步播放 ... 69 圖 5-15 使用者在觀看影片時同時可以用手操作模型 ... 69 圖 5-16 a VR 主系統 GUIs MVC 架構, b AR 子系統 TUIs 的架構 ... 70 圖 5-17 低年級小學生操作 ... 76 圖 5-18 圖床邊衛教資訊站(Kiosk) ... 78
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表目錄
表 2-1 衛生教育歸類 ... .19 表 3-1 混合實境的比較表...21 表 3-1 AR 應用與六項互動要素的關係 ... 55 表 5-1 測試效果需求說明表 ... 64 表 5-2 GUI 的 VR 主系統與 TUI 的 AR 子系統比較 ... 71 表 5-4 AR 子系統與六項互動要素的關係 ... 72 表 5-5 系統整體使用感覺訪問統計 ... 75 表 5-6 VR 主系統與 AR 子系統比較訪問統計 ... 75‧
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第一章 緒論
第一節 研究動機與目的
在市場競爭下，電腦科技進步快速，廠商多以效能、時尚及高科 技為設計重點，提高電腦產品的價值感，但這樣子的產品反而讓多數 年長者或年幼者，在使用電腦時常常不知道怎麼操作；許多電腦應用 雖號稱擁有多樣的功能，但由於太過複雜，反而讓使用者放棄使用， 因此讓不同的族群，運用擴增實境(Augmented Reality, AR)以最自然 的方式操作，是本研究論文探討方向之一。 醫療衛教的重點是著眼在預防重於治療的前提，醫護人員讓一般 民眾了解特定疾病或傷害的基本知識，用於在平時或治療前、治療後 的醫病溝通，有助於減少特定疾病發生而引發一連串成本相較更高的 治療程序，進而減少醫療資源的使用，讓全民健保預算有效運用。 使用者是年幼者及年長者是通常也是最需要醫療照護的族群，運 用電腦的互動模擬方式，以擴增實境的技術來減少操作上的障礙是本 文應用的探討。第二節 研究目標
人機介面是做為溝通介於真實世界與電腦的虛擬世界之間，因此 研究目標是以在目前人機介面主流的 GUI 的操作模式下提供以 TUI，以一個腦部虛擬實境的衛教應用，運用擴增實境技術，將教材 內容具象化、內容可視化、可操作化，建立一個讓數位弱勢族群(如 老人、小孩)能易於使用的互動介面環境。‧
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第三節 本文架構
本文共分六章內容概述如下：
第一章為緒論，介紹研究動機、目的；在第二章為文獻回顧部份， 主要探討擴增實境、人機介面、醫療衛教方面相關文獻；第三章先就 擴增實境的發展歷史及現況做個說明；第四章指出資訊通信技術 (Information and Communication Technology, ICT)快速進步下的人機 介面是造成數位落差原因之一，並從 GUI 與 TUI 模型來比較及利用 擴增實境應用實作 TUI 來改善使用者的人機互動的操作感官知覺。 經過前面幾章的探討後，在第五章從衛教的應用思考，以一個腦 部虛擬實境系統做為實例，在傳統的 GUI 系統之外實作另一個以 TUI 的擴增實境直覺方式操作方式改善老人小孩在使用 ICT 介面障礙；另 外以實例的應用訪問使用者使用後的心得來分析虛擬實境與擴增實 境在實際應用上的比較；第六章則為結論與建議。
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動機，目的 數位落差與數 位包容 人機介面 醫療衛教 擴增實境及應用 擴增實境在人機介 面的應用探討 個案應用在醫療衛 教 結論與建議 圖 1-1 本文架構
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第二章 文獻探討
第一節 人機介面之定義
整個系統你所能看到、聽到及感覺到的就是系統的使用者介面 [Soren Lauesen, 2008]。
人 機 介 面 (Human-Computer Interaction, HCI) 或 稱 人 機 互 動 (Man-Machine Interface, MMI)，是探討使用者和電腦之間的互動關係， 而研究 HCI 需要應用許多不同研究領域上的知識，如電腦科學、認 知科學、人因工程、軟體工程、心理學、社會學、藝術設計等。一般 來說，使用者和電腦的互動發生於系統介面中，互動過程則會包含硬 體和軟體等要素。 HCI 主要目標係透過良好的介面設計並採用使用者為中心的設計 原則(User-Centered Design)改善人機互動之間的問題。
圖形化使用者介面(Graphical User Interface, GUI)則是將操作介面 以圖形方式顯示在電腦螢幕上，使用者可藉由輸入設備操作系統呈現 的圖示、按鈕等相關介面，藉以完成使用任務。 壹、 人機介面之目標 HCI 長期目標就是設計一套系統以縮小人機認知、溝通的障礙， 期許電腦可以了解使用者的需求和執行的任務。HCI 的研究通常會考 慮真實世界所遭遇的問題，找尋可行的設計方法、新穎的硬體設備、 運行雛型化(Prototyping)軟體開發符合人性化的系統，並探索人機互 動新典範和互動理論。人機互動的研究是專注在使用者介面(User Interface)設計，探討不同的輸入、輸出設備的特性和系統的使用性、 互動性。
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貳、 人機介面使用性定義 Soren Lauesen [2008]認為人機介面有兩個共同形成使用性的因 素: 一、 功能： 以系統為主要條件允許使用者完成他的工作。 二、 易於使用： 用這樣的一種模式提供系統特性以至於學習系統 是容易的並且容易完成任務。 Ben Shneiderman [1987]則提出影響人機界面使用性的六個因子: 一、 適合使用程度，系統可協助使用者現實生活中的任務。 二、 易於學習程度，讓不同專業的使用者能容易學習的系統。 三、 任務執行效率程度，讓高效率的使用者提高執行效率。 四、 易記憶程度，讓低使用率的使用者容易記憶。 五、 主觀滿意程度，主觀上系統令使用者滿意。 六、 瞭解程度，讓使用者容易了解系統如何運作，在系統遇到錯 誤的情況使用者對系統的瞭解可以幫助使用者排除困難。 由上述六個因子的敘述可以發現，在面對不同的使用者時，六個 因子的重要性便不盡相同。例如:在面對使用頻率低的使用者時，易 記憶程度因子就必須特別強調;在面對重度使用者時，任務執行效率 較易學習程度來得重要。 參、 互動性的定義 互動性的概略定義，是指傳播者與受眾相互回應對方需求的程度 Ha [1998]。而 Rogers [1995]則解釋互動性是「參與傳播者在傳播的過 程中，可以改變規則，以及可以控制彼此之間對話的程度」。Rafaeli et al. [1997]描述「互動性是會同時性和持續性改變發生的傳播環境， 而這種改變帶有社會性、拘束性的力量」。 這些學者對互動的定義，都說明了在傳播過程中的相互改變，換 言之彼此都能去控制、改變傳播的內容或環境。
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互動性是「使用者能夠在即時的情況下，主動改變中介環境的形式以 及內容的程度」。根據 Steure 的定義可知，使用者在傳播過程中，已 經不僅是資訊的接收者而已，亦更具有改變中介傳播環境的能力。
第二節 輸入輸出設備之演進
輸入輸出設備在人機界面的研究上具有非常重要的地位。新科技 的發明能夠為人機介面注入新血，讓人機介面的設計可以做到過去做 不到的事情。Duncan Graham-Rowe 在 Technology Review2009 整理出從 1950s 至今在電腦輸入輸出設備上的演進如下: 一、 命令行( Command Line) 二、 滑鼠(Mouse) 三、 觸控板(Touch Panel) 四、 多點觸控螢幕(Muti-Touch Screen) 五、 手勢感知(Gesture Sensing) 六、 力回饋(Force Feedback) 七、 語音識別(Voice recognition) 八、 擴增實境(Augmented Reality) 九、 空間介面(Spatial Interfaces) 十、 腦機界面(Brain-Computer Interfaces) 除上述十點，本研究認為感情運算(Affective Computing)在未來也 將是人機界面設計的重要元素。
麻省理工學院媒體實驗室(MIT Media Lab)之感情運算研究認為 情緒運算是指對與情緒有關的、由情緒引發的，或是能夠影響情緒的 因素的計算。
MIT 的閔斯基(Marvin Minsky)教授於 1985 年提出了「要讓電腦
具有情感能力」，他在專著「The Society of Mind」指出：問題不在於
智慧型機器能否有任何情感，而在於機器實現智慧時怎麼能夠沒有情 感？Rosalind Picard 教授則從社會科學與心理學的研究中發現，在電 腦的世界裡完全沒有類似於人腦處理情緒的機制存在，而是創立了感 情運算這個全新的領域。
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表情及生理變化信號針對這些訊號進行識別理解人的感情做出適當 的回應。這些生理信號諸如:表情、語音、文字、心跳、汗溼、皮膚 溫度、肢體動作等。裝置在鍵盤、滑鼠或穿戴在身上的生理感應器取 得這些生理訊號後，經由數位訊號處理技術將這些看似雜亂無章的生 理信號擷取出關鍵性參數，配合心理學與統計學等領域的專業知識， 經系統運算並判斷出各種人類的情緒。
第三節 電腦輔助教學
電腦輔助教學( Computer Assisted instruction, CAI )係指運用電腦 之交談式或互動式(Interactive)的功能來引介教材，以提供個別 (Individual)或個別化(Individualized)之一種教學環境而言。準此而言， 此種教學環境必須以電腦為工具，且引導此環境之軟體，必須能表現 出交談式或互動性的功能，因此，互動性成為電腦輔助教學不可或缺 的功能，如此，電腦輔助教學軟體才不致於被譏為翻真機，也因此有 別於一般之電子書或導覽軟體(http://ind.ntou.edu.tw/~tec/lol/CAI.html) 壹、 適合 CAI 的題材 理論上，任何紙筆式(Paper-and-Pencil)的教材皆可用電腦來呈現。 雖然如此，這並不意味以電腦呈現均較紙筆式佳;換言之，傳統的紙 筆式教材有其無可取代之優點，應以保存，而以電腦來呈現教材也有 其限制，因此，CAI 設計者在選擇題材時，至少應考慮下列幾點： 一、 需要重複展示的題材 二、 需要經常練習的題材 三、 內容較持久性的題材 四、 教材內容抽象的題材 五、 器材昂貴或操作具危險性的題材 以上所述係選擇 CAI 題材是可供參考，近年來，電腦科技之進展 一日千里，各式各樣之周邊或附屬設備也應運而生，促使 CAI 的研 發更具潛力，也較有彈性，因此，在選擇 CAI 的題材時，除了需要 考慮題材的適切性外，也要同時考慮軟硬體設備的功能與限制。
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主要優缺點整理如下: 優點 一、 增加互動(Interaction)的機會 二、 滿足個別 (Individual)/個別化(Individualized)教學的需求 三、 可以獲得立即的回饋(Feedback) 四、 培養學生主動的精神 五、 易於監控(Monitoring)學生的學習情形 缺點 一、 需要較昂貴的設備 二、 需要額外的發展技巧 三、 發展費時 四、 限制副學習(Incidental Learning) 五、 減少人際溝通機會，易產生非人性化(Dehumanlization)的問題 貳、 多媒體課程軟體之評鑑 近年來多媒體的電腦輔助教學，已逐漸在教學科技的發展上佔有 重要的地位，透過電腦同時處理、編輯和展現各種不同的媒體(聲音、 影像、視訊、圖畫、動畫和文字)，使得在多媒體的環境下所設計的 電腦輔助教學，已為多數人所樂意接受。 針對此一趨勢，有些電腦軟體公司推出許多多媒體的 CAI，來滿 足大眾的需求，或是製作或設計多媒體的編輯系統，供老師自行設計。 在這些由電腦軟體公司或是老師製作的軟體當中，有些確實可以幫助 學生學習，但是有些卻是品質不佳的課程軟體，容易造成資源浪費或 對使用者產生不良的影響，因此對於目前日益普遍的多媒體 CAI 也 應有一評鑑的標準，作為選擇優良產品的依據。
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Baker et al. [1993]列出十二個項目，作為評鑑多媒體 CAI 的依 據:
一、 吸引性
二、 互動性
三、 適應性
四、 媒體融合適當性(Appropriateness of Multimedia Mix)
五、 互動的方式與型態(Mode and Style of Interaction)
六、 互動的品質(Quality of Style of Interaction)
七、 終端使用者介面品質(Quality of End-User Interface)
八、 學習風格(Learning Style)
九、 督導與評量技術(Monitoring and Assessment Techniques)
十、 內建智慧(Built-in Intelligence)
十一、 適當的學習輔助軟體(Adequacy of Ancillary Learning Support Tools)
十二、 個別團體或分散使用的適用性(Suitability for Single User / Group / Distributed Use)
第四節 數位落差與數位包容
數位落差，亦作數碼鴻溝、數碼隔膜或數碼差距，是指社會上不 同性別、種族、經濟、居住環境、階級背景的人，接近使用數位產品 (如電腦或是網路)的機會與能力上的差異。簡言之，觀察數位落差可 以從接近使用(Access)電腦及網路的機會、以及對於電腦及網路的使 用能力(亦稱之為資訊素養，Information Literacy)這兩大面向來看。 行政院研考會 98 年數位落差調查報告 顯示，國內網路人口較 97 年略降 0.9%，全國 12 歲以上民眾的上網率由 97 年 68.5%降為 67.6%， 推估網路使用人口約 1365 萬人，台灣 e 化人口數量持平，發展暫呈 停滯。此外，網路族上網時間越來越長，每日上網時間由 94 年的 2.3 小時增為 3 小時。 台灣目前每 100 戶家戶，雖有 78 戶能夠上網(78.1%)，能上網家 戶集中於非偏遠地區，低偏遠鄉鎮可上網的比率僅 62.3%，高偏遠鄉 鎮家戶可上網比率只有 57.7%。和 97 年相比，台灣家戶連網率呈現‧
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數位包容(E-Inclusion / Digital Inclusion)係指用來建立一個沒有歧 視的資訊社會所推動之所有政策與活動。在這樣的社會中，個人不會 因為教育程度、性別、年齡、種族以及居住地區之不同，而有不同接 觸與使用資訊的機會。 曾淑芬[2007]針對數位落差的七個問題:全民問題、年長者問題、 偏遠地區問題、貧窮者問題、身心障礙者問題、其他弱勢者問題、一 般人問題，進行政策建言。其中針對年長者的陳述: 「年長者似乎無法脫離『依賴』一詞，所以除了解決年長者近用 和學習使用資通訊設備的技能之外，最重要的是年長者能將自身之所 學融合於生活所需，並將資通訊科技應用於日常生活之中，在未來社 會中不但不再被視為負擔。」 本研究將嘗試透過擴增實境這樣的新興技術，透過使用者介面的 互動性、使用性來降低科技產品的使用門檻，讓更多不同的使用族群 都能夠方便的利用資訊技術。
第五節 醫療衛教文獻回顧
醫療教育是衛生照護體系重要的一環，能使整個國家的衛生改善， 降低可預防的疾病、殘障、甚至死亡的發生率。健康狀況是影響一個 人生活的重要因素，國民的健康更是奠定國家強盛的基石。唯有健康 是與生命的延續息息相關，所以預防保健是首先要建立的觀念。 Simonds 將衛生教育定義成「將個人或群眾由有害的行為引導改 變至現今及未來的健康狀態的一種行為改變」。而他將衛生教育歸類 成三大領域:‧
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表 2-1 衛生教育歸類 場所別/目標人口別 內容別/領域別 過程別/責任別 大學或學院的衛生教育 營養教育 衛生教育諮商者 學校衛生教育 死亡或瀕死教育 衛生教育計畫者 職業衛生教育 性教育 衛生教育教學者 消費者衛生教育 藥物濫用防治教育 衛生教育訓練者 病人教育 癌症教育 衛生教育專家：媒體和 評價方面 社區衛生教育 健康促進 衛生輔導者 全國性衛生教育 疾病防治 社區組織者
Green LW & Krutler MN [1991]認為衛生教育是任何學習的組合， 經設計後用來促使民眾能自願採行健康的行為。邱襟靜[2006]以電腦 多媒體輔助教學進行國小高年級學童之性教育，得到相當正面的結果。 楊正宏、莊麗月、邱世煉等[2003]透過建立情境學習網站進行防疫教 學，有 88%的受訪者認為對學習有所幫助、有 96%的學童在防疫知 識的了解上有顯著的進步。 陳宏亮、陳宏志[民 95]針對數位化 衛生教育教材設計與製作，歸 納出以下五點建議: 一、 設計製作完成一套品質經過標準規範認證檢核完成且具有創 意設計的混合式數位多媒體雛型教材，再經部分補全後就可直接 上傳至企業的學習管理平台(LMS)中，進行線上數位學習的教育 訓練作業。 二、 配合教育部及勞委會數位學習的推動，以此嶄新的數位教材 進行教育訓練，將更有效的提高學員的學習意願與動機，順利達 成教育訓練的目標，保護電腦使用者的健康。 三、 提供企業機構適當的數位教材，訓練出入電腦訓練場所的基
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四、 提供企業界或學界的工業安全衛生專家們，充分瞭解此電腦 使用者衛生知識的數位教材設計策略與開發方法，對有志於開發 其他安全衛生數位教材者，可以參考運用。 降低企業的教育訓練成本，也可提供各企業做為其他數位學習課 程教育訓練改進的範例。
第六節 小結
1950 年代命令行界面的出現至今，新型態的輸入輸出設備不斷的 推陳出新。經過了半個世紀的演化，擴增實境等技術的出現，讓世人 看見掙脫鍵盤滑鼠的可能。也是人機介面由 GUI 走向 TUI 的一個重 要里程碑。 CAI 將資訊力量帶進學術殿堂。任何領域想導入新的資訊科技改 善效率都必須瞭解技術的限制與承擔一定的風險。肯定的是，妥善的 應用資訊科技將可以大幅提升教與學的效率與效能。本研究將探索讓 擴增實境技術走入醫院與教室的可能。 接近使用、資訊技能與素養、網路生活應是數位包容的三個重要 層面，本研究將嘗試透過擴增實境這樣的新興技術，透過使用者介面 的互動性、使用性來降低科技產品的使用門檻，讓更多不同的使用族 群都能夠方便的利用資訊技術。 公共衛生是國家醫療與照護體系的第一道防線，而醫療衛教是其 中最重要的環節之一，良好的醫療衛教將可以令國家與疾病之間的戰 爭達到防範於未然、決勝於千里之外之效。後續章節將以實際的個案 探討讓擴增實境技術融入醫療衛教的各種可能。‧
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第三章 擴增實境發展及應用
本章在說明擴增實境在虛擬及真實現境的相對關係及發展歷史 前，並先對與 AR 相關的混合實境(Mix-Reality, MR)、虛擬實境(Virture Reality, VR)的相對關係說明，有助於了解 AR 在實務應用上的現況及 未來方向。第一節 混合實境、虛擬實境、擴增實境
混合實境也就是把現實世界與虛擬世界合併在一起，從而建立出 一個新的環境以及符合一般視覺上所認知的虛擬影像，在這之中現實 世界中的物件能夠與數位世界中的物件共同存在並且即時的產生互 動。也就是真實環境、擴增實境、擴增虛擬、與虛擬真實環境的混合。 Milgram [1994] 將現實環境與虛擬環境展開為連續關係光譜圖 方式表示，如圖表 2 所示，圖的左邊代表純粹的現實環境，而圖的右 邊代表純粹虛擬的環境，在兩端點間的區域則表示相對擴增現實環境 與虛擬環境中的物件呈現，並以混合真實類別來表示這個區域。因此， 擴增實境是被歸類在現實與虛擬之間，屬於混合實境下的一個類別。 圖 3-1 擴增實境在現實與虛擬間的位置 (資料來源：Milgram al et al. [1994] ) 以表 3-1 說明現實實境、擴增實境(AR)、擴增虛擬(AV)、虛擬實 境的相關屬性的比較，最大的差異是真實元素與虛擬元素的相對關 係。‧
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表 3-1 混合實境的比較表 類 型 現實實境 擴增實境 擴增虛擬 虛擬實境 空 間 屬 性 一個完全的真實 空間場景，沒有 虛擬元素 在現實空間場景 擴增整合虛擬元 素 在增強虛擬空間 場景擴增整合現 實元素 一個完全虛擬的 空間場景及虛擬 元素，沒有真實資 料元素 例 子 如教室、辦公室 等現實環境下沒 有虛擬元素存在 影像輸入現場桌 上的書，即時在影 像中書上顯示 2D 圖片、3D 模型等 虛擬元素，如電影 “關鍵報告＂ 視頻遊戲和 3D 動 畫影片視頻或加 入真實元素，如電 影阿凡達 (AVATAR) PS3，XBOX, 硬件 支持虛擬現實,如 線上虛擬遊戲、預 售屋的虛擬實景 資料來源:本研究歸納整理 圖 2-2 混合實境的虛擬化程度 資料來源:本研究整理 從圖 3-2，混合實境中，擴增實境(AR)、擴增虛擬(AV)到虛擬實 境(VR)運用虛擬物件成度不同，VR 幾乎是完全由虛擬物件組成，相 對在使用 ICT 設備效能要求最高，而 AR 僅在真實環境下加入虛擬 元素(物件、模型、資訊)，硬體規格的限制減少，實用性也相對提高。
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第二節 VR 與 AR 實例比較
由於 VR 系統技術已經很多領域應用，一般稍具電腦操作能力的 大眾都有接觸過，這一節我們用實例來說明相對不熟悉的擴增實境。 一個虛擬實境系統是由電腦完全模擬三度空間的所有元素，包合 場景及在場景中的靜及動態的虛擬物件，圖 3-3 VR 示範照片中的虛 擬實景畫面中，客廳場景、家俱、人物，都是由電腦繪製(Rendering) 出來。 圖 3-3 VR 示範照片 資料來源:國立政治大學資管系虛擬實境實驗室 如圖 3-4 所示，擴增實境的空房子是真實環境的場景，電腦只需 繪製虛擬的沙發與真實場景整合呈現，使用者可以體驗家俱擺設後的 感覺。 在圖 3-4 的 AR 示範照片 a 是一個空房真實空間，並沒有任何虛 擬物件，在照片 b 中，真實空間放入了一個圖標(Marker)的標記後， 照片 c 顯示在圖標定位的位置上「擴增」出一張虛擬的沙發；另外， 照片 d 也可以增加其他虛擬人物在同一場景中。照片 e, f 是表示可以 在真實的物件上擴增虛擬的人物，如：蔣公坐在實體的椅子上。‧
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a b c d e f 圖 3-4 AR 表現示範照片 資料來源：本研究整理 因此，在系統需求來看，因為 AR 系統只有在使用者需要的地方 顯示虛擬物件，由於使用攝影機輸入影像直接做為場景，不需要像 VR 那樣繪製整合場景，AR 系統比 VR 系統不會耗用系統資源。因 此，在消費性移動設備因為系統效能限制下無法使用 VR，但 AR 應 用則不具障礙。
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第三節 擴增實境的發展
壹、 擴增實境歷史及定義 擴增實境發展可沿溯 40 年前，在 1968 年，Ivan Sutherland 在哈 佛大學的一個專案研究，開發出最早的擴增實境原型系統。 1970 年、80 年代，美國空軍、航太總署都有投入研究。直到 1990 年初，波音公司有幾個科學家才創造了「擴增實境」這個名詞。當時 他們正在開發一種實驗性 AR 系統，協助工人裝配管線設備。 而Azuma 在 l997 年的研究中，首先提出的擴增實境有三項必 需的屬性，其將影響人機介面的發展： (1)結合真實與虛擬 (2)即時性的互動 (3)必需在三度空間內。 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 技術日益精進，在使用在移動式設備如手機、PDA 在擴增實境技術 開始廣泛應用於消費性市場。 在 2009 年底從 Google 關鍵字查詢的統計來看，在 2008 年底開始， 擴增實境被關注程度一年內有 5 倍高成長，表示此一新技術的市場創 新應用即將會有更多資源投入。
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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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第四節 擴增實境的應用
壹、 行業別應用方向 一、 廣告： 因為具有即時互動的特點，行銷人員可以使用擴增實境，基於網 路上的擴增實境應用，以透過與客戶互動方式來促銷新產品。如 BEST BUY 讓網友在 DM 上顯示出一台立體 3D 筆記型電腦模型。 圖 3-17 利用擴增實境在型錄上顯示商品的 3D 模型 資料來源：Engadget[2009/8/6] 二、 旅遊： 遊客在參觀某一物品/地點時可以在特定的旅遊地點利 AR 呈現 3D 模型及圖像產生的標籤及說明文案。在 AR 應用可以重建遺址，建 築物，甚至景觀，如歷史場景的重現。結合網路隨時依使用者移動提 供適合的導覽資訊。 三、 娛樂和教育： AR 的符合娛樂和教育領域的特質 1.情景融入、2.即時互動、3.3D‧
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四、 支持複雜的維修任務： 早期的觀念一些工作或任務只要配合訓練即可勝任。直至二次世 界大戰期間才發現，即使是經過特殊訓練，還是無法操作一些複雜的 機器或勝任一些看似簡單的工作，因為這些機器或工作本身已經超出 人的能力極限。 複雜的任務，如組裝，維修，並可以簡化操作的導入，並適當的 時點，出現操作員需要的信息，並提供操作導引。例如，標籤上可以 顯示部分系統操作說明，以引導一名技術工人如何進行維修的作業。 利用隱藏的標誌用在一些醫療診斷或手術引導。例如透過包括即時超 音波或核磁共振裝置得到的數據資料產生斷層掃描圖像，用虛擬透視 方式呈現。醫生可以觀察 母親的子宮內的胎兒。
圖 3-18 是由美國 Columbia 大學 Computer Graphics and User Interface Lab 所開發的 Augmented Reality for Maintenance And
Repair(ARMAR)技術。應用在裝置複雜的裝甲砲塔上，圖右是維修人 員從 HMD 看到擴增顯示出來的維修資訊。
圖 3-19 應用在美國海軍陸戰隊合作在裝甲砲塔上進行測試 資料來源： Steven Henderson et al. [2009]
五、 導航設備： AR 可以增加導航設備的的效果。例如，戶外導航可以增強軍事 行動或災害管理。裝有抬頭顯示器或個人顯示器玻璃的汽車，可以用 來提供導航和交通信息提示。這些類型的顯示器也是目前有用在戰鬥
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六、 虛擬工廠： AR 可以用來比較實物模型與物理實物模型數據的數字，為有效 地模擬製造工廠的作業流程，找出最佳方案。它可以進一步被用來建 廠前的機台設備布置(Layout)模擬規劃，以確保在建廠後的實際正常 有效的運作，可以大幅降低因錯誤設計所產生損失。 七、 軍事和緊急服務： AR 可用於軍事和緊急服務，可穿戴式系統，以提供信息，如說 明，地圖，敵人位置，消防栓位置。 八、 探礦： 在該領域的水文，生態，地質，AR 可用於顯示交互分析地形特 徵。使用者可以使用，修改和分析協作，互動的 3D 地圖。 九、 建築： 可以在模擬預售屋的室內外的場景、裝潢、傢俱擺設，以及模擬 計劃的建設項目。如圖 3-19 原本只是平面圖的房屋廣告型錄，透過 AR 的 3D 呈現，房子結構及內部裝潢讓使用者有更具體的視覺感受。
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圖 3-19 在房屋廣告的平面圖上用 AR 擴增房屋 3D 模型 資料來源：創陽科技 十、 協作 AR 能幫助促進協作團隊成員之間的分配與實際通過會議和虛擬 會議者；協助團隊教育訓練新進人員。 十一、 未來的應用 AR 相關技術在近年快速的發展，雖然在手機的 AR 商業應用已 開始出現，但在更廣大的消費性市場推出更多的應用，仍需要有一些 相關的技術成熟支援。 目前任何實體設備都有可能成為虛擬電子裝置，用來提供生活及 工作的數據資料；時鐘、收音機、機場的入出境告示板，股票報價， 掌上電腦和海報傳單、廣告牌等可改為虛擬設備，在你的家中客廳的 掛的是虛擬的掛鐘，在辦公室你所有的電腦、電話、待辦事項清單整 合在你桌上虛擬視窗觸控板上。不需在工廠生產硬體，唯一的生產成 本就是軟體開發及維護的費用。
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第五節 擴增實境的應用實例
壹、 Markerless 應用 一、 實現 AR 應用方式之一 GPS + Sensor 通過 GPS 取得經緯度和高度，通過電子羅盤取得面向的方向， 通過加速度感應器(G-Sensor)取得手機移動的角度，然後根據這些位 置資訊獲取相關資訊後疊加顯示。使用裝置: 攝像頭、顯示幕、GPS、 電子羅盤、 加速度感知， 再加上 3G 的普及，無線網路的速度提升， 可以從雲端(如 Google Map)獲得資料庫的支援，提供使用者移動資訊 上的應用。 例如：圖 3-20 用手機攝像頭對著十字路口，從上述方式得到資 料直接在手機螢幕路口影像中顯示相關路標資訊。採用這種方式的 AR 應用，在手機上實現最為合適。因為新近推出的手機如 iPhone 3GS 和 Android 上已經具備 GPS、地磁感應器和加速度感應器。目前存在 GPS 精確度問題，地磁感應器容易受到周邊設備(AR 磁器等)的影響。 即使如此，實現相關技術成熟，對效能相對小於桌上型電腦(Desktop) 的移動設備來說，因為即時顯示 2D 圖片資訊，不需複雜的 3D 模型， 採用該方式的 AR 將會最先普及。 圖 3-20 手機使用 GPS、電子羅定位盤顯示地標資訊 資料來源：Treascovery.com[2009]‧
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京"，是一個採用 AR 技術的遺址復原專案。圖 3-21 左邊圖上的古都 建築的虛擬 3D 模型重現在遺址上，使用者可以透過各種 AR 顯示方 式來觀察遺址重現。圖表 3-22 使用者可以帶著類似頭戴顯示器(HMD) 的移動設備在大範圍遺址觀看現場重現。 圖 3-21 日本古都虛擬飛鳥市 資料來源：東京大學網站[2009] 圖 3-22 使用者以移動設備來參觀 資料來源：東京大學網站[2009] 三、 室內博物館導覽 相對於上述日本飛鳥古都是在大範圍遺址重現的應用，荷蘭首都 的考古學博物館 Allard Pierson Museum，如圖 3-23，將 iMac 作為視 窗的擴增實景系統 MovableScreen，用來展示古羅馬的遺跡。使用者 在大屏幕液晶螢幕前，移動屏幕的角色來觀察，其特色也是把在古蹟 廢墟照片中重現古建築原貌，使用者在一固定位置，場景可以變換照 片方式來切換，讓有限空間下有不同展示內容。
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圖 3-23 在博物館內重現古建築 資料來源：Engadget.com[2009]
四、 遊戲機遊戲- The Eye of Judgment
由 SNOY 公司開發的 The Eye of Judgment，結合電視和 Trading Card 的擴增實境的 PS3 遊戲。將遊戲卡(Trading Card)作為圖標，識 別後顯示相對應遊戲角色電腦 3D 模型。 圖 3-24 在桌上的遊戲卡上顯示虛擬人物 資料來源： www.jp.playstation.com[2009] 五、 BMW 的 MINI 汽車 由德國 Metaio 公司開發的擴增實境型錄電子雜誌，訪問 BMW 的 網站後，將雜誌放在攝像頭面前，MINI 車的 CG 廣告會跳出來。讓 原本平面的汽車以擬增 3D 模型的呈現出來，利用動晝特效的表現方 式，把車內裝潢及配備以透視方式展開提供如現場看車的視覺效果。
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圖 3-25 汽車電子型錄 資料來源：www.mini.de[2009] 六、 多媒體立體的電子書 2009 第 14 屆大專校院資訊服務創新競賽 PR1 產業實務組第一名 國立政治大學資管系虛擬實驗室製作的腦部虛擬實境系擬，由創陽科 技配合以結合擴增實境的電子書子系統，用攝像頭讀取書上的標誌圖 片後，在顯示器中顯示相應的 3D 腦部 360 度動畫。有別於傳統使用 電腦鍵盤滑鼠來操作 GUI 的方式，用戶只需翻閱電腦攝像頭前的一 本平面印有特定圖標的手冊，電腦攝像頭會「看」(辨識)到圖標後， 執行相對應的程序，如：播影片、轉動 3D 模型，就如同使用者操作 鍵盤滑鼠操作一樣。 圖 3-26 電子書，顯示腦部血管病因影片及 3D 模型 資料來源:國立政治大學資管系虛擬實境實驗室
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第四章 擴增實境在人機介面的應用探討
本章先就數位落差形成的障礙與人機介面的關聯，並以擴增實境 應用在發展人機介面可以發展的方向及多媒體 CAI 互動性的溝通構 成六個要素來分析。第一節 ICT 人機介面的數位障礙
根據美國網路生活調查報告指出，美國年過六十五歲的銀髮族有 三分之二不知如何使用網際網路。當兒孫輩想要寄電子郵件給祖父母， 快速分享喜悅時，卻總是讓不會使用電腦的銀髮族挫折連連。他們不 會上網，不會使用收信軟體，甚至看到鍵盤和滑鼠就怕。 [http://www.bnext.com.tw/article/view/cid/0/id/4200]另外，Benyon et al. [2009]表示「英國蘇里(Surrey)大學 Robens 健康經濟中心的 Peter Buckle 教授指出，純為大人設計的電腦，會對 兒童造成永久痛苦的傷害。如鍵盤、滑鼠及螢幕位置高度，都不是為 發育中的兒童設計，容易造成肌肉骨格永久傷害」。 近十年來，鍵盤和滑鼠是電腦傳統的數位輸入介面，隨著資 訊科技的發展，個人電腦的軟硬體功能精進，為了讓使用者更方便、 更能感受到樂趣，傳統的人類行為模式的人機介面設計也漸漸受到重 視，原本使用鍵盤滑鼠的應用也開始在人機介面設計上花費一番心思。 例如使用鍵盤和滑鼠模擬人們在日常生活中的一些動作。 壹、 數位落差的形成 由於傳統電腦操作介面是因應電腦軟硬體科技發展導引出非人 類傳統自然行為的操作介面，所以對剛接觸到電腦操作的人需要有一 段學習曲線之過程才能自行操作。這對於如老人、小孩或背景知識較
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經濟合作發展組織(Organization for Economic co-Operation and Development, OECD)認為數位落差，是由於新科技不斷產生，在取用 資訊通訊科技(ICTs)的機會以及運用網際網路各項活動上所產生的落 差。數位落差概念本身不僅是硬體設備接觸有無而已，還包括應用資 訊設備能力的廣度與深度。 Ezster [2002]從這個角度出發，提出了「第二層次數位落差」
(Second-Level Digital Divide)概念，指數位落差不僅只是網路便用不 均等，也是個人之間線上技能(Online Skill)區別變化的層次。因此， 降低及改善數位落差不只是從早期關注在資訊基礎建設，也關注在民 眾資訊處理的能力。 OECD [2001]研究也指出年長民眾上網比率遠低於年輕人，其原 因在於 ICT 的主要進展發生於最近 10 年內，現代 ICT 產品對年長民 眾來說相當陌生，接受程度自然遠不如年輕人。 貳、 數位包容 歐盟資通政策架構「i2010」便以數位包容或社會包容(Social Inclusion)為名，強調要創造為全民所共享之資訊社會，並重申要減少 特定群體之間的數位機會差異。而曾淑芬[2007]表示數位包容資訊政 策，著重在建設以人為本、多重發展和非歧視性的資訊社會，希望縮 減既存的落差。同時，透過 ICT 能建立「可以自在使用的人機互動介 面」及「平易近人的使用介面」都是數位包容目標之一，用以建立數 位社會的無障礙空間。 參、 人機介面的挑戰 除了上述數位落差下的數位弱勢外，如專業的設計工作的學生都 面臨一個問題，人機介面通常也是新進入的使用者面臨的障礙之一， 設計初學者花費大量的時間與體力來重覆練習學習設計工具的使用 Bailey [2005]，才能慢慢的與老師開始討論設計。也就是說使用都必 須學習如何操作才能進行原本要執行的作業。也就是就即使是熟悉
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與早期電腦使用的命令行介面(Command Line)相比，現今被廣泛 使用在 ICT 設備上的 GUI 對於使用者來說，在視覺上較易於接受。 在 ICT 設備圖形使用者介面中，畫面上顯示視窗、圖示、按鍵等圖形， 表示不同目的動作，使用者透過鍵盤滑鼠等指標裝置進行操作，不需 要記憶操作指令。然而，GUI 圖形化介面也並非如大家想像中的實 用，使用者除了先學會鍵盤輸入法才能與電腦溝通，若在 GUI 的設 計風格及設計原則不一致、介面上的視窗、選單使用上依然有其不便 之處，使用者需花更長時間去學習操作。
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第二節 人機互動及有形的使用者介面
這一節我們從人機互動的角度出發，來探討目前普遍應用的圖形 化使用者介面(Graphic User Interface, GUI )與目前研究單位即極發展 的有形的使用者介面的比較。
壹、 人機互動( Human-Computer Interactive, HCI)
人機介面從早期以機器為中心的設計，專注在操作機器設備的輸 入輸出關係的操作，而大多數時候被狹義定義為軟體系統人性化的操 作介面上，但由於智慧型的 ICT 設備發展快速，使用者對人機介面的 應用上更強調以人為中心的人機互動的設計概念。
人類在實體環境的自然行為是從小開始在日常生活中就形成，也 發展出精巧的感知及操控技巧。而現有的 ICT 設備應用 GUI 作為 HCI 仍然是使用傳統觸控板、鍵盤、滑鼠點選視窗來操作，GUI 設計並 不能保證好用，Benyon et al. [2009]表示「是因為設計風格及設計原 則往往被忽略」。因此，拉近人機介面的轉換落差，體現有形的使用 者介面(Tangible User Interface, TUI )是 HCI 的探討主題。
貳、 有形的使用者介面(Tangible User Interface, TUI )
Benyon et al. [2009]表示除去電子世界和物理世界之間的界限，可 以兼得兩者的好處。我們可以跨越圖形化顯示設備的限制，直接在手 邊(Present-to-Hand)進行電腦處理。即「有形的使用者介面，運用了 實體物體、表面和空間，將數位資訊有形地體現出來。」
為了克服在上一節提到的圖形化使用者介面 GUI 之缺點，Ishii et al. 在 MIT [1997]提出有形的使用者介面(Tangible User Interface, TUI ) 也可稱為實體使用者介面，目的是讓使用者可透過實體物品與數位資 訊做互動，並減少學習使用系統的時間。目標主要是跳脫現有主流的 GUI 圖形化介面，發展出一種新的人機介面，以期不再受到傳統電 腦螢幕、視窗作業系統、滑鼠與鍵盤設備的限制，讓工作流程直覺化， 往返真實與虛擬兩個世界。因此我們認為有形的操作介面可以提供使
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使用者將具體熟悉之物件特徵，以直覺方式透過實體物件去控制 媒體內容，如旋轉、縮小放大、移動，轉換成數位表示的呈現。由此 可見，TUI 可用於一般使用者電腦的操作外，亦能讓老人小孩或殘 障人士應用 ICT 設備上，如：幼童的教學活動上，在傳統的講授式教 學外，提供更多元化的互動與教學型態。 參、 GUI 與 TUI 模型比較
Ishii et al. [2002]指出 GUI 的架構可以說是模型—檢視—控制模 式(Model-View-Controller, MVC)。也就是說，使用者使用滑鼠、鍵盤 來輸入(控制)，系統運作功能處理(模型)，然後將結果顯示在螢幕上 (檢視)。 圖 4-1 MVC 模型概念圖 MVC 是一種軟體設計的物件導向(Object Oriented)程式架構。 將軟體系統分為三個基本部分(圖 4-1)：模型(Model)，檢視(View)和 控制器(Control)。目的是因應使用軟體需求的變化，提供一個動態的 軟體開發維護的架構，以便於程式後續的功能擴充和修改。同時也有 助於程式模組分散式開發，開發團隊依專長分組，以物件導向的角度 同時開發不同模組。各組的開發人員可以把不是自己負責部分視為黑 箱(Black Box)，只須瞭解模組輸入輸出的關係，可以簡化結構複雜度 高的系統開發。
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三、 模型 - 程式程式應有的功能(實作演算法等等)、資料庫管 理和資料庫設計(可以實作具體的功能)。 Ishii [2008]將 TUIs 比喻成漂浮在海上的冰山，用海面上比喻是 實體(Physical)的世界，海面下比喻是數位(Digital)虛擬世界。把上述 GUIs 的 MCV 模型對應到 TUIs。 圖 4-2 表示 GUIs 的環境下，使用者使用一般工具如鍵盤滑鼠來 控制(Control)輸入，輸出是以非實體的數位表示 ( Intangible Represention )；而圖 4-3 表示 TUI 的使用者是直接以有形的表示 (Tangible Representation)方式與控制輸入整合，如操作一個方塊，輸 出時是以非實體的數位表示 ( Intangible Represention )在螢幕投影出 方塊的立方體影子出來。 圖 4-2 GUI 模式 資料來源：Ishii et al. [2008]
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圖 4-3 TUI 模式 資料來源：Ishii et al. [2008] 因此我們可以認為在 TUIs 藉由(a)接近和存取使用者的空間認知 (b)採用一種比 GUI 的形式較具體有形的互動風格(如 AR 應用)，提供 使用者一種比較流暢和自然的互動風格。
![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。](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/9libinfo/7623985.132924/26.892.177.757.129.477/近一年被熱機所載之微處理器Micro已具備等同於年代工作性能視覺置.webp)
![圖 3-6 不同的基準圖標系統(Fiducial Marker System)的例圖 資料來源：Fiala [2006] ‧國立 政 治 大 學 ‧National Ch engchi Unive rs it y](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/9libinfo/7623985.132924/27.892.140.798.274.790/不同基準圖標系統Fiducial例圖資料來源Fiala國立政治大學NationalChUniversit.webp)
